JP2017109528A - 風力発電機を備えた係留気球及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】それが備える風力発電機を風が吹いてくる向きに向けられる係留気球を提供する。【解決手段】係留気球１０は、浮力を得るためのエンベロープ２０と、エンベロープ２０に設けられた風力発電機３０と、係留気球１０の姿勢制御のための可動翼４２，４３，４６と、係留気球１０の姿勢を検出する姿勢検出器と、係留気球１０に作用する風を検出する風検出器と、姿勢検出器及び風検出器の出力に基づいて、風が吹いてくる向きに風力発電機３０が向くように可動翼４２，４３，４６をフィードバック制御するコントローラと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機を備えた係留気球及びその制御方法に関するものである。

係留気球とは、ロープなどのテザー（ｔｅｔｈｅｒ）によって地上に係留される気球である。係留気球は、例えばカメラを搭載することで、監視用に用いられる。係留気球は、地上に固定されているため、一般的には、制御・操縦は行われない。

特表２０１５−５０６８６９号公報

石森祐基，深尾隆則，佐伯一夢，河野敬，"屋外型飛行船ロボットの自動着陸制御"，日本機械学会論文集（Ｃ編）７６巻７７２号（２０１０−１２），一般社団法人日本機械学会，２０１０

大規模地震などの災害後においては、発電機を被災地において迅速に設置・運用することが求められる。かかる観点において、風力発電機を備えた係留気球は、非常に有用である。また、風力発電機を備えた係留気球は、災害後の利用に限られず、平常時における風力発電のためにも有用である。

風力発電機は、発電効率を考慮すると、風が吹いてくる向きに向くことが望まれる。そこで、係留気球に搭載された風力発電機も、風向きに応じて向きを変えられることが望まれる。

ここで、カメラを搭載した監視用係留気球においては、カメラが比較的小型である。したがって、監視対象の向きに応じて、係留気球の向きとは独立して、カメラだけの向きを変えるのが容易である。

しかし、風力発電機を備えた係留気球においては、風力発電機が比較的大型である。このため、風向きに応じて、係留気球の向きとは独立して、風力発電機だけの向きを変えようとすると、風力発電機の向きを変えるための大型の機構が必要となる。そのような大型の機構の存在は、係留気球の重量を増加させるため、できるだけ避けるべきである。

そこで、本発明者らは、風が吹いてくる向きに風力発電機を向けるために、係留気球自体の向きを可動翼により制御するという新規な着想を得た。すなわち、係留気球は、地上に固定されて運用されるものであるため、一般的には、制御・操縦が行われるようなものではない。

従来の係留気球は、非可動の翼（例えば、非可動の尾翼）を有することはあっても、可動翼（例えば、補助翼、方向舵、昇降舵などの舵面）を有していない。例えば、特許文献１には、エアロスタット（係留気球）の制御が開示されているが、この制御は、テザー群の繰り出し・巻き取りによるものであり、可動翼による制御ではない。また、特許文献１は、尾翼を有するエアロスタットを図示しているが、可動翼や可動翼によるエアロスタットの制御を開示していない。このように、係留気球自体の向きを可動翼により制御することは、新規な着想である。しかも、特許文献１のエアロスタットは、風力発電機を備えていない。風力発電機は重量物であるため、仮にエアロスタットに具備させると、安定性が損なわれ易く、非可動の尾翼だけでは、エアロスタットを安定的に所望の向きに向けることは容易ではない。

一方、推進装置を有して飛行可能な飛行船の場合、飛行船の向きを変えるために可動翼を有している。例えば、非特許文献１は、飛行船の方向舵を開示している。しかし、飛行船の向きは、飛行船の目的地の方向に向けられるべきものであり、風が吹いてくる向きに飛行船を向けるために可動翼である方向舵が制御されるわけではない。このように、風が吹いてくる向きに向けるために可動翼を制御することは、新規な着想である。

以上のように、本発明は、風が吹いてくる向きに風力発電機を向けるために、係留気球自体の向きを可動翼により制御するという新規な着想に基づくものである。

上記の着想に基づく本発明の一の観点は、風力発電機を備えた係留気球である。実施形態において、係留気球は、風が吹いてくる向きに風力発電機が向くように可動翼をフィードバック制御するコントローラを備える。

本発明の他の観点は、風力発電機を備えた係留気球の制御方法である。実施形態において、制御方法は、風が吹いてくる向きに風力発電機が向くように、係留気球が備える可動翼をフィードバック制御することを有する。

（ａ）は係留気球の正面図、（ｂ）は係留気球の側面図である。 制御システムのブロック図である。 一般化プラントＧのブロック図である。 一般化プラントＧ（ｐ）のブロック図である。 スケジューリングパラメータ算出部１１２のブロック図である。

［１．実施形態の概要］
［第１項］
係留気球であって、
浮力を得るためのエンベロープと、
前記エンベロープに設けられた風力発電機と、
前記係留気球の姿勢制御のための可動翼と、
前記係留気球の姿勢を検出する姿勢検出器と、
前記係留気球に作用する風を検出する風検出器と、
前記姿勢検出器及び前記風検出器の出力に基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように前記可動翼をフィードバック制御するコントローラと、
を備える係留気球。

第１項によれば、係留気球に備わった風力発電機を、風が吹いてくる向きに向けることができる。

［第２項］
前記コントローラは、前記風検出器の出力に基づく値をスケジューリングパラメータとしたゲインスケジューリング制御によって、前記可動翼角を制御する
第１項記載の係留気球。

第２項によれば、コントローラの利得が風検出器の出力値に基づいて変化するため、より安定的に、風力発電機を風が吹いてくる向きに向けることができる。

［第３項］
前記ゲインスケジューリング制御は、ゲインスケジュールドＨ_∞制御である
第２項記載の係留気球。

第３項によれば、さらに安定的に、風力発電機を風が吹いてくる向きに向けることができる。

［第４項］
前記風力発電機は、前記エンベロープの下方に配置され、
前記可動翼は、前記係留気球のロール運動を制御する可動翼を含み、
前記ロール運動を制御する前記可動翼は、前記風力発電機に設けられている
第１項〜第３項のいずれか１項に記載の係留気球。

エンベロープ下方に配置された風力発電機は、係留気球にロール運動を生じさせ易いが、重量物である風力発電機にロール運動を制御する可動翼を設けることで、ロール運動を抑制するのが容易となる。

［第５項］
前記風検出器の出力は、前記係留気球に作用する風の予測値を含む
第１項〜第４項のいずれか１項に記載の係留気球。

風の予測値を用いることで、将来の風の変動に対処するのが容易となる。

風力発電機を備えた係留気球の制御方法であって、
前記係留気球の姿勢の検出値と前記係留気球に作用する風の検出値とに基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように、前記係留気球が備える可動翼をフィードバック制御すること
を有する係留気球の制御方法。

［２．実施形態の詳細］

［２．１ 風力発電機を備えた係留気球］
図１に示す係留気球１０は、エンベロープ２０と風力発電機３０を備えている。エンベロープ２０はガス袋とも呼ばれ、空気より比重の小さい気体が充填され、浮力を得る。図１のエンベロープ２０は、飛行船のエンベロープと同様に、前後方向に長く形成されている。エンベロープ２０の全長は、例えば、５０ｍ以下、好ましくは３０ｍ以下である。エンベロープの形状は、他の形状、例えば球状であってもよい。エンベロープ２０は、ロープ５０などのテザーによって地上に係留される。ロープ５０の一端は、エンベロープ２０の前部２０ａに取り付けられ、ロープ５０の他端は、例えば、地上の構造物に取り付けられる。ロープ５０の他端は、自動車などの陸上における移動装置、船舶などの水上における移動装置に取り付けられても良い。地上又は係留気球１０側からのロープ５０の繰り出し・巻き取りによって、係留気球１０の高度調整が可能である。係留気球１０は、例えば、７００ｍまで上昇可能であり、好ましくは１０００ｍまで上昇可能である。なお、ロープ５０の一端は、風力発電機３０などエンベロープ２０以外の位置に取り付けられても良い。

風力発電機３０は、例えば、風の運動エネルギーによって回転するロータ３１を有して構成される。発電機３０は、定格出力が、例えば、３０ｋｗ以上である。発電機３０は、その重量が、例えば、１００ｋｇ以下であり、好ましくは７０ｋｇ以下である。ロータ３１の径は、例えば、１５ｍ以下、好ましくは１０ｍ以下である。風力発電機３０は、ロータ３１の正面から風を受けることで、効率的に回転し、発電効率が高まる。実施形態において、風力発電機３０は、ロータ３１の正面が、エンベロープ２０の前方に向くようにエンベロープ２０に設けられている。したがって、エンベロープ２０の前部２０ａが、風が吹いてくる方向に向くことで、風力発電機３０は正面から風を受けることができる。

風力発電機３０によって発生した電力は、図示しない送電線を介して地上に送られる。送電線は、テザーと一体的に設けられていてもよいし、テザーとは別体であってもよい。係留気球１０からの送電は、無線送電であってもよい。無線送電は、例えば、マイクロ波又はレーザ波を用いて行われる。

エンベロープ２０の後部には、尾翼４１が設けられている。図１の尾翼４１は、垂直尾翼４１ａと水平尾翼４１ｂとを有する十字翼である。垂直尾翼４１ａに設けられた可動翼４２は、方向舵として機能する。方向舵は、係留気球１０のヨー・コントロール（yaw control）に用いられる。水平尾翼４１ｂに設けられた可動翼４３は、昇降舵として機能する。昇降舵は、係留気球２０のピッチ・コントロール（pitch control）に用いられる。

係留気球１０は、係留気球１０のロール・コントロール（roll control）に用いられる可動翼４６も備えている。可動翼４２，４３，４６によって、係留気球１０におけるヨー・ロール・ピッチの各運動に対する制御が可能である。可動翼４２，４３，４６は、係留気球１０におけるロール・ピッチ・ヨーの各運動に対する制御が可能なものであれば、形態・数・配置は図示のものに限定されない。例えば、尾翼４１は、Ｘ字翼、逆Ｙ字翼であってもよく、Ｘ字翼又は逆Ｙ字翼である尾翼４１に可動翼４２，４３が設けられていても良い。

図１に示すように、ロール・コントロール用の可動翼４６は、発電機３０に設けられている。可動翼４６は、発電機３０の左右にそれぞれ配置されている。可動翼４６は、発電機３０から左右側方に延びるアーム（主翼）４５を介して、発電機３０に取り付けられている。

発電機３０は、エンベロープ２０の下方に配置されている。発電機３０は、ジョインタ２１を介して、エンベロープ２０に取り付けられている。ジョインタ２１は、例えば、第１接続部２１ａと、第２接続部２１ｂと、を有する。第１接続部２１ａは、エンベロープ２０の下部と発電機３０の上部とを接続する。第２接続部２１ｂは、エンベロープ２０及び発電機３０の側部同士を接続する。発電機３０とエンベロープ２０との間にジョインタ２１ａ，２１ｂを介在させることで、発電機３０とエンベロープ２０とが離れて位置する。発電機３０とエンベロープ２０とを離すことで、発電機３０近傍に発生する乱流がエンベロープ２０側に影響するのを抑制できる。発電機３０とエンベロープ２０とは、例えば、０．５ｍ以上離れているのが好ましい。発電機３０は、重量物であるため、係留気球の重心Ａは、係留気球１０の浮心Ｂに対して、下方に大きく離れる。例えば、図１に示すように、係留気球１０の浮心Ｂは、エンベロープ２０の内部に位置する一方、係留気球の重心Ａは、エンベロープ２０の下方に位置し、多くの場合、発電機３０の内部に位置する。このように、重心Ａと浮心Ｂとが離れると、風の変動などによって、係留気球１０のローリング及びピッチングが生じ易くなる。しかし、本実施形態では、可動翼４３，４６によってローリング抑制及びピッチング抑制が可能である。

ここで、一般的な気球や飛行船では、ローリングは問題とならないため、一般的な気球や飛行船ではロール・コントロールが行われることはなく、ロール・コントロール用の可動翼４６は必要ではない。これに対して、本実施形態の係留気球は、発電機３０を備えることにより、ローリングが生じ易くなっているが、可動翼４６によってローリングが抑制される。

本実施形態のロール・コントロール用の可動翼４６は、発電機３０の左右に設けられているため、力学的に安定し、ローリングを抑制し易くなる。つまり、図１（ａ）に示すように、可動翼４６を発電機３０の左右に装着すると、振り子の形状（根元が浮心、質量のある先端が重心）となり、ローリングが抑制される。可動翼４６をアーム４５の左右先端に設けることで、可動翼４６を重心Ａから左右に大きく離すことができ、係留気球１０はさらに安定する。また、風力発電機３０の左右に設けられた可動翼４６の位置においては、風力発電機３０の後方に設けられた可動翼４２，４３の位置に比べて、風力発電機３０による気流の乱れが少なく、可動翼４６による効果（舵の効き）を発揮し易い。なお、ロール・コントロール用の可動翼４６は、エンベロープ２０など発電機３０以外の箇所に設けてもよく、この場合も、ローリング抑制は可能ではある。

また、図１（ｂ）に示すように、エンベロープ２０は、前後方向に長く形成され、エンベロープ２０の前後方向中途に発電機３０が配置されているため、尾翼４１に設けられた可動翼４３を、重心Ａから後方に大きく離すことができ、ピッチング抑制効果が高い。

［２．２ 係留気球の姿勢制御］
図２は、係留気球１０の制御システム１００を示している。なお、図２では、ヨー・コントロール用の可動翼４２を「第１舵」４２といい、ロール・コントロール用の可動翼４６を「第２舵」４６といい、ピッチコントロール用の可動翼４３を「第３舵」４３という。制御システム１００は、舵４２，４６，４３を制御するためのコントローラ１１０を備えている。コントローラ１１０は、係留気球１０に搭載されている。なお、コントローラ１１０は、係留気球１０とは別に設けられ、遠隔操作によって係留気球１０を制御するものであってもよい。

コントローラ１１０は、係留気球１０の姿勢を制御する。姿勢制御のため、コントローラ１１０は、各舵４２，４６，４３の角度（第１舵角，第２舵角，第３舵角）の指令値を、各舵４２，４６，４３に与える。各舵４２，４６，４３の舵角がゼロで維持されている場合においても、係留気球１０は風が向いてくる向きに自然と向くものの、風向きの変化、風速の変化などの外乱によって、係留気球１０の向きは安定しない。そこで、コントローラ１１０は、風が吹いてくる向きに風力発電機３０が向くような姿勢を係留気球１０にとらせるべく、各舵４２，４６，４３を制御する。例えば、係留気球１０に作用する風が、北から南へ吹く場合、係留気球１０を北向きの姿勢にすることで、風力発電機３０は風が吹いてくる向き（北向き）になる。

実施形態において、コントローラ１１０が行う制御は、風が吹いてくる向きに風力発電機３０が向いた状態で、係留気球１０の姿勢を安定させるロバスト制御である。重量物である風力発電機３０を備えた係留気球１０は、一般的な係留気球に比べて、外乱（風の変動、ロープ５０による影響）によって不安定になり易く、ヨー運動、ロール運動、ピッチ運動が生じる。しかし、コントローラ１１０は、舵４２，４６，４３を制御し、風が吹いてくる向きに風力発電機３０を向けた姿勢にある係留気球１０のヨー運動、ロール運動、ピッチ運動を抑制する。これにより、係留気球１０が重量物である風力発電機３０を備えていても、係留気球１０を安定させることができる。係留気球１０の安定化により、風力発電機３０の発電効率が向上する。

コントローラ１１０は、係留気球１０に作用する風及び係留気球１０の姿勢に基づいて、各舵４２，４６，４３をフィードバック制御する。図２（ａ）に示すように、コントローラ１１０は、係留気球１０に作用する風を検出する風検出器１２０と、係留気球１０の姿勢を検出する姿勢検出器１４０の出力と、を入力として受け取り、係留気球１０を風が吹いてくる方向に向けるように各舵４２，４６，４３を制御する。

風検出器１２０としては、例えば、３次元風速計（風向風速計）が用いられる。３次元風速計は、３次元風速（風の３次元ベクトル）を計測する。風検出器１２０は、係留気球１０に搭載されて、係留気球１０に作用する風を計測し、計測値（３次元風速）をコントローラ１１０に出力する。

風検出器は、係留気球１０に作用する風の実測値を出力するものに限られず、係留気球１０に作用する風の予測値を出力するもの又は風の予測値を演算するために必要な情報を出力するものであってもよい。風の予測値は、例えば、ドップラーレーダ１３０を用いることで得られる。ドップラーレーダ１３０は遠隔地の３次元風速を計測できるため、遠隔地の風速から、将来、係留気球１０の位置での３次元風速風の予測値を求めることができる。風の予測値を用いて係留気球１０の姿勢を制御することで、風向きの変化等への素早い応答が可能となる。なお、コントローラ１１０は、風の実測値と予測値のいずれか一方だけを用いても良いし、双方を用いても良い。

姿勢検出器１４０としては、例えば、ジャイロスコープが用いられる。姿勢検出器１４０は、係留気球１０に搭載されて、係留気球１０の姿勢角（ヨー角、ロール角、ピッチ角）をコントローラ１１０に出力する。姿勢検出器１４０は、係留気球１０の姿勢角速度（ヨー角速度（ヨーレート）、ロール角速度（ロールレート）、ピッチ角速度（ピッチレート））も出力する。実施形態に係るコントローラ１１０は、姿勢角及び姿勢角速度の双方を用いるが、姿勢角だけを用いても良い。

実施形態のコントローラ１１０は、ゲインスケジュールドＨ_∞制御器（ＧＳＨ_∞制御器）１１１としての機能を有している。ゲインスケジュールドＨ_∞制御は、スケジューリングパラメータｐが導入されたＨ_∞制御である。Ｈ_∞制御は、ロバスト安定化、外乱抑圧性能、周波数整形可能などの利点を有する。コントローラ１１０は、スケジューリングパラメータｐの算出部１１２としての機能も有している。また、コントローラ１１０は、目標値決定部１１３としての機能も有している。目標値決定部１１３は、係留気球１０の姿勢の目標値（目標姿勢）を決定する。本実施形態において、係留気球１０の目標姿勢は、係留気球１０が、風が吹いてくる向きに係留気球１０（風力発電機３０）の正面が向いている状態となる姿勢である。目標値決定部１１３は、風検出器１２０，１３０から出力された３次元風速に基づいて、風向きを把握し、目標姿勢を決定する。目標姿勢に用いられる風向きは、例えば、所定時間内における風向きの時間平均とすることができる。目標姿勢は、制御器１１１に目標値として与えられる。図２（ｂ）に示すように、制御器１１１は、係留気球１０の姿勢が目標姿勢となるように、各舵４２，４６，４３のフィードバック制御を行う。なお、フィードバック制御のため、姿勢検出器１４０の出力（姿勢角及び姿勢角速度）が、フィードバック信号として、制御器１１１に与えられる。

Ｈ_∞制御器（固定Ｈ_∞制御器）は、一般化プラントＧに基づいて設計される。係留気球１０を制御対象Ｐとする一般化プラントＧは、図３に示すように定義される。

図３において、Ｐは制御対象（係留気球１０）であり、Ｗ_Ｓ，Ｗ_Ｔは重み関数であり、ＫはＨ_∞制御器である。また、図３において、制御入力は舵角であり、重み関数Ｗ_Ｓから出力される制御量は係留気球１０の姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）であり、フィードバック信号は観測量（係留気球の姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）、係留気球の姿勢角速度（ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度））である。

制御対象Ｐの状態方程式は、以下のように表される。
ここで、
ｘ_ｐは、状態であり、係留気球１０の係留気球の姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）及び姿勢角速度（ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度）である。上に「・」が付いたｘ_ｐは、制御入力ｕ及び外乱ｗが与えられた後の状態を示す。
ｚ_ｐは、制御量であり、姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）である。
ｙ_ｐは、観測量であり、姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）及び姿勢角速度（ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度）である。
ｕ_ｐは、制御入力で、舵角（第１舵角、第２舵角、第３舵角）である。
ｗは、外乱であり、風速などである。
Ａ_Ｐ，Ｂ_Ｐ１，Ｂ_Ｐ２，Ｃ_Ｐ１，Ｄ_Ｐ１１，Ｄ_Ｐ１２，Ｃ_Ｐ２，Ｄ_Ｐ２１，Ｄ_Ｐ２２は、係数（行列）である。

図３に示す一般化プラントＧに基づいて設計されたＨ_∞制御器によれば、風の周波数成分を考慮した係留気球１０の姿勢安定化制御が行える。しかも、実施形態の係留気球１０は、大型の構造物である風力発電機３０を備えているため、風力発電機３０よりも後方の気流が乱れやすい。気流の乱れは、風力発電機３０よりも後方の可動翼４２，４３による効果（舵の効き）に悪影響を与える。舵の効きの不確かさは、制御対象Ｐの状態方程式の入力ｕ_ｐに対する係数Ｂ_Ｐ１に現れる。Ｈ_∞制御器は、そのような不確かさがあっても安定化制御を行えるため、風力発電機３０による気流の乱れに対処できる。

Ｈ_∞制御器としては、図３の一般化プラントＧから設計される固定Ｈ_∞制御器でもよいが、実施形態では、風速又は風速の微分などの風に関する値をスケジューリングパラメータｐとして採用したゲインスケジュールドＨ_∞制御器１１１が採用されている。これにより、風から受ける影響の変動（風速の変化など）にかかわらず、係留気球１０のヨー運動・ロール運動・ピッチ運動を低減できる。つまり、留気球１０が風から受ける影響は、風速や風の強弱（周波数成分）によって異なるが、実施形態のコントローラ１１０は、風速や風の強弱（周波数成分）に応じて、制御ゲインを変更して、風の変動に対応して係留気球１０を安定化させることができる。

ゲインスケジュールドＨ_∞制御器（ＧＳＨ_∞制御器）１１１は、線形パラメータ変動システムの一般化プラントＧ（ｐ）に基づいて設計される。風に関する値をスケジューリングパラメータｐとする一般化プラントＧ（ｐ）は、図４に示すように定義される。

図４に示す一般化プラントＧ（ｐ）では、図３に示す一般化プラントＧに、符号１１２で示されるＳＰを付加したものである。ＳＰは、風速（及び／又は風速の微分）に基づくスケジューリングパラメータｐの算出部である。

図４において、重み関数Ｗ_Ｔ（ｐ）とゲインスケジュールドＨ_∞制御器Ｋ（ｐ）は、算出部ＳＰによって算出したパラメータｐに依存して変化する。

Ｋ（ｐ）の状態方程式は、以下のように表される。
ここで、
ｘ_Ｋは、状態である。上に「・」が付いたｘ_Ｋは、入力ｙが与えられた後の状態を示す。 ｙ_ｐは、ゲインスケジュールドＨ_∞制御器の入力、つまり、制御対象Ｐから見た観測量である。
ｕ_ｐは、ゲインスケジュールドＨ∞制御器の出力、つまり、制御対象Ｐから見た制御入力である。
Ａ_Ｋ，Ｂ_Ｋ，Ｃ_Ｋ，Ｄ_Ｋは、係数（行列）であり、Ａ_ＫとＣ_Ｋは、パラメータｐに依存して変化する。

Ｗ_Ｔ（ｐ）の状態方程式は、以下のように表される。
ここで、
ｘ_Ｔは、状態である。上に「・」が付いたｘ_Ｔは、入力ｕ_Ｐが与えられた後の状態を示す。
ｕ_Ｐは、重み関数Ｗ_Ｔ（ｐ）の入力である。
ｒ_ｕは、重み関数Ｗ_Ｔ（ｐ）の出力である。
Ａ_Ｔ，Ｂ_Ｔ，Ｃ_Ｔ，Ｄ_Ｔは、係数（行列）であり、Ａ_ＴとＣ_Ｔは、パラメータｐに依存して変化する。

図５に示すように、スケジューリングパラメータ算出部１１２は、３次元風速から、スケジューリングパラメータｐを算出する。スケジューリングパラメータ算出部１１２は、例えば、ローパスフィルタ１５１と、絶対値変換部１５２と、移動平均値演算部１５３と、パラメータ出力部１５４と、を備えている。ローパスフィルタ１５１からパラメータ出力部１５４までの各処理は、３次元ベクトル量（ｘ，ｙ，ｚ）である３次元風速の各ベクトル要素であるｘ成分，ｙ成分，ｚ成分それぞれに対して行われる。したがって、実施形態において、パラメータ出力部１５４から出力されるパラメータｐも３次元ベクトル量（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ，ｐ_ｚ）である。

ローパスフィルタ１５１は、３次元風速（ｘ成分，ｙ成分，ｚ成分）の各成分の低周波数成分を取り出す。絶対値変換部１５２は、ローパスフィルタ１５１の出力それぞれの絶対値を求める。移動平均値演算部１５３は、絶対値変換部１５２の出力それぞれについて、移動平均値ｑを演算する。パラメータ出力部１５４は、各成分の移動平均値ｑに基づいて、パラメータｐを演算し出力する。

パラメータ出力部１５４は、各成分の移動平均値ｑの上限と下限を制限した制限値ｑを出力する制限処理部１５４ａと、制限値ｑを正規化する正規化処理部１５４ｂと、を備えている。制限処理部１５４ａは、移動平均値ｑが、上限値ｑ_ｍａｘよりも大きければ、制限値ｑ＝ｑ_ｍａｘとし、移動平均値ｑが、下限値ｑ_ｍｉｎよりも小さければ、制限値ｑ＝ｑ_ｍｉｎとし、移動平均値ｑが上限値ｑ_ｍａｘと下限ｑ_ｍｉｎとの間であれば、移動平均値ｑをそのまま制限値ｑとする。正規化処理部１５４ｂは、各成分の制限値ｑを、（ｑ−ｑ_ｍｉｎ）／（ｑ_ｍａｘ−ｑ_ｍｉｎ）の演算で正規化し、各成分ｐ_ｘ，ｐ_ｙ，ｐ_ｚの値が０〜１の範囲で正規化された３次元ベクトルパラメータｐ＝（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ，ｐ_ｚ）にして出力する。なお、パラメータｐの算出法は、上記のものに限られるわけではない。

ゲインスケジュールドＨ_∞制御器１１１は、出力されたパラメータｐに応じて、利得を変化させる。このため、風速に応じた適切な利得での舵角の制御が可能となる。

さて、風は高度によって異なるため、風力発電機を備えた係留気球１０は、発電に適切な風を求めて、高度変化することが望まれる。係留気球１０の高度調整は、ロープ５０の繰り出し又は巻き取りによって行われる。このような係留気球１０の高度変化は、係留気球１０の安定性に大きな影響を与える。また、係留気球１０は、ロープ５０によって運動を拘束されているため、かかる観点からもロープ５０は係留気球１０の安定性に影響を与える。そこで、以下では、ロープ（テザー）５０の特性を制御対象Ｐに入れて一般化プラントを定義する。

ロープ５０の特性が考慮された制御対象Ｐの状態方程式は、以下のとおりである。
ここで、
ｘ_ｐは、状態であり、係留気球１０の係留気球の姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）、姿勢角速度（ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度）、係留気球１０の３次元位置（水平位置（ｘ，ｙ），高度ｚ）、及びロープ５０と係留気球１０のなす角θ（図１（ｂ）参照）である。
ｚ_ｐは、制御量であり、姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）及び高度ｚである。
ｙ_ｐは、観測量であり、姿勢角（ヨー角・ロール角・ピッチ角）、姿勢角速度（ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度）、係留気球１０の３次元位置（水平位置（ｘ，ｙ），高度ｚ）、ロープ５０と係留気球１０のなす角θ、及び角θの角速度である。
ｕ_ｐは、制御入力で、舵角（第１舵角、第２舵角、第３舵角）及びロープ５０の長さ（又はロープ５０の出し入れ速度）
ｗは、外乱であり、風速などである。
Ａ_Ｐ，Ｂ_Ｐ１，Ｂ_Ｐ２，Ｃ_Ｐ１，Ｄ_Ｐ１１，Ｄ_Ｐ１２，Ｃ_Ｐ２，Ｄ_Ｐ２１，Ｄ_Ｐ２２は、係数（行列）である。

ロープ５０の特性が考慮された制御対象Ｐを有する一般化プラントに基づいて設計された制御器によれば、高度変化による影響（外乱）も考慮した高精度の振動抑制が可能である。

［３ 運用方法］
上記の係留気球１０を所望の場所に係留させることで、安定した風力発電を行うことができる。また、係留気球１０は、エンベロープ２０にガスが充填されていない状態で、自動車又は船舶に積載され、自動車又は船舶によって被災地等の目的地へ搬送されてもよい。また、係留気球１０を自動車又は船舶に係留させることで、自動車又は船舶の移動によって、係留気球１０を所望の場所へ移動させ、その移動した場所において風力発電を行うこともできる。

また、本実施形態の係留気球１０は、推進装置を備えていないが、推進装置を備える飛行船型係留気球１０として構成されていてもよい。飛行船型係留気球１０は、推進装置及び可動翼によって目的地まで自力で飛行することができる。目的地に到着した飛行船型係留気球を目的地において係留することで、その目的地において風力発電を行うことができる。この場合、係留気球や風力発電機を地上で運搬する必要がなくなる。例えば、風力発電機を備えた飛行船型係留気球１０は、大規模地震などの災害後において、被災地へ自律飛行し、被災地にて係留され、被災地にて発電をすることができる。また、風力発電機を備えた飛行船型係留気球１０は、農村部、島嶼部、山間部、洋上基地など、発電機の運搬が困難な場所へも容易に自律飛行できるため有利である。

１０ 係留気球
２０ エンベロープ
３０ 風力発電機
４２ 可動翼（第１舵）
４３ 可動翼（第３舵）
４６ 可動翼（第２舵）
１００ 制御システム
１１０ コントローラ
１２０ ３次元風速計（風検出器）
１３０ ドップラーライダー（風検出器）
１４０ ジャイロスコープ（姿勢検出器）

Claims (6)

1. 係留気球であって、
   浮力を得るためのエンベロープと、
   前記エンベロープに設けられた風力発電機と、
   前記係留気球の姿勢制御のための可動翼と、
   前記係留気球の姿勢を検出する姿勢検出器と、
   前記係留気球に作用する風を検出する風検出器と、
   前記姿勢検出器及び前記風検出器の出力に基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように前記可動翼をフィードバック制御するコントローラと、
   を備える係留気球。
2. 前記コントローラは、前記風検出器の出力に基づく値をスケジューリングパラメータとしたゲインスケジューリング制御によって、前記可動翼を制御する
   請求項１記載の係留気球。
3. 前記ゲインスケジューリング制御は、ゲインスケジュールドＨ_∞制御である
   請求項２記載の係留気球。
4. 前記風力発電機は、前記エンベロープの下方に配置され、
   前記可動翼は、前記係留気球のロール運動を制御する可動翼を含み、
   前記ロール運動を制御する前記可動翼は、前記風力発電機に設けられている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の係留気球。
5. 前記風検出器の出力は、前記係留気球に作用する風の予測値を含む
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の係留気球。
6. 風力発電機を備えた係留気球の制御方法であって、
   前記係留気球の姿勢の検出値と前記係留気球に作用する風の検出値とに基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように、前記係留気球が備える可動翼をフィードバック制御すること
   を有する係留気球の制御方法。