(57)【要約】  本発明は全翼機（２）を制御するための方法に関する。全翼機（２）は、全翼機の翼を通過する流体流れ（１０）によって、所定軌道（１２）に沿って移動するように制御されるように構成される。全翼機は、所定軌道（１２）に沿う全翼機（２）の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面（７）を具備する。全翼機（２）は、基準系であって、ｘ軸が、全翼機（２）が上方で移動する水平面Ｌに沿って水平に方向付けられ、ｙ軸が、鉛直方向においてｘ軸に垂直であり、ｚ軸が、流体流れ（１０）の主方向に沿う方向で水平面Ｌに沿ってｘ軸に垂直である、基準座標系に、位置付けられる。本発明は、さらに、全翼機（２）を備えるシステム（１）と、全翼機（２）と共に使用するためのコンピュータ可読媒体と、にも関する。
2016506333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全翼機（２）が、前記全翼機（２）を通過する流体流れ（１０）によって、所定軌道（１２）に沿って移動するように制御されるように構成され、前記全翼機（２）が、翼（３）と、前記所定軌道（１２）に沿う前記全翼機（２）の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面（７）と、を具備し、前記全翼機（２）は、基準系であって、ｘ軸が、前記全翼機（２）が上方で移動する水平面Ｌに沿って水平に方向付けられ、ｙ軸が、鉛直方向においてｘ軸に垂直であり、ｚ軸が、前記流体流れ（１０）の主方向に沿う方向で前記水平面Ｌに沿ってｘ軸に垂直である、基準系に、位置付けられ、前記全翼機（２）が、前記水平面Ｌに位置付けられた構造体（９）に取り付けられたテザー（８）によって前記水平面Ｌに取り付けられるように構成される、前記全翼機（２）を制御するための方法であって、
前記全翼機（２）の前記制御が、前記全翼機（２）の水平位置と、前記全翼機（２）の鉛直位置と、前記全翼機（２）の機首方位と、前記全翼機（２）のヨーレートと、を用いて実施されるように構成され、前記水平位置、前記鉛直位置、前記機首方位、および前記ヨーレートが測定および／またはモデル化でき、前記方法が、前記機首方位、測定された鉛直位置を得るための圧力、ヨーレート、および速度を測定入力値として使用し、前記方法が、
−  センサフィードバック段階の間、機首方位、鉛直位置、およびヨーレートの測定された値と、水平位置のモデル化された値と、を用いて、前記所定軌道（１２）に沿う前記全翼機（２）の前記移動を制御するステップと、
−  前記所定軌道に沿って所定距離が横切られた後であって、前記鉛直位置の測定された値と前記鉛直位置のモデル化された値との間のずれが閾値未満であるとき、前記センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間で切り替えるステップと、
−  前記モデルフィードバック段階の間、機首方位、鉛直位置、水平位置、およびヨーレートのモデル化された値を用いて、前記所定軌道（１２）に沿う前記全翼機（２）の前記移動を制御するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記方法の前記センサフィードバック段階が、
−  前記測定されたヨーレートを積分することで前記機首方位を連続的に計算するステップと、
−  前記所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、前記測定された鉛直位置に基づいて、前記機首方位を繰り返し適合させるステップと、
−  前記所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、前記測定された鉛直位置に基づいて、前記ヨーレートを繰り返し適合させるステップと、
−  前記センサフィードバック段階と前記モデルフィードバック段階との間の移行を準備するために、前記ヨーレートのモデル化された適合を計算するステップと、
−  前記全翼機（２）のモデル化された水平位置とモデル化された鉛直位置とを、前記全翼機（２）の前記測定された速度および測定された機首方位を用いる推測航法によって計算するステップと、
−  前記全翼機（２）の前記モデル化された水平位置を、前記所定軌道の第１の部分の平均速度および前記所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
−  水平ドリフト速度を、前記所定軌道の第１の部分の平均速度および前記所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
−  前記モデル化された鉛直位置を、前記モデル化された鉛直位置と前記測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
−  鉛直ドリフト速度を、前記モデル化された鉛直位置と前記測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法の前記モデルフィードバック段階が、
−  前記モデル化されたヨーレートを積分することで前記モデル化された機首方位を連続的に計算するステップと、
−  前記所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、前記測定された鉛直平均位置と前記モデル化された鉛直平均位置との間の差に基づいて、前記モデル化された機首方位を繰り返し適合させるステップと、
−  前記所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、前記測定された鉛直位置と前記モデル化された鉛直位置との間の差に基づいて、前記モデル化されたヨーレートを繰り返し適合させるステップと、
−  前記全翼機（２）のモデル化された水平位置とモデル化された鉛直位置とを、前記全翼機（２）の前記測定された速度および測定された機首方位を用いる推測航法によって計算するステップと、
−  前記全翼機（２）の前記モデル化された水平位置を、前記所定軌道の第１の部分の平均速度および前記所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
−  水平ドリフト速度を、前記所定軌道の第１の部分の平均速度および前記所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
−  前記モデル化された鉛直位置を、前記モデル化された鉛直位置と前記測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
−  鉛直ドリフト速度を、前記モデル化された鉛直位置と前記測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップと、
を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記鉛直位置および前記水平位置がデカルト位置であるか、または、前記鉛直位置および前記水平位置がそれぞれ鉛直角度および水平角度である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記機首方位が機首方位センサから得られ、前記圧力が圧力センサから得られ、前記ヨーレートがヨーレートセンサから得られ、前記速度が速度センサから得られる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記全翼機（２）が、流体中を通る前記全翼機（２）の移動によって電気エネルギーを発生させるためのタービン（５）を備え、前記全翼機（２）が沈められる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
翼（３）と、所定軌道（１２）に沿う全翼機（２）の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面（７）と、を具備する前記全翼機（２）を備え、前記全翼機（２）が、前記翼（３）を通過する流体流れ（１０）によって、前記所定軌道（１２）に沿って移動するように構成され、前記全翼機（２）は、基準系であって、ｘ軸が、前記全翼機（２）が上方で移動する水平面Ｌに沿って水平に方向付けられ、ｙ軸が、鉛直方向においてｘ軸に垂直であり、ｚ軸が、前記流体流れ（１０）の主方向に沿う方向で前記水平面Ｌに沿ってｘ軸に垂直である、基準系に、位置付けられる、システム（１）であって、
前記システム（１）が、前記全翼機（２）の制御のために、前記所定軌道（１２）に沿う移動のセンサフィードバック段階の間に、ヨーレート、機首方位、および鉛直位置の測定された値と、水平位置のモデル化された値と、を用い、前記所定軌道（１２）に沿う移動のモデルフィードバック段階の間に、ヨーレート、鉛直位置、水平位置、および機首方位のモデル化された値を用い、前記システム（１）が、前記機首方位、測定された鉛直位置を得るための圧力、ヨーレート、および速度を、測定された入力値として使用することを特徴とするシステム（１）。
【請求項８】
前記システム（１）が、前記水平面Ｌにおける水平面圧力を測定するために、前記全翼機（２）が上方で移動する前記水平面Ｌに配置された水平面圧力センサをさらに備え、前記水平面圧力が、前記全翼機（２）が取り付けられる前記水平面Ｌにわたって、前記全翼機（２）の前記鉛直位置の計算を向上するために用いられる、請求項７に記載のシステム（１）。
【請求項９】
前記全翼機（２）が、前記水平面Ｌに位置付けられた構造体（９）に取り付けられたテザー（８）によって前記水平面Ｌに取り付けられるように構成される、請求項７または８に記載のシステム（１）。
【請求項１０】
前記機首方位が機首方位センサから得られ、前記圧力が圧力センサから得られ、前記ヨーレートがヨーレートセンサから得られ、前記速度が速度センサから得られる、請求項７から９のいずれか一項に記載のシステム（１）。
【請求項１１】
前記機首方位センサが加速度計であり、前記ヨーレートセンサがジャイロスコープであり、前記圧力センサが、前記全翼機（２）の翼面における翼流体圧力を測定し、前記速度センサが、タービン（５）、流速計、または圧力に基づく計測器のうちの１つである、請求項１０に記載のシステム（１）。
【請求項１２】
前記全翼機（２）が、電気エネルギーを発生させるためのタービン（５）を備え、前記全翼機（２）が沈められる、請求項７から１１のいずれか一項に記載のシステム（１）。
【請求項１３】
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実施するためのコンピュータ実行可能な命令を有する全翼機（２）と共に使用するためのコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全翼機を制御するための方法に関する。翼は、翼を通過する流体流れによって、所定軌道に沿って移動するように制御されるように構成される。翼は、所定軌道に沿う全翼機の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面を具備する。全翼機は、基準座標系であって、ｘ軸が、全翼機が上方で移動する水平面に沿って水平に方向付けられ、ｙ軸が、鉛直方向においてｘ軸に垂直であり、ｚ軸が、流体流れの主方向に沿う方向で前記水平面に沿ってｘ軸に垂直である、基準座標系に、位置付けられる。本発明は、さらに、全翼機を備えるシステムと、全翼機と共に使用するためのコンピュータ可読媒体と、にも関する。
【背景技術】
【０００２】
全翼機は、技術的に知られている。全翼機の制御は、全翼機の移動を制御するために、多くの制御翼面を使用する。制御翼面は、全翼機を制御するために必要とされる様々なパラメータについての情報を提供する様々なセンサからの入力に依存する。
【０００３】
今日の解決策は、高負荷に曝されるセンサと共に、多くの機械システムおよび電気システムを伴い得る。これはすべて、全翼機の限られた堅牢性へとつながり、例えば信頼性がより低いという形でといった高いコスト、所望の制御特性を達成するための全翼機のさらなる複雑性、保守性を超過するまでの時間の減少、および、開発時間の増加を伴う。
【０００４】
全翼機について今日用いられている１つの用途は、全翼機をテザーに取り付け、流体流れのエネルギーを任意の適切な手段により電気エネルギーへと変換させることによって、流体流れからエネルギーを作り出すことである。例えば翼面に対するテザーの角度から間接的に、全翼機の位置を測定および制御することは、不正確な方法である。使用されるセンサは、あるレベルのノイズを示すことがあり、そのため、制御翼面を制御するために用いられるとき、制御翼面の不必要な移動のため、機械的疲労を引き起こす。カルマンフィルタなどの従来の解決策は、センサからのすべてのノイズを除去できない。センサは、さらに、流体流れに曝されることから、摩耗を被り得る。
【０００５】
したがって、全翼機を制御するための改良された方法に対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一目的は、前述の問題が部分的に回避される、全翼機を制御するための独創的な方法を提供することである。この目的は、請求項１の特徴とする部分の特長によって達成される。本発明の別の目的は、所定軌道に沿う全翼機の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面を具備する全翼機を備えるシステムを提供することである。この目的は、請求項７の特徴とする部分の特長によって達成される。本発明は、さらに、本発明の方法を実施するためのコンピュータ実行可能な命令を有する、全翼機と共に使用するためのコンピュータ可読媒体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は全翼機を制御するための方法に関する。翼は、翼を通過する流体流れによって、所定軌道に沿って移動するように制御されるように構成される。全翼機は、所定軌道に沿う全翼機の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面を具備する。全翼機は、基準座標系であって、ｘ軸が、全翼機が上方で移動する水平面に沿って水平に方向付けられ、ｙ軸が、鉛直方向においてｘ軸に垂直であり、ｚ軸が、流体流れの主方向に沿う方向で前記水平面に沿ってｘ軸に垂直である、基準座標系に、位置付けられる。全翼機の制御は、全翼機の水平位置、全翼機の鉛直位置、全翼機の機首方位、および全翼機のヨーレートを、制御パラメータとして使用して実施されるように構成される。水平位置、鉛直位置、機首方位、およびヨーレートは、測定および／またはモデル化され得る。本方法は、全翼機の機首方位、測定された鉛直位置を得るための圧力、ヨーレート、および速度を、測定された入力値として使用する。本方法は、以下のステップを含む。
−  センサフィードバック段階の間、機首方位、鉛直位置、およびヨーレートの測定された値と、水平位置のモデル化された値と、を用いて、所定軌道に沿う全翼機の移動を制御するステップ。
−  所定軌道に沿って所定距離が横切られた後であって、鉛直位置の測定された値と鉛直位置のモデル化された値との間のずれが閾値未満であるとき、前記センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間で切り替えるステップ。
−  前記モデルフィードバック段階の間、機首方位、鉛直位置、水平位置、およびヨーレートのモデル化された値を用いて、所定軌道に沿う全翼機の移動を制御するステップ。
【０００８】
本発明の一目的は、できるだけ多くの不必要な部品およびセンサを除去する一方で、それでも全翼機の制御を維持でき、したがって、より堅牢な全翼機を提供することである。さらなる目的は、全翼機を制御するために、モデルフィードバック段階においてセンサ入力を用いないことで、方向蛇サーボへのセンサのノイズのフィードバックを除去し、それによって、エネルギーの発生を改善し、保守コストを低減し、全翼機の破滅的な故障の危険性を低減することである。これは、方法が前述の入力値を用いるだけであり、それによって必要とされるセンサの数を減らすことにおいて、達成される。さらに、モデルフィードバック段階を用いることで、センサフィードバックは、センサ入力が全翼機の制御システムに直接的に供給されないため、残りのセンサからのノイズを効果的に低減するモデルフィードバックによって置き換えられる。本方法は、最適な水平位置に全翼機を位置付け、全翼機を海流の方向に一直線にすることを可能にする。
【０００９】
本方法は、測定された入力値を制御のために最初に使用するが、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後であって、鉛直位置の測定された値と鉛直位置のモデル化された値との間のずれが閾値未満であるとき、フィードバックに向けてモデル化された値を用いることに切り替わる。これは、制御翼面動作に影響を与えるセンサノイズを低減する。
【００１０】
全翼機を制御することができるためには、全翼機の水平位置および鉛直位置と、全翼機の機首方位と、全翼機のヨーレートと、を必要とする。
【００１１】
初期段階では、鉛直位置およびヨーレートの測定された値が、安定した開始を確保するために用いられる。モデルが適合される時間の期間の後、モデルはセンサの代わりに直接的なフィードバックのために使用される。モデルの適合は、モデルフィードバックへの切り替えの後でもなおも行われる。
【００１２】
本発明の利点は、本方法が全翼機を数少ない信頼できる部品で制御することを可能にすることである。全翼機を制御するために必要とされる入力信号は、機首方位、圧力、ヨーレート、および速度だけであるため、これまで使われていた任意の追加的なセンサが排除され得る。これは、全翼機の複雑性を低減する一方で、全翼機をなおも正確に制御させることができる。多くのセンサを除去することで、全翼機が壊れる危険性が低減される。さらに、堅牢でノイズの小さいセンサであるセンサを用いることで、全翼機の制御翼面へのノイズの影響が低減される。さもなければ、制御翼面へと向けられたノイズのある制御信号は、制御翼面に伝わり、制御翼面の可動部品を早期に摩耗させてしまう。これは、本方法のモデルフィードバック段階の間、完全に低減される。追加的な利点には、全翼機を減速させる制御翼面からの以前の不必要な動作が低減されるため、制御における効率の増加が含まれる。センサがより少ないことによる低コスト化、保守コストの低減、および、余分なセンサを使わない全翼機の水平位置の最適化も、有利である。本発明は、以下で説明されるように、センサフィードバック段階およびモデルフィードバック段階で使用される鉛直位置および水平位置を得るための２つの異なる方法を説明している。
【００１３】
センサ方法は、位置および機首方位角度を推定するために、センサを用いる。ヨーレートセンサからの信号は、機首方位角度を見出すために積分され得る。機首方位角度についての初期値として、加速度計から推定されるｇベクトルが用いられ得る。鉛直位置（鉛直デカルト位置または仰角度の形態）が、圧力センサを用いて推定できる。初期水平位置（水平デカルト位置または方位角度の形態）は、測定されないため、推定する必要がある。鉛直および／または水平の位置は、一度定められると、関連する方向における全翼機の速度を積分することで更新できる。
【００１４】
全翼機の位置を見出すための第２の手法は、センサを制御装置へと直接的に用いることのないオンラインシミュレーションを行うことであり、モデルフィードバック段階である。唯一の例外は、全翼機の速度推定である。センサ方法との違いは、鉛直位置が水平位置のように同じく更新されることと、ヨーレートセンサがヨーレートのモデルで置き換えられることと、である。この手法を用いることによる利点は、すべてのセンサノイズが除外でき、これが、より少ないノイズが制御翼面に送られることをもたらす点である。制御翼面ノイズの使用がより少ないため、発電を増加させ、制御翼面システムの耐用時間を延ばすことになる。
【００１５】
位置および機首方位角度の推定を向上するために、モデルは測定からのフィードバックを必要とする。これは、適合として言及されるものによって達成される。圧力センサは、例えば、全翼機がどのように旋回するか、軌道の形がどれだけ傾斜されるか、全翼機が構造体の下流位置に向かってどれだけ素早く引っ張られるかについての情報を提供する。全翼機の速度は、ある方向においてより多くの利用可能な電力があることを指し示すことになる。この情報は、モデルを調整することで制御を改善するために用いられる。この適合は、実際の動力学の優れたモデルを必要とするため、第２の手法（モデルフィードバック段階）にとって不可欠である。
【００１６】
方法のセンサフィードバック段階は、次のステップを含み得る。
−  測定されたヨーレートを積分することで機首方位を連続的に計算するステップ。
−  所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直位置に基づいて、機首方位を繰り返し適合させるステップ。
−  所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直位置に基づいて、ヨーレートを繰り返し適合させるステップ。
−  センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間の移行を準備するために、ヨーレートのモデル化された適合を計算するステップ。
−  全翼機のモデル化された水平位置とモデル化された鉛直位置とを、全翼機の測定された速度および測定された機首方位を用いる推測航法によって計算するステップ。
−  全翼機のモデル化された水平位置を、所定軌道の第１の部分の平均速度および所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
−  水平ドリフト速度を、所定軌道の第１の部分の平均速度および所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
−  モデル化された鉛直位置を、モデル化された鉛直位置と測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
−  鉛直ドリフト速度を、モデル化された鉛直位置と測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
【００１７】
測定された値は、一定の間隔で、つまり、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、適合される。これは、例えば、流体流れの方向の変化または他の外部影響によって引き起こされる所定軌道からのずれを補償することになる。適合は、全翼機を所望の所定軌道から逸脱させる、センサオフセット、または、センサから生じる他の誤差も補償できる。
【００１８】
方法のモデルフィードバック段階は、次のステップを含み得る。
−  モデル化されたヨーレートを積分することでモデル化された機首方位を連続的に計算するステップ。
−  所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直平均位置とモデル化された鉛直平均位置との間の差に基づいて、モデル化された機首方位を繰り返し適合させるステップ。
−  所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直位置とモデル化された鉛直位置との間の差に基づいて、モデル化されたヨーレートを繰り返し適合させるステップ。
−  全翼機のモデル化された水平位置とモデル化された鉛直位置とを、全翼機の測定された速度および測定された機首方位を用いる推測航法によって計算するステップ。
−  全翼機のモデル化された水平位置を、所定軌道の第１の部分の平均速度および所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
−  水平ドリフト速度を、所定軌道の第１の部分の平均速度および所定軌道の第２の部分の平均速度に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
−  モデル化された鉛直位置を、モデル化された鉛直位置と測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
−  鉛直ドリフト速度を、モデル化された鉛直位置と測定された鉛直位置との間の差に基づいて、繰り返し適合させるステップ。
【００１９】
モデル化された値は、一定の間隔で、つまり、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、適合される。更新は、例えば、流体流れの方向の変化または他の外部影響によって引き起こされる所定軌道からのずれを補償するために、１周回〜２０周回ごとの間、具体的には２周回〜１０周回ごとの間、より具体的には３周回ごとの間で行われる。安定した条件では、更新は、２０周回ごとより小さい頻度で行われてもよい。
【００２０】
機首方位は機首方位センサから得ることができ、圧力は圧力センサから得ることができ、ヨーレートはヨーレートセンサから得ることができ、速度は速度センサから得ることができる。堅牢であり、且つセンサフィードバック段階の間に使用されるとき、小さなノイズセンサ入力を生成するセンサを使用することは、有利である。
【００２１】
全翼機は、前記水平面に位置付けられた構造体に取り付けられたテザーによって前記水平面に取り付けられるように構成されてもよい。テザーに取り付けられるとき、全翼機は、全翼機から、テザーが取り付けられた構造体までの距離と等しい半径の球面に沿って移動すると仮定できる。テザーは、流体流れにおいて本質的に固定された位置に、または流体流れを含む位置に固定または留め付けられた構造体に、全翼機を連結および支持するために使用でき、その流体流れの方向は、変化、もしくは、その方向が交互に代わってもよく、または、少なくともそのようになることがあってもよい。
【００２２】
全翼機は、電気エネルギーを発生させるためのタービンを備え得る。エネルギーは、タービンのロータを回転させる、流体中を通る全翼機の移動によって発生される。エネルギーは、テザーを通じてエネルギー分配ネットワークへと運ばれる。本方法は、電力発生のための最良の水平位置に全翼機を位置付け、全翼機を流体の流れの方向に一直線にすることを可能にする。水平位置を適合することで、全翼機は、例えば、海流方向または水平全翼機位置を測定するために必要とされる余分なセンサを使用することなく、電力生成のための最適位置を見出せる。全翼機は沈められ得る。
【００２３】
本発明は、さらに、翼と、所定軌道に沿う全翼機の移動を制御するための少なくとも１つの制御翼面と、を具備する全翼機を備えるシステムに関する。全翼機は、翼を通過する流体流れによって、所定軌道に沿って移動するように構成される。全翼機は、基準座標系であって、ｘ軸が、全翼機が上方で移動する水平面に沿って水平に方向付けられ、ｙ軸が、鉛直方向においてｘ軸に垂直であり、ｚ軸が、流体流れの主方向に沿う方向で前記水平面に沿ってｘ軸に垂直である、基準座標系に、位置付けられる。本システムは、全翼機の制御のために、所定軌道に沿う移動のセンサフィードバック段階の間に、ヨーレート、機首方位、および鉛直位置の測定された値と、水平位置のモデル化された値と、を用い、所定軌道に沿う移動のモデルフィードバック段階の間に、ヨーレート、鉛直位置、水平位置、および機首方位のモデル化された値を用いる。本システムは、全翼機の機首方位、測定された鉛直位置を得るための圧力、ヨーレート、および速度を、測定された入力値として使用する。
【００２４】
本システムは、水平面における水平面圧力を測定するために、全翼機が上で移動する前記水平面に配置された水平面圧力センサをさらに備えてもよく、水平面圧力は、全翼機が取り付けられる水平面にわたって、全翼機の鉛直位置の計算を向上するために用いられる。
【００２５】
本システムの全翼機は、前記水平面に位置付けられた構造体に取り付けられたテザーによって前記水平面に取り付けられるように構成されてもよい。
【００２６】
本システムでは、機首方位は機首方位センサから得ることができ、圧力は圧力センサから得ることができ、ヨーレートはヨーレートセンサから得ることができ、速度は速度センサから得ることができる。
【００２７】
本システムでは、機首方位センサは加速度計であってもよく、ヨーレートセンサはジャイロスコープであってもよく、圧力センサは、全翼機の翼面における翼流体圧力を測定してもよく、かつ任意の適切なタイプであってよく、速度センサは、タービン、流速計、または圧力に基づく速度センサのうちの少なくとも１つを備えてもよい。前述のように、センサが堅牢で、できるだけノイズのないことは、重要である。
【００２８】
本システムでは、全翼機は、流体中を通る全翼機の移動によって電気エネルギーを発生させるためのタービンを備え得る。全翼機は沈められ得る。
【００２９】
本発明は、さらに、前述のように方法を実施するためのコンピュータ実行可能な命令を有する全翼機と共に使用するためのコンピュータ可読媒体に関する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】上方から見たときの本発明によるシステムの概観図である。
【図２】側方から見たときの本発明によるシステムの概観図である。
【図３】後方から見たときの本発明によるシステムの概観図である。
【図４】本発明によるシステムの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明によるシステム１の概観が図１に示されている。システム１は全翼機２を備えており、全翼機２は、翼３と、ナセル４と、電気エネルギーを生成するためのタービン５と、支材６と、少なくとも１つの制御翼面７と、を備えている。システム１は、さらに、全翼機２を構造体９へと取り付けるテザー８を備えている。構造体９は、任意の地上面、または、海、湖、もしくは海洋の底などの表面に位置付けできる。構造体９は、海、湖、または海洋の表面に位置付けられてもよい。構造体９は、好ましくは、所定位置に固定または留め付けられる。したがって、本発明による全翼機のシステム１と全翼機２を制御するための方法とは、地上において、および、水中に沈められての両方で使用できる。全翼機２は、流体流れ１０が翼３にわたって移動し、揚力を作り出すことによって、移動する。流体流れ１０は、例えば、風、潮流、または水中の流れであり得る。制御翼面７を用いることで、全翼機２は、所定軌道に沿って移動するようにされ得る。制御翼面７は、例えば、図１で示されるような方向舵であり得る。制御翼面７は、補助翼、昇降舵、スポイラ、または、補助翼、昇降舵、スポイラ、および方向舵の任意の組合せであってもよい。
【００３２】
全翼機２は、全翼機２上に配置された、または、全翼機２の内部に配置されたセンサをさらに備えている。全翼機２が入力信号を受信するセンサは、機首方位センサ、圧力センサ、ヨーレートセンサ、および速度センサである。入力信号は、本発明による方法を実施するためのコンピュータ実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体を備えている制御システムへと送信される。コンピュータ可読媒体は、集積回路、または、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、またはＲＯＭなどの不揮発性メモリの形態であり得る。コンピュータ可読媒体は、追加的な部品を備え得る全体制御システムの一部を形成している。方法は、任意の適切な数値的方法を用いてコンピュータ可読媒体において実行される。
【００３３】
図１では、全翼機２が、上方から見たとき、全翼機２から、テザー８が取り付けられた構造体９までの距離と等しい半径の湾曲面１１において移動することが、概略的に示されている。モデルはこの移動を調整でき、これは、後でより詳細に説明する。
【００３４】
図２は、側方から見た本発明によるシステム１を示している。図２から、全翼機２が上で移動する水平面Ｌに対する構造体９の位置を見ることができる。構造体９が取り付けられている水平面Ｌは、全翼機２が上で移動する水平面を指し示し、全翼機２の鉛直位置が測定および／またはモデル化されるのは、その水平面からである。水平面Ｌは、構造体９の底において、または、全翼機２に対する水平面Ｌの位置が容易に測定できる限り他の位置において、配置できる。構造体９が海、湖、または海洋の表面に配置される場合、構造体９が取り付けられる水平面Ｌは、全翼機２が下で移動する水平面Ｌを指し示す。本発明による方法は、状況に応じて調整される。
【００３５】
図３は、後方から見た本発明によるシステム１を示している。図３では、全翼機２が、９０°傾けられた８の字の形態で所定軌道１２に沿って移動することを見ることができる。所定軌道１２は、円、楕円、または、鉛直軸線に沿って対称的に鏡映しとされ得る任意の他の所定軌道など、異なる形態を有し得る。
【００３６】
図１〜図３に示された構造体９は、例であるように意図されており、本発明を限定しているように見なされることはない。同じ範囲の移動を可能にする任意の他の形態の構造体が、本発明と共に使用できる。
【００３７】
図１〜図３から、全翼機２に関する１つの基準座標系を説明する。図４から、全翼機に関する別の基準座標系を説明する。
【００３８】
図１および図２では、流体流れ１０の主方向は、矢印の方向で指示されている。図３では、流体流れ１０の方向は図の中へと向かっている。図１〜図３では、ｘは、全翼機２の水平デカルト位置を指し示し、ｙは、全翼機２が上方で移動する水平面Ｌの上方の全翼機２の鉛直デカルト位置を指し示し、ｚは、流体流れ１０の主流動方向、つまり、風の方向、潮流の方向、または同様の方向を指し示している。ｘ＝０の水平デカルト位置は、全翼機２が主流動方向ｚに沿って中心に方向付けられていること、つまり、流体流れ１０の中央に実質的にあることを意味している。以下の説明では、ｘおよびｙの測定された値およびモデル化された値の両方が、デカルト位置である。
【００３９】
全翼機２は、全翼機２の表面または内部に配置されたセンサから受信した次の入力値、すなわち、機首方位φ、測定された鉛直デカルト位置ｙを得るために使用される圧力ｐ、ヨーレート
【数１】
2016506333.tif 000003
および速度ｖを受信する。機首方位φは、機首方位センサから得られ、圧力ｐは圧力センサから得られ、ヨーレート
【数２】
2016506333.tif 000004
はヨーレートセンサから得られ、速度ｖは速度センサから得られる。異なるジャイロスコープが、全翼機２のヨーレートを測定するために用いられ得る。圧力センサまたは使用されるセンサは、全翼機２の翼面において翼流体圧力を測定する。翼流体圧力は、全翼機２が上方で移動する水平面Ｌの上の全翼機２の鉛直デカルト位置を計算するために使用される。加速度計が、全翼機２の機首方位を測定するために用いられる。速度は、例えば、全翼機２に取り付けられたタービン５の１秒間当たりの回転数を用いて、または、流速計によって、測定される。速度は、圧力に基づいたセンサを用いて測定されてもよい。システム１は、全翼機２が上で移動する水平面Ｌの水平面圧力を測定するために使用される追加の圧力センサをさらに備えてもよい。追加の圧力センサは、構造体９上に、または、全翼機２が上で移動する水平面Ｌ上に配置でき、全翼機２の鉛直位置の計算の精度を高めるために使用できる。
【００４０】
φは、全翼機２の機首方位、つまり、全翼機の前部が向く方向を指し示す。φ＝０°は、全翼機２が真っ直ぐ上向きに方向付けられていることを意味し、φ＝９０°は、全翼機２が真っ直ぐ左などに方向付けられることを意味する。これは、図３の基準座標系で指し示されている。
【００４１】
当然ながら、例えば、流体流れの方向を指し示すｚ軸が、図１〜図３に示すものと反対の方向で正であるといった、異なる基準座標系を用いることができる。したがって、同じことがｘ軸およびｙ軸についても可能である。機首方位の測定は、反時計回りではなく時計周りで行われてもよい。
【００４２】
図４は、本発明によるシステムの斜視図を概略的に示している。図４では、第２の実施形態で用いられる第２の基準座標系が示されている。他の特徴は図１〜図３と同じである。図４では、全翼機２の鉛直位置および水平位置は、水平角度Θとも称される方位角度Θと、鉛直角度Φとも称される仰角度Φと、テザー８の長さＲと、を用いて、決定される。図４は、さらに、構造体９の設置深さＤ、つまり、全翼機２が上方で移動する水平面Ｌの深さと、表面の下の全翼機２の深さｄと、を示している。
【００４３】
本発明による全翼機のシステム１と全翼機２を制御するための方法とは、地上において、および、水中に沈められての両方で使用できる。
【００４４】
方法の説明
下付き文字ｍのない変数は測定された値を指し示し、下付き文字ｍのある変数はモデル化された値を指し示す。アクセント記号・（点）のある変数は、その変数の時間に関する導関数を意味している。例えば、
【数３】
2016506333.tif 000005
は、φの時間に関する導関数を意味している。アクセント記号・・（二重点）のある変数は、その変数の時間に関する二次導関数を意味している。例えば、
【数４】
2016506333.tif 000006
は、φの時間に関する二次導関数を意味している。
【００４５】
センサフィードバック段階
センサフィードバック段階では、全翼機２は、モデル化された水平デカルト位置ｘｍ、圧力ｐから得られる測定された鉛直デカルト位置ｙ、測定された機首方位φ、および、測定されたヨーレート
【数５】
2016506333.tif 000007
を用いて制御され得る。
【００４６】
全翼機２の初期機首方位φｉｎｉｔｉａｌが、センサフィードバック段階の開始時に全翼機２に配置された機首方位センサから測定される。
【００４７】
機首方位φは、ヨーレートセンサからのヨーレート
【数６】
2016506333.tif 000008
を積分することで、連続的に計算される。
【数７】
2016506333.tif 000009
【００４８】
機首方位φの誤差を補償するために、機首方位φは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、項φａｄａｐｔａｔｉｏｎを式１に加えることで、測定された鉛直デカルト位置ｙ（ｐから計算されている）に基づいて、繰り返し適合される。
【数８】
2016506333.tif 000010
ここで、
【数９】
2016506333.tif 000011
ここで、
【数１０】
2016506333.tif 000012
は、所定軌道の左側全体にわたって測定された所定軌道の左側の平均深さであり、
【数１１】
2016506333.tif 000013
は、所定軌道の右側全体にわたって測定された所定軌道の右側の平均深さであり、ｋ１は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ１は反復ステップである。
【００４９】
ヨーレートセンサにおける誤差を補償するために、ヨーレート
【数１２】
2016506333.tif 000014
は、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、項
【数１３】
2016506333.tif 000015
を式２に加えることで、測定された鉛直デカルト位置ｙに基づいて、繰り返し適合される。
【数１４】
2016506333.tif 000016
ここで、
【数１５】
2016506333.tif 000017
ここで、
【数１６】
2016506333.tif 000018
は、所定軌道の左側全体にわたって測定された所定軌道の左側の平均深さであり、
【数１７】
2016506333.tif 000019
は、所定軌道の右側全体にわたって測定された所定軌道の右側の平均深さであり、ｋ２は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ２は反復ステップである。
【００５０】
適合
【数１８】
2016506333.tif 000020
が計算されるのと同時に、ヨーレートのモデル化された適合
【数１９】
2016506333.tif 000021
が、センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間の移行を準備するために、計算される。
【数２０】
2016506333.tif 000022
【００５１】
項
【数２１】
2016506333.tif 000023
は、測定された鉛直デカルト位置
【数２２】
2016506333.tif 000024
とモデル化された鉛直デカルト位置
【数２３】
2016506333.tif 000025
との間の差を得るために、測定された鉛直デカルト位置と、モデル化された鉛直デカルト位置と、の平均左側鉛直デカルト位置と平均右側鉛直デカルト位置とを比較することで得られる。
【数２４】
2016506333.tif 000026
【００５２】
モデル化されたヨーレートは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直デカルト位置とモデル化された鉛直デカルト位置との間の差
【数２５】
2016506333.tif 000027
に基づいて、繰り返し適合される。ｋ３は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ３は反復ステップである。
【数２６】
2016506333.tif 000028
および
【数２７】
2016506333.tif 000029
は、それぞれ、
【数２８】
2016506333.tif 000030
および
【数２９】
2016506333.tif 000031
を測定するときに横切られた所定軌道に沿う所定距離に依存して、
【数３０】
2016506333.tif 000032
および
【数３１】
2016506333.tif 000033
と同じであってもよいし、または、同じでなくてもよい。
【００５３】
全翼機２のモデル化された水平デカルト位置ｘｍとモデル化された鉛直デカルト位置ｙｍとは、全翼機２の測定された速度ｖおよび測定された機首方位φを用いる推測航法によって計算される。
【数３２】
2016506333.tif 000034
【数３３】
2016506333.tif 000035
ここで、βは、全翼機２のテザー８とｚ軸との間の角度である。項ｃｏｓβは、全翼機２が球面において移動するという事実を補償する。ｃｏｓβの付加は、球の表面が鉛直方向において湾曲されていることを補償する。同様の方法で球の表面が水平方向において湾曲されていることを補正することも、可能である。これらの補正は、全翼機２がテザー８で構造体９に取り付けられることなく自由に移動している場合には、必要とされない。モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍは、モデルフィードバック段階への切り替えのために準備される。
【００５４】
全翼機２が流体流れ１０の主方向に沿って中心位置から離れるように横滑りできることを補償するために、全翼機２のモデル化された水平デカルト位置ｘｍは、項ｘｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式４に加えることで繰り返し適合される。
【数３４】
2016506333.tif 000036
ここで、
【数３５】
2016506333.tif 000037
ここで、
【数３６】
2016506333.tif 000038
は、所定軌道の第１の部分の測定された平均速度であり、
【数３７】
2016506333.tif 000039
は、所定軌道の第２の部分の測定された平均速度である。ｋ４は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ４は反復ステップである。適合は、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、所定軌道の第１の部分の第１の平均速度
【数３８】
2016506333.tif 000040
が、所定軌道の第２の部分の第２の平均速度
【数３９】
2016506333.tif 000041
と等しいことに基づいている。これは、流体流れ１０の主方向に位置付けられた全翼機２を維持する。
【００５５】
水平デカルト位置をさらに適合させるために、水平ドリフト速度適合
【数４０】
2016506333.tif 000042
が、差
【数４１】
2016506333.tif 000043
となるように、式６に加えられる。
【数４２】
2016506333.tif 000044
ここで、
【数４３】
2016506333.tif 000045
ここで、ｋ５は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ５は反復ステップである。
【００５６】
モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍの誤差を補償するために、モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍは、項ｙｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式５に加えることで、モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍと測定された鉛直デカルト位置ｙとの間の差に基づいて、繰り返し適合される。
【数４４】
2016506333.tif 000046
ここで、
【数４５】
2016506333.tif 000047
ここで、
【数４６】
2016506333.tif 000048
は、全周にわたって測定された平均測定鉛直デカルト位置であり、
【数４７】
2016506333.tif 000049
は、全周にわたって計算された平均モデル化鉛直デカルト位置である。ｋ６は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ６は反復ステップである。
【００５７】
鉛直デカルト位置をさらに適合させるために、鉛直ドリフト速度適合
【数４８】
2016506333.tif 000050
が、差
【数４９】
2016506333.tif 000051
となるように、式８に加えられる。
【数５０】
2016506333.tif 000052
ここで、
【数５１】
2016506333.tif 000053
【数５２】
2016506333.tif 000054
ここで、ｋ７は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ７は反復ステップである。
【００５８】
したがって、センサフィードバック段階における全翼機２の制御は、式７から得られたモデル化された水平デカルト位置ｘｍ、測定された鉛直デカルト位置ｙ（圧力ｐから得られる）、測定された機首方位φ、および、測定されたヨーレート
【数５３】
2016506333.tif 000055
を用いてもよい。
【００５９】
センサフィードバック段階では、全翼機２は、代替で、モデル化された水平角度Θｍ、圧力ｐから得られる測定された鉛直角度Φ、測定された機首方位φ、および、測定されたヨーレート
【数５４】
2016506333.tif 000056
を用いて制御されてもよい。この実施形態では、水平位置は、測定およびモデル化された両方で、絶対位置の代わりの角度として指し示されている。同様に、鉛直位置は、測定およびモデル化された両方で、角度として指し示されている。
【００６０】
測定された鉛直角度Φは、全翼機２が上方で移動する水平面Ｌの上の全翼機の高さから計算される。全翼機上の圧力センサは、表面の下における全翼機の深さを測定する。そして、高さは、構造体９の実際の設置深さＤ、つまり、全翼機２が上方で移動する水平面Ｌの深さと、表面の下における全翼機２の深さｄと、を知ることから計算される。つまり、高さは、図４に示すように、Ｄ−ｄで計算される。設置深さＤは、設置の間に測定されるか、または、水平面圧力センサにより測定されるかのいずれかである。したがって、全翼機の測定された深さは、
【数５５】
2016506333.tif 000057
から計算される。
【００６１】
全翼機２の初期機首方位φｉｎｉｔｉａｌが、センサフィードバック段階の開始時に全翼機２に配置された機首方位センサから測定される。
【００６２】
機首方位φは、ヨーレートセンサからのヨーレート
【数５６】
2016506333.tif 000058
を積分することで、連続的に計算される。
【数５７】
2016506333.tif 000059
【００６３】
機首方位φの誤差を補償するために、機首方位φは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、項φａｄａｐｔａｔｉｏｎを式１’に加えることで、測定された鉛直角度Φ（ｐから計算されている）に基づいて、繰り返し適合される。
【数５８】
2016506333.tif 000060
ここで、
【数５９】
2016506333.tif 000061
ここで、
【数６０】
2016506333.tif 000062
は、所定軌道の左側全体にわたって測定された所定軌道の左側の平均鉛直角度であり、
【数６１】
2016506333.tif 000063
は、所定軌道の右側全体にわたって測定された所定軌道の右側の平均鉛直角度であり、ｋ’１は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ’１は反復ステップである。
【００６４】
ヨーレートセンサにおける誤差を補償するために、ヨーレート
【数６２】
2016506333.tif 000064
は、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、項
【数６３】
2016506333.tif 000065
を式２’に加えることで、測定された鉛直角度Φに基づいて、繰り返し適合される。
【数６４】
2016506333.tif 000066
ここで、
【数６５】
2016506333.tif 000067
ここで、
【数６６】
2016506333.tif 000068
は、所定軌道の左側全体にわたって測定された所定軌道の左側の平均鉛直角度であり、
【数６７】
2016506333.tif 000069
は、所定軌道の右側全体にわたって測定された所定軌道の右側の平均鉛直角度であり、ｋ’２は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ’２は反復ステップである。
【００６５】
適合
【数６８】
2016506333.tif 000070
が計算されるのと同時に、ヨーレートのモデル化された適合
【数６９】
2016506333.tif 000071
が、センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間の移行を準備するために、計算される。
【数７０】
2016506333.tif 000072
【００６６】
項
【数７１】
2016506333.tif 000073
は、測定された鉛直角度
【数７２】
2016506333.tif 000074
とモデル化された鉛直角度
【数７３】
2016506333.tif 000075
との間の差を得るために、測定された鉛直角度と、モデル化された鉛直角度と、の平均左側鉛直角度と平均右側鉛直角度とを比較することで得られる。
【数７４】
2016506333.tif 000076
【００６７】
モデル化されたヨーレートは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直角度とモデル化された鉛直角度との間の差
【数７５】
2016506333.tif 000077
に基づいて、繰り返し適合される。ｋ’３は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ’３は反復ステップである。
【数７６】
2016506333.tif 000078
および
【数７７】
2016506333.tif 000079
は、それぞれ、
【数７８】
2016506333.tif 000080
および
【数７９】
2016506333.tif 000081
を測定するときに横切られた所定軌道に沿う所定距離に依存して、
【数８０】
2016506333.tif 000082
および
【数８１】
2016506333.tif 000083
と同じであってもよいし、または、同じでなくてもよい。
【００６８】
モデル化された水平角度Θｍは、無限小の時間ステップｄｔにわたって、所定軌道に沿う水平方向での無限小のステップｄｌを取ることによって計算される。
ｄｌ＝ｖｃｏｓφｄｔ
ｄΘｍは、次式から計算できる。
【数８２】
2016506333.tif 000084
【００６９】
ｄｌはＲと比べて小さいため、ｄΘｍは、次式のように近似できる。
【数８３】
2016506333.tif 000085
これより、以下のようになる。
【数８４】
2016506333.tif 000086
【００７０】
同様に、鉛直角度Φが、無限小の時間ステップｄｔにわたって、所定軌道に沿う無限小の鉛直方向ステップｄｈを取ることによって計算されることが続く。
ｄｈ＝ｖｓｉｎφｄｔ
ｄΦｍは、次式から計算できる。
【数８５】
2016506333.tif 000087
【００７１】
ｄｈはＲと比べて小さいため、ｄΦｍは、次式のように近似できる。
【数８６】
2016506333.tif 000088
これより、以下のようになる。
【数８７】
2016506333.tif 000089
【００７２】
モデル化された鉛直角度Φｍは、モデルフィードバック段階への切り替えのために準備される。
【００７３】
全翼機２が流体流れ１０の主方向に沿って中心位置から離れるように横滑りできることを補償するために、全翼機２のモデル化された水平角度Θｍは、項Θｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式４に加えることで繰り返し適合される。
【数８８】
2016506333.tif 000090
ここで、
【数８９】
2016506333.tif 000091
ここで、
【数９０】
2016506333.tif 000092
は、所定軌道の第１の部分の測定された平均速度であり、
【数９１】
2016506333.tif 000093
は、所定軌道の第２の部分の測定された平均速度である。ｋ’４は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ’４は反復ステップである。適合は、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、所定軌道の第１の部分の第１の平均速度
【数９２】
2016506333.tif 000094
が、所定軌道の第２の部分の第２の平均速度
【数９３】
2016506333.tif 000095
と等しいことに基づいている。これは、流体流れ１０の主方向に位置付けられた全翼機２を維持する。
【００７４】
水平位置をさらに適合させるために、水平角度ドリフト速度適合
【数９４】
2016506333.tif 000096
が、差
【数９５】
2016506333.tif 000097
となるように、式６’に加えられる。
【数９６】
2016506333.tif 000098
ここで、
【数９７】
2016506333.tif 000099
ここで、ｋ’５は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ’５は反復ステップである。
【００７５】
モデル化された鉛直角度Φｍの誤差を補償するために、モデル化された鉛直角度Φｍは、項Φｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式５’に加えることで、モデル化された鉛直角度Φｍと測定された鉛直角度Φとの間の差に基づいて、繰り返し適合される。
【数９８】
2016506333.tif 000100
ここで、
【数９９】
2016506333.tif 000101
Φｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎ（０）＝０
ここで、
【数１００】
2016506333.tif 000102
は、全周にわたって測定された平均測定鉛直角度であり、
【数１０１】
2016506333.tif 000103
は、全周にわたって計算された平均モデル化鉛直角度である。ｋ’６は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ’６は反復ステップである。
【００７６】
鉛直角度をさらに適合させるために、鉛直角度ドリフト速度適合
【数１０２】
2016506333.tif 000104
が、差
【数１０３】
2016506333.tif 000105
となるように、式８’に加えられる。
【数１０４】
2016506333.tif 000106
ここで、
【数１０５】
2016506333.tif 000107
ここで、ｋ’７は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ’７は反復ステップである。
【００７７】
したがって、センサフィードバック段階における全翼機２の制御は、式７’から得られたモデル化された水平角度Θｍ、測定された鉛直角度Φ（圧力ｐから得られる）、測定された機首方位φ、および、測定されたヨーレート
【数１０６】
2016506333.tif 000108
を用いてもよい。
【００７８】
センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間の切り替え
前述の利点を得るために、全翼機２は、関連するパラメータのモデル化された値が全翼機２の制御のために使用されるモデルフィードバック段階へと切り替わる。切り替えは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後であって、鉛直デカルト位置の測定された値ｙと鉛直デカルト位置のモデル化された値ｙｍとの間の差が閾値ｈ未満であるとき、つまり、ｙ−ｙｍ＜ｈであるとき、行われる。所定距離は、少なくとも１周回、具体的には少なくとも１０周回、より具体的には２０周回であり得る。閾値ｈは、テザー８の長さの０．５％〜５％の間、具体的にはテザー８の長さの１％〜３％の間、より具体的にはテザー８の長さの２％である。閾値ｈが０．５％未満である場合、これは、モデルフィードバック段階への切り替えがめったに起こらないか、または、全く起こらないことになり得る。鉛直デカルト位置の測定された値ｙと鉛直デカルト位置のモデル化された値ｙｍとの間の差が大きすぎる場合、適合は、全翼機の望ましくない挙動をもたらす補正を引き起こす可能性がある。切り替えるときに閾値ｈが大きすぎる場合、これは、全翼機２が、全翼機２が上で取り付けられる水平面Ｌの下に結局はなってしまい、墜落し得ることになるか、または、全翼機２が、水平面Ｌの上の、全翼機にとって安全な高さの上方である鉛直位置に達し得ることになる可能性がある。全翼機は、沈められる場合、全翼機への損傷をもたらす表面に達する可能性がある。したがって、全翼機は、定められた鉛直境界の外へと結局はなってしまう場合、損傷される可能性がある。
【００７９】
センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間の切り替えの先の説明は、測定された鉛直角度Φおよびモデル化された鉛直角御Φｍが測定された鉛直位置およびモデル化された鉛直位置として用いられるときにも当てはまる。したがって、鉛直角度ΦおよびΦｍは、典型的には、鉛直デカルト位置ｙを置き換える。
【００８０】
モデルフィードバック段階
モデルフィードバック段階へと切り替えた後、全翼機２は、モデル化された水平デカルト位置ｘｍ、モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍ、モデル化された機首方位φｍ、および、モデル化されたヨーレート
【数１０７】
2016506333.tif 000109
を用いて制御され得る。
【００８１】
モデル化された機首方位φｍは、モデル化されたヨーレート
【数１０８】
2016506333.tif 000110
を積分することで、連続的に計算される。
【数１０９】
2016506333.tif 000111
ここで、
【数１１０】
2016506333.tif 000112
ここで、
【数１１１】
2016506333.tif 000113
ここで、τは時間定数であり、κは旋回ゲイン、つまり、球面の曲率に関するゲインであり、αは全翼機２の例えば方向蛇の角度である。積κｖαは、単位角度／秒での基準尺度を生み出す。
【００８２】
方向蛇制御装置は、方向蛇の角度αを設定するサーボを制御する。目的は、構造体９が球体中心にあると共にテザー長さＲが半径である球体の表面にある所定軌道に追従することである。全翼機２の位置が与えられると、目標ヨーレートは、位置の誤差、機首方位角度の誤差、カイト速度、および、所定軌道の現在の曲率に基づいて決定される。目標ヨーレートは、方向蛇サーボへと送られる目標方向蛇角度αを計算する内部モデル制御（ＩＭＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｍｏｄｅｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御装置に入力される。
【００８３】
大まかなＩＭＣの考え方は、ヨーレートモデルを反転することである。モデルの誤差がない場合、目標ヨーレートは、所望の目標ヨーレートを生成することになる方向蛇目標となる。モデルの誤差は、誤差（測定されたヨーレート−モデル化されたヨーレート）をフィードバックすることで補償され、所望の目標ヨーレートを補償する。カイト動力学システムがサーボ遅延を含むため、制御装置もこれを補償する。補償レベルは、典型的な設計パラメータである。
【００８４】
φｍは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直平均デカルト位置とモデル化された鉛直平均デカルト位置との間の差
【数１１２】
2016506333.tif 000114
に基づいて、繰り返し適合される。
【数１１３】
2016506333.tif 000115
ここで、ｋ８は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ８は反復数である。項
【数１１４】
2016506333.tif 000116
は、測定された鉛直デカルト位置
【数１１５】
2016506333.tif 000117
とモデル化された鉛直デカルト位置
【数１１６】
2016506333.tif 000118
との間の差を得るために、測定された鉛直デカルト位置と、モデル化された鉛直デカルト位置と、の平均左側鉛直デカルト位置と平均右側鉛直デカルト位置とを比較することで得られる。
【数１１７】
2016506333.tif 000119
【００８５】
モデル化されたヨーレートは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直デカルト位置とモデル化された鉛直デカルト位置との間の差
【数１１８】
2016506333.tif 000120
に基づいて、繰り返し適合される。
【数１１９】
2016506333.tif 000121
【００８６】
したがって、これは、センサフィードバック段階の間に準備された同じ適合が使用される。反復ステップは、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【００８７】
全翼機２のモデル化された水平デカルト位置ｘｍとモデル化された鉛直デカルト位置ｙｍとは、全翼機２の測定された速度ｖおよび測定された機首方位φを用いる推測航法によって計算される。
【数１２０】
2016506333.tif 000122
【数１２１】
2016506333.tif 000123
ここで、βは、全翼機２のテザー８とｚ軸との間の角度である。項ｃｏｓβは、全翼機２が球面において移動するという事実を補償する。付加は、球の表面が鉛直方向において湾曲されていることを補償する。同様の方法で球の表面が水平方向において湾曲されていることを補正することも、可能である。モデルフィードバック段階への切り替えのために準備された、モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍは、ここで使用される。
【００８８】
全翼機２が流体流れ１０の主方向に沿って中心位置から離れるように横滑りできることを補償するために、全翼機２のモデル化された水平デカルト位置ｘｍは、項ｘｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式１２に加えることで繰り返し適合される。
【数１２２】
2016506333.tif 000124
ここで、
【数１２３】
2016506333.tif 000125
ここで、
【数１２４】
2016506333.tif 000126
は、所定軌道の第１の部分の測定された平均速度であり、
【数１２５】
2016506333.tif 000127
は、所定軌道の第２の部分の測定された平均速度である。ｋ４は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ４は反復ステップである。適合は、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、所定軌道の第１の部分の第１の平均速度
【数１２６】
2016506333.tif 000128
が、所定軌道の第２の部分の第２の平均速度
【数１２７】
2016506333.tif 000129
と等しいことに基づいている。これは、流体流れ１０の主方向に位置付けられた全翼機２を維持する。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ４は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【００８９】
水平デカルト位置をさらに適合させるために、水平ドリフト速度適合
【数１２８】
2016506333.tif 000130
が、差
【数１２９】
2016506333.tif 000131
となるように、式１４に加えられる。
【数１３０】
2016506333.tif 000132
ここで、
【数１３１】
2016506333.tif 000133
ここで、ｋ５は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ５は反復ステップである。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ５は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【００９０】
モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍの誤差を補償するために、モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍは、項ｙｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式１３に加えることで、モデル化された鉛直デカルト位置ｙｍと測定された鉛直デカルト位置ｙとの間の差に基づいて、繰り返し適合される。
【数１３２】
2016506333.tif 000134
ここで、
【数１３３】
2016506333.tif 000135
ここで、
【数１３４】
2016506333.tif 000136
は、全周にわたって測定された平均測定鉛直デカルト位置であり、
【数１３５】
2016506333.tif 000137
は、全周にわたって計算された平均モデル化鉛直デカルト位置である。ｋ６は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ６は反復ステップである。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ６は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【００９１】
鉛直デカルト位置をさらに適合させるために、鉛直ドリフト速度適合
【数１３６】
2016506333.tif 000138
が、差
【数１３７】
2016506333.tif 000139
となるように、式１６に加えられる。
【数１３８】
2016506333.tif 000140
ここで、
【数１３９】
2016506333.tif 000141
ここで、ｋ７は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ７は反復ステップである。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ７は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【００９２】
したがって、モデルフィードバック段階における全翼機２の制御は、式１５から得られたモデル化された水平デカルト位置ｘｍ、式１７から得られたモデル化された鉛直デカルト位置ｙｍ、式１０から得られたモデル化された機首方位φ、および、式１１から得られたモデル化されたヨーレート
【数１４０】
2016506333.tif 000142
を用いる。
【００９３】
モデルフィードバック段階へと切り替えた後、全翼機２は、モデル化された水平角度Θｍ、モデル化された鉛直角度Φｍ、モデル化された機首方位φｍ、および、モデル化されたヨーレート
【数１４１】
2016506333.tif 000143
を用いて代替で制御され得る。この実施形態では、水平位置は、測定およびモデル化された両方で、デカルト位置の代わりの角度として指し示されている。同様に、鉛直位置は、測定およびモデル化された両方で、角度として指し示されている。
【００９４】
モデル化された機首方位φｍは、モデル化されたヨーレート
【数１４２】
2016506333.tif 000144
を積分することで、連続的に計算される。
【数１４３】
2016506333.tif 000145
ここで、
【数１４４】
2016506333.tif 000146
ここで、
【数１４５】
2016506333.tif 000147
ここで、τは時間定数であり、κは旋回ゲイン、つまり、球面の曲率に関するゲインであり、αは全翼機２の方向蛇の角度である。積κｖαは、単位角度／秒での基準尺度を生み出す。
【００９５】
φｍは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直平均角度とモデル化された鉛直平均角度との間の差
【数１４６】
2016506333.tif 000148
に基づいて、繰り返し適合される。
【数１４７】
2016506333.tif 000149
ここで、ｋ’８は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｎ’８は反復数である。項
【数１４８】
2016506333.tif 000150
は、測定された鉛直角度
【数１４９】
2016506333.tif 000151
とモデル化された鉛直角度
【数１５０】
2016506333.tif 000152
との間の差を得るために、測定された鉛直角度と、モデル化された鉛直角度と、の平均左側鉛直角度と平均右側鉛直角度とを比較することで得られる。
【数１５１】
2016506333.tif 000153
【００９６】
モデル化されたヨーレートは、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、測定された鉛直角度とモデル化された鉛直角度との間の差
【数１５２】
2016506333.tif 000154
に基づいて、繰り返し適合される。
【数１５３】
2016506333.tif 000155
【００９７】
したがって、これは、センサフィードバック段階の間に準備された同じ適合が使用される。反復ステップｎ’３は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【００９８】
モデル化された水平角度Θｍは、無限小の時間ステップｄｔにわたって、所定軌道に沿う水平方向での無限小のステップｄｌを取ることによって計算される。
ｄｌ＝ｖｃｏｓφｄｔ
ｄΘｍは、次式から計算できる。
【数１５４】
2016506333.tif 000156
【００９９】
ｄｌはＲと比べて小さいため、ｄΘｍは次式のように近似できる。
【数１５５】
2016506333.tif 000157
これより、以下のようになる。
【数１５６】
2016506333.tif 000158
【０１００】
同様に、鉛直角度Φが、無限小の時間ステップｄｔにわたって、所定軌道に沿う無限小の鉛直方向ステップｄｈを取ることによって計算されることが続く。
ｄｈ＝ｖｓｉｎφｄｔ
ｄΦｍは、次式から計算できる。
【数１５７】
2016506333.tif 000159
【０１０１】
ｄｈはＲと比べて小さいため、ｄΦｍは次式のように近似できる。
【数１５８】
2016506333.tif 000160
これより、以下のようになる。
【数１５９】
2016506333.tif 000161
【０１０２】
モデルフィードバック段階への切り替えのために準備された、モデル化された鉛直角度Φｍは、ここで使用される。
【０１０３】
全翼機２が流体流れ１０の主方向に沿って中心位置から離れるように横滑りできることを補償するために、全翼機２のモデル化された水平角度Θｍは、項Θｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式１２’に加えることで繰り返し適合される。
【数１６０】
2016506333.tif 000162
ここで、
【数１６１】
2016506333.tif 000163
ここで、
【数１６２】
2016506333.tif 000164
は、所定軌道の第１の部分の測定された平均速度であり、
【数１６３】
2016506333.tif 000165
は、所定軌道の第２の部分の測定された平均速度である。ｋ’４は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ’４は反復ステップである。適合は、所定軌道に沿って所定距離が横切られた後、所定軌道の第１の部分の第１の平均速度
【数１６４】
2016506333.tif 000166
が、所定軌道の第２の部分の第２の平均速度
【数１６５】
2016506333.tif 000167
と等しいことに基づいている。これは、流体流れ１０の主方向に位置付けられた全翼機２を維持する。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ’４は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【０１０４】
水平位置をさらに適合させるために、水平角速度適合
【数１６６】
2016506333.tif 000168
が、差
【数１６７】
2016506333.tif 000169
となるように、式１４’に加えられる。
【数１６８】
2016506333.tif 000170
ここで、
【数１６９】
2016506333.tif 000171
ここで、ｋ’５は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ’５は反復ステップである。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ’５は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【０１０５】
モデル化された鉛直角度Φｍの誤差を補償するために、モデル化された鉛直角度Φｍは、項Φｍ，ａｄａｐｔａｔｉｏｎを式１３’に加えることで、モデル化された鉛直角度Φｍと測定された鉛直角度Φとの間の差に基づいて、繰り返し適合される。
【数１７０】
2016506333.tif 000172
ここで、
【数１７１】
2016506333.tif 000173
ここで、
【数１７２】
2016506333.tif 000174
は、全周にわたって測定された平均測定鉛直角度であり、
【数１７３】
2016506333.tif 000175
は、全周にわたって計算された平均モデル化鉛直角度である。ｋ’６は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数である。ｎ’６は反復ステップである。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ’６は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【０１０６】
鉛直角度をさらに適合させるために、鉛直角速度適合
【数１７４】
2016506333.tif 000176
が、差
【数１７５】
2016506333.tif 000177
となるように、式１６’に加えられる。
【数１７６】
2016506333.tif 000178
ここで、
【数１７７】
2016506333.tif 000179
【数１７８】
2016506333.tif 000180
ここで、ｋ’７は、所望の適合値に向けた適合の適切な収束を可能にする値に設定された調整変数であり、ｔは所定軌道に沿って所定距離を完了するための時間である。ｎ’７は反復ステップである。これは、センサフィードバック段階におけるのと同じ適合である。反復ステップｎ’７は、モデルフィードバック段階への切り替えの際、リセットされてもよい。
【０１０７】
したがって、モデルフィードバック段階における全翼機２の制御は、式１５’から得られたモデル化された水平角度Θｍ、式１７’から得られたモデル化された鉛直角度Φｍ、式１０’から得られたモデル化された機首方位φ、および、式１１’から得られたモデル化されたヨーレート
【数１７９】
2016506333.tif 000181
を用いる。
【０１０８】
調整変数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ５、ｋ６、ｋ７、ｋ８およびｋ’１、ｋ’２、ｋ’３、ｋ’４、ｋ’５、ｋ’６、ｋ’７の値は、システム１に適切な収束をもたらすために試験することによって得られる。ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５、ｎ６、ｎ７、ｎ８およびｎ’１、ｎ’２、ｎ’３、ｎ’４、ｎ’５、ｎ’６、ｎ’７は、すべての適合について等しくてもよいし、または、等しくなくてもよい反復パラメータである。反復パラメータがセンサフィードバック段階とモデルフィードバック段階とについて同じである場合、反復パラメータは、センサフィードバック段階とモデルフィードバック段階との間で切り替えるとき、リセットされてもよい。
【０１０９】
特許請求の範囲で言及される符号は、請求項によって保護される事項の程度を限定するとして理解されるべきではなく、符号の唯一の役目は、請求項を理解しやすくすることである。
【０１１０】
理解されるように、本発明は、すべて添付の特許請求の範囲の権利範囲から逸脱することなく、様々な明白な点において改良できる。したがって、図面および説明は、本質的に例示として解釈されるものであり、限定的ではない。例えば、図はすべてテザーの取り付けられた全翼機を描写しているが、全翼機はテザーによって構造体に取り付けられていなくても機能できる。さらに、ΦおよびΘの計算は、水中に沈められて、または、水の上方において配置される、本発明による全翼機に対して、容易に適合できる。水の上方では、構造体は、水面または陸地に配置できる。
【０１１１】
設置深さＤは、図に指し示されている以外の場所に対して測定されてもよい。同様に、座標系の位置は、必要であれば、他の場所に適合されてもよい。
【符号の説明】
【０１１２】
１  システム
２  全翼機
３  翼
４  ナセル
５  タービン
６  支材
７  制御翼面
８  テザー
９  構造体
１０  流体流れ
１１  湾曲面
１２  所定軌道
Ｒ  長さ
Θ  方位角、水平角
Φ  仰角、鉛直角
Ｄ  構造体９の設置深さ
ｄ  全翼機２の深さ
【図１】
2016506333.tif 000182
【図２】
2016506333.tif 000183
【図３】
2016506333.tif 000184
【図４】
2016506333.tif 000185
【国際調査報告】
2016506333.tif 000186
2016506333.tif 000187
2016506333.tif 000188