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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeugs oder eines Gebäudes, welches einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt ist.
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Unter einem Fahrzeug soll insbesondere ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug verstanden sein. Bevorzugte Wasserfahrzeuge umfassen Schiffe und Boote, aber auch sonstige Schwimmkörper wie Flöße oder Bohrinseln. Bevorzugte Luftfahrzeuge umfassen Ballons, Zeppeline und Helikopter. Unter einem Fahrzeug kann auch ein Schwimmkörper oder Schwebekörper verstanden werden, welche innerhalb eines vordefinierten Bewegungsspielraums, welcher beispielsweise durch einen Anker definiert wird, bewegbar und dort der Fluidbewegung des Fluids ausgesetzt ist, beispielsweise ein verankertes Floß. Das heißt, das Fahrzeug kann über einen eigenen Antrieb verfügen, muss dies aber nicht tun.
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Unter einer Fluidbewegung soll insbesondere ein chaotisches Auf- und Ab-Bewegen des Fluids verstanden werden, insbesondere eine Fluidbewegung einer Flüssigkeit. Insbesondere soll unter einer Fluidbewegung eine Wellenbewegung, beispielsweise die Wellenbewegung eines Ozeans, verstanden werden. Die Fluidbewegung kann aber auch weitere Strömungen des Fluids umfassen, welche aufgrund des Auf- und Ab-Bewegens oder zusätzlich zu dem Auf- und Ab-Bewegen des Fluids in dem Fluid vorhanden sind, beispielsweise Wirbel, Querströmungen etc. Die Fluidbewegung eines Ozeans umfasst einen Seegang des Ozeans. Unter „einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt” kann auch verstanden werden, dass das Fahrzeug einer Anregung durch das Fluid ausgesetzt ist.
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Stand der Technik
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Es ist eine häufige Aufgabe, Lasten präzise an einen gewünschten Zielort zu befördern. Liegt der Zielpunkt nahe oder innerhalb eines Fluids mit einer starken Fluidbewegung, kann die präzise Positionierung dadurch erschwert werden. Oft gibt es starke Randbedingungen, deren Einhalten durch die Fluidbewegung gefährdet ist. Beispielsweise werden Schiffe verwendet, um Lasten präzise an den Meeresgrund zu befördern. Um die Lasten nicht zu beschädigen, gilt es eine unkontrollierte Kollision der Last mit dem Meeresgrund zu vermeiden. Aufgrund der Wellenbewegung des Ozeans kann aber die Last plötzlich abgesenkt werden und mit dem Meeresgrund kollidieren, wenn das Schiff in ein Wellental gerät, auch ohne dass der relative Abstand der Last zu dem Schiff, der Ist-Relativ-Abstand, verändert wird.
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In der
EP 2 123 588 A1 ist eine Kransteuerung mit aktiver Seegangsfolge für einen auf einem Schwimmkörper angeordneten Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist, beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Demgemäß ist ein Verfahren zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeugs oder eines Gebäudes, welches einer Wellenbewegung eines Fluids ausgesetzt ist, vorgesehen, mit den Schritten: Prognostizieren einer zu erwartenden Wellenbewegung des Fluids an einem aktuellen und/oder an einem zu erwartenden Ort des Fahrzeugs; Berechnen, unter Verwendung einer Übertragungsfunktion des Fahrzeugs und der prognostizierten, zu erwartenden Fluidbewegung des Fluids, einer zu erwartenden Schätz-Absolut-Trajektorie der Last; Anpassen einer Ist-Relativ-Trajektorie der Last relativ zu dem Fahrzeug basierend auf der berechneten zu erwartenden Bewegung der Last zum Führen der Last gemäß der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe.
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Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeit, bevorzugt um Wasser, insbesondere um Salz- oder Süßwasser, handeln. Das Fluid kann insbesondere in Form eines Sees, eines Ozeans, eines Flusses, eines Kanals, eines Bachs oder eines Teichs vorliegen. Das Fluid kann auch aus einem Gas oder Gasgemisch bestehen, beispielsweise Luft.
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Darunter, dass das Fahrzeug der Fluidbewegung des Fluids ausgesetzt ist, soll insbesondere verstanden werden, dass eine Bewegung des Fahrzeugs durch die Fluidbewegung in mindestens einem seiner sechs Freiheitsgrade beeinflusst wird. Beispiele umfassen: ein Schiff auf einem Ozean, ein Boot auf einem See, ein Flugzeug in Luft, ein Unterseebot unter Wasser, ein Ballon oder Luftschiff n der Luft.
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Unter einer Absolut-Trajektorie soll eine Trajektorie verstanden werden, welche die Last für einen mit der Erdoberfläche fest verbundenen Beobachter durchführt. Unter einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe soll eine Information oder mehrere Informationen über und/oder Randbedingungen für eine erwünschte und/oder notwendige Absolut-Trajektorie verstanden werden.
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Die Soll-Absolut-Trajektorie kann durch die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe in allen Raumzeitpunkten festgelegt sein. Die Soll-Absolut-Trajektorie kann durch die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe alternativ auch nur in einem Raumzeitpunkt, etwa einem Zielpunkt, oder einigen Raumzeitpunkten festgelegt sein und zusätzlich Grenzwerte umfassen. Beispielsweise kann die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe aus der Information bestehen, dass die Last an einen bestimmten Ort auf dem Meeresgrund gebracht werden soll, aber niemals unterhalb des Meeresgrunds zu liegen kommen soll, das heißt, dass keine Kollision der Last mit dem Meeresgrund stattfinden soll. Mit anderen Worten kann die Soll-Absolut-Trajektorie eine ein- oder mehrseitige oder allseitige räumliche Begrenzung eines erlaubten Arbeitsbereichs für die Last vorgeben, insbesondere basierend auf Informationen über eine Kollisionsgefahr für die Last. Die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe kann auch aus der Information bestehen, dass die Last an einem bestimmten Zielpunkt zu führen ist, wobei die Last einen bestimmten Raumbereich nicht verlassen soll. Die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe kann weiter beispielsweise zusätzlich die Information umfassen, dass die Last keiner Beschleunigung mit einem Absolutwert über einem vorbestimmten Beschleunigungs-Absolutwert ausgesetzt sein soll.
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Unter einer Schätz-Absolut-Trajektorie soll eine prognostizierte, das heißt eine geschätzte Absolut-Trajektorie verstanden werden, welche die Last nach dem derzeitigen Kenntnisstand durchlaufen wird. Dabei kann insbesondere die Ist-Relativ-Trajektorie der Last relativ zu dem Fahrzeug berücksichtigt werden. Das Prognostizieren kann durch eine deterministische Wellenvorhersage erfolgen. Dabei wird auf Basis der Fluidbewegung, insbesondere auf Basis eines Seegangs – das heißt auf Basis von Wellenhöhen und/oder Strömungsgeschwindigkeiten – eine Aufspaltung in einzelne Wellenkomponenten mit eigenen Wellenzahlen vorgenommen. Die Wellenkomponenten werden entsprechend ihrer Laufrichtung und Gruppengeschwindigkeit propagiert und am Vorhersageort, also dem aktuellen oder dem zu erwartenden Ort des Fahrzeugs, wieder zusammengesetzt. Hierdurch können, abhängig von einer Größe eines betrachteten Raumbereichs des Fluids, welcher der Aufspaltung in die einzelnen Wellenkomponenten, das heißt der spektralen Zerlegung, zugrunde gelegt wird, Prognosehorizonte von über einhundert Sekunden erreicht werden.
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Die Ist-Relativ-Trajektorie gibt den Abstand der Last relativ zu dem Fahrzeug, insbesondere zu dem Schwerpunkt des Fahrzeugs oder einem sonstigen, für Berechnungen verwendeten Fixpunkt an dem Fahrzeug, an. Der Abstand kann ggf. ein vektorieller Abstand sein, welcher die Orientierung des Abstands in Bezug auf das Fahrzeug umfasst. Wird beispielsweise die Last an einem Seil oder Kabel mittels einer Winde bewegt, insbesondere auf einen See- oder Meeresgrund hin oder von einem See- oder Meeresgrund weg, kann die Ist-Relativ-Trajektorie durch Angabe eines lotrechten Abstands zwischen der Last und dem Schwerpunkt oder dem Fixpunkt des Fahrzeugs zu jedem Zeitpunkt gebildet sein. Der lotrechte Abstand kann gleich einer bekannten, aktuellen Seil- oder Kabellänge zwischen der Last und dem Fahrzeug sein.
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Die Ist-Relativ-Trajektorie entspricht vorteilhaft dem Fahrerwunsch eines Fahrers eines Hubwerks, welcher beispielsweise ein Auf- oder Ab-Bewegen der Last mit einer bestimmten Geschwindigkeit vorgibt. Das Anpassen der Ist-Relativ-Trajektorie kann derart erfolgen, dass die Ist-Absolut-Trajektorie der Last dem Fahrerwunsch entspricht, nachdem der Ist-Relativ-Trajektorie der Last die Bewegung des Fahrzeugs überlagert wird.
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Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeugs, welches einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt ist, vorgesehen, mit: einer Prognoseeinrichtung, mittels welcher eine zu erwartende Fluidbewegung des Fluids an einem aktuellen und/oder an einem zu erwartenden Ort des Fahrzeugs prognostizierbar ist; einer Recheneinrichtung, mittels welcher unter Verwendung einer Übertragungsfunktion des Fahrzeugs und der prognostizierten, zu erwartenden Fluidbewegung des Fluids eine zu erwartende Schätz-Absolut-Trajektorie der Last berechenbar ist; und einer Anpassungseinrichtung, mittels welcher eine Ist-Relativ-Trajektorie der Last relativ zu dem Fahrzeug basierend auf der berechneten zu erwartenden Bewegung der Last zum Führen der Last gemäß der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe an passbar ist.
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Weiterhin ist ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass durch eine Vorhersage der Fluidbewegung des Fluids eine aktive und vorausschauende Anpassung einer Trajektorie einer Last möglich ist. Somit können unerwünschte Bewegungen der Last in einem ortsfesten Bezugssystem (Absolut-Bewegungen) durch kompensierende Bewegungen der Last in einem fahrzeuggebundenen Bezugssystem (Relativ-Bewegungen) ganz oder teilweise kompensiert werden, um die Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe zu bewegen.
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Es können erwünschte Bewegungen der Last welche durch die Fluidbewegung verursacht werden und welche zufällig der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe genügen, unkompensiert bleiben, während unerwünschte Bewegungen der Last aufgrund der Fluidbewegung, welche der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe nicht genügen, teilweise oder – vorzugsweise – vollständig, kompensiert werden.
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Basierend auf der prognostizierten, zu erwartenden Fluidbewegung des Fluids sowie basierend auf den Leistungsparametern des Hubwerks, des Krans oder der Winde, kann ein Signal ausgegeben werden, wenn zu erwarten ist, dass innerhalb eines folgenden Zeitfensters die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe erfüllt werden kann. Auf das Signal hin kann ein Benutzer den Kran oder die Winde betätigen. Es kann durch das Signal auch automatisch eine automatische Steuerung des Krans oder der Winde gemäß der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe innerhalb des folgenden Zeitfensters gestartet werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte: Ermitteln, insbesondere automatisch, eines Verlaufs einer Bewegung des Fahrzeugs aufgrund der vorausgehenden Fluidbewegung des Fluids; und Anpassen, insbesondere automatisch, der Übertragungsfunktion, basierend auf einem Vergleich zwischen dem ermittelten Verlauf der Bewegung des Fahrzeugs aufgrund der vorausgehenden Fluidbewegung des Fluids und einer unter Verwendung der Übertragungsfunktion und der prognostizierten, zu erwartenden Fluidbewegung des Fluids berechneten Bewegung des Fahrzeugs. Diese Schritte können vorteilhaft regelmäßig oder kontinuierlich durchgeführt werden. Somit kann die Übertragungsfunktion genauer werden und insbesondere an aktuelle oder veränderte Gegebenheiten angepasst werden. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion an eine sich verändernde oder veränderte Trägheit eines Schiffs oder eines Luftschiffs, etwa durch Verlust von Masse, angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Bewegung der Last gemäß der berechneten, zu erwartenden Schätz-Absolut-Trajektorie der Last durch entsprechendes Anpassen der Ist-Relativ-Trajektorie der Last relativ zu dem Fahrzeug vollständig oder teilweise kompensiert wird. Es kann eine teilweise Bewegung in vorbestimmten Richtungen kompensiert werden, sodass der Last Bewegungen beispielsweise nach Norden, Süden, Osten und/oder Westen möglich sind, während die Bewegung auf den Schwerpunkt der Erde zu oder von dem Schwerpunkt der Erde fort, das heißt auf und ab, kompensiert wird. Es kann auch gezielt nur eine teilweise Kompensation durchgeführt werden, um gezielt einen gewünschten Offset herbeizuführen, welcher der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe genügt, wodurch die Last beispielsweise näher an einen Zielpunkt gelangt, während gleichzeitig Arbeit zur Kompensation eingespart wird. Es kann aber auch die Bewegung der Last vollständig kompensiert werden. Für einen ortsfesten Beobachter, beispielsweise auf der Erdoberfläche, steht die Last somit still.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird basierend auf der berechneten zu erwartenden Schätz-Absolut-Trajektorie der Last sowie basierend auf vorbekannten Informationen über eine maximale Anpassbarkeit der Ist-Relativ-Trajektorie pro Zeiteinheit, das vollständige oder teilweise Kompensieren zumindest zum Teil vorausschauend durchgeführt, sodass eine für das Kompensieren benötigte Anpassbarkeit der Ist-Relativ-Trajektorie pro Zeiteinheit stets kleiner oder gleich der maximalen Anpassbarkeit der Ist-Relativ-Trajektorie pro Zeiteinheit ist. Beispielsweise kann das Anpassen der Ist-Relativ-Trajektorie durch einen Kran oder ein Abrollen oder Aufrollen eines Seils oder Kabels durch eine Winde erfolgen, wobei die Winde an dem Fahrzeug angebracht ist und die Last an einem Ende des Seils oder Kabels, wobei die Last durch Abrollen des Seils oder Kabels von dem Fahrzeug entfernt wird und durch Aufrollen des Seils oder Kabels näher an das Fahrzeug herangeführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Erfassen einer aktuellen Fluidoberfläche des Fluids, insbesondere von Wellenhöhen des Fluids. Dies kann beispielsweise durch ein Radarsystem, beispielsweise ein Schiffsradar, ein LIDAR-System, das heißt ein Laserabstandsmessungssystem und/oder durch Stereokameras mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung erfolgen. Unter einer Fluidoberfläche eines Fluids soll eine Grenzfläche zwischen dem Fluid und einem räumlich benachbarten weiteren Fluid oder einem Vakuum verstanden werden, insbesondere eine Wasseroberfläche, das heißt eine Grenzfläche zwischen Wasser als Fluid, etwa in Form eines Ozeans, und Luft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Erfassen einer aktuellen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Dies kann beispielsweise durch einen Ultraschall-Doppler-Strömungsprofil-Messer (engl. „acoustic doppler current profiles”, ACDP) erfolgen. Demgemäß umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Fahrzeug vorteilhaft einen Ultraschall-Doppler-Strömungsprofil-Messer. Vorteilhaft erfolgt eine Ankopplung der Informationen über die erfasste Fluidoberfläche, insbesondere einer Wellenhöhe, an die erfasste aktuelle Strömungsgeschwindigkeit. Unter einer Strömungsgeschwindigkeit soll insbesondere auch ein vektorielles Strömungsgeschwindigkeitsfeld verstanden werden, das heißt ein Vektorfeld, welches eine Richtung und einen Betrag einer jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit an einer Vielzahl von diskreten oder kontinuierlich verbundenen Raumpunkten angibt. Unter einer Ankopplung soll insbesondere ein Zueinander-in-Bezug-Setzen sowie ein wechselseitiges Ergänzen der Informationen über die erfasste Fluidoberfläche und die erfasste Strömungsgeschwindigkeit verstanden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung, mittels welcher eine aktuelle Fluidoberfläche des Fluids erfassbar ist. Entsprechend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Fahrzeug vorteilhaft ein Radarsystem, beispielsweise ein Schiffsradar, ein LIDAR-System, das heißt ein Laserabstandsmessungssystem und/oder Stereokameras mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung. und/oder eine aktuelle Strömungsgeschwindigkeit des Fluids erfassbar ist. Demgemäß umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Fahrzeug vorteilhaft einen Ultraschall-Doppler-Strömungsprofil-Messer.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung, mittels welcher eine aktuelle Bewegung des Fahrzeugs aufgrund der Wellenbewegung des Fluids ermittelbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des Fahrzeugs ist das Fahrzeug eine schwimmende Bohrinsel oder ein Floß, wobei die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe die Information umfasst oder daraus besteht, dass die mittels der schwimmenden Bohrinsel oder des Floßes, etwa unter Verwendung eines auf der schwimmenden Bohrinsel oder dem Floß montierten Krans, zu führende Last einen vorbestimmten Raumbereich, insbesondere einen Raumbereich unter Wasser, nicht verlassen soll.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeug, welches einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform;
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3 einen schematischen Graphen zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeugs, welches einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt ist.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeug, welches einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Beschreibung wird auch Bezug auf in der 2 dargestellte Elemente genommen.
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In einem Schritt S01 wird eine zu erwartende Wellenbewegung als Fluidbewegung eines Ozeans 30 als Fluid an einem aktuellen und/oder an einem zu erwartenden Ort eines Schiffs 10 als Fahrzeug prognostiziert.
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Dazu wird mittels eines Schiffsradars die Wasseroberfläche 32 als Fluidoberfläche des Ozeans 30 erfasst, insbesondere die Wellenhöhen. Weiterhin werden mittels eines Ultraschall-Doppler-Strömungsprofil-Messers Strömungsgeschwindigkeiten des Ozeans 30 um das Schiff 10 erfasst.
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Der Zusammenhang zwischen orbitalen Strömungsgeschwindigkeiten des Wellenströmungsfelds und Wellenhöhen wird beispielsweise durch eine lineare Theorie beschrieben: u = πH / Tekzcos(θ) und w = πH / Tekzsin(θ), wobei u eine horizontale Strömungsgeschwindigkeit (senkrecht zum Erdradius), w eine vertikale Strömungsgeschwindigkeit (parallel zum Erdradius), H eine Wellenhöhe, T eine Wellenperiode, k eine Wellenzahl und z eine Tiefe bezeichnet.
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Mittels einer Fast-Fourier-Transformation wird die erfasste Information über das Wellenfeld, also über die Fluidbewegung des Ozeans 30, in einzelne Fourier-Komponenten zerlegt. Unter Kenntnis der Amplitude, Ausbreitungsrichtung und Phase der einzelnen Frequenzanteile wird mit Hilfe der linearen Theorie eine Vorhersage des Wellenfelds zu verschiedenen Zeitpunkten t an einem aktuellen und/oder an einem zukünftigen Ort (x, y) des Schiffs 10 berechnet. Eine Wellenerhebung η(x, y, t) als Teil der Fluidbewegung des Ozeans 30 an dem Ort (x, y) zu einem Zeitpunkt t wird aus einer Überlagerung von Beiträgen aller Frequenzanteile der Fourier-Komponenten i berechnet: η(x, y, t) = ΣiAicos(–ωit + kx,ix + ky,i + ϕ0,i,) wobei Ai eine Amplitude der i-ten Fourier-Komponente, ω eine Frequenz der i-ten Fourier-Komponente, kx,1 eine Wellenzahl der i-ten Fourier-Komponente in einer ersten horizontalen x-Richtung, ky,i eine Wellenzahl der i-ten Fourier-Komponente in einer zweiten horizontalen y-Richtung, welche auf der ersten horizontalen x-Richtung senkrecht steht, und ϕ0,i, einen Phasenversatz der i-ten Fourier-Komponente bezeichnet.
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Alternativ kann auch eine Wellentheorie höherer Ordnung nach Stokes verwendet werden. Dadurch kann sich eine Genauigkeit der Vorhersage erhöhen, wobei sich gleichzeitig der Rechenaufwand vergrößern kann. Die benötigte Genauigkeit kann basierend auf einer gewünschten Anwendung festgesetzt werden.
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In einem Schritt S02 wird unter Verwendung einer Übertragungsfunktion und der prognostizierten, zu erwartenden Fluidbewegung des Ozeans 30 eine zu erwartende Schätz-Absolut-Trajektorie 18 der Last 12 berechnet. Die Übertragungsfunktion zwischen den sechs Bewegungsfreiheitsgraden des Schiffs 10 (drei Raumrichtungen, drei Rotationsrichtungen) und dem Einfluss der Wellenbewegung des Ozeans 30 wird durch Antwortamplitudenoperatoren, kurz als RAO bezeichnet (englisch: „response amplitude Operators”) angegeben. Die RAO's sind abhängig von dem Schiff 10 sowie von einer Beladung und Ladungsverteilung des Schiffs 10.
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In einem Schritt S03 wird eine Ist-Relativ-Trajektorie 20 der Last 12 relativ zu dem Schiff 10 basierend auf der berechneten zu erwartenden Bewegung der Last 12 zum Führen der Last 12 gemäß der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe 22 angepasst.
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In dieser beispielhaften Beschreibung wird eine Bewegung des Schiffs 10 in x- und y-Richtung, also senkrecht zum Erdradius, vernachlässigt und es wird nur eine Auf- und Ab-Bewegung der Last 12, also parallel zum Erdradius, betrachtet. Das Verfahren ist aber auf alle Raumrichtungen anwendbar.
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Gemäß der ersten Ausführungsform gibt die Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe vor, dass sich die Last 12 in einem absoluten, ortsfesten Bezugssystem nicht bewegen soll. Insbesondere soll sich ein Abstand 25 zwischen der Last und dem Grund 2 des Ozeans 30 nicht vergrößern. Beispielsweise ist die Last 12 am Ende eines Kabel 13 befestigt, welches durch eine Winde 11 des Schiffs auf- und abrollbar ist, wodurch der Ist-Relativ-Abstand zwischen der Last 12 und dem Schiff 10 gemäß der Ist-Relativ-Trajektorie veränderbar ist. Eine Geschwindigkeit, mit welcher der Ist-Relativ-Abstand 24 der Last 12 mittels der Winde 11 verändert wird, wird mit gleichem Betrag aber umgekehrten Vorzeichen der Geschwindigkeit, mit welcher sich das Schiff 10 in Auf- und Ab-Richtung des Schiffs 10 aufgrund der Wellenbewegung bewegt, eingestellt.
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In einem Schritt S04 wird, etwa mittels einer schiffsbasierten Beschleunigungssensorik 50 als eine Sensoreinrichtung, ein Verlauf einer Bewegung des Schiffs 10 aufgrund der vorausgehenden Wellenbewegung des Ozeans 30 ermittelt.
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In einem Schritt S05 wird die Übertragungsfunktion basierend auf einem Vergleich zwischen dem ermittelten Verlauf der Bewegung des Schiffs 10 aufgrund der vorausgehenden Wellenbewegung des Ozeans 30 und einer unter Verwendung der Übertragungsfunktion und der prognostizierten, zu erwartenden Wellenbewegung des Ozeans 30 berechneten Bewegung des Schiffs 10 angepasst. Das Anpassen erfolgt derart, dass die berechnete Bewegung des Schiffs 10, wenn sie statt mittels der bisherigen Übertragungsfunktion mittels der angepassten Übertragungsfunktion basierend auf der prognostizierten, zu erwartenden Wellenbewegung des Ozeans 30 berechnet worden wäre, dem ermittelten Verlauf der Bewegung des Schiffs 10 gleich ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche eine Variante der ersten Ausführungsform ist, wird weiterhin eine maximale Anpassbarkeit der Ist-Relativ-Trajektorie der Last 12 berücksichtigt.
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Die maximale Anpassbarkeit der Ist-Relativ-Trajektorie ist im Beispiel der ersten Ausführungsform durch eine maximale Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Seils oder Kabels nach Maßgabe der Winde und/oder durch eine maximale Leistung der Winde gegeben. Ist basierend auf der berechneten zu erwartenden Schätz-Absolut-Trajektorie zu erwarten, dass zur gewünschten Kompensation der Bewegung der Last eine größere Anpassbarkeit der Ist-Relativ-Trajektorie benötigt wird als die maximale Anpassbarkeit, so wird eine vorauslaufende und/oder eine nachgelagerte Kompensation nach Maßgabe der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe durchgeführt, etwa wie anhand von 3 erläutert.
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3 zeigt einen schematischen Graphen, dessen Ordinate 60 einen Geschwindigkeitsbetrag und dessen Abszisse 62 eine Zeit angibt. Eine erste Kurve 64 stellt einen Geschwindigkeitsbetrag in Auf- und Ab-Richtung der Last 12 entsprechend der zu erwartenden Schätz-Absolut-Trajektorie der Last 12 dar. Zur vollständigen Kompensation der Absolut-Bewegung der Last 12 müsste die Ist-Relativ-Trajektorie der Last angepasst werden, die Last mit demselben Geschwindigkeitsbetrag mit umgekehrtem Vorzeichen zu beaufschlagen. Beispielsweise ist die Winde 11 aber nur dazu ausgebildet, maximal einen Maximal-Geschwindigkeitsbetragswert 66 bereitzustellen.
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Dementsprechend könnte eine erste Fläche 68 unter der Kurve 64 unkompensiert bleiben. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun eine erste, vorauslaufende Anpassung 70 sowie eine zweite nachgelagerte Anpassung 72 an dem Geschwindigkeitsbetrag der Ist-Relativ-Trajektorie durchgeführt. Somit folgt die Ist-Relativ-Trajektorie der Last bis zu einem ersten Zeitpunkt 74 und ab einem zweiten, späteren Zeitpunkt 76 der ersten Kurve 64, dazwischen aber einer zweiten, gemäß der vorauslaufenden Anpassung 70 und der nachgelagerten Anpassung 72 angepassten Kurve 78. Eine zweite Fläche 80 zwischen der ersten Kurve 64 und der zweiten Kurve 78 ergibt in Summe mit einer dritten Fläche 82 zwischen der ersten Kurve 64 und der zweiten Kurve 78 die erste Fläche 68. Das nachgelagerte und/oder vorauslaufende Anpassen der Ist-Relativ-Trajektorie erfolgt derart, dass im Bereich von Geschwindigkeitsbeträgen unter dem Maximal-Geschwindigkeitsbetragswert 66 die Ist-Relativ-Trajektorie möglichst nah an der Schätz-Absolut-Trajektorie verläuft, beispielsweise nach der Methode der Minimierung der Summe der Fehlerquadrate.
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4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 10' und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 zum Führen einer Last gemäß einer Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe mittels eines Fahrzeugs, welches einer Fluidbewegung eines Fluids ausgesetzt ist. Die Vorrichtung ist insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bevorzugt gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform, geeignet und kann entsprechend zum Durchführen aller beschriebenen Variationen dieser Verfahren angepasst werden.
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Gemäß 4 umfasst das Fahrzeug 10' die erfindungsgemäße Vorrichtung 5. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 40 weist auf: eine Prognoseeinrichtung 42, mittels welcher eine zu erwartende Fluidbewegung des Fluids 30 an einem aktuellen und/oder an einem zu erwartenden Ort des Fahrzeugs 10 prognostizierbar ist; eine Recheneinrichtung 44, mittels welcher unter Verwendung einer Übertragungsfunktion und der prognostizierten, zu erwartenden Fluidbewegung des Fluids 30 eine zu erwartende Schätz-Absolut-Trajektorie der Last 12 berechenbar ist; und eine Anpassungseinrichtung 46, mittels welcher eine Ist-Relativ-Trajektorie 20 der Last 12 relativ zu dem Fahrzeug 10 basierend auf der berechneten zu erwartenden Bewegung der Last 12 zum Führen der Last 12 gemäß der Soll-Absolut-Trajektorienvorgabe 22 anpassbar ist.
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Die Vorrichtung 40 umfasst weiterhin eine Erfassungseinrichtung 48, mittels welcher eine aktuelle Fluidoberfläche 32 des Fluids 30 und/oder eine aktuelle Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 30 erfassbar ist, sowie eine Sensoreinrichtung 50, mittels welcher eine aktuelle Bewegung des Fahrzeugs 10 aufgrund der Fluidbewegung des Fluids 30 ermittelbar ist. Für die detaillierten Funktionen der Vorrichtung 40 wird auf die vorangehende Beschreibung insbesondere auch der erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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