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Control Barrier Functions for Safe Real-Time Control of Spacecraft Onboard Robotic Manipulators

Loettgen, J. L. und Worrall, Kevin und Aragon-Camerasa, Gerardo und Ceriotti, Matteo und Lampariello, Roberto (2026) Control Barrier Functions for Safe Real-Time Control of Spacecraft Onboard Robotic Manipulators. In: 2025 International Conference on Space Robotics, iSpaRo 2025. IEEE. International Conference on Space Robotics, 2025-12-01 - 2025-12-04, Sendai, Japan. doi: 10.1109/iSpaRo66239.2025.11437383.

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Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/11437383

Kurzfassung

Spacecraft onboard robotic manipulators are increasingly considered for tasks ranging from active debris removal to inspection and maintenance. Real-time control of such systems remains challenging, due to the high dimensional non-linear dynamics and operational constraints. This paper presents a Control Barrier Function (CBF) based safety filter that minimally modifies arbitrary reference control signals to ensure satisfaction of workspace and collision avoidance constraints of a floating-base robot. The filter safety filter ensures simultaneously satisfaction of 37 CBF-induced constraints including platform angular velocity, joint limits, and self-collision avoidance. The filter is deployed onto a simulated 16 Degree-of-Freedom (DoF) free-floating robotic manipulator, that comprises a free-floating platform, actuated in rotation via reaction wheels, and a 7 DoF robotic manipulator. Constraint satisfaction is validated by training an adversarial Reinforcement Learning (RL) controller to provide worst case reference controls. After Validation the RL reference controller is trained to complete end effector full-pose Cartesian-space point-to-point manoeuvres. It is shown that the RL controller can directly map the cartesian task space to joint space actuator commands whilst the proposed filter ensures the systems safety.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/221255/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Control Barrier Functions for Safe Real-Time Control of Spacecraft Onboard Robotic Manipulators
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Loettgen, J. L.University of Glasgow, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Worrall, KevinUniversity of Glasgow, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Aragon-Camerasa, GerardoUniversity of Glasgow, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ceriotti, MatteoUniversity of Glasgow, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lampariello, RobertoRoberto.Lampariello (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:23 März 2026
Erschienen in:2025 International Conference on Space Robotics, iSpaRo 2025
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1109/iSpaRo66239.2025.11437383
Verlag:IEEE
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Orbital Robotics, Control Barrier Functions, Reinforcement Learning
Veranstaltungstitel:International Conference on Space Robotics
Veranstaltungsort:Sendai, Japan
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:1 Dezember 2025
Veranstaltungsende:4 Dezember 2025
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Robotik
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RO - Robotik
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Impulsprojekt Orbitale Nachhaltigkeit [RO], R - Projekt RICADOS
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013) > Autonomie und Fernprogrammierung
Hinterlegt von: Lampariello, Roberto
Hinterlegt am:24 Mär 2026 18:18
Letzte Änderung:24 Mär 2026 18:18

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