Optimization based guidance for parafoil landing

Abstract

I det raskt utviklende landskapet innenfor privat romfart, er bruken av parafoils for trygg landing av stor interesse. Denne oppgaven, som ligger innenfor konteksten av romladninger, er i regi av arbeidet til SENER Aeropacial, undersøker implementeringen av en sanntid, optimaliseringsbasert veiledningsstrategi for landing ved hjelp av en parafoil.

Ved å utnytte mulighetene til det åpen kildekode-optimaliseringsverktøyet CasADi, er et 3 frihetsgraders (dof) u-lineært, modellprediktivt kontroll (NMPC) veiledningssystem implementert. Dette systemet gir en referanse trajectory som et kontrollsystem kan følge. Oppgaven introduserer også en «U-mønster» terminal landingstrategi, som har tilpasningsevne til å håndtere forskjellige startposisjoner, retninger og vindestimater. I tillegg er det utviklet en algoritme for å initiere optimaliseringen.

De eksperimentelle resultatene fremhever viktigheten av nøyaktig vindestimering for landingen. Selv om denne oppgaven gir innsikt i implementeringen av et 3-dof NMPC veiledningssystem for parafoillandinger, er oppgaven hovedsakelig utført uten å ta hensyn til et detaljert navigasjonssystem, i tillegg til høydeavhengige vindvariasjoner.

Fremtidig arbeid bør fokusere på å innlemme disse aspektene, spesifikt integrasjonen av et omfattende navigasjonssystem og mulig estimering for høydeavhengige vindforhold. Det anbefales også for fremtidig arbeid å utvide studien ved å bruke en høyoppløselig parafoil-systemmodell, ideelt sett basert på et fysisk system.

In the rapidly evolving landscape of private space exploration, the task of safely landing spacecraft using parafoils has garnered significant interest. This thesis, set within the context of space landings and inspired by the work of SENER Aerospacial, examines the implementation of an online optimization-based guidance strategy for landing utilizing a parafoil.

Leveraging the capabilities of the open-source optimization tool, CasADi, a 3-degreesof-freedom (dof) Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) guidance system is implemented. This system provides a reference trajectory for a tracking controller to follow. The research also introduces a U-pattern terminal landing strategy, demonstrating adaptability in addressing different initial positions, headings, and wind estimations. In addition, an algorithm to initiate the NMPC guidance has been developed. The experimental results obtained highlight the significant impact of wind estimation on landing accuracy. Although this study provides insights into the implementation of a 3-dof NMPC guidance system for parafoil landings, it has predominantly been conducted without integrating a detailed navigation system or considering height-dependent wind variations.

Future work should focus on incorporating these aspects, specifically addressing the integration of a comprehensive navigation system and possible accounting for heightdependent wind estimations. Extending the study by using a high-fidelity parafoil system model is also recommended.