Studiengang Technische Kybernetik
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Integriertes Navigationssystem für die Binnenschifffahrt

Das Steuern eines Binnenschiffs ist für einen Schiffsführer vor allem bei Nacht, schlechtem Wetter und hohem Verkehrsaufkommen eine komplexe und anstrengende Aufgabe. Um ihn dabei zu unterstützen, wurde am Opens external link in new windowInstitut für Systemdynamik ein Navigationssystem entwickelt, das die Daten verschiedener Navigationsmittel wie GPS, Winkel-GPS, Radar, Drehgeschwindigkeitssensor und eine elektronische Karte in einem einzigen Gerät zusammenführt und weiterverarbeitet. Dieses integrierte Navigationssystem bietet dem Kapitän eine übersichtliche Darstellung aller Informationen auf einem Bildschirm sowie eine Funktion zur Bahnführung des Schiffes, zukünftig auch zum automatisierten Ausweichen, Überholen und Anlegen.

Screenshot Radarpilot
Hardware des Radarpiloten

Die Bahnregelung wurde mit Hilfe eines modellbasierten Ansatzes realisiert, eine klassische Vorgehensweise der Technischen Kybernetik. Dazu wird zuerst eine mathematische Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Schiffes gesucht, welche mit Hilfe von Differentialgleichungen die Wirkung der Eingangsgröße Ruderwinkel auf die Zustände des Systems (Vorausrichtung, Drehgeschwindigkeit, Position, Geschwindigkeit, Driftwinkel) beschreibt. Dieses mathematische Modell bildet die Grundlage für den Reglerentwurf. Für eine gute Übereinstimmung von Modell und Realität werden in Versuchsfahrten die Paramter des dynamischen Modells identifiziert.

Basis der Bahnführung ist eine vor Beginn der Fahrt vom Schiffsführer festgelegte Leitlinie, auf welcher das Schiff geführt werden soll. Um auf die Verkehrssituation reagieren zu können, hat der Schiffsführer während der Fahrt die Möglichkeit, einen Sollabstand von der Leitlinie einzustellen. Aus den Punkten der Leitlinie, dem gewünschten Sollabstand und der Ausgangsposition  berechnet der Sollwertgenerator mit Hilfe des oben erwähnten Modells die für eine fahrbare Bahn notwendigen Zustände des Systems (siehe rote Linie in der Abbildung). Der einzustellende Ruderwinkel ergibt sich direkt aus den vom Sollwertgenerator berechneten Zuständen und dem inversen dynamischen Modell. Diese Vorsteuerung ohne Rückführung der aktuellen Istzustände würde bei einer perfekten Übereinstimmung von Realität und Modell sowie der Abwesenheit von Störungen wie Wind und Strömung das Schiff auf der gewünschten Bahn halten. Da diese Annahmen nie zutreffen, muss der von Störungen und Modellfehlern verursachte Regelfehler durch eine Rückführung ausgeglichen werden. Dies ergibt einen zusätzlichen Anteil am Ruderwinkel, der das Schiff dann tatsächlich auf der Bahn hält.

Zur Bestimmung des aktuellen Systemzustands wird ein sogenannter Beobachter eingesetzt, der aus den verschiedenen Messwerten alle Zustände des Systems berechnet. Er verarbeitet die asynchron eintreffenden Messwerte zum aktuellen Zustand und kann auch temporäre Ausfälle einzelner Sensoren (z. B. GPS unter Brücken) kompensieren.

Schematische Darstellung der Bahnregelung

Das integrierte Navigationssystem wird ständig weiterentwickelt und um neue Funktionen erweitert. Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der Automatisierung des Anlegemanövers und automatisierter Konflikterkennung und -vermeidung. Außerdem sollen weitere Stellgrößen wie Bugstrahlruder und Kopfruder eingebunden werden. Zur Erprobung stehen zwei eigene Schiffe zur Verfügung. Des weiteren wird das System auf drei kommerziell genutzten Großschiffen sowie einem Schulschiff eingesetzt. Da es sich um ein praktisch angewandtes Projekt handelt, kommt eine große Bandbreite der für die technische Kybernetik typischen Vorgehensweisen zum Einsatz: Modellbildung und Identifikation von Modellparametern, Auslegung von Reglern und Beobachtern, Anbindung von Sensoren und Aktuatoren sowie Erprobung des Systems in Simulation und Praxis.

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