面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节装置与控制方法与流程

本发明属于海上太阳能捕获领域，具体涉及一种面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节装置与控制方法。

背景技术：

能量捕获对于要求有长自持力的海洋结构物来说非常重要，只有尽可能增加对外界能量的捕获能力，才能有效的实现在海洋中的监测，勘察等任务。目前在实际工程应用中，不同的海洋运载器利用的海洋环境能源不同，主要集中在太阳能、波浪能、风能和温差能等方面。目前，太阳能是水面上的海洋结构物主要能量获取源之一。俞建成在《海洋机器人环境能源收集利用技术现状》中指出海洋表面没有覆盖物的遮挡，接受光照的条件较好，平均太阳能功率密度为168w/m²。太阳能主要集中在海水表面，海洋运载器在水面或者浅水航行时，可以通过太阳能电池板将光照转化为电能进行储存并供给海洋运载器使用。

美国emergentspacetechnologies公司发明的oasisasv3无人艇采取倾斜铺设太阳能板的方法，提高太阳能捕获能力，但静态结构环境适应性差，不能对太阳高度和方位的变化作出有效响应。

美国加州大学圣鲁克兹分校制作的太阳能水面机器人seaslug通过压载调节船体的横倾角，使其保持较好的光照入射角度。但这样的航行姿态会增加航行阻力。单纯改变横倾，并不能应对太阳方位以及船艏向的变化。

公开日2012年02月08日，公布号为102349164a,发明名称为“太阳能采集系统”，其中日光跟踪器能够有利地使得光电面板，热日光面板或日光集中器朝着太阳的光线定向。但此发明用于田地，即固定于大地上，并不用考虑海上海洋运载器航向改变，对太阳相对方位角的变化。

以上发明，皆未考虑海洋环境扰动对海洋运载器的影响。例如，海上持续的强风会影响海洋运载器的姿态，太阳能板姿态的偏移对太阳能的捕获影响巨大。需要一种补偿装置，补偿太阳能板位姿的变化。因此，设计一种面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节装置与控制方法，可保证海洋运载器在不同航向、不同时刻和不同地点时太阳能板平面接受太阳光的直射，且面对持续强风干扰时太阳能板位姿相对大地坐标系保持恒定，提高太阳能的捕获能力，进而提升海洋运载器设备的续航力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节装置与控制方法，保持太阳能板接受太阳光直射，保持海洋运载器和太阳能板的相对姿态恒定，以增大太阳能的捕获能力。

本发明的目的是这样实现的：

面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节装置，由四个垂向杆件和四个水平杆件组成，每个垂向杆件分别与两个水平杆件相连，垂向杆件是能够伸缩的，水平杆件中间有弹簧连接。

面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节控制方法，包括以下步骤：

(1)将《太阳高度方位表》数据电子化，作为数据库调用，通过gps得出海洋运载器当前的时间、经度和纬度，通过罗经获取当时海洋运载器航向，推算太阳能捕获装置的最佳姿态角；

(2)计算太阳能捕获装置期望位姿和实际位姿的差值，若大于阈值e1，则通过自动姿态调节装置朝着期望位姿调整；

(3)若遭遇外界持续强风影响，自动姿态调节装置还应能作出姿态补偿，使得太阳能捕获装置姿态角相对与大地坐标系保持恒定；

(4)不断从步骤(1)开始循环，使太阳能捕获装置的实际位姿保持好的捕获角度，提升太阳能板的捕获能力。

所述的位姿调节具体包括：

(2.1)太阳能捕获装置的位姿应遵循下列规则：

其中，太阳相对方位角φrs＝φs-ψ；φs为太阳方位角，ψ为海洋运载器的艏向角；

(2.2)当太阳相对方位在无人艇右面时，太阳高度角为αh，a、c柱应增加高度hs，且hs＝d·tanαh，其中d是太阳能支撑框架在静水中的初始横向宽度，a、c柱位于太阳能捕获装置左侧；其他位姿的调节原理同上；

(2.3)e1应根据当地的日出和日落时间进行调整，且在日出前和日出后e1为90°，且满足下列条件：

其中，t为当时时刻，tsr为日出时间，tss为日落时间。

所述的姿态补偿具体包括：

(3.1)先考虑海洋运载器横倾的变化，因为横倾角度较纵倾大，横倾的位姿补偿是应首要考虑的；

(3.2)当海洋运载器无人艇发生横倾时，太阳能捕获装置左侧的a、c柱应保持这样的长度补偿量：

其中d是太阳能支撑框架在静水中的初始横向宽度；

纵倾的补偿原理同横倾一致；

(3.3)横倾阈值k1和纵倾阈值k2应根据当时海况和能源收集情况改变，若海况恶劣，能源收集效率差，应增大两个阈值，减少自动姿态调节装置的运动，且应满足下列要求：

其中，hw为海洋运载器当时位置的平均波高。

本发明的有益效果在于：

本发明设计的一种面向海洋运载器太阳能捕获的自动姿态调节装置与控制方法，可保证海洋运载器在不同航向、不同时刻和不同地点时太阳能板平面接受太阳光的直射，且面对持续强风干扰时太阳能板位姿相对大地坐标系保持恒定，提高太阳能的捕获能力，进而提升海洋运载器设备的续航力。

附图说明

图1是太阳能捕获自动姿态调节系统原理图；

图2是自动姿态调节装置的示意图；

图3是太阳能捕获装置装载于无人艇上处于静水状态的俯视图；

图4是太阳能捕获装置装载于无人艇上处于静水状态的左视图；

图5是太阳能捕获装置装载于无人艇上处于静水状态的正视图；

图6是太阳相对无人艇的位置图；

图7是太阳能捕获装置采集阳光的实际图；

图8是太阳能捕获装置采集阳光的简化图；

图9是无人艇遭遇持续强风横倾状态图；

图10是无人艇遭遇持续强风横倾状态简图；

图11是无人艇遭遇持续强风纵倾状态图；

图12是无人艇遭遇持续强风纵倾状态简图；

图13是位姿补偿算法流程图；

图14是自动姿态调节装置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明中的海洋运载器是指广义上的各种浮于水面上的船舶、无人艇和海洋浮式结构物等，在本发明中统称为海洋运载器，都在本发明的应用范围内。

图2是自动姿态调节装置的示意图。垂向杆件是可伸缩的，通过不同长度的组合调整太阳能捕获装置的位姿，水平杆件中间有弹簧连接，用于配合垂向杆件伸缩导致上平面面积的变化。图3、图4和图5分别是太阳能捕获装置装载于无人艇上处于静水状态的俯视图、左视图和正视图。其中太阳能捕获装置的四根支撑柱的命名顺序在图3中标明，且他们的长度分别是da、db、dc和dd。

图6示意了随着无人艇航向改变，太阳相对于无人艇的四种位置关系，即太阳相对方位角φrs＝φs-ψ。其中φs为太阳方位角，ψ为海洋运载器的艏向角。如果φrs≥0，说明太阳在无人艇的右边，φrs≤0，说明太阳在无人艇的左边。且太阳能捕获装置的大致位姿应遵循下列规则：

图7和图8示意了太阳相对方位在无人艇右面的情况。当时太阳的高度角为αh，根据几何关系可知最佳太阳能板角应该等于太阳高度角，根据(2)原则，大致位姿应满足左高右低，故a、c柱应增加高度，应增加hs，且hs＝d·tanαh，其中d是太阳能支撑框架在静水中的初始横向宽度。

图9和图10是无人艇受横向持续强风影响发生横倾时的状态。无人艇发生了的横倾，由于无人艇和太阳能板是刚性连接，此时太阳能板与最佳角度发生了偏移，为了保持太阳能板的最佳位姿，以太阳高度90°，左倾为例，a、c柱应保持这样的长度补偿量：

其中d是太阳能支撑框架在静水中的初始横向宽度。

图11和图12是无人艇受纵向持续强风影响发生纵倾时的状态。无人艇发生了θ的纵倾，由于无人艇和太阳能板是刚性连接，同理，为了保持太阳能板的最佳位姿，以太阳高度90°，尾倾为例，c、d柱应保持这样的长度补偿量：

其中l是太阳能支撑框架在静水中的初始纵向长度。

图13表述了面向横倾和纵倾的位姿补偿算法执行的流程图。具体实现步骤如下：

(1)通过位姿传感器获得海洋运载器的横倾角和纵倾角θv，根据当前海况选取合适的阈值k1和k2，计算当前海洋运载器的和θ。

(2)当横倾不满足阈值k1或纵倾不满足k2时，改变a、b、c、d四根支撑柱的长度。本着先调横倾再调纵倾的原则，使得太阳能板的横倾角和大地坐标系保持最佳位姿角。其中k1和k2应根据当时海况和能源收集情况改变，若海况恶劣，导致能源收集效率差，应增大两个阈值，减少自动姿态调节装置的运动。且应满足下列要求：

其中，hw为海洋运载器当时位置的平均波高。

(3)转向步骤(1)，调节a、b、c、d的长度，维持太阳能板与大地坐标系的相对位置恒定。

图14表述了自动姿态调节装置的流程图。具体实现步骤如下：

(1)将《太阳高度方位表》数据电子化，作为数据库调用。通过gps得出海洋运载器当时的时间、经度和纬度，通过罗经获取当时海洋运载器航向。推算太阳能捕获装置的最佳姿态角。

(2)计算太阳能捕获装置期望位姿和实际位姿的差值，若大于阈值e1，则通过自动姿态调节装置朝着期望位姿调整。其中e1应根据当地的日出和日落时间进行调整，且在日出前和日出后e1为90°.且满足下列条件：

其中，t为当时时刻，tsr为日出时间，tss为日落时间。

(3)若遭遇外界持续强风影响，自动姿态调节装置还应能做出姿态补偿，使得太阳能捕获装置姿态角相对与大地坐标系保持恒定。

(4)不断从步骤(1)开始循环，使太阳能捕获装置的实际位姿保持较好的捕获角度，提升太阳能板的捕获能力。