Modeling and Control of a Flexible Space Robot to Capture a Tumbling Debris

La conquête spatiale des 60 dernières années a généré une grande quantité d'objets à la dérive sur les orbites terrestres. Leur nombre grandissant constitue un danger omniprésent pour l'exploitation des satellites, et requiert aujourd'hui une intervention humaine pour réduire les risques de collision. En effet, l'estimation de leur croissance sur un horizon de 200 ans, connue sous le nom de “syndrôme de Kessler”, montre que l'accès à l'Espace sera grandement menacé si aucune mesure n'est prise pour endiguer cette prolifération. Le scientifique J.-C. Liou de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) a montré que la tendance actuelle pourrait être stabilisée, voire inversée, si au moins cinq débris massifs étaient désorbités par an, tels que des satellites en fin de vie ou des étages supérieurs de lanceur. Parmi les nombreux concepts proposés pour cette mission, la robotique s'est imposée comme une des solutions les plus prometteuses grâce aux retours d'expérience des 30 dernières années. La Station Spatiale Internationale (ISS) possède déjà plusieurs bras robotiques opérationnels, et de nombreuses missions ont démontré le potentiel d'un tel système embarqué sur un satellite. Pour deux d'entre elles, des étapes fondamentales ont été validées pour le service en orbite,et s'avèrent être similaires aux problématiques de la désorbitation des débris. Cette thèse se concentre sur l'étape de capture d'un débris en rotation par un bras robotique ayant des segments flexibles. Cette phase comprend la planification de trajectoire et le contrôle du robot spatial, afin de saisir le point cible du débris de la façon la plus délicate possible. La validation des technologies nécessaires à un tel projet est quasiment impossible sur Terre, et requiert des moyens démesurés pour effectuer des essais en orbite. Par conséquent, la modélisation et la simulation de systèmes multi-corps flexibles est traitée en détails, et constitue une forte contribution de la thèse. À l'aide de ces modèles, une validation mixte est proposée par des essais expérimentaux, en reproduisant la cinématique en orbite par des manipulateurs industriels contrôlés par une simulation en temps réel. En résumé, cette thèse est construite autour des trois domaines suivants : la modélisation des robots spatiaux, le design de lois de contrôle, et leur validation sur un cas test. Dans un premier temps, la modélisation de robots spatiaux en condition d'apesanteur est développée pour une forme “en étoile”.