In recent years there has been growing interest in autonomous docking manoeuvres. In aerospace they are important and of scientific interest because they allow the development of larger structures or the removal of debris in orbit. The fields of application are manifold, so Experimental Rendezvous in Microgravity Environment Study (ERMES) has as its main objective the design and test of an autonomous docking manoeuvre between two free-flying CubeSats mock-ups. The two mock-ups involved in the experiment are both equipped with a Guidance Navigation and Control (GNC) system and mechanical docking interfaces. During the manoeuvre, they work in a Target-Chaser configuration, where the Chaser is active and the Target is cooperative. In addition, the Chaser is equipped with a cold gas propulsive system based on expendable CO2 cartridges, while the Target is equipped with three reaction wheels. This thesis proposes a software architecture to implement a collaborative GNC system based on the Robot Operating System (ROS). The implementation proposal uses navigation based on the fusion of information from two IMU and a AprilTag detection system, with the aim of improving state estimation. In fact, it is believed that a ROS-based system can benefit the development of the experiment: thanks to the availability of related Open Source libraries, it is possible to increase the complexity of the on-board computation systems without impacting on the development time. The implementation uses a navigation system based on the fusion of the information coming from two IMUs and from the recognition of AprilTags, placed on the face of the Target, with the aim of improving the localization and the estimation of the system status. A test to verify the correct integration of the components is also proposed, and future tests to improve performance under certain conditions are described.

Negli ultimi anni è cresciuto sempre più l'interesse verso le manovre di docking autonomo. In ambito aerospaziale esse son importanti e hanno interesse scientifico perché permettono lo sviluppo di strutture più grandi, oppure la rimozione di detriti in orbita. I campi di applicazione sono molteplici, ed ecco che Experimental Rendezvous in Microgravity Environment Study (ERMES) ha tra i principali obiettivi quello di progettare e testare una manovra di docking autonomo tra due CubeSats mock-ups. I due mockup son provvisti di un sistema di Guida, Navigazione e Controllo e delle interfacce di docking meccanico. Durante la manovra, lavorano in una configurazione Target-Chaser, dove il Chaser è la parte attiva e il Target è cooperativo. Inoltre il Chaser è provvisto di un sistema di propulsione basato su cartucce $\ce{CO_2}$ usa e getta, mentre il Target è dotato di tre ruote di reazione. Questa tesi propone una architettura software per implementare un sistema GNC collaborativo basato su Robot Operating System (ROS). Si crede infatti che un sistema basato su ROS possa avantaggiare lo sviluppo dell'esperimento. Infatti, grazie alla disponibilità di librerie Open Source ad esso correlate, è possibile aumentare la complessità dei sistemi di computazione di bordo senza impattare sui tempi di sviluppo. L'implementazione utilizza un sistema di navigazione basato sulla fusione delle informazioni provenienti da due IMU e dal riconoscimento di AprilTag, posti sulla faccia del Target, con l'obiettivo di migliorare la localizzazione e la stima dello stato del sistema. Viene inoltre proposto un test per verificare la corretta integrazione delle componenti, e descritti test futuri per migliorare le prestazioni in certe condizioni.

Guida, navigazione e controllo per il docking autonomo di un Cubesat

FAVOTTO, FEDERICO
2021/2022

Abstract

In recent years there has been growing interest in autonomous docking manoeuvres. In aerospace they are important and of scientific interest because they allow the development of larger structures or the removal of debris in orbit. The fields of application are manifold, so Experimental Rendezvous in Microgravity Environment Study (ERMES) has as its main objective the design and test of an autonomous docking manoeuvre between two free-flying CubeSats mock-ups. The two mock-ups involved in the experiment are both equipped with a Guidance Navigation and Control (GNC) system and mechanical docking interfaces. During the manoeuvre, they work in a Target-Chaser configuration, where the Chaser is active and the Target is cooperative. In addition, the Chaser is equipped with a cold gas propulsive system based on expendable CO2 cartridges, while the Target is equipped with three reaction wheels. This thesis proposes a software architecture to implement a collaborative GNC system based on the Robot Operating System (ROS). The implementation proposal uses navigation based on the fusion of information from two IMU and a AprilTag detection system, with the aim of improving state estimation. In fact, it is believed that a ROS-based system can benefit the development of the experiment: thanks to the availability of related Open Source libraries, it is possible to increase the complexity of the on-board computation systems without impacting on the development time. The implementation uses a navigation system based on the fusion of the information coming from two IMUs and from the recognition of AprilTags, placed on the face of the Target, with the aim of improving the localization and the estimation of the system status. A test to verify the correct integration of the components is also proposed, and future tests to improve performance under certain conditions are described.
2021
Guidance, Navigation and Control for autonomous docking of a Cubesat
Negli ultimi anni è cresciuto sempre più l'interesse verso le manovre di docking autonomo. In ambito aerospaziale esse son importanti e hanno interesse scientifico perché permettono lo sviluppo di strutture più grandi, oppure la rimozione di detriti in orbita. I campi di applicazione sono molteplici, ed ecco che Experimental Rendezvous in Microgravity Environment Study (ERMES) ha tra i principali obiettivi quello di progettare e testare una manovra di docking autonomo tra due CubeSats mock-ups. I due mockup son provvisti di un sistema di Guida, Navigazione e Controllo e delle interfacce di docking meccanico. Durante la manovra, lavorano in una configurazione Target-Chaser, dove il Chaser è la parte attiva e il Target è cooperativo. Inoltre il Chaser è provvisto di un sistema di propulsione basato su cartucce $\ce{CO_2}$ usa e getta, mentre il Target è dotato di tre ruote di reazione. Questa tesi propone una architettura software per implementare un sistema GNC collaborativo basato su Robot Operating System (ROS). Si crede infatti che un sistema basato su ROS possa avantaggiare lo sviluppo dell'esperimento. Infatti, grazie alla disponibilità di librerie Open Source ad esso correlate, è possibile aumentare la complessità dei sistemi di computazione di bordo senza impattare sui tempi di sviluppo. L'implementazione utilizza un sistema di navigazione basato sulla fusione delle informazioni provenienti da due IMU e dal riconoscimento di AprilTag, posti sulla faccia del Target, con l'obiettivo di migliorare la localizzazione e la stima dello stato del sistema. Viene inoltre proposto un test per verificare la corretta integrazione delle componenti, e descritti test futuri per migliorare le prestazioni in certe condizioni.
GNC
Cubesat
ROS
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/29061