modeling, robust control design and analysis of time-varying complex space missions involving large flexible structures

Modélisation, commande robuste et analyse de missions spatiales complexes, flexibles et non stationnaires La complexité des missions spatiales a augmenté de façon exponentielle, avec des exigences croissantes en matière de performance, de précision et de robustesse. Cette évolution est due à la fois aux progrès technologiques et à la nécessité de satisfaire de nouveaux défis, tels que les satellites en rotation (spinnés), l'assemblage en orbite et le service en orbite. Ces missions nécessitent l'intégration de systèmes mécaniques complexes, notamment des réservoirs de carburant liquide et ballotant, des systèmes de pointage précis et des structures flexibles qui présentent généralement des modes à basse fréquence, proches en fréquence et peu amortis. À mesure que les engins spatiaux deviennent plus modulaires avec plusieurs composants interconnectés tels que les antennes et les charges utiles, il est essentiel de modéliser et de contrôler avec précision ces systèmes multicorps complexes. Les interactions entre les structures flexibles et les systèmes de contrôle peuvent avoir un impact significatif sur les tâches critiques telles que le contrôle de l'attitude et la précision du pointage. Il est donc essentiel de prendre en compte les dynamiques couplées et les perturbations externes pour garantir le succès de la mission.Afin de résoudre ces problèmes, cette thèse présente une approche unifiée de la modélisation et du contrôle des systèmes multicorps flexibles dans les missions spatiales. Elle utilise des modèles de représentation fractionnaire linéaire (LFR) pour capturer efficacement la dynamique complexe et les incertitudes inhérentes à ces scénarios. La recherche commence par la dérivation d'un modèle LFR pour une poutre extsc{Euler}- extsc{Bernoulli} flexible et en rotation, prenant en compte les forces centrifuges et leur dépendance par rapport à la vitesse angulaire. Ce modèle à six degrés de liberté (DOFs) intègre les dynamiques de flexion, de traction et de torsion et est conçu pour être compatible avec l'approche des ports à deux entrées et deux sorties (TITOP), permettant de modéliser des systèmes multicorps complexes. Ce manuscrit présente également un modèle multicorps pour un scénario de mission de vaisseau spatial en rotation, suivi de la conception d'un système de contrôle.La thèse étend l'application des modèles LFR à une mission de service en orbite, en se concentrant sur le contrôle robuste de la dynamique d'attitude malgré les incertitudes et les paramètres variables du système. Une nouvelle approche de modélisation pour le mécanisme d'amarrage est introduite pour prendre en compte les propriétés dynamiques de rigidité et d'amortissement de la chaîne cinématique en boucle fermée formée par le véhicule chasseur et le véhicule cible. Un système de contrôle par rétroaction assurant une stabilité et des performances robustes pendant toutes les phases de la mission est proposé et validé par une analyse structurée des valeurs singulières.A partir de ces éléments, la thèse développe finalement une méthodologie complète pour la modélisation d'une mission d'assemblage en orbite impliquant un robot à bras multiples construisant une grande structure flexible. Ce travail aborde également la dynamique de couplage entre le robot et la structure évolutive tout en considérant les changements significatifs d'inertie et de flexibilité au cours du processus d'assemblage. Un algorithme d'optimisation de planification de tâches est finalement proposé pour assurer des opérations robotiques stables et efficaces, mettant en évidence l'efficacité de l'approche de modélisation basée sur la représentation LFR.