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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Unterstützung der
Navigation eines Schiffs.
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Die
DE 198 13 005 A1 beschäftigt sich
mit einem Verfahren zur automatischen Bahnführung auf gekrümmten Kurven.
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Solche
Verfahren haben sich bisher nicht durchgesetzt, und es scheint Vorbehalte
und Ängste
zu geben, ein Schiff in der Binnenschifffahrt weitgehend einem Steuergerät anzuvertrauen,
insbesondere auf stark befahrenen Wasserstraßen.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, den Schiffsführer bei
seiner Arbeit zu unterstützen
und zu entlasten.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einer Anordnung nach Anspruch 22.
Gemäß dem Verfahren
und der Anordnung wird ein zuvor ermittelter geeigneter Vorgabewert
für eine
Wendegeschwindigkeit angezeigt. Der Schiffsführer kann sich an diesem Vorgabewert
orientieren, und dadurch die Wendegeschwindigkeit des Schiffs wesentlich
exakter vorgeben als ohne einen solchen Vorgabewert.
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Dies
hat einen geringeren Verschleiß der
Ruderanlage, einen geringeren Treibstoffverbrauch, geringere Schwankungen
in der gefahrenen Spur der Schiffe und eine geringere Erschöpfung des
Schiffsführers zur
Folge. Gleichzeitig wird die Verkehrssicherheit erhöht, insbesondere
auf stark befahrenen Wasserstraßen.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm zu einem erfindungsgemäßen gerätetechnischen Aufbau,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Anzeige,
und
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3 ein
Schiffsmodel für
die Berechnung eines geeigneten Werts für die Wendegeschwindigkeit.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm zum gerätetechnischen
Aufbau zur Führung
eines Schiffs unter Einbeziehung des Schiffsführers.
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Der
Schiffsführer 10 stellt über eine
Eingabevorrichtung 12, welche bevorzugt einen so genannten
Tiller und eine Steuerung für
die Motoren des Schiffs umfasst, einen Sollwert S_WG für die Wendegeschwindigkeit
des Schiffs ein. Der Sollwert S_WG für die Wendegeschwindigkeit
wird einem Autopiloten 14 zugeführt, und der Autopilot 14 regelt
die Wendegeschwindigkeit auf den Sollwert S_WG. Hierzu wird beispielsweise
ein Stellsignal des Autopiloten 14 einem Ruder 16 des
Schiffs 18 zugeführt,
die tatsächliche
Wendegeschwindigkeit des Schiffs 18 wird durch einen Drehratensensor 20,
bspw. durch ein mechanisches Kreiselgerät gemessen und dem Autopiloten 14 als
Istwert (tatsächlicher
Wert) I_WG für
die Wendegeschwindigkeit zugeführt,
um eine Regelung durch den Autopiloten 14 zu ermöglichen.
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Der
Istwert I_WG der Wendegeschwindigkeit wird zusätzlich einer Recheneinheit 22,
insbesondere einem Navigationssystem und – ggf. über die Recheneinheit 22 – einer
Anzeigevorrichtung 30 zur Anzeige für den Schiffsführer 10 zugeführt.
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Sensoren 24 messen
weitere Daten des Schiffs und führen
diese der Recheneinheit 30 zu. Insbesondere sind als Sensoren 24 Radargeräte zur Erzeugung
eines Radarbilds, GPS-Empfänger zur
Positionsbestimmung, Kreiselkompasse zur Bestimmung der Schiffsrichtung
und Ruderstellungssensoren zur Erfassung der Ruderstellung vorgesehen.
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Die
Recheneinheit 22 ist auch mit der Eingabevorrichtung 12 bidirektional
verbunden, insbesondere, um von dieser den Sollwert S_WG übermittelt
zu bekommen und ggf. auch den Sollwert S_WG setzen zu können.
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Der
Recheneinheit 22 ist ein Datenspeicher 26 zugeordnet,
in dem Daten für
die Navigation gespeichert sind, insbesondere Kartendaten zu der
jeweiligen Wasserstraße
und Daten für
eine Sollbahn für
das Schiff.
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Die
Recheneinheit ist mit der Anzeigenvorrichtung 30 verbunden,
um dem Schiffsführer 10 Informationen über den
Zustand des Schiffs bereit zu stellen.
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In
der Recheneinheit 22 wird ein geeigneter Vorgabewert V_WG
für die
Drehgeschwindigkeit ermittelt, und dieser geeignete Wert wird auf
der Anzeigevorrichtung 30 dargestellt. Bevorzugt werden
neben dem geeigneten Wert auch der tatsächliche Wert I_WG der Wendegeschwindigkeit,
der Sollwert S_WG der Wendegeschwindigkeit (Tillerstellung) und/oder
die Ruderstellung angezeigt, um dem Schiffsführer 10 einen schnellen Überblick
zu ermöglichen.
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Der
Schiffsführer 10 kann
den Sollwert für
die Wendegeschwindigkeit entsprechend dem angezeigten geeigneten
Wert V_WG einstellen.
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Arbeitsweise
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Der
Schiffsführer 10 kann
den Autopiloten 14 in unterschiedlichen Betriebsmodi bedienen.
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Es
gibt insbesondere den so genannten Wegsteuerungs-Modus, bei dem
die Stellung der Ruder 16 vorgegeben und geregelt wird,
den so genannten Zeitsteuerungs-Modus, bei dem die Ruder 16 bewegt
werden, solange am Tiller 12 ein Ausschlag eingestellt
ist, und den bereits genannten Regelungs-Modus für die Wendegeschwindigkeit.
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In
dem Regelungs-Modus für
die Wendegeschwindigkeit gibt der Schiffsführer den Sollwert S_WG der Wendegeschwindigkeit
vor, und der Autopilot 14 regelt die tatsächliche
Wendegeschwindigkeit auf den Sollwert S_WG. Dies erleichtert dem
Schiffsführer
in der Binnenschifffahrt die Arbeit, da er einen an die Flusskrümmung und
die Schiffsgeschwindigkeit angepassten Sollwert S_WG einstellen
kann und sich nicht um die genaue Ruderstellung kümmern muss,
die von weiteren Faktoren wie z.B. der Strömung abhängig ist.
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Der
Schiffsführer 10 nimmt
die Einstellung des Sollwerts S_WG der Wendegeschwindigkeit bevorzugt am
Tiller 12 vor, und hierdurch wird abhängig von seinem Können und
seiner Erfahrung eine mehr oder weniger genaue Fahrt des Schiffs
entlang der Ideallinie bewirkt. Dabei wird jeweils zu Beginn einer
Kurve ein erster Sollwert S_WG eingestellt, und während der
weiteren Fahrt kontrolliert der Schiffsführer die gefahrene Schiffsbahn.
Befindet sich das Schiff zu weit an der Kurvenaußenseite, so stellt er einen
größeren Sollwert
S_WG für die
Wendegeschwindigkeit ein. Befindet sich das Schiff 18 zu
weit auf der Kurveninnenseite, so vermindert er den Sollwert S_WG
für die
Wendegeschwindigkeit. Jede Änderung
des Sollwerts S_WG führt
zu einer Betätigung
der Ruderanlage 16 und damit zu einem Verschleiß. Ein häufiges Ändern des
Sollwerts S_WG führt
auch zu einer stärkeren
Ermüdung
des Schiffsführers.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird in der Recheneinheit 22 ein
geeigneter Wert V_WG aus einer vorgegebenen Bahn und der momentanen
Schiffsposition und Schiffsbewegung errechnet und dem Schiffsführer 10 auf
der Anzeigevorrichtung 30 angezeigt.
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Der
Schiffsführer 10 kann
den angezeigten Wert nun übernehmen,
indem er diesen an der Eingabevorrichtung bzw. dem Tiller 12 einstellt
oder aber einen Befehl gibt, dass der geeignete Wert V_WG als Sollwert S_WG
verwendet wird. Hierzu ist die Recheneinheit 22 bevorzugt
mit der Eingabevorrichtung 12 verbunden.
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Die
Verwendung des vorgegebenen Werts V_WG durch den Schiffsführer 10 hat
einen geringeren Verschleiß der
Ruderanlage 16, einen geringeren Treibstoffverbrauch, geringere
Schwankungen in der gefahrenen Spur der Schiffe und eine geringere
Erschöpfung
des Schiffsführers
zur Folge. Gleichzeitig wird die Verkehrssicherheit erhöht, insbesondere
auf stark befahrenen Wasserstraßen.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Anzeige 50 auf
einer Anzeigevorrichtung 30 gemäß 1. Das Schiff 18 ist
auf einer kombinierten Radarbild-/Kartenanzeige 52 unten
in der Mitte dargestellt. Man spricht auch von einem Navigationssystem.
Das Radarbild 54 ist hierbei dem Kartenbild 56 überlagert,
so dass der Schiffsführer 10 die
Wasserstraße
genau überblicken
und die Richtigkeit der Kartenanzeige kontrollieren kann. In dem
Kartenbild 56 werden wichtige Informationen wie Fahrwassergrenzen,
Brückenpfeiler
und andere Bauwerke angezeigt. Die Sollbahn 64 für das Schiff
wird von der Recheneinheit 22 der kombinierten Radarbild-/Kartenanzeige überlagert,
so dass der Schiffsführer
diese kontrollieren und ggf. Hindernissen ausweichen kann. Zwei
weitere mittels Radar erkannte Schiffe 58 und 60 sind
durch die Recheneinheit 22 mit Pfeilen 59 und 61 versehen,
um die Fahrtrichtung zu kennzeichnen. Optional ist auch eine Anzeige der
Geschwindigkeit der erkannten Schiffe 58, 60 möglich.
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Im
oberen Umfangsbereich der kombinierten Radarbild-/Kartenanzeige 52 ist
eine Grad-Skala 62 zur Anzeige
der Ausrichtung angeordnet.
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In
dem Bereich 70 oberhalb der kombinierten Radarbild-/Kartenanzeige 52 sind
der die tatsächliche Wendegeschwindigkeit
charakterisierende Istwert I_WG der Wendegeschwindigkeit, der vom
Schiffsführer 10 vorgegebene
Sollwert S_WG der Wendegeschwindigkeit und der von der Recheneinheit 22 vorgegebene
geeignete Wert V_WG für
die Wendegeschwindigkeit sowie die tatsächliche Ruderstellung RS angegeben.
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Der
Istwert I_WG der Wendegeschwindigkeit ist bevorzugt in Form eines
Balkendiagramms 72 mit einer Skala 74 mit der
Einheit [°/min]
vorgegeben, um dem Schiffsführer 10 ein
schnelles Erfassen zu ermöglichen.
Der Sollwert S_WG der Wendegeschwindigkeit wird bevorzugt auf derselben
Skala 74 angezeigt, z.B. als Dreieck 76 oberhalb
des Balkendiagramms 72. Der vorgegebene geeignete Wert
V_WG für
die Wendegeschwindigkeit wird bevorzugt ebenfalls auf derselben
Skala 74 angezeigt, z.B. als Dreieck 78 unterhalb
des Balkendiagramms 72. Hierdurch hat der Schiffsführer 10 sämtliche
Werte im Überblick.
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Die
Ruderstellung RS wird bevorzugt in Form eines Balkendiagramms 80 mit
einer Skala 82 mit der Einheit [°] dargestellt. Die Ruderstellung
muss dabei nicht zwangsläufig
immer in die gleiche Richtung wie die Wendegeschwindigkeit zeigen.
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Unterhalb
der Ruderstellungsanzeige 80 wird auf der linken Seite
die Geschwindigkeit 84 des Schiffs 18 bevorzugt
in der Einheit [km/h] angezeigt, auf der rechten Seite werden an
der Stelle 86 weitere Werte wie z.B. die durch GPS ermittelte
Position des Schiffs, Wetterdaten und/oder Angaben zum Schiffsfunk
angezeigt.
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Unterhalb
der kombinierten Radarbild-/Kartenanzeige 52 sind weitere
Ausgabefelder 90, und in einer bevorzugten Ausführungsform
sind zusätzliche
Eingabefelder 92 vorgesehen, die über ein Eingabemedium wie z.B.
eine Maus oder einen Joystick bedienbar sind und einen Teil der
Eingabevorrichtung 12 aus 1 bilden. Über die
Eingabefelder 92 können
beispielsweise die Skalen der Balkendiagramme 72 und 80 sowie die
Skala der kombinierten Radarbild-/Kartenanzeige 52 eingestellt
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist ein Eingabefeld „V_WG -> S_WG" 94 vorgesehen, über das
der Schiffsführer 10 den
Sollwert S_WG der Wendegeschwindigkeit auf den durch die Recheneinheit ermittelten
geeigneten Wert V_WG setzen kann. Sofern zusätzlich eine mechanische Eingabevorrichtung
wie ein Tiller 12 vorhanden ist, wird dieser bevorzugt
bei der Betätigung
des Knopfs 94 durch einen Stellmotor ebenfalls auf den
vorgegebenen Wert V_WG eingestellt.
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Ermittlung eines geeigneten
Vorgabewerts V_WG
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3 zeigt
eine Darstellung der für
eine bevorzugte Berechnung des geeigneten Vorgabewerts V_WG für die Wendegeschwindigkeit
verwendeten Größen.
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Zur
Definition der Größen in einem
Schiffsmodell wählt
man einen schiffsfesten Punkt R als Bezugspunkt. Die Steuergröße für das Schiff 18 ist
die Ruderstellung bzw. der Ruderwinkel δ. Es wird angenommen, dass sich
das Schiff 18 mit der Längsgeschwindigkeit ν bewegt.
Das Modell zur Beschreibung der Bewegung des Schiffs gliedert sich
in zwei Teile. Zum einen die Dynamik der Drehbewegung um die Hochachse
des Schiffs und zum anderen die daraus resultierende Bewegung des
Schiffes in der Ebene.
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Der
Ruderwinkel δ regt
die Drehbewegung des Schiffs 18 um die Hochachse an. Die
Drehgeschwindigkeit bzw. Wendegeschwindigkeit r des Schiffs 18 ist
bevorzugt als Verzögerungsglied
erster Ordnung modelliert. Die Drehung des schiffsfesten Referenzpunkts
R erfolgt nicht entlang der Schifflängsachse 40, weil das
Schiff 18 um einen Driftwinkel β nach außen driftet. Es wird bevorzugt
von einem linearen Zusammenhang zwischen der Drehgeschwindigkeit
r und dem Driftwinkel β ausgegangen.
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Flüsse weisen
eine Vielzahl von Krümmungen
auf, deren Radien sich kontinuierlich verändern. In Zusammenhang mit
der Vorgabe einer Wendegeschwindigkeit V_WG stellt sich die Frage
nach einer geeigneten Repräsentation
einer Sollbahn 64.
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Als
Grundbedingung sollte es dem Schiff 18 möglich sein,
einer vorgegebenen Sollbahn 64 folgen zu können. Für eine Vorgabe
der Wendegeschwindigkeit bedeutet dies, dass es für ein Schiff
nicht möglich
ist, die Drehgeschwindigkeit schlagartig zu verändern. Daher ist es wünschenswert,
dass sich die Krümmung
einer Sollbahn stetig verändert.
Dies ist z.B. nicht der Fall, wenn man Strecken und Kreisbogenabschnitte
mit gleicher Tangente an der Übergangsstelle
aneinander anfügt.
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Die
Sollbahn wird daher bevorzugt mit Hilfe eines Interpolationsverfahrens
mit kubischen Splines realisiert. Um eine beliebige Bahnkurve auf
der Erdoberfläche
durch kubische Splines beschreiben zu können, wird bevorzugt eine Parameterdarstellung
verwendet, die den Verlauf der Kurven in Abhängigkeit von einem Laufparameter σ beschreibt.
Der Stützpunkt
i eines Splines hat die globalen Koordinaten (xd,i yd,i). Als Laufparameter für die Lage eines derartigen
Stützpunktes
wird die Weglänge σ entlang
eines die Stützpunkte
direkt verbindenden Polygons verwendet.
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Die
Sollbahn wird nun repräsentiert
durch zwei kubische Splines xd(σ) und yd(σ).
Diese haben die Eigenschaft, kontinuierlich bis zur zweiten Ableitung
zu sein. Damit ist auch ein kontinuierlicher Verlauf der Drehgeschwindigkeit
r gegeben.
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Im
allgemeinen Fall bewegt sich das Schiff frei auf der Erdoberfläche. In
diesem Fall wird die Position des Bezugspunkts R durch zwei Koordinaten
x und y in einem erdfesten Koordinatensystem beschrieben.
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Die
Ableitung der Spline-Funktionen dxd/dσ bzw. dyd/dσ wird
im Folgenden durch x' bzw.
y' symbolisiert.
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Der
zum aktuellen Reglerbezugspunkt (x, y) gehörige Laufindex σ auf der
Sollbahn wird durch die implizite Bedingung bestimmt, dass der Abstandsvektor
zur Sollbahn und der Tangentenvektor an die Sollbahn senkrecht zueinander
stehen. Damit ergibt sich: x'd(σR)(x – xd(σR)) + y'd(σR)(y – yd(σR)) = 0
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Die
Solldrehgeschwindigkeit rd ergibt sich aus
der Krümmung
K der Sollbahn und der Geschwindigkeit, mit der sich das Schiff
entlang der Sollbahn bewegt.
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νabs ist
die Absolutgeschwindigkeit des Bezugspunktes R. Sie kann in erster
Näherung
auch gleich der Längsgeschwindigkeit
des Schiffes gesetzt werden. Der Wert K ist abhängig vom Laufindex σ Die Solldrehgeschwindigkeit
wird nun umgerechnet in die Einheit [°/min] und dem Vorgabewert V_WG
für die
Wendegeschwindigkeit zugewiesen. Die beschriebene Berechnung des
Werts V_WG geschieht bevorzugt in der Recheneinheit 22 aus 1,
und der Wert V_WG wird anschließend
auf der Anzeigevorrichtung 30 aus 1 dargestellt,
wie dies in 2 bei 78 gezeigt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann die Sollbahn 64 durch den Schiffsführer 10 verändert werden,
um z.B. einen geeigneten Wert V_WG für die Wendegeschwindigkeit
bei einem Überholvorgang
zu ermitteln.
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Die
Berechnung des Vorgabewerts V_WG kann natürlich auch nach anderen Modellen
erfolgen. Für die
Berechnung können
ermittelte bzw. gemessene Zustandswerte für den Zustand des Schiffs 18 wie
die Sensordaten aus den Sensoren 20, 24 aus 1 wie
z.B. Radardaten, Ruderstellungsdaten und GPS-Daten, Sollwerte wie
der Sollwert S_WG für
die Wendegeschwindigkeit, Eingabewerte des Schiffsführers 10,
gespeicherte Werte wie Kartendaten, Daten der Sollkurve, Schiffseigenschaften
wie die Länge
des Schiffs und dessen Drehverhalten sowie andere Werte und Parameter
verwendet werden.
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Die
Berechnung gemäß Gleichung
(1) ist für
kleine Schiffe mit geringem Driftwinkel β geeignet. Für längere Schiffe wird bevorzugt
ein Zusammenhang der Art rd = K(σ)·v + k_drift·dK(σ)/dσ·dσ/dt (2)verwendet.
Durch den gegenüber
der Gleichung (1) zusätzlichen
zweiten Term mit dem Parameter k_drift wird die zum Aufbau der Drift
notwendige zusätzliche
Drehgeschwindigkeit mit in das Verfahren einbezogen.
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Naturgemäß sind im
Rahmen der Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich. Anstelle
der Steuerung über
die Ruderanlage 16 ist auch eine andere Steuerung möglich, z.B. über Impeller.
Bevorzugt wird der geeignete Vorgabewert V_WG für die Wendegeschwindigkeit
auch direkt am Tiller angezeigt, um ein einfaches Einstellen auf
den Vorgabewert V_WG zu ermöglichen.
Die Recheneinheit 22 kann auch mehrere Rechner umfassen,
und die Anzeigevorrichtung 30 kann z.B. einen Monitor oder
aber mehrere Anzeigeteilvorrichtungen umfassen.
