SkySails 空中风能系统最优控制的四元数模型

空中风能系统能够在更高海拔处从更高的风速中提取能量。本文考虑的配置基于在泵送轨道中飞行的系留风筝。该泵送循环通过在高系绳张力下放出系绳并驱动发电机发电，同时以“8”字形或双纽线作为横风模式飞行。随后，在保持风筝处于中性位置的同时收回系绳，从而留下净生成能量。为实现经济运行，泵送循环的优化备受关注。本文首先简要回顾空中风能的原理。第一个贡献是基于第一性原理推导的、采用四元数表示的系留风筝动力学无奇点模型。第二个贡献是完整泵送循环的最优控制建模及其数值结果。基于所建立的模型，详细描述了最优控制问题（OCP）的构建，及其在 CasADi 优化环境中基于直接多重打靶法的数值求解。由六个双纽线组成的泵送循环的优化结果表明，该方法能够在几分钟的计算时间内找到最优轨道。对于该最优轨道，在所考虑的测试场景中，其功率输出相比精细的初始猜测提高了一倍。