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申请/专利权人：烟台大学;深圳智能海洋工程创新中心有限公司;集海创新(山东)海洋科技有限公司

摘要：本发明属于计算机辅助设计技术领域，公开了基于Modelica的无人艇动力学多领域耦合建模方法，所述耦合建模方法包括如下步骤：步骤1，采用Modelica语言对无人艇的五个子系统进行建模，包括无人艇本体动力学系统、无人艇控制系统、无人艇动力系统、无人艇传动系统及无人艇喷水推进系统；步骤2，采用Mworks平台，对步骤1中无人艇五个子系统的多领域建模结果进行耦合，得到无人艇仿真平台；步骤3，采用步骤2得到的无人艇仿真平台，对无人艇的运动进行动态响应仿真分析验证。不仅提高了仿真效率，同时也优化了模型的可重用性和可重构性，为无人艇的系统设计、自主航行、路径规划及实时避障等提供了有效的仿真工具。

主权项：1.基于Modelica的无人艇动力学多领域耦合建模方法，其特征在于：所述耦合建模方法包括如下步骤：步骤1，采用Modelica语言对无人艇的五个子系统进行建模，包括无人艇本体动力学系统、无人艇控制系统、无人艇动力系统、无人艇传动系统及无人艇喷水推进系统；步骤2，采用Mworks平台，对步骤1中无人艇五个子系统的多领域建模结果进行耦合，得到无人艇仿真平台；步骤3，采用步骤2得到的无人艇仿真平台，对无人艇的运动进行动态响应仿真分析验证；无人艇运动的六个自由度操纵运动数学模型，在随船运动坐标系上的投影式为： （5）其中是加速度；qw-rv、ru-pw、pv-qu是由于坐标系运动引起的物体向心加速度；Iz-Iyqr、Ix-Izrp、Iy-Ixpq是回转效应；无人艇艇体所受到的力表示为： （6）其中XJ、YJ、ZJ、KJ、MJ、NJ表示喷水推进推力的各项分力及其对艇重心的力矩，XH、YH、ZH、KH、MH、NH表示艇体受到的各向水动力及其对艇重心的力矩；无人艇动力系统建模包括五个模块，进气系统、排气系统、供油系统、发动机缸和发动机曲轴；并通过如下的控制逻辑方程来描述： （7）其中，Δmf是调节的燃油喷射量变化，Rs是设定的目标转速，Ra是实际转速，Kp、Ki、和Kd分别是比例、积分和微分的控制系数，t表示时间；无人艇传动系统建模包括了传动装置和离合器；采用如下式表征传动比对输出转速的影响： （8）其中，ωout是传动系统输出端，即喷水推进器端的角速度，ωin是输入端即发动机端的角速度，i是传动系统的传动比，表示输入转速与输出转速之比；采用如下式表示输出功率与输入功率的关系： （9）其中，η为传动效率，Pout是传动系统输出功率，Pin是传动系统输入功率，即发动机输出功率；无人艇喷水推进系统建模包括喷水推进器的喷嘴及其倒车斗喷射水流产生反推力来实现的，喷嘴受力FN、右倒车斗受力FDR和左倒车斗受力FDL为： （10）其中，vN为喷嘴射流的流速，假设，分流后流速不变，则vN=vDR=vDL=QSN,其中Q为流量，SN为喷嘴的射流面积；ve=1-ωvs，vs为无人艇速，ω为伴流系数，喷水推进力及其对无人艇体重心力矩在随船运动坐标系上的投影如式： （11）其中，为喷嘴转角，向左转为正；为倒车斗转角，定义为倒车斗射流方向和随船运动坐标系x轴的夹角；xJ、yJ、zJ为喷口中心在随船运动坐标系上的坐标；XJ、YJ、ZJ、KJ、MJ、NJ表示喷水推进推力的各项分力及其对艇重心的力矩；无人艇控制系统建模是将无人艇在海上的运动分为启动、巡航、到达目标点和驶离四个任务阶段，无人艇的非线性响应模型如式： （12）其中,α、β分别为非线性项系数；K、T、α、β均与船舶航速有关，通过试验数据辨识获得。

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