本发明涉及一种系绳式洋流发电机“8”字形运动轨迹控制方法。
背景技术：
系绳式洋流发电机是一种将发电涡轮挂在机翼下方，机翼通过系留绳系在一个固定锚点上，利用洋流在机翼上产生的前进方向升力分量往复运动的发电机。这种发电机的发电涡轮进口水流速度可达洋流速度的数倍，而传统的固定式洋流发电机的发电涡轮进口水流速度仅能达到洋流速度。由于发电能力与发电涡轮进口水流速度的三次方成正比，系绳式洋流发电机的发电能力与固定式洋流发电机相比发电能力极大提高，且在低速洋流下的起动能力较强。如何控制发电机在洋流中往复运动，从而持续产生数倍于洋流速度的运动速度和涡轮进口水流速度，是系绳式洋流发电机的关键技术。为避免往复运动时系留绳发生自缠绕，可控制发电机在洋流中以“8”字形轨迹运动。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题：设计一种系绳式洋流发电机“8”字形运动轨迹控制方法。该方法逻辑简单、存储量小，便于在嵌入式系统中实现；产生的航向角指令光滑无跳变，且对初始位置和速度不敏感，运行稳定、鲁棒性强。
本发明的技术方案：一种系绳式洋流发电机运动轨迹控制方法，所述的运动轨迹为"8"字形运动轨迹，步骤如下：
(1)将运动轨迹分解为两个圆弧及4个圆弧的外切线段，并将圆弧离散为顺次连接的线段，进而将整个运动轨迹区域划分为顺次且首末区相连的区位；
(2)发电机在运动过程中，根据发电机当前所处的区位进行运动轨迹控制并实时判断发动机是否越过当前区位，若越过当前区位，则按照步骤(1)的顺次切换到下一个区位：若发电机处于圆弧的外切线段所在的区位时，控制发电机的航向与外切线段的方向保持一致；若发电机处于圆弧的离散线段所在的区位时，控制发电机的航向垂直于发电机当前位置到区位所处圆弧圆心的连线，且指向运动方向。
进一步的，按照发电机运动方向，通过步骤(1)中每条线段终点的垂线将整个运动轨迹区域划分为顺次且首末区相连的区位。
进一步的，步骤(1)中将圆弧离散为顺次连接的线段要求与圆弧的外切线段相连接的圆弧离散线段与圆弧的外切线段设计在一条直线上。
进一步的，步骤(1)中将圆弧离散为顺次连接的线段中离散的每个线段对应的圆心角为15-45°。
进一步的，步骤(1)中圆弧半径长度与该圆弧的外切线段长度的比为0.1-1。进一步的，步骤(1)中两个圆弧半径长度的比为0.1-10。
进一步的，同一个圆弧的两个外切线段的长度比为0.5-2。
进一步的，通过判断发电机是否越过当前区位线段终点的垂线来判断是否越过当前区位。
进一步的，判断由当前区位线段终点指向发电机位置的矢量，与当前区位线段终点指向线段起点的矢量的点积，若为负则已越过当前区位，若非负则仍处于当前区位。
进一步的，通过跟踪航向角指令实现发电机运动轨迹的控制，其中不同区位的航向角指令通过下述方式计算：
令，psic为航向角指令，假设p位于pnpn+1区位，则
当pnpn+1区位为圆弧的外切线段所在的区位时，
psic＝arctan2(pn+1y-pny,pn+1z-pnz)(2)
psic计算方式如式(2)所示，其中pny，pnz分别为点pn的y坐标和z坐标；
当pnpn+1区位为圆弧离散线段所在的区位且发电机运动方向为顺时针方向时，
psic＝π-arctan2(pz,py-o1y)(3)
py，pz分别为点p的y坐标和z坐标，o1y为当前区位所在圆弧圆心的y坐标；
当pnpn+1区位为圆弧离散线段所在的区位且发电机运动方向为逆时针方向时，
psic＝-arctan2(pz,py-o2y)(4)
o2y为当前区位所在圆弧圆心的y坐标；
若式(2)～式(4)计算出的psic为负，应如式(5)所示对psic进行处理：
psic＝psic+2π(5)。
本发明与现有技术相比的优点如下：本方法将“8”字形运动轨迹设计为2个圆弧及4个圆弧的切线段，并将圆弧离散为顺次连接的线段；在发电机运动过程中，通过计算发电机与这组线段的区位关系来确定和切换发电机的航向指令；通过设计线段间的角度关系来保证航向指令切换时光滑无跳变。本方法逻辑简单、存储量小，便于在嵌入式系统中实现；产生的航向角指令光滑无跳变，且对初始位置和速度不敏感，运行稳定、鲁棒性强。
附图说明
图1“8”字形运动轨迹与其离散线段示意图
图2“8”字形实际轨迹示意图
图3“8”航向角指令示意图
具体实施方式
本发明涉及一种系绳式洋流发电机"8"字形运动轨迹控制方法，步骤如下：
(1)将"8"字型运动轨迹设计为两个圆弧及4个圆弧的外切线段，并将圆弧离散为顺次连接的线段；圆弧的外切线段的垂线、圆弧的离散线段终点的垂线将轨迹附近区域划分为顺次连接的区位，且末区位与首区位相连；为了避免航向角指令切换时的跳变，与圆弧的外切线段相连接的圆弧离散线段须与圆弧的外切线段设计在一条直线上，这样不论发电机按照怎样的方向开始运动，都能避免航向指令的跳变。当然若预先设定好发电机的运动方向，则只需要将由圆弧线段运动到外切线段方向的与圆弧的外切线段相连接的圆弧离散线段与圆弧的外切线段设计在一条直线上即可。
上述将圆弧离散为顺次连接的线段中离散的每个线段对应的圆心角为15-45°。
(2)发电机在运行过程中，计算发电机与上述各组线段的区位关系来确定和切换发电机的航向角指令：具体通过判断是否越过当前区位线段终点的垂线来判断是否越过该区位，越过该区位则切换到下一区位。越过末区位时则切换到首区位，具体的：判断由当前区位线段终点指向发电机位置的矢量，与当前区位线段终点指向线段起点的矢量的点积，若为负则已越过当前区位，若非负则仍处于当前区位。
通过判断发电机当前所处区位，对发电机进行控制，具体的：当发电机位于圆弧的外切线段区位时，发电机的航向与外切线段的方向保持一致；当发电机位于圆弧的离散线段区位时，发电机的航向垂直于发电机当前位置到所处圆弧圆心的连线。
实施例
图1给出了“8”字形运动轨迹与其离散线段在zoy坐标系中的示意，其中，y坐标方向为平行于两个圆弧圆心连线的方向。设计“8”字形运动轨迹由圆弧p2p6p10、圆弧p12p16p20、线段p1p2、p1p10、p1p12、p1p20组成。其中p1p2、p1p10是圆弧p2p6p10的切线段，切点分别为p2、p10；p1p12、p1p20是圆弧p12p16p20的切线段，切点分别为p12、p20。
将圆弧p2p6p10和圆弧p12p16p20分别离散成若干顺次连接的线段。本例中，将圆弧p2p6p10离散为p2p3、p3p4、...、p9p10共8条线段，同样将圆弧p12p16p20离散为p12p13、p13p14、...、p19p20共8条线段。其中，应保持与圆弧的切线段相连接的圆弧离散线段与切线段在一条直线上，本例中，保持p2p3与p1p2在一条直线、p9p10与p10p11在一条直线、p12p13与p11p12在一条直线、p19p20与p20p21在一条直线，这里点p1、p11、p21是重合的点。当然若按照图3所示的运动方向，只需将p9p10与p10p11设计在一条直线、p19p20与p20p21设计在一条直线即可满足航向角指令防跳变要求。
虚线a2b2与线段p1p2垂直，并通过p1p2的终点p2，同理，虚线a3b3与线段p2p3垂直，并通过p2p3的终点p3、...、虚线a10b10与线段p9p10垂直,并通过p9p10的终点p10...。这些垂线段将运动轨迹附近区域分成相互连接的区位，称垂线a2b2和a3b3之间的区位为p2p3区位、垂线a3b3和a4b4之间的区位为p3p4区位、...，共20个区位。
假定发电机起始位置p在线段p1p2附近，即在p1p2区位内，在发电机运动过程中，通过判断向量p2p与向量p2p1的矢量点积是否为负来判断p是否越过垂线a2b2，即已离开p1p2区位，位于p2p3区位。向量p2p与向量p2p1的矢量点积如式(1)所示。其中p1y，p1z为点p1的y坐标和z坐标，p2y，p2z为点p2的y坐标和z坐标，py，pz为点p的y坐标和z坐标。
若向量p2p与向量p2p1的矢量点积为负，则p已越过垂线a2b2，位于p2p3区位，否则位于p1p2区位。若已位于p2p3区位，则在发电机运动过程中不断判断向量p3p与向量p3p2的矢量点积是否为负来判断p是否越过垂线a3b3...，依此类推。当p位于p20p21区位时，在发电机运动过程中，仍然利用矢量点积条件判断是否已离开p20p21区位，而位于p1p2区位。
psic为航向角指令，p位于pnpn+1区位，则
(1)、当n＝1,10,11,20时，psic计算方式如式(2)所示，其中pny，pnz分别为点pn的y坐标和z坐标。
psic＝arctan2(pn+1y-pny,pn+1z-pnz)(2)
(2)、当2≤n≤9时，psic计算方式如式(3)所示，其中py，pz分别为点p的y坐标和z坐标，o1y为圆弧p2p6p10的圆心y坐标。
psic＝π-arctan2(pz,py-o1y)(3)
(3)、当12≤n≤19时，psic计算方式如式(4)所示，其中o2y为圆弧p12p16p20的圆心y坐标。
psic＝-arctan2(pz,py-o2y)(4)
(4)、若式(2)～式(4)计算出的psic为负，应如式(5)所示对psic进行处理。
psic＝psic+2π(5)
图2给出该方法产生的航向角指令，可见航向角指令光滑无跳变。
图3给出该方法控制下发电机的实际运行轨迹。由图3可知，当起始点与运动轨迹相距较远时，该方法仍可以控制发电机以“8”字形轨迹往复运动。可见该方法对初始位置不敏感，运行稳定、鲁棒性强。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。