Autonomous capture of a free-floating object using a predictive approach

In the past decades, autonomous on-orbit servicing has become a priority for the space industry. One important application is refueling and servicing of satellites. This type of operation requires a system capable of autonomously capturing the client satellite, which is a free-floating object. In this work, a robotic manipulator is used for the interception task. The latter is divided in two phases : the approach and the capture. In the first phase, the pose of the client is estimated and its future trajectory predicted from visual data through a Kalman filter. This information is combined with the robot motion time from a trajectory generator in an iterative procedure to determine the time-optimal interception location. The trajectory of the manipulator is generated from a concatenation of quintics defining the acceleration profile. The robot desired configuration for capture is calculated using the concept of redundancy parameter. In the second phase of the interception, a close-range tracking algorithm is used for fine alignment and capture. The development of the complete interception scheme, simulation and experimental results are presented in this thesis, the latter obtained with the robot-airship facility in the Aerospace Mechatronics Laboratory.Au cours des dernières décennies, l'utilisation de systèmes autonomes afin d'accomplir des tâches en orbite a reçu de plus en plus d'attention de la part de l'industrie aerospaciale. Le ravitaillement, la mise à jour et la réparation de satellites en orbite représente deux applications intéressantes de cette approche. De telles opérations requièrent un system capable de capturer un satellite défectueux (le client) de façon autonome. Dans le cas présent, un bras manipulateur robotisé est utilisé afin d'intercepter le client. L'interception se divise en deux parties distinctes : l'approche et la capture. La première phase consiste à estimer la pose et la trajectoire future du client à l'aide des données provenant d'un système de vision et d'un filtre de Kalman. Le lieu optimal où l'interception aura lieu est ensuite choisie par iteration en tenant compte des données du filtre et de celles du générateur de trajectoire du robot. Cet dernière est créée par la concaténation de polynômes du cinquième degrée définissant la courbe d'accélération des joints. Lors de la seconde phase, un algorithme de pistage est utilisé afin d'obtenir un alignment plus précis et de capturer le client. Cette thèse présente les détails de la méthode d'interception et expose les résultats de simulations numériques et d'expériences. Les résultats expérimentaux ont été obtenues à l'aide d'un bras manipulateur et d'un ballon à l'hélium imitant la trajectoire d'un satellite dans l'espace