DE19803078A1

DE19803078A1 - Verfahren und Einrichtung zur automatischen Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler

Info

Publication number: DE19803078A1
Application number: DE19803078A
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl Ing Korte; Juergen Prof Dr Ing Majohr; Thomas Dr Ing Buch
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: BUCH, THOMAS, DR.-ING., 18119 ROSTOCK, DE; Korte Holger Dr-Ing 18109 Rostock De; MAJOHR, JUERGEN, PROF.DR.-ING.HABIL., 18069 ROS, DE
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: DE19803078B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Führung eines Schiffes auf vorgegebenen Bahnen, die mit Hilfe eines Sollbahngenerators und eines Regelgrößentransformators aus den gemessenen Größen Schiffsposition, Kurs, Kurswinkelgeschwindigkeit und Schiffsgeschwindigkeit im Regelgrößentransformator die Regelgrößen Bahnabstand, Kurs, Kurswinkelgeschwindigkeit und Geschwindigkeit berechnet und auf die Regler entsprechender Regelgrößen schaltet. Weiterhin wird im Regelgrößentransformator der Spurpunktparameter s der Sollbahnlinie berechnet, der auf einen Sollwertgeber geschaltet die Regelsollgrößen bestimmt. Die berechneten Größen des Regelgrößentransformators gelangen ebenfalls auf einen Identifikator, der Schiffs- und Störmodell sowie die Reglerparameter in geeigneten Zeitabständen ermittelt und auf die Regler und den Sollwertgeber schaltet.

Bekannt sind Regeleinrichtungen, die Schiffe entlang vorgegebener Bahnabschnitte führen. Solche Bahnabschnitte sind i. d. R. als Geraden, Kreisbögen oder Manövertrajektorien ausgelegt. Damit werden in allen Fällen den gemessenen Schiffspositionen bestimmte Wegabschnitte zugeordnet. Das kann nur bei relativ geringen Abweichungen von der Sollbahn erfolgen, da sonst keine eindeutige Zuordnung möglich ist.

Nach DE 41 10 249 A1: Bahnregler für Schiffe, bei dem aus der gemessenen Schiffsposition die Ablage von der Sollbahn berechnet und als Regelabweichung auf einen Ablageregler gegeben wird, dessen Ausgangssignal an einem weiteren Vergleichspunkt mit einem Istkurs verglichen wird, wobei dem Vergleichspunkt für Soll- und Istkurs ein weiteres Signal zugeführt wird, das in Relation zum Schiebewinkel des Schiffes

β = arctan(v/u)

steht, wobei v die Geschwindigkeit des Schiffes in Quer- und u die Geschwindigkeit des Schiffes in Längsrichtung ist.

Weiter lassen sich mit Hilfe von Bahntrajektorien beliebige krummlinige Sollbahnen vorgeben, jedoch besteht hierbei ein wesentlicher Nachteil: Es müssen zunächst umfangreiche Optimierungsalgorithmen abgearbeitet werden, um einen Stellgrößenverlauf zu ermitteln, der einen gewünschten Bahnverlauf realisiert. Das kann umgangen werden, indem man eine bestimmte Manöverbiliothek zur Verfügung stellt, aber man kann dann nicht. mehr jede beliebige Bahn vorgeben. Im freien Seeraum ist eine solche Strategie sicherlich ausreichend, in:
Holzhüter. T.: Struktur eines hochgenauen Bahnführungs-Systems für Schiffe, Tagungsmaterial Arbeitsgruppe B, 19. Internationale Tagung der Ingenieurhochschule für Seefahrt Warnemünde/Wustrow, 2.-3.11.1989, S. 86-96.

Fährt ein Schiff (möglicherweise Spezialschiff) in sehr engen Fahrwassern mit sich stets ändernden Bahnwinkeln und Krümmungsradien, so ist es nicht oder nur sehr schwer möglich, entsprechende Steuergrößen zu berechnen. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung mit einem Bahnregler für Schiffe zu schaffen, der auch bei sich ständig ändernden Bahnwinkeln und -krümmungen eine ausreichende Regelgenauigkeit erreicht und die Stabilität der Regelung auch bei starken Wind- und Strömungseinflüssen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1-5.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird durch einen Sollbahngenerator eine Bahnvorgabe mit einer endlichen Mengen von Bahnabschnitten in Form von Kreisbögen oder geraden Strecken erzeugt und die entsprechenden Bahneigenschaften Position (ϕ, λ), Bahnwinkel (Φ), Krümmungsradius (R) sowie Fahrgeschwindigkeit (v) spurpunktabhängig codiert:

ϕ_s = f_il(s), λs = f_i2(s), Φ_S = f_i3(s), R_s = f_i4(s), v_s = f_i5(s), i ∈ {1. . .n} (1)

Ein so generierter Bahnabschnitt kann beliebig klein gewählt werden, wodurch sich praktisch jede Bahnvorgabe realisieren läßt, mit den Besonderheiten, daß der Krümmungsradius eine untere Schranke aufgrund der Schiffsdynamik besitzt und ein gerader Bahnabschnitt den Krümmungsradius unendlich aufweist. Diese Sollbahncodierung gelangt neben den Sensorgrößen Geschwindigkeit v_ist, DGPS-Position (ϕ_ist; λ_ist) (oder in der Genauigkeit vergleichbare Position), Kreiselkurs Ψ_ist und Kurswinkelgeschwindigkeit r_ist in einen Regelgrößentransformator. Im Regelgrößentransformator wird aus Position und Kreiselkurs zunächst der Spurpunktparameter s auf der Sollbahn ermittelt. Dieser wird auf einen Sollwertgeber geschaltet.

Der Spurpunkt stellt den Punkt der Sollbahn mit dem minimalen Abstand zur gemessenen Position dar. Er wird ermittelt aus der Nullstelle der 1. Ableitung der quadrierten Abstandsfunktion:

Y_B ² = [ϕ_ist-ϕ_s(s)]²+[λ_ist-λ_s(s)]² → min (2)

Im Falle von Mehrdeutigkeiten, z. B. bei Wendeschleifen, wird mit Hilfe des Kurses und des vergangenen Spurpunktes eine eindeutige Zuordnung erreicht.

Parallel zur Spurpunktberechnung werden die Meßgrößen im Regelgrößentransformator gefiltert, die Regelgröße Bahnabstand Y_B aus der gemessenen Position erzeugt und auf den Regler geschaltet.

Der für die erfindungsgemäße Einrichtung verwendete Sollwertgeber setzt die spurpunktabhängigen Sollbahngrößen in zeitabhängige Reglersollwerte unter Nutzung des aktuellen Spurpunkteparameters s aus dem Regelgrößentransformator mit Hilfe der aktuellen Schiffsmodell-, Regler- und Störmodellparameter aus dem Identifikator um.

Der um die modell- und geschwindigkeitsabhängige Vorhaltestrecke | korrigierte Spurpunktparameter s* wählt aus der Sollgrößendatenbank die aktuellen Sollbahngrößen aus. Aus der Sollgeschwindigkeit v(s) und dem Drehradius R(s) wird die Solldrehrate r(s) errechnet und um den Faktor der Abweichung der Istgeschwindigkeit von der Sollgeschwindigkeit korrigiert. Die Vorhaltestrecke | ist dabei die Distanz vom Ort des Ruderlegens bis zum Schnittpunkt der Anfangskurslinie mit der Manövertrjektorie des Schiffsmodells.

Durch einen Vergleich des Integrals der Vorgabedrehrate r mit dem Sollbahnwinkel Φ(s) wird im Wandler für Reglersollgrößen ein vorzeichenrichtiger Drehratenimpuls erzeugt, der an die Dynamik der Rudermaschine angepaßt ist. Gleichzeitig wird der Drehratenreglersollwert einem Vorfilter (54) für die Erzeugung des Kursreglersollwertes Ψ(t) zugeführt, welches erfindungsgemäß der Übertragungsfunktion aus der Einheit von Drehratenregler und Schiffsmodell entspricht:

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Kursregler während der Drehratenregelung nicht abgeschaltet werden muß oder nicht gegen den Drehratenregler arbeitet. Gleichzeitig wird dem Kursreglersollwert Ψ(t) über ein Vorfilter (56) ein Korrekturkurs Ψ_korr(t) aufgeschaltet, der aus dem Driftvektor, erzeugt durch Strömung und Windeinfluß, bestimmt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipskizze zur Bestimmung des Spurpunktes und der Bahnabweichung

Fig. 2 Vektordreiecke zur Ermittlung der Driftkorrektur

a) Ermittlung der Drift (passives Stromdreieck)
b) Kompensation der Drift (aktives Stromdreieck)

Fig. 3 Strukturbild der Bahnführungseinrichtung

Fig. 4 Innere Struktur des Bahnreglers, ausgeführt als Kaskadenregler

Fig. 5 Funktionsbild des Sollwertgebers 34.

In Fig. 3 ist die Einrichtung dargestellt, die das erfindungsgemäße Verfahren realisiert mit den Blöcken Sollbahngenerator (31), Sollwertgeber (34), Bahnregler (35), Regelgrößentransformator (36) und Identifikator (37). Der Sollbahngenerator (31) stellt die Schnittstelle zum Bedienpersonal dar, er wandelt Bahnvorgaben in die Codes nach Gleichung 1 um und legt sie in einer Datenbasis (51) zum Zugriff für den Sollwertgeber (34) und Regelgrößentransformator (36) ab. Im Regelgrößentransformator (36) werden die Meßdaten der Sensoren (33) in die Regelgrößen transformiert. Diese werden als Istgrößen auf den Regler (35) und auf den Identifikator (37) geschaltet. Gleichzeitig werden der Spurpunkt und die Schiffslängsgeschwindigkeit auf den Sollwertgeber (34) geschaltet.

Ein Identifikator (37) sammelt in einem Puffer alle Meß- und Regelgrößen mit ausreichender Anregung, die für eine Parameterbestimmung des Schiffs- und Störmodells nötig sind. Unter Verwendung eines Schätzverfahrens können sowohl die Parameter eines einfachen Bahnmodells als auch die Parameter eines vereinfachten Störmodells ermittelt werden. Die Gesamtdrift kann aus den Meßwerten Geschwindigkeit v_ist und Kurs über Grund (Bahnwinkel) Φ_ist sowie aus dem Bahnwinkel Φ_WM und der Bahngeschwindigkeit v_WM durchs Wasser, die sich durch Modellrechnung aus den gemessenen Werten für die Ruderlage δ, die Längsgeschwindigkeit durch Wasser v_WX und dem Kompaßkurs Ψ_ist ergeben, bestimmt werden. Durch Vektorsubtraktion von Bahn über Grund und Bahn durch das Wasser wird der Driftvektor v_d und Φ_d bestimmt (Fig. 2). Zeitkonstanten-Bahnmodell:

Störmodell:

β_Störung = Φ_ist-Φ_Modell (6)

Aus den Modellparametern des Schiffes lassen sich ausgehend von festgelegten Regelungskriterien die einzustellenden Parameter des Bahnreglers (35) bestimmen. Die Parameter des identifizierten Stör- und Schiffsmodells werden auf den Sollwertgeber (34) geschaltet. Der Identifikator (37) kann jedoch durch eine Adaptionseinrichtung auf der Grundlage einer Meßsensorik für Umwelt- und Schiffsgrößen ersetzt werden. Der Sollwertgeber (34) hat die Aufgabe, die spurpunktabhängigen Bahnvorgaben mit den Informationen von Regelgrößentransformator (36) und Identifikator (37) in die zeitabhängigen Führungsgrößen des Reglers umzuwandeln. Im Regler werden nach dem Vergleich der Führungsgrößen mit den entsprechenden Istgrößen die Vorgaben der Steuerorgane bestimmt und auf die entsprechenden Schnittstellen des Schiffes (32) geschaltet. Nach Fig. 4 ist der Regler als dreistufiger Kaskadenregler (41-43) und einem parallelen Geschwindigkeitsregler (44) ausgelegt. Damit werden praktisch alle Bewegungszustände geregelt, so daß er auch als Zustandsregler ausgelegt werden kann. Der Kaskadenregler besteht aus einem PI-Bahnabstandsregler (41), einem untergeordneten PI-Kursregler (42) und einem PID-Drehratenregler (43). Er zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß neben einer Korrekturvorgabe durch den übergeordneten Regler eine Sollwertgröße durch den Sollwertgeber (34) aufgeschaltet wird. So werden sowohl Strom- und Winddrift am Kursregler als auch die Manöverträgheit des Schiffes am Drehratenregler kompensiert. Die Reglerparameter der Einzelregler lassen sich durch einen Identifikator (37) oder eine nicht dargestellte Adaptionseinrichtung geschwindigkeits- und beladungsabhängig einstellen.

Figure 5 zeigt den Sollwertgeber, der dazu dient, aus den spurpunktabhängigen Sollbahnparametern, die in der Datenbasis (51) abgelegt sind, die zeitabhängigen Sollwerte Solldrehrate, Sollkurs, Sollbahnabweichung und Sollgeschwindigkeit zu berechnen und auszugeben. Aus dem vom Regelgrößentransformator ausgegebenen aktuellen Spurpunktparameter s(t) wird unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit v_ist und des durch das Schiffsmodell festgelegte Zeitverhalten im Vorhalteblock (52) ein um die Vorhaltestrecke | korrigierter Spurpunktparameter s* ermittelt, der die zugehörigen Sollbahnparameter aus der Sollbahndatenbasis (51) auswählt. Aus den spurpunktabhängigen Sollgrößen werden unter Berücksichtigung der Istgeschwindigkeit im Wandlerblock (53) die zeitabhängigen Größen bestimmte. Bekannte Verfahren betreffen die Ermittlung der Drehrate aus Bogenradius und Geschwindigkeit sowie die Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Kurses als Integral über die Drehrate. Die zeitabhängige Solldrehrate wird als Sollwert für den Drehratenregler ausgegeben. Gleichzeitig werden in einem Vorfilter (54), welches das Modell des Kurs- und Bahnregelkreises beinhaltet, die Sollwerte für den Kurs- und Bahnregler dynamisch derart bearbeitet, daß die einzelnen Regler der Reglerkaskade nicht gegeneinander arbeiten. Außerdem wird aus dem Bahnvektor, bestehend aus Bahnwinkel und Bahngeschwindigkeit, und dem Driftvektor als Störmodell unter Anwendung bekannter Verfahren der Vektoralgebra im Driftkorrekturblock (55) der Korrekturkurswinkel zur dynamischen Störgrößenkompensation ermittelt und nach Passieren eines Störgrößenvorfilters (56) zur Dynamikanpassung zum Sollkurs für den Kursregler verknüpft. Diese Vorsteuerung bewirkt eine wesentliche Verbesserung der Bahnregelung auf krummlinigen Bahnen.

Bezugszeichenliste

31

Sollbahngenerator

32

Schiff mit Ruder und Schraube (Regelstrecke mit Stellgliedern)

33

Sensoren (DGPS, Kreisel, Log, ggf. Inertialsensoren)

34

Sollwertgeber

35

Bahnregler (Gesamtausführung)

36

Regelgrößentransformator

37

Identifikator für Schiffs- und Störmodell

41

Bahnabstandsregler

42

Kursregler

43

Drehratenregler

44

Geschwindigkeitsregler

51

Datenbasis für Sollbahnparameter

52

Vorhalteblock Manöverträgheit

53

Wandler für Reglersollgrößen

54

Vorfilter für Kompensation der Schiffsdynamik

55

Driftkorrekturblock

56

Vorfilter für Störgrößenaufschaltung

Claims

1. Verfahren zur Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler, dadurch gekennzeichnet, daß Bahn- und Regelvorgaben in einem Sollbahngenerator spurpunktabhängig als ϕ_s = f_i1(s), λ_s=f_i2(s), Φ_s = f_i3(s) R_s = f_i1(s) und v_s=f_i5(s) codiert werden, wobei der Spurpunktparameter s die Weglänge auf der Sollbahn, ϕ_s die zum Spurpunkt gehörende geographische Breite, λ_s die entsprechende geographische Länge, Φ_s der Kurs der Sollbahntangente am Spurpunkt, R_s der Krümmungsradius am Spurpunkt und v_s die dem Spurpunkt zugeordnete Bahnlängsgeschwindigkeit darstellen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Regelgrößentransformator (36) aus Position (ϕ_ist, λ_ist) und Kurs Ψ_ist des Schiffes sowie der Bahnvorgabe nach Anspruch 1 der Spurpunkt s auf der Sollbahn nach der Vorschrift Y_B ² = [ϕ_ist-ϕ_s(s)]²+[λ_ist-λ_s(s)]² → min berechnet wird und die Meßdaten durch Transformation in Polarkoordinaten und Filterung in die Regelgrößen Schiffslängsgeschwindigkeit, Bahnabstand, Kurs und Kurswinkelgeschwindigkeit umgewandelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Sollwertgeber nach Fig. 3 die nichtlineare Führungsbahn in eine lineare in Polarkoordinaten vorliegende Sollbahn umgewandelt wird und mit Hilfe der Soll-Ist-Geschwindigkeitsdifferenz und des Spurpunktes aus der Bahnvorgabe die zeitabhängigen Regelsollgrößen bestimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß einem Bahnregler (35) in robuster oder adaptiver Ausführung die Führungsgröße der Kurswinkelgeschwindigkeit r(t) entsprechend eines identifizierten oder fest eingestellten Modells der Schiffsbewegung um einen Zeitbetrag T vorgehalten wird, der der Zeitverzögerung des Bahnverhaltens entspricht und dadurch die Manöverträgheit des Schiffes kompensiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1-3 mit einem Bahnregler (35) in robuster oder adaptiver Ausführung dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsgröße des Kurses ein Korrektursignal zugeführt wird, das sich entsprechend der Gesamtdrift aus den äußeren Störgrößen Strom und Wind bestimmt aus der Gleichung β_Störung = Φ_ist-Φ_Modell.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Patentansprüche 1-3 bestehend aus den Baugruppen Sollgrößengenerator (31), Sollwertgeber (34), Bahnregler (35) und Regelgrößentransformator (36)

7. Einrichtung zur Bahnführung von Schiffen nach Anspruch 4 und 6 mit einem adaptiven oder robusten Vorhalteblock (52) in einem Sollwertgeber (34) dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstelle der Kurswinkelgeschwindigkeit r(t) ein zusätzliches Signal r_soll zur Kompensation der Manöverträgheit des Schiffes aufgeschaltet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7 mit einem Sollwertgeber (34) dadurch gekennzeichnet, daß aus den spurpunktabhängigen Sollbahndaten zeitabhängige Reglersollwerte erzeugt werden. Diese werden durch ein modellabhängiges Formfilter (54) derart beeinflußt, daß die einzelnen Komponenten des Bahnreglers nicht gegeneinander arbeiten.

9. Einrichtung zur Bahnführung von Schiffen nach Anspruch 5 und 6, mit einem Sollwertgeber (34) dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstelle des Kurses Ψ(t) ein zusätzliches Signal Ψ_soll zur Kompensation der Gesamtdrift aus Strom Wind und Seegang aufgeschaltet wird.