DE102009022652A1

DE102009022652A1 - Assistenzsystem für die Steuerung eines Schiffes

Info

Publication number: DE102009022652A1
Application number: DE102009022652A
Authority: DE
Inventors: Philipp Gläser; Marco Dr. Jaehnisch; Markus Dr. Radimirsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010136490A1; US8442710B2; JP2012528417A; EP2435998A1; US20120072059A1

Abstract

Die Positionen bzw. Bewegungen von Bug und Heck des Schiffs werden mit redundanten Mitteln erfasst und zur automatischen Durchführung schwieriger Manöver in Häfen bzw. zur Erzeugung von Empfehlungen zur Steuerung des Schiffs ausgewertet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Assistenzsystem für die Steuerung eines Schiffes, mit GPS-Einrichtung zur Positions- und/oder Kursbestimmung.
Derartige Assistenzsysteme sind grundsätzlich bekannt und werden bspw. regelmäßig dafür eingesetzt, ein Schiff automatisch auf einem vorgebbaren Kurs zu halten. Insofern sind sie also vergleichbar mit dem Autopiloten eines Flugzeugs.
Zu den besonders schwierigen Manövern eines Schiffs gehören Anlegemanöver bzw. die Einfahrt in einen Liegeplatz in einem Hafen.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Assistenzsystem zu schaffen, welches derartige Manöver erleichtern bzw. automatisch durchführen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die schiffsseitige GPS-Einrichtung einen bugseitigen und einen heckseitigen GPS-Empfänger aufweist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ständig die Positionen von Bug und Heck eines Schiffs relativ zu einem erdfesten Bezugssystem zu ermitteln, so dass einerseits die Ausrichtung der Längsachse des Schiffs relativ zu diesem Bezugssystem unmittelbar erkennbar wird und andererseits die Genauigkeit der ermittelten Positionsdaten leicht dadurch abgeschätzt werden kann, dass aus den Positionsdaten von Bug und Heck ein Wert für deren Abstand voneinander ermittelt und mit dem tatsächlichen vermessenen Wert des Schiffs verglichen wird. Die Abweichung zwischen dem mittels der GPS- Empfänger ermittelten Schiffslänge und der tatsächlichen Schiffslänge ist dann ein Kriterium für die Güte der Positionsdaten.
Alternativ bzw. – vorzugsweise – zusätzlich zur GPS-Einrichtung auf dem Schiff ist zumindest ein weiteres Ortungssystem vorgesehen, welches die Lage von Bug und Heck des Schiffs relativ zu stationären und/oder beweglichen Hindernissen zu erfassen gestattet. Bei derartigen Ortungssystemen kann es sich um Sonar-, Ultraschall-, Laser und/oder Radarsysteme handeln.
Auf diese Weise kann eine Karte der Umgebung des Schiffs hergestellt werden und auf einem Monitor dargestellt werden, so dass der dem Schiff zur Verfügung stehende Bewegungsraum ohne Weiteres erkennbar wird. Die für die Generierung der Karte erfassten Daten können mittels eines Kalman-Filters bearbeitet werden, um bei der Datenerfassung auftretende Störungen bzw. Messfehler „auszublenden”.
Soweit die vorgenannten GPS-Einrichtungen auf dem Schiff vorhanden sind und eine digitale Karte des jeweiligen Hafens bereits zur Verfügung steht, kann die mittels der schiffsseitigen Ortungssysteme hergestellte Karte der Umgebung soweit sie sich auf stationäre Konturen des jeweiligen Hafens bezieht, mit der digitalen Karte verglichen werden, so dass auch auf diesem Wege Kriterien für die Güte der mit dem GPS-Empfängern ermittelten Positionen von Bug und Heck des Schiffs ableitbar sind.
Sobald die Umgebung des Schiffs hinreichend genau erfasst worden ist, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, das Schiff mit Unterstützung durch einen Rechner (mit entsprechender Kapazität) automatisch auf einem optimalen Kurs an einen gewünschten Platz zu führen. Auch hier ist wieder vorteilhaft, dass bei der Erfindung die Positionsdaten von Bug und Heck des Schiffs erfasst werden, so dass auch komplizierte Bewegungen des Schiffs verzögerungsfrei verfolgt und ausgeführt werden können. In diesem Zusammenhang kann auf grundsätzlich bekannte Steuer- und Antriebssysteme verwiesen werden, mit denen ein Schiff nicht nur in Längs- sondern auch in Querrichtung bewegt werden kann, beispielhaft wird auf Bugstrahlruder und Voith-Schneider-Propeller verwiesen. Derartige Systeme erlauben auch ein Traversieren des Schiffs.
Sobald das erfindungsgemäße Assistenzsystem mit seinen Ortungseinrichtungen festgestellt hat, dass hinreichend Freiraum für ein vorgesehenes Manöver des Schiffs vorhanden ist, wird ein Soll-Weg des Schiffs automatisch ermittelt und gespeichert. Nachfolgend werden dann die Steuer und Antriebssysteme des Schiffs so gesteuert, dass die Soll-Istwert-Abweichung zwischen dem vorgegebenen Soll-Weg und dem vom Schiff tatsächlich ausgeführten Ist-Weg minimal wird bzw. bleibt. Eine solche Regelung der Antriebs- und Steuersysteme des Schiffs ist grundsätzlich unabhängig von eventuellen Störfaktoren, wie z. Bsp. Strömung oder Wind, möglich. Vorraussetzung ist lediglich, dass die Steuer- und Antriebssysteme des Schiffs hinreichend leistungsfähig sind, um das Schiff entgegen eventuellen Störkräften relativ zu einem erdfesten Bezugssystem bewegen zu können.
Gleichwohl ist es zweckmäßig und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, zumindest größere Störkräfte separat zu erfassen, um eine entsprechende Voreinstellung der Antriebs- und Steuersysteme des Schiffs zur Kompensation der jeweiligen Störkräfte vornehmen zu können. Auf diese Weise werden mögliche Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Weg des Schiffs von Anfang an gering gehalten. Damit wird gleichzeitig der Regelungsbedarf vermindert.
Zur Messung der Windgeschwindigkeit kann auf dem Schiff ein mit dem Assistenzsystem kommunizierendes Anemometer angeordnet sein. Die damit ermittelbare Windgeschwindigkeit und -richtung relativ zum Schiff kann dann vom Assistenzsystem zur Ermittlung der Windgeschwindigkeit und -richtung relativ zu einem erdfesten Bezugssystem genutzt werden, da aus den Daten des GPS-Systems bzw. sonstiger schiffsseitiger Ortungssysteme die Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung des Schiffs relativ zum erdfesten Bezugssystem ermittelbar ist.
Eventuelle Wasserströmungen können hinsichtlich Richtung und Geschwindigkeit gegebenenfalls dadurch ermittelt werden, dass das Assistenzsystem ein Modell des jeweiligen Schiffs „kennt” und aufgrund der Modellparameter die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Schiffs bei der jeweiligen Windlast in einem (ideal) stillen Gewässer berechnen kann. Aus der Abweichung zwischen berechnetem Kurs bzw. berechneter Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit gegenüber der tatsächlichen Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit kann dann die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung ermittelt werden. Da zumindest in Häfen davon ausgegangen werden darf, dass sich die Strömungsverhältnisse benachbarter Orte praktisch nicht unterscheiden, können die Strömungsdaten gegebenenfalls vor dem Beginn eines kritischen Manövers ermittelt und dann bei dem nachfolgenden kritischen Manöver berücksichtigt werden.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Assistenzsystems näher erläutert wird.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
1 eine schematisierte Draufsicht auf Schiffe in einem Hafenabschnitt,
2 eine stark schematisierte Blockdarstellung des erfindungsgemäßen Assistenzsystems.
Die 1 zeigt ein „Luftbild” eines Abschnitts eines Hafens mit einer Kaimauer 1, an der ein Schiff 2 angelegt hat. Ein weiteres Schiff 3 nimmt einen Liegeplatz ein, wobei die Längsachse des Schiffs 3 senkrecht zur Kaimauer 1 erstreckt ist. Beide Schiffe 2 und 3 sind mittels Leinen oder Taue an Poldern 4 festgelegt. Für ein weiteres Schiff 5 steht noch ein Liegeplatz zwischen den Schiffen 2 und 3, parallel zum Schiff 3 zur Verfügung. Das weitere Schiff 5 möge nun mit einem erfindungsgemäßen Assistenzsystem ausgerüstet sein. Dieses besitzt eine GPS-Einrichtung mit einem GPS-Empfänger 6 am Bug und einem GPS-Empfänger 7 am Heck. Außerdem besitzt das Schiff 5 eine Vielzahl von Ortungseinrichtungen 8, mit denen die Umgebung des Schiffs 5 erfasst werden kann.
Gemäß 2 ist ein Rechner 9 des Assistenzsystems eingangsseitig mit den GPS-Empfängern 6 und 7 verbunden. Ausgangsseitig steuert der Rechner 9 zumindest eine Bildanzeige 10, auf der die Lage des Schiffs 5 aufgrund der Daten der GPS-Empfänger 6 und 7 relativ zu einem erdfesten Bezugssystem, z. B. UTM-Koordinaten (UTM = universale transversale Mercatorprojektion), dargestellt werden kann. Zusätzlich kann der Rechner 9 eingangsseitig mit einem Speicher 11 oder einem Sender oder dergleichen kommunizieren, um die Daten einer digitalen Karte des jeweiligen Hafenabschnitts zu erhalten.
Damit kann der Rechner 9 auf der Bildanzeige 10 das Schiff 5 lagerichtig relativ zur Kaimauer 1 darstellen.
Falls eine digitale Karte nicht zur Verfügung steht, kann der Rechner 9 auf der Bildanzeige 10 mittels der von den Ortungseinrichtungen 8 gelieferten Daten auch ein Abbild des Schiffs 5 mit der Umgebung dieses Schiffs generieren.
Falls die digitale Karte des Hafens zur Verfügung steht, werden die Daten der Ortungseinrichtungen 8 im Wesentlichen nur dafür herangezogen, in die Karte bzw. in das auf der Bildanzeige 10 entsprechend erscheinende Kartenbild die Schiffe 2 und 3 „einzuzeichnen”. Im Übrigen überprüft der Rechner 9 alle erhaltenen Daten auf Plausibilität bzw. auf deren Güte. So kann bspw. aus den Daten der GPS-Empfänger 6 und 7 deren Abstand voneinander ermittelt und mit dem konstruktiv vorgegebenen Wert verglichen werden. Je größer die dabei ermittelte Abweichung zwischen den beiden Werten ist, umso unsicherer sind die mittels der GPS-Empfänger 6 und 7 ermittelten Positionsdaten für Bug und Heck des Schiffs 5. Dies kann auf der Bildanzeige 10 bspw. dadurch sinnfällig wiedergegeben werden, dass einerseits die wahrscheinlichste Position des Schiffs 5 dargestellt und andererseits ein entsprechender Unsicherheitsbereich bildlich wiedergegeben wird, innerhalb dessen sich das Schiff 5 befinden könnte.
Nunmehr kann mit einer Tastatur 12 oder einer Maus oder dergleichen an der Bildanzeige 10 eine gewünschte Ziellage des Schiffs 5 vorgegeben und dem Rechner 9 „mitgeteilt” werden. Sodann ermittelt der Rechner 9 einen geeigneten bzw. optimalen Sollweg, damit das Schiff 5 in die Ziellage gelangen kann. Dabei berücksichtigt der Rechner 9 die dem Schiff 5 zur Verfügung stehenden schiffsseitigen Steuer- und Antriebseinrichtungen. Sollten diese Einrichtungen nicht geeignet oder ausreichend sein, die notwendigen Manöver durchzuführen, wird dies angezeigt. Damit erhält die Schiffsbesatzung einen eindeutigen Hinweis darauf, dass Hilfe durch Bugsierschlepper oder dergleichen angefordert werden muss. Bei ausreichenden Steuer- und Antriebseinrichtungen besteht einerseits die Möglichkeit, dass die notwendigen Manöver automatisch durchgeführt werden, indem der Rechner 9 die Antriebs- und Steuereinrichtungen 15 des Schiffs entsprechend betätigt, das heißt in Abhängigkeit von einem Soll-Istwert-Vergleich zwischen dem ermittelten Sollweg für das Schiff 5 und dem tatsächlich vom Schiff 5 ausgeführten Ist-Weg. Zur Ermittlung dieser Differenz können sowohl die von den GPS-Empfängern 6 und 7 bereit gestellten Signale als auch die Signale der Ortungseinrichtungen 8 herangezogen werden.
Falls die Schiffsbesatzung eine manuelle Steuerung des Schiffs bevorzugt, werden die Steuereinrichtungen 15 mittels Handsteuerorgane 16 betätigt, wobei die vom Rechner 9 an die Steuereinrichtungen gegebenen Befehle unwirksam werden bzw. bleiben. Jedoch kann der Rechner 9 auf der Bildanzeige 10 zweckmäßige Betätigungen der Steuer- und Antriebseinrichtungen des Schiffs vorschlagen und gleichzeitig die Ist-Lage des Schiffs 5 sowie eine empfehlenswerte Soll-Lage darstellen. Dadurch wird der Schiffsbesatzung die Steuerung des Schiffs 5 wesentlich erleichtert.
Im Übrigen kann das Assistenzsystem auch dann hilfsreich sein, wenn die Leistungsfähigkeit der Antriebs- und Steuereinrichtungen des Schiffs 5 für sich allein nicht ausreicht, die zur Erreichung eines gewünschten Liegeplatzes notwendigen Manöver auszuführen. In diesem Falle kann der Rechner zweckmäßige Manöver für Bugsierschlepper oder dergleichen vorschlagen, so dass der Schiffsbesatzung eine wesentliche Hilfe bei den notwendigen Anweisungen an die Besatzungen der Bugsierschlepper gegeben wird.
Der Rechner 9 „kennt” ein Modell des Schiffs 5, so dass er die Reaktionen des Schiffs auf Eingriffe an den Steuer- und Antriebseinrichtungen des Schiffs in einem idealen (insbesondere strömungsfreien) Gewässer voraussagen kann. Diese vorausgesagten Reaktionen kann der Rechner 9 ständig mit den aus den Daten der GPS-Empfänger 6 und 7 ermittelten tatsächlichen Reaktionen des Schiffs vergleichen und dabei überprüfen, ob die abweichenden Reaktionen durch auf das Schiff 5 einwirkende Windlasten, die aus Daten eines eingangsseitig mit dem Rechner 9 verbundenen Anemometers 13 ermittelbar sind, erklärt werden können. Die auf diese Weise nicht erklärbaren Reaktionen des Schiffs werden dann vom Rechner 9 auf Wasserströmungen zurückgeführt, die auf diese Weise bezüglich Stärke und Richtung ermittelbar sind. Diese Ermittlung von Wasserströmungen kann prinzipiell ständig, insbesondere rechtzeitig vor einem besonderen Manöver des Schiffs 5 erfolgen, so dass bei der automatischen oder rechnerunterstützten Durchführung eines Manövers die Strömungseinflüsse vorab berücksichtigt werden können.
Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich Strömungsverhältnisse in der Regel an benachbarten Positionen nur wenig voneinander unterscheiden, das heißt weitgehend ortsunabhängig konstant sind.
Im Übrigen können Daten über Wasserströmungen und dergleichen prinzipiell auch von einem hafenseitigen Datensender an eine entsprechende Empfangseinrichtung des Rechners 9 übertragen werden, bspw. zusammen mit einer digitalen Karte des jeweiligen Hafens.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rechner 9 eingangsseitig zusätzlich mit einer Bewegungssensorik 14 verbunden, mit der Schlinger- oder Stampfbewegungen oder dergleichen des Schiffs erfasst werden können. Wenn der Rechner 9 aufgrund eines hinterlegten Schiffsmodells mögliche Schlinger- und Stampfbewegungen des Schiffs „kennt” kann auf diese Weise vermieden werden, dass der Rechner 9 bei einem automatisch durchgeführtem Manöver des Schiffs oder bei der Ermittlung empfehlenswerter Manöver unerwünscht auf die vorgenannten Schiffsbewegungen reagiert. Insbesondere kann auf diese Weise vermieden werden, dass im Wesentlichen periodische Bewegungen des Schiffs durch Steuermaßnahmen angeregt werden. Vielmehr besteht die vorteilhafte Möglichkeit, periodische Schiffsbewegungen durch im Gegentakt erfolgende Steuermaßnahmen zu dämpfen.
Die Erfindung kann wie folgt beispielhat zusamengefasst werden:
Mittels der Sensorik von schiffsseitigen Ortungssystemen wird das Umfeld des Schiffes erfasst, wobei grundsätzlich bekannte Methoden (Kalman-Filterung) zur Kompensation von Messfehlern eingesetzt werden können. Die GPS-Empfänger des Schiffes werden hauptsächlich zur Kursbestimmung (Kompass) und zur Erfassung der Ausdehnung des Schiffes eingesetzt. Die Bewegungssensorik erkennt Bewegungen des Schiffes in Richtung der die Freiheitsgrade und ermöglicht damit Rückschlüsse auf die Stärke des Seegangs, außerdem lässt sich damit vermeiden, dass unnötige Steuerungsmaßnahmen des Schiffes automatisch durchgeführt oder dem Schiffspersonal empfohlen werden. Nach Vermessung eines Anlege- oder Liegeplatzes wird ein Sollweg des Schiffes berechnet, wobei die zur Berechnung herangezogenen Daten vorzugsweise durch Kalman-Filterung oder dergleichen verbessert werden. Auf der Grundlage des Sollweges werden Stellgrößen für die Steuer- und Antriebssysteme des Schiffes ermittelt und diesem über einen CAN-Bus oder dergleichen zugeführt. Diese Stellgrößen werden ständig durch Vergleich von Soll- und Ist-Weg des Schiffes aktualisiert.

Claims

Assistenzsystem zur Steuerung eines Schiffs mit GPS-Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die GPS-Einrichtung einen bugseitigen und einen heckseitigen GPS-Empfänger (6, 7) auf dem Schiff aufweist.
Assistenzsystem zur Steuerung eines Schiffs, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass redundante Mittel (6, 7, 8) zur Erfassung von Positionen bzw. Bewegungen des Schiffs und/oder zur Erfassung von beweglichen oder stationären Hindernissen oder Störkonturen vorhanden sind.
Assistenzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägheits- oder Bewegungssensorik (14) zur Erkennung von im Wesentlichen periodischen Bewegungen (Schlingern, Stampfen, Rollen) des Schiffs vorhanden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Assistenzsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ermittelte Positionen von Bug und Heck des Schiffs (5) auf Plausibilität bzw. Genauigkeit überprüft werden, indem der aus den Positionen ermittelte Abstand zwischen Bug- und Heckposition mit einem konstruktiv vorgegebenen, gespeicherten Wert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechner (9) auf gespeicherte Daten eines Modells des Schiffs (5) zugreift und dessen Reaktionen auf Steuereingriffe unter vorgebbaren Idealbedingungen ermittelt sowie mit tatsächlichen Reaktionen des Schiffs (5) zur quantitativen Erfassung von Störeinflüssen vergleicht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechner (9) eine Bildanzeige (10) steuert und darauf die Ist-Lage des Schiffs relativ zu Hindernissen oder Störkonturen sowie eingeleitete oder empfohlene Steuermaßnahmen darstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (9) auf der Bildanzeige (10) zweckmäßige Manöver von Bugsierschleppern aufzeigt.