DE102020122439B4

DE102020122439B4 - Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe

Info

Publication number: DE102020122439B4
Application number: DE102020122439.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: DE102020122439A1

Abstract

Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe zur Kompensierung der aufgrund der Segellasten auftretenden Drehmomente und Querkräfte durch Erzeugung hydrodynamischer Auftriebskräfte am Schwert (2) eines Segelschiffes durch aktive Veränderung der Wölbung des Schwertprofils, dadurch gekennzeichnet, dass- einem Regelkreis zumindest mittels eines Kreiselinstruments und eines GPS-Empfängers die Istwerte (y) der Querneigung und Driftgeschwindigkeit des Segelschiffs zugeführt werden,- um den Rollwinkel φ der Krängung und die Quergeschwindigkeit vquer der Driftgeschwindigkeit als Regelgrößen (x) bezogen auf die Führungsgrößen (w) eines konstanten Neigungswinkels φ = 0° und einer konstanten Quergeschwindigkeit vquer = 0 m/s zu beeinflussen,- wobei mittels einer Regeleinrichtung (10) eine elektrische Steuergröße (u) zur Erzeugung von Stellgrößen (uR) unter Berücksichtigung der Istwerte (y)und Führungsgrößen (w) abgegeben wird,- die über eine aus dem Segelschiff selbst gebildete Regelstrecke (8)und unter Berücksichtigung der im Regelkreis wirkenden Störgrößen (z) der Wind- und Wasserkräfte sowie der Schiffsteuerung durch aktive Veränderung der Wölbung des Schwertprofils auf die Regelgrößen (x) einwirken,- wobei als Stellgröße (uR) die aktive Veränderung der Wölbung des Schwertprofils am Schiffsschwert (2) angewendet wird,- die mittels zumindest zweier Exzenterwellen (6.1, 6.2) im Schiffsschwert (2) bewirkt wird,- die zumindest an einem Drehpunkt in der Profilgrundkonstruktion (Profilsehne) im Schiffsschwert (2) drehbar gelagert sind,- wobei eine Lageveränderung der Exzenterwellen (6.1, 6.2) an die elastisch verformbaren Wandungen des Schiffsschwerts (2) erfolgt zur Veränderung der Wölbung des Schwertprofils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle mit den weiteren Verfahrensschritten nach Oberbegriff des Anspruchs 1. Als Erfindung wird eine automatisierte Regelung der Querneigung (Krängung) von Segelbooten bei Fahrt vorgeschlagen, wobei im Stand der Technik die Erzeugung hydrodynamischer Kräfte durch aktive Profilveränderungen am Schiffsschwert bzw. -kiel bereits bekannt ist.
So ist aus der Offenlegungsschrift DE 43 34 496 A1 ist ein Strömungskörper zur Steuerung von Wasserfahrzeugen bekannt, bei dem durch eine Verschiebung des Strömungskörperprofils aus einem symmetrischen in ein asymmetrisches Profil eine Anpassung von Auftrieb und Widerstand bei der Konstruktion eines Wasserfahrzeugs erreicht werden kann. Ein variabler laminarer Strömungskörper wird hierfür aus einer einstellbaren, torsionsstabilen Dämpfungsfläche in Verbindung mit Strömungskörper-Profilflächen und einer Deckfläche gebildet. Es ist in diesem Zusammenhang offenbart, dass die Veränderung des Strömungskörperprofils zur Ausgleichung der Krängung von Segelbooten und zur Stabilisierung der Bootslage zur Steuerung der Fahrtrichtung genutzt werden kann.
Desweiteren ist aus der Veröffentlichungsschrift DE 29 37 928 A1 ist ebenfalls eine Einrichtung für Segelboote offenbart, deren Aufgabe es ist, eine Erzeugung zusätzlicher Kräfte zur Beeinflussung der Krängung eines Segelbootes zu bewirken. Erreicht wird dies durch ein Schwert bzw. einen Kiel des Bootrumpfs, der lage- oder formveränderlich ausgebildet ist. Nach dieser Erfindung kann beispielsweise eine Veränderung des Querschnittprofils des Kiels nach der einen oder anderen Seite hin erfolgen, beispielsweise durch eine flexible Membran oder ausschwenkbar gelagerte Strömungsflächen.
Schließlich offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2008 013 212 A1 eine automatische Stabilisierungseinheit für Wasserfahrzeuge, bei der ein elektronischer Regler vorgesehen ist, der in Abhängigkeit der Drehraten und Longitudinal- und/oder Lateral- und/oder Vertikalbeschleunigungen unter Nutzung der im Wasserfahrzeug üblicherweise verfügbaren Stellglieder die Wasserlage des Wasserfahrzeugs (10) im Fahrbetrieb während einer Geradeausfahrt und einer Kurvenfahrt stabilisiert.
Das dazu angewendete Wirkprinzip der Querneigungsregelung ist folgendes: Der Windkraft in den Segeln und dem daraus resultierenden Drehmoment wird durch adaptive Verstellung der Wölbung des Schwertes eine hydrodynamische Auftriebskraft entgegengesetzt, so dass sich ein Ausgleich der auftretenden Momente ergibt und der Schiffsrumpf in seiner Querneigung neutraler gehalten wird. Folgende Vorteile ergeben sich aus dieser Funktionalität des Ausgleichs der Drehmomente bei Fahrt:

• Die bisher übliche Praxis des Ausgleichs der auftretenden Momente durch statische Auftriebskräfte aufgrund des tieferen Eintauchens des Rumpfes auf der Leeseite und durch Gewichtsverlagerung entfällt.
• Es können deutlich höhere Gegenmomente aufgebracht und das Schiff dadurch härter am Wind gesegelt werden.
• Das Schiff steht immer maximal hoch am Wind und kann somit die Windkraft optimal ausnutzen.
• Die maximal erreichbaren Fahrtgeschwindigkeiten werden dadurch gesteigert.
• Der Aufwand für die Schiffssteuerung wird reduziert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, ein Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe zu schaffen, die bei geringem konstruktivem Aufwand die Nutzung hydrodynamischer Auftriebskräfte am Schiffsschwert durch technische Komponenten am Schiffsschwert ermöglicht. Es soll zudem ermöglicht werden, diese Roll- und Driftkontrolle unter Verwendung von Messwerten so zu steuern, dass eine Automatisierung erfolgen kann, die eine Vereinfachung und eine Erhöhung der Sicherheit beim Segeln bewirkt und somit das Segeln gerade auch für wenig erfahrene Segler ermöglicht.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren zur automatisierten automatisierte Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach Anspruch 1.
Die Unteransprüche haben weitere Ausführungen der Erfindung zum Gegenstand.
Es ist hierbei erfindungsgemäß vorgesehen, eine gleichzeitige Drift- und Krängungskontrolle durch Erzeugung hydrodynamischer Auftriebskräfte am Schwert eines Segelschiffes durch aktive Veränderung der Strömung am Schwertprofil durch eine Wölbungsverstellung am Schiffsschwert (verschränktes Profil über die Schwertlänge hinweg) zu erreichen. Gleichzeitig wird eine Automatisierung der Roll- und Driftsteuerung in Form eines Assistenzsystems durch Regelkreise mit den Führungsgrößen Rollwinkel und Quergeschwindigkeit erreicht.
Bei der konstruktiven Ausführung ist darauf zu achten, dass das Paar aus Wind- und hydrodynamischer Kraft keine zusätzlichen Giermomente erzeugt und so die Schiffssteuerung überlagert bzw. erschwert.
Abhängig vom Schiffstyp ist eine Konstruktion mit zwei hintereinander liegenden Schwertern nach 6 zu bevorzugen. Dadurch ist es möglich, die Lage des Zentrums der hydrodynamischen Auftriebskräfte aktiv zu verändern.
Eine weiterhin verbesserte Bauform sieht die Erzeugung einer zweiten Kraftkomponente am oberen Ende des Schwertes in Rumpfnähe vor, die in Gegenrichtung der angreifenden Windkraft (Luv) zeigt, wie dies in 5 dargestellt ist.
Dadurch kann ein Kräftepaar erzeugt werden, das sowohl eine Drehmomentenkompensation als auch einen Ausgleich der angreifenden Kraftkomponenten, die senkrecht zur Längsachse wirken, realisiert. Durch diese Erweiterung wird eine Drift verhindert und das Schiff hält Kurs in Längsrichtung. Zur dynamischen Rollkontrolle kommt dann noch die Regelung der Drift dazu. Die Quergeschwindigkeit des Schiffes kann dafür als Führungsgröße verwendet werden.
Alternativ kann die Wölbungsverstellung ergänzt werden und die Drift- und Rollkontrolle mittels am Schiffsschwert angebrachter Querstrahlruder und/oder Wölbklappen realisiert werden.
Die Größen für den Regelkreis der automatisierten Rollsteuerung nach 4 sind folgende:

• Regelgröße x : Querneigung (Krängung)
• Führungsgröße w: Rollwinkel cl) = 0
• Stellgröße u_R: Wölbung des Schwertprofils
• Störgrößen z: Einflüsse von Wind und Seegang sowie Kursänderungen
• Regelstrecke 8: Segelschiff mit verstellbarer Schwertwölbung
• Regeleinrichtung 10: entsprechend programmierter Mikrocontroller und Stellvorrichtung zur Verwölbung des Schwertprofils
• Messeinrichtung 9: beispielsweise ein Lot in Form eines Gyrosensors
• Steller 11: beispielsweise Servomotoren

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

1 das Wirkprinzip der aktiven Rollkontrolle;
2 die Wölbungsverstellung mittels zweier gegenläufiger Exzenterwellen;
3 das Funktionsprinzip der linearen Verstellung durch zwei gegenläufige Wellen in exzentrischer Anordnung,
4 die beispielhafte Darstellung eines Regelkreises,
5 ein Schwert in Seitenansicht und Ansicht von Achtern mit zwei verschränkt angesteuerten Wölbklappen;
6 eine Reihenanordnung zweier Schwerter in Längsrichtung des Schiffrumpfes hintereinander sowie
7 eine Anordnung zur Bewirkung eines Kräftegleichgewichts in Querrichtung.

In 1 soll prinzipiell gezeigt werden, wie das durch die Windkraft Fw entstehende Moment durch das entgegengesetzte Moment, das durch die hydrodynamische Kraft FA am Schiffsschwert 2 entsteht, aufgehoben wird nach der Formel: $FW * IW = FA * IA$
Die Distanzen IW und IA werden hierbei vom Schwerpunkt 1 des Schiffes aus bestimmt.
Die Steuerung der in 2 gezeigten Wölbung zur Erzeugung der seitlichen Auftriebskraft am Schiffsschwert 2 wird durch mechanische Verstellung, z.B. Verdrehung eines Exzenters 6 oder mittels Druckkörpern im Schwertinneren, die auf eine elastische Außenhaut wirken, erreicht. Es ist auch ergänzend möglich wie in 5 dargestellt mit Wölbklappen den Auftrieb zu erzeugen, dies würde aber stärker auf die Fahrrichtungsteuerung Einfluss nehmen.
Die in 2 in einem Schnitt durch das Profil zweier Schiffschwerter 2.1 und 2.2 dargestellte Wölbungsverstellung wird mittels zweier gegenläufiger Exzenterwellen 6.1 und 6.2 bewirkt, wie dies in den 3a - 3c nachfolgend erläutert wird. Die abgerundete Schiffschwertspitze 3 wie das spitz zulaufende Schiffschwertende 4 verbleiben hierbei auf der Längsmittelachse 5 und es kommt zu einer Auswölbung des Schiffschwertes 2 zur Luv- oder Leeseite, je nach Drehrichtung der Exzenterwellen 6. Zur Verdeutlichung sind die übereinander dargestellten symmetrischen Schiffschwerter 2.2 und asymmetrischen Schiffschwerter 2.1 mit einem Raster hinterlegt.
In den 3a bis 3c wird das Funktionsprinzip der linearen Verstellung durch zwei gegenläufige Exzenterwellen 6.1 und 6.2 in exzentrischer Anordnung verdeutlicht. P1 ist hierbei der zentrale Drehpunkt der äußeren Welle 6.1, P2 ist der dezentrale Drehpunkt der inneren Exzenterwelle 6.2, um den die inneren Exzenterwelle 6.2 um einen Gelenkarm 17 schwenkbar ist, der an der inneren Exzenterwelle 6.2 in einem zentralen Drehpunkt 16 gelagert ist.
Um die Lageveränderung zu bewirken, ist dieser Drehpunkt P2 der inneren Exzenterwelle 6.2 fest in der starren inneren Profilgrundkonstruktion (Profilsehne) gelagert. Somit ist die Bewegung der Exzenterwellen 6.1 und 6.2 aus dem Zentrum des Schiffsschwertes 2 heraus zur Erzeugung der seitlichen Auswölbungen um diesen Drehpunkt P2 ermöglicht.
Die gegenläufige Drehung der äußeren Welle 6.1 erfolgt hierbei um einen Gelenkarm 18, der im Drehpunkt 16 zentral in der inneren Exzenterwelle 6.2 sowie im zentralen Drehpunkt P1 der äußeren Welle 6.1 gelagert ist. Durch die gleichmäßig gegenläufige Verdrehung der beiden Wellen ergibt sich eine lineare Verschiebung des Drehpunkts P1 der äußeren Welle senkrecht zur Profilsehne.
Die Verschiebung in Y-Richtung berechnet sich aus der Gleichung: $Δ Y = 2 * e * sin ϕ$
e steht hierbei für die Exzentrizität.
Der Verstellbereich Φ beträgt etwa +/- 90°.
In 3a befinden sich die Exzenterwellen 6.1 und 6.2 in ihrer Ausgangslage, wobei die Drehpunkte P1 der äußeren Welle 6.1 und der Drehpunkt P2 der inneren Exzenterwelle 6.2 deckungsgleich sind.
In 3b ist eine halbe Drehung dargestellt, wobei die inneren Exzenterwelle 6.2 im Uhrzeigersinn und die äußere Welle 6.1 gegen den Uhrzeigersinn rotiert ist. Der Verstellbereich Φ beträgt hierbei 2 mal 90°.
In 3c ist eine viertel Drehung dargestellt, wobei wie durch die Pfeile 7 dargestellt die inneren Exzenterwelle 6.2 im Uhrzeigersinn und die äußere Welle 6.1 gegen den Uhrzeigersinn rotiert ist. Der Verstellbereich Φ beträgt hierbei jeweils 45°.
In 4 ist das Prinzip der Regelkreise für automatische Roll- und Driftsteuerung (Assistenzsystem) dargestellt. Die Regelgrößen x sind der Rollwinkel φ für die Krängung und die Quergeschwindigkeit v quer für die Drift. Als Sensoren für die Messeinrichtung 9 kommen Gyrokreisel und ein GPS-Empfänger zum Einsatz. Diese liefern die jeweiligen Istwerte x für die Querneigung und die Driftgeschwindigkeit.
Die Führungsgrößen w sind ein konstanter Neigungswinkel φ = 0° und eine konstante Quergeschwindigkeit vquer = 0 m/s.
Die Regeleinrichtung 10 kann in einer zweckmäßigen Bauform eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS (PLC mit einem PID-Regler Baustein (proportional-integral-derivative controller)) sein, diese gibt eine elektrische Steuergröße u aus, die den Stellern 11 (beispielsweise Servomotoren) die Steuersignale für die Stellgrößen u_R (Wölbklappenausschlag α oder der Verdrehwinkel Φ der Exzenterwellen) gibt.
Die Stellgrößen u_R wirken dann über die Regelstrecke 8 (das gesamte Schiff mit seinen Steuerflächen, Trägheitsmomenten, Eintauchtiefe usw.) auf die Regelgrößen x ein. Die Störgrößen z im Regelkreis sind die Wind- und Wasserkräfte sowie die Kursänderungen durch den Steuermann.
In 5 ist ein Schiffschwert 2 an einem Schiffsrumpf 15 in Seitenansicht und Ansicht von Achtern in einer Bauform mit zwei verschränkt ansteuerbaren Wölbklappen 12 und 13 dargestellt, wobei der Klappenausschlag links wie rechts lediglich beispielhaft dargestellt ist, da diese in einer konkreten technischen Bauform voraussichtlich kleiner ausgestellt sein werden. Die Drehachsen 14 der Wölbklappen 12 und 13 sind in einer Strich-Punkt-Linie dargestellt. Durch das entstehende Kräftepaar ist sowohl ein Drehmomenten- als auch einen Kräfteausgleich zu bewirken. Dadurch entsteht ein automatisch dynamisches System zur Roll- und Driftstabilisierung von Segelschiffen.
Es wird deutlich, dass in der dargestellten beispielhaften Bauform die oberen Wölbklappen 12 und die unteren Wölbklappen 13 übereinander angeordnet sind und gegenläufig um dieselbe Drehachse 14 ausgeklappt werden. Die in Strichlinien dargestellten Wölbklappen 12' und 13' sollen die unterschiedliche Ausrichtbarkeit der Wölbklappen 12 und 13 verdeutlichen.
Die in 6 gezeigte alternative Konstruktionsausführung erlaubt die Veränderung der Lage des Angriffspunktes der seitlichen Auftriebskraft im Bereich zwischen einem vorderen Schwert 2' und einem hinteren Schwert 2 durch eine Reihenanordnung der Schwerter in Längsrichtung des Schiffrumpfes hintereinander.
Mit der in 7 gezeigten Anordnung kann man gleichzeitig ein Kräftegleichgewicht in Querrichtung nach der Formel: $Fw + Fa, Lee + FA, Luv = 0$
als auch einen Momentenausgleich nach der Formel: $Fw * Iw + FA, Lee * IA + FA, Luv * IA, Luv = 0$
erreichen, wobei F_W für die Windkraft und F_A die hydrodynamische Kraft steht.
Die Steuerung für die Profilwölbungen nach 4 ist dafür um einen Regelkreis für den Drift mit der Quergeschwindigkeit als Führungsgröße zu erweitern.

Claims

Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe zur Kompensierung der aufgrund der Segellasten auftretenden Drehmomente und Querkräfte durch Erzeugung hydrodynamischer Auftriebskräfte am Schwert (2) eines Segelschiffes durch aktive Veränderung der Wölbung des Schwertprofils, dadurch gekennzeichnet, dass - einem Regelkreis zumindest mittels eines Kreiselinstruments und eines GPS-Empfängers die Istwerte (y) der Querneigung und Driftgeschwindigkeit des Segelschiffs zugeführt werden, - um den Rollwinkel φ der Krängung und die Quergeschwindigkeit vquer der Driftgeschwindigkeit als Regelgrößen (x) bezogen auf die Führungsgrößen (w) eines konstanten Neigungswinkels φ = 0° und einer konstanten Quergeschwindigkeit vquer = 0 m/s zu beeinflussen, - wobei mittels einer Regeleinrichtung (10) eine elektrische Steuergröße (u) zur Erzeugung von Stellgrößen (u_R) unter Berücksichtigung der Istwerte (y)und Führungsgrößen (w) abgegeben wird, - die über eine aus dem Segelschiff selbst gebildete Regelstrecke (8)und unter Berücksichtigung der im Regelkreis wirkenden Störgrößen (z) der Wind- und Wasserkräfte sowie der Schiffsteuerung durch aktive Veränderung der Wölbung des Schwertprofils auf die Regelgrößen (x) einwirken, - wobei als Stellgröße (uR) die aktive Veränderung der Wölbung des Schwertprofils am Schiffsschwert (2) angewendet wird, - die mittels zumindest zweier Exzenterwellen (6.1, 6.2) im Schiffsschwert (2) bewirkt wird, - die zumindest an einem Drehpunkt in der Profilgrundkonstruktion (Profilsehne) im Schiffsschwert (2) drehbar gelagert sind, - wobei eine Lageveränderung der Exzenterwellen (6.1, 6.2) an die elastisch verformbaren Wandungen des Schiffsschwerts (2) erfolgt zur Veränderung der Wölbung des Schwertprofils.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regeleinrichtung (10) eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS (PLC mit einem PID-Regler Baustein (proportional-integral-derivative controller)) Teil des Regelkreises ist.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ergänzende Stellgröße (uR) die aktive Verstellung von Wölbklappen (12, 13) am Schiffsschwert (2) angewendet wird.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ergänzende Stellgröße (u_R) die Erzeugung von zumindest einer Querstrahlströmung am Schiffsschwert (2) angewendet wird.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass obere Wölbklappen (12) und untere Wölbklappen (13) am Schiffsschwert (2) angeordnet sind und als Kräftepaar ein Drehmomenten- wie auch einen Kräfteausgleich bewirken.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine innere Exzenterwellen (6.2) an einem lagestabilen Drehpunkt (P2) in der Profilgrundkonstruktion (Profilsehne) im Schiffsschwert (2) drehbar gelagert ist, - und mittels eines ersten Gelenkarms (17) mit einem zentralen Drehpunkt (16) gelenkig verbunden ist, - von dem ausgehend ein zweiter Gelenkarm (18) mit einer äußeren Exzenterwellen (6.1) in einem zentralen Drehpunkt (P1) verbunden ist, - wobei die Lageveränderung der Exzenterwellen (6.1, 6.2) an die elastisch verformbaren Wandungen des Schiffsschwert (2) um den lagestabilen Drehpunkt (P2) in der Profilgrundkonstruktion herum erfolgt.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Bewegung der Exzenterwellen (6.1, 6.2) durch ein gegensinniges Verdrehen zweier exzentrisch ineinander liegender zylindrisch ausgebildeter Exzenterwellen (6.1, 6.2) erzeugt wird.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schiffsschwert (2) beidseitig zumindest je ein Querstrahlruder quer zur Längsachse des Schiffsschwertes (2) ausgerichtet angeordnet ist.
Verfahren zur automatisierten Roll- und Driftkontrolle für Segelschiffe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - zumindest zwei Schiffsschwerter (2) hintereinander in Reihe am Rumpf (15) des Segelschiffs angeordnet sind, - wobei durch synchrone oder unterschiedliche Strömungsveränderungen zumindest am vorderen und/oder hinteren Schwert die Lage des Angriffsschwerpunktes der seitlichen hydrodynamischen Kräfte angepasst wird zur Vermeidung von Giermomenten, die die Längsführung des Schiffes beeinflussen.