Future space missions face increasing safety challenges as Earth’s orbit becomes fuller and fuller: With the growing number of satellites, the risk of collisions rises, potentially requiring emergency de-orbiting maneuvers when actuators fail in order to prevent crashes and further damage. Meanwhile, space missions are becoming safer and more cost-effective through the deployment of small autonomous space robots, such as NASA’s Astrobee. These systems perform routine tasks inside space stations that would otherwise require human astronauts. In case of actuator failures, however, they must also maintain control to protect both equipment and the space station itself. This thesis thus explores control methods for thrust-propelled space robots under actuator failures, using the example of the KTH Freeflyers. The analysis reveals that while single actuator failures can be addressed by adapting existing control schemes, multiple failures introduce nonholonomic constraints and prevent the simple compensation of an actuator. To address this, micro-orbiting is proposed as a strategy that allows to ensure stability for up to three simultaneous actuator failures. The idea is to bring the system on a small scale orbit in which the actuator failures and the orbit dynamics cancel out. A new model is derived, eliminating the nonholonomic constraints by controlling the orbit center. Three controllers are designed: a feedback-linearization-based controller for setpoint- stabilization and two Model Predictive Control (MPC) based controllers for trajectory- tracking. One of the MPC controllers uses a novel approach of designing the terminal ingredients that is based on explicit MPC (eMPC) and shows to increase the terminal set drastically. Simulation results indicate that this second MPC controller is preferred if hardware requirements are met, while the feedback-linearizing controller could serve as an alternative with low-computational needs if necessary.

Framtida rymduppdrag står inför allt större säkerhetsutmaningar i takt med att jordens omloppsbana blir allt fullare: Med det växande antalet satelliter ökar risken för kollisioner, vilket kan kräva nödmanövrer för att ta ner satelliten ur omloppsbanan när ställdonen inte räcker till för att förhindra krascher och ytterligare skador. Samtidigt utvecklas rymduppdragen för att bli säkrare och mer kostnadseffektiva genom att små autonoma rymdrobotar, som NASA:s Astrobee, används. Dessa system utför rutinuppgifter inuti rymdstationer som annars skulle kräva mänskliga astronauter. I händelse av fel på ställdon måste de dock också behålla kontrollen för att skydda både utrustning och själva rymdstationen. I den här avhandlingen undersöks därför kontrollmetoder för tryckdrivna rymdrobotar vid fel på ställdonen, med KTH Freeflyers som exempel. Analysen visar att medan fel på ett enstaka ställdon kan hanteras genom att anpassa befintliga styrsystem, medför multipla fel icke-holonomiska begränsningar och förhindrar enkel kompensation av ett ställdon. För att hantera detta föreslås micro-orbiting som en strategi som gör det möjligt att säkerställa stabilitet för upp till tre samtidiga ställdonsfel. Tanken är att föra systemet till en småskalig omloppsbana där fel på ställdonen och omloppsbanans dynamik neutraliseras. En ny modell härleds, som eliminerar de icke- holonomiska begränsningarna genom att styra omloppsbanans centrum. Tre regulatorer designas: en feedback-lineariseringsbaserad regulator för setpoint- stabilisering och två MPC-baserade regulatorer (Model Predictive Control) för banföljning. En av MPC-styrenheterna använder ett nytt tillvägagångssätt för att utforma terminal ingredients som baseras på explicit MPC (eMPC) och visar sig förstora terminal sets drastiskt. Simuleringsresultaten visar att denna andra MPC-styrenhet är att föredra om hårdvarukraven uppfylls, medan den feedback-lineariserande styrenheten kan fungera som ett alternativ med lägre beräkningskrav om det behövs.