EP2275342B1 - Verfahren zur Verminderung einer Vertikalbewegung eines Wasserfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur Verminderung einer Vertikalbewegung eines Wasserfahrzeugs Download PDF

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EP2275342B1
EP2275342B1 EP10004837.0A EP10004837A EP2275342B1 EP 2275342 B1 EP2275342 B1 EP 2275342B1 EP 10004837 A EP10004837 A EP 10004837A EP 2275342 B1 EP2275342 B1 EP 2275342B1
Authority
EP
European Patent Office
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vessel
vertical movement
movement
resonance region
way
Prior art date
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Active
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EP10004837.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2275342A1 (de
Inventor
Luitpold Miller
Qinghua Zheng
Florian Dignath
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority to PL10004837T priority Critical patent/PL2275342T3/pl
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing a vertical movement of a watercraft.
  • the method according to the invention serves to reduce a vertical movement of a watercraft.
  • a vertical motion resonance range for motion states of the watercraft is first determined. Then, during the drive, the state of motion of the watercraft is at least partially detected and determined whether this is in the vertical motion resonance range.
  • a determination of the vertical motion resonance range in the sense of this invention is to be understood as meaning, in particular repeated or continuous, determination of the vertical motion resonance range during travel.
  • the vertical-motion resonance range can also be determined implicitly by determining whether the vertical movement unfolds, ie it is determined by observing the movement of the watercraft, whether the state of motion of the vessel coincides with a state of motion in the vertical motion resonance area.
  • the rolling motion of the watercraft forms the vertical movement and a rolling motion resonance area forms the vertical motion resonance area.
  • straight rolling movements are reduced which endanger driving safety and ride comfort particularly frequently.
  • the traveling speed and / or the heading of the vessel is changed until the vertical motion resonance area is exited.
  • the reduced vertical movement increases driving safety enormously.
  • capsizing of the vessel and possibly slipping or loss of cargo is safely avoided.
  • the originally intended course and the originally intended speed for the watercraft are preferably assumed again. In this way, it is only necessary to deviate from the planned course of the journey for a short time, so that when the method according to the invention is used, the envisaged total journey time also changes at best negligibly.
  • each rotation or. To understand displacement movement about or along a main axis of inertia of the vessel, which is a vertical motion component having. For example, the lifting and pitching movements fall under the vertical movement.
  • the course and / or the travel speed of the watercraft are preferably changed or changed as a function of the previously determined propagation speed and / or the propagation direction of the water waves. In this way, for example, certain encounter frequencies of water waves can be avoided with the vessel, in which a large proportion of the kinetic energy of the sea state can couple into the vertical movement.
  • the method at least by determining the frequency of encounter of the water waves with the vessel, it is determined whether the state of motion of the vessel is in the vertical motion resonance range.
  • water waves can excite vertical movements in the vertical motion resonance range, in particular, when the frequency of encounter of the water waves with the watercraft is close to a resonance frequency of a vertical motion resonance.
  • the frequency of encounter of the water waves with the vessel can be measured, for example, by detecting periodic movements of the vessel itself, such as by measuring the pitching motion of the vessel.
  • the vertical motion resonance range is preferably determined by determining at least one resonance frequency of the vertical movement.
  • the vertical motion resonance range represents a frequency interval including the resonance frequency.
  • the vertical motion resonance range can be determined by an integer fraction, for example half, or by an integer multiple of the resonance frequency of the vertical movement.
  • the vertical motion resonance area formed in preferred embodiments of the method by one or more frequencies, which are in a rational relationship with at least one resonance frequency of the vertical movement.
  • the phase of the water waves impinging on the vessel is changed relative to the vibration-like vertical movements of the vessel by course or travel speed changes of the vessel.
  • vibration-like vertical movements of the vessel can be damped at a suitable phase by the sea.
  • the state of motion of the vessel is at least partially detected, by determining at least one component of the location and / or orientation of the watercraft and / or their - in particular first - time derivation.
  • at least one further, in particular the second, time derivative of the component is determined.
  • the determination of the aforementioned variables may be understood, on the one hand, as a computational determination, for example in such a way that a time derivation of the variables to be determined is integrated over time.
  • An alternative mathematical determination can be made such that the variable to be determined itself represents a time derivative of a detected variable and is calculated from the time course of this detected variable.
  • determination can also be understood to mean a measurement, for example by means of sensors such as acceleration sensors or roll rate meters.
  • the state of motion of the watercraft is detected by relating at least two of the above-mentioned components to one another.
  • the course of the roll angle and the vertical position of the vessel are linked to each other.
  • the acquired data on the state of motion of the vessel or the movement of the water waves can be transformed, for example, into the earth-fixed coordinate system.
  • this data can then be filtered with a high-pass filter whose time constant is not limited by time scales on which rate changes occur.
  • a filtering be appropriate on long time scales to achieve the most accurate determination of the propagation direction of the water waves.
  • the change of course and / or travel speed of the watercraft by means of at least one machine and / or at least one actuator of the watercraft is expediently carried out automatically.
  • these actuators are the rudder (s), especially in cruise ships and yachts, for laterally mounted fins for roll stabilization, as well as submarines additionally or alternatively to the or the rudder.
  • all available actuators and / or the machine of the watercraft are used for this purpose.
  • the vertical motion damping is increased, provided that the state of motion of the vessel is located within the vertical motion resonance range.
  • the vertical motion damping is increased via a subordinate control method, which counteracts the vertical movement.
  • the vertical motion damping is increased by means of at least one or more devices from the group of machines, side fins, rudders, ailerons, for example divided, oppositely-moving ailerons and / or optionally further actuators.
  • these actuators need not be available solely for damping the vertical movement, but at the same time they can also be used to change the course and / or travel speed of the watercraft as described above.
  • the controls of the machine or the actuators for example, for adjusting rudder / fin angles, engine power, etc. - for the purpose of changing course or speed of the vessel and for the purpose of vertical motion damping suitable superimposed.
  • the damping can be taken into account by the machine or by the actuators in control circuits, which are designed to change the course or speed of the watercraft.
  • the controls for changing course or speed can also be done in subordinate control loops for damping the vertical movement by means of the machine or the actuators.
  • the respective drives can be added in a corresponding control.
  • the strength of the excitation of the vertical movement in a state of motion of the vessel within the vertical motion resonance range is reduced by the change of the pitch amplitude of the vessel, preferably by a subordinate control method, which counteracts the pitching movement.
  • a subordinate control method which counteracts the pitching movement.
  • the vertical motion resonance region is formed by a rolling motion resonance region. Just pitching movement and rolling motion often couple strongly with each other, so that pitching movements at a corresponding frequency can drive roll motions resonantly.
  • the intensity of the excitation of the vertical motion is reduced by the change of the yaw angle of the vessel, preferably by a subordinate control.
  • the ramming amplitude is influenced by means of at least one depth rudder of the watercraft.
  • the state of motion of the vessel is determined via an inertial platform.
  • the inventive method for reducing the vertical movement of a submarine is performed.
  • particularly parameter-excited rolling vibrations can occur in an intensified form during navigation, since their hull is not regularly optimized to avoid rolling movements. Rather, submarines for roll behavior on unfavorable mass geometric conditions. These unfavorable circumstances are suitably compensated by the method according to the invention.
  • the basis for the invention forming method reduces the rolling motion of a ship.
  • it is a cruise ship, a cargo ship or a submarine.
  • the method described can be used in a corresponding manner to reduce the pitching movement.
  • the state of motion of the ship is first detected.
  • sensors are provided which measure the state of motion of the ship in terms of its six degrees of freedom, d. H.
  • the position of the ship in the three spatial directions as well as the orientation of the ship are determined by means of the sensors.
  • the time derivatives of the aforementioned sizes are determined, d. H.
  • the speed of the ship along the three spatial directions and the angular velocities of the ship's rotational movements around its main axes of inertia are determined.
  • the determination of these time derivations is done either by a direct measurement via specially provided for this purpose sensors or mathematically from each time sequentially measured values of position and / or orientation of the ship.
  • the input data for the position or orientation of the ship can also be obtained from the temporal integration of the time derivatives of position and orientation of the ship.
  • the second time derivatives of the position and the orientation of the ship are also measured, so that the acceleration of the ship along the three spatial directions and the angular acceleration about the main axes of inertia of the ship are part of the input data.
  • the aforementioned set of input data forms a state vector x which describes the state of motion of the ship.
  • the method determines position data from the data of a satellite-based navigation system, such as the Global Positioning System (GPS).
  • GPS Global Positioning System
  • This position data forms another set of input data, which is summarized in a vector GPS .
  • the two aforementioned sets of input data x and GPS are fed to a filter device 1.
  • the data sets x and GPS are appropriately filtered and thus freed from interference.
  • redundant data for the input data x and GPS are available to the filter device 1 via further sensors, with which the filter device 1 carries out averaging of the input data.
  • the input data thus cleaned by filtering or averaging are available as data sets x and G p s for further processing.
  • predetermined set values for actuators of the ship are adjusted in a second filter device 2 by further subordinate control devices.
  • These target variables include, inter alia, the setpoint speed of a machine n , the desired angle of a rudder surface ⁇ 1 , in the case of a submarine the desired angle of the depth rudder ⁇ 2 and target values of other actuators.
  • the filter device 2 provides the adjusted nominal values ⁇ , ⁇ 1 and ⁇ 2 for further processing.
  • the proximity of the adjusted movement state x to the state of a parameter-excited rolling oscillation is determined on the basis of one or more defined criteria.
  • the proximity of the state of motion to the roll resonance state is characterized by a data set called resonant level RL .
  • a second evaluation device 4 the propagation direction of the water waves relative to the ship, the wave propagation speed and other characteristic magnitudes of the wave excitation are determined from the adjusted movement state x .
  • wave excitation q w a dataset, here referred to as wave excitation q w .
  • the evaluation device 4 is provided with the adjusted GPS data GPS , on the basis of which the wave excitation q w is transformed into an earth-fixed coordinate system, so that the influence of course and speed of the ship is calculated out.
  • the wave excitation q w is filtered. In particular, this filtering allows increased accuracy in determining the propagation direction of the water waves.
  • the resonant level RL, the cleared state of motion of the vessel x and the wave excitation q w are passed to a controller 6 which checks the resonant level RL to see if the state of motion of the vessel x is critically close to parameter-excited roll vibration, ie if the state of motion is within a roll resonance range is. If the state of motion of the watercraft is in the roll resonance range, the speed and the yaw angle of the ship are changed by means of a control law such that the distance of the movement state x to the state of the parameter-excited rolling vibration increases.
  • a suitable specification for changing the yaw angle depends essentially on the wave excitation q w , in particular on the propagation direction of the water waves.
  • the manipulated variables for speed and yaw angle change are formed by nominal variables O1 for the machine and nominal variables O2 for a rudder, which the existing on board, subordinate Aktorreglern 7 and 8 for the operation of these actuators be supplied. Also, the other actuators 6 setpoints O5 are specified by the control device.
  • Resonance level RL and adjusted movement state x are also transmitted to another control device 5.
  • the control device 5 first determines on the basis of the resonance level RL whether the movement state of the ship x is so close to a state of a parameter-excited rolling vibration that the ship's movement must be damped. If this is the case, set values for actuators of the ship are based on the movement state x according to a control law calculated, which are used for damping. In the embodiment shown, these are z. B. Nominal O3 for the side fins.
  • the controller determines 5 setpoints O4 for more directly acting on the roll and ramming behavior of the ship actuators, for example, the submarines in the case of submarines.
  • Aktorsoll sizes ⁇ , ⁇ 1 , ⁇ 2 are in the in Fig. 1 Embodiment considered internally in the controllers 5 and 6.
  • the setpoint variables O1 , O2 , ..., O5 for the actuators in the subordinate Aktorregiern 7, 8 and 9 are added, the filtering of the Aktorsoll variables ⁇ , ⁇ 1 , ⁇ 2 can be done completely separately via the filter device 2 ,

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung einer Vertikalbewegung eines Wasserfahrzeugs.
  • Bei Wasserfahrzeugen, beispielsweise bei Frachtschiffen, aber auch bei Unterseebooten, ist es erforderlich, die Schiffsstabilität während der Fahrt zu gewährleisten. Es ist bekannt, dass bei bestimmten Seegangsbedingungen Schwingungsbewegungen des Wasserfahrzeugs mit vertikalem Bewegungsanteil angeregt werden können, insbesondere Rollschwingungen. Derartige Vertikalbewegungen führen im Resonanzfall zu stark erhöhten Abweichungen von der Solllage des Wasserfahrzeugs. So treten beispielsweise bei parametererregten Rollschwingungen bisweilen Rollwinkel größer als 20° auf. Insbesondere bei Unterseebooten können aufgrund der massengeometrischen Eigenschaften des Schiffrumpfes starke parametererregte Rollbewegungen auftreten. So sind bei Unterseebooten sogar Rollwinkel von mehr als 40° bekannt geworden.
  • Aus den "Richtlinien für die Überwachung der Schiffsstabilität" des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und der See-Berufsgenossenschaft der Bundesrepublik Deutschland vom 31. März 2004 ist ein Verfahren zur Verminderung der Gefährdung durch parametrische Rollresonanz bekannt, bei welchem durch vorherige Abschätzung der Rollzeit des Schiffes und der Kenntnis seiner Rolleigenperiode ein Resonanzbereich für gefährliche Begegnungsperioden mit dem einkommenden Seegang bestimmt werden kann. Befindet sich das Wasserfahrzeug innerhalb des Resonanzbereichs, so kann als Gegenmaßnahme entweder die Fahrgeschwindigkeit oder der Kurs angepasst werden, bis der Resonanzbereich verlassen ist. Die Begegnungsperiode mit dem einkommenden Seegang kann dabei beispielsweise mit Hilfe der Stampfbewegungen des Wasserfahrzeugs gemessen werden. Dabei ist nachteilig, dass der ermittelte Resonanzbereich derart groß ist, dass teils unnötige Steuer- und Antriebseingriffe durchgeführt werden.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Vertikalbewegung eines Wasserfahrzeugs mit wenigen Steuer- und Antriebseingriffen vermindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Verminderung einer Vertikalbewegung eines Wasserfahrzeugs. Hierzu wird zunächst ein Vertikalbewegungsresonanzbereich für Bewegungszustände des Wasserfahrzeugs bestimmt. Dann wird während der Fahrt der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs zumindest teilweise erfasst und ermittelt, ob dieser im Vertikalbewegungsresonanzbereich liegt.
  • Unter einer Bestimmung des Vertikalbewegungsresonanzbereichs im Sinne dieser Erfindung ist eine, insbesondere wiederholte bzw. kontinuierliche, Bestimmung des Vertikalbewegungsresonanzbereichs während der Fahrt zu verstehen. Der Vertikalbewegungsresonanzbereich kann erfindungsgemäß allerdings auch implizit bestimmt werden, indem festgestellt wird, ob ein Aufklingen der Vertikalbewegung erfolgt, d. h. es wird durch Beobachtung der Bewegung des Wasserfahrzeugs festgestellt, ob der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs mit einem Bewegungszustand im Vertikalbewegungsresonanzbereich übereinstimmt.
  • Erfindungsgemäß bildet die Rollbewegung des Wasserfahrzeugs die Vertikalbewegung und ein Rollbewegungsresonanzbereich den Vertikalbewegungsresonanzbereich. Auf diese Weise werden gerade Rollbewegungen vermindert, die Fahrsicherheit und Fahrkomfort besonders häufig gefährden.
  • Wenn festgestellt wird, dass der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs im Vertikalbewegungsresonanzbereich liegt, wird gemäß der Erfindung die Fahrgeschwindigkeit und/oder der Kurs des Wasserfahrzeugs geändert, bis der Vertikalbewegungsresonanzbereich verlassen ist. Auf diese Weise können Vertikalbewegungen vermindert bzw. ihr Anwachsen vermieden werden. Die verminderte Vertikalbewegung erhöht die Fahrsicherheit enorm. So wird ein Kentern des Wasserfahrzeugs sowie ggf. das Verrutschen bzw. der Verlust von Ladung sicher vermieden. Zudem erhöht sich bei verminderter Vertikalbewegung der Fahrkomfort für die Besatzung.
  • Ist der Vertikalbewegungsresonanzbereich verlassen, so werden bevorzugt der ursprünglich vorgesehene Kurs und die ursprünglich vorgesehene Geschwindigkeit für das Wasserfahrzeug wieder eingenommen. Auf diese Weise muss von dem geplanten Fahrtverlauf nur kurzzeitig abgewichen werden, so dass sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die vorgesehene Gesamtfahrtdauer allenfalls unwesentlich ändert.
  • Unter einer Vertikalbewegung im Sinne dieser Erfindung ist jede Dreh-bzw. Versatzbewegung um bzw. entlang einer Hauptträgheitsachse des Wasserfahrzeugs zu verstehen, die einen vertikalen Bewegungsanteil aufweist. So fallen beispielsweise die Hub- sowie die Stampfbewegung unter die Vertikalbewegung.
  • Bevorzugt wird bzw. werden bei dem Verfahren der Kurs und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs abhängig von der zuvor ermittelten Ausbreitungsgeschwindigkeit und/oder der Ausbreitungsrichtung der Wasserwellen geändert. Auf diese Weise können beispielsweise bestimmte Begegnungsfrequenzen der Wasserwellen mit dem Wasserfahrzeug vermieden werden, bei welchen ein großer Anteil der Bewegungsenergie des Seegangs in die Vertikalbewegung einkoppeln kann.
  • Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zumindest durch Ermittlung der Begegnungsfrequenz der Wasserwellen mit dem Wasserfahrzeug festgestellt, ob der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs im Vertikalbewegungsresonanzbereich liegt. So können Wasserwellen insbesondere dann Vertikalbewegungen im Vertikalbewegungsresonanzbereich anregen, wenn die Begegnungsfrequenz der Wasserwellen mit dem Wasserfahrzeug nahe einer Resonanzfrequenz einer Vertikalbewegungsresonanz liegt. Die Begegnungsfrequenz der Wasserwellen mit dem Wasserfahrzeug kann beispielsweise gemessen werden, indem periodische Bewegungen des Wasserfahrzeugs selbst erfasst werden, etwa durch Messung der Stampfbewegung des Wasserfahrzeugs.
  • Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Vertikalbewegungsresonanzbereichs durch Ermittlung zumindest einer Resonanzfrequenz der Vertikalbewegung bestimmt. Insbesondere stellt der Vertikalbewegungsresonanzbereich ein Frequenzintervall dar, welches die Resonanzfrequenz einschließt. Alternativ oder zusätzlich kann der Vertikalbewegungsresonanzbereich durch einen ganzzahligen Bruchteil, beispielsweise der Hälfte, bzw. durch ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz der Vertikalbewegung bestimmt sein. Ferner ist der Vertikalbewegungsresonanzbereich in bevorzugten Weiterbildungen des Verfahrens durch eine oder mehrere Frequenzen gebildet, welche mit zumindest einer Resonanzfrequenz der Vertikalbewegung in einem rationalen Verhältnis stehen.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ggf. die Phase der dem Wasserfahrzeug begegnenden Wasserwellen relativ zu schwingungsartigen Vertikalbewegungen des Wasserfahrzeugs durch Kurs- bzw. Fahrgeschwindigkeitsänderungen des Wasserfahrzeugs geändert. Beispielsweise können schwingungsartige Vertikalbewegungen des Wasserfahrzeugs bei geeigneter Phase durch den Seegang gedämpft werden.
  • Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs zumindest teilweise erfasst, indem zumindest eine Komponente des Ortes und/oder der Orientierung des Wasserfahrzeugs und/oder ihre - insbesondere erste - zeitliche Ableitung bestimmt wird. In bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung wird alternativ oder zusätzlich zumindest eine weitere, insbesondere die zweite, zeitliche Ableitung der Komponente bestimmt. Unter der Bestimmung der vorgenannten Größen kann erfindungsgemäß zum einen eine rechnerische Bestimmung zu verstehen sein, etwa derart, dass eine zeitliche Ableitung der zu bestimmenden Größen zeitlich integriert wird. Eine alternative rechnerische Bestimmung kann derart erfolgen, dass die zu bestimmende Größe selbst eine zeitliche Ableitung einer erfassten Größe darstellt und aus dem zeitlichen Verlauf dieser erfassten Größe errechnet wird. Zum anderen kann unter Bestimmung auch eine Messung zu verstehen sein, beispielsweise mittels Sensoren wie Beschleunigungssensoren oder Rollratenmessern. Besonders bevorzugt wird der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs erfasst, indem zumindest zwei der oben genannten Komponenten zueinander in Beziehung gesetzt werden. Idealerweise werden dazu der Verlauf des Rollwinkels und die Vertikalposition des Wasserfahrzeugs miteinander verknüpft.
  • Bevorzugt werden zur zumindest teilweisen Erfassung des Bewegungszustandes des Wasserfahrzeugs und/oder der Ausbreitungsrichtung und/oder -geschwindigkeit der Wasserwellen Daten eines satellitengestützten Navigationssystems herangezogen. Somit können die erfassten Daten zum Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs bzw. der Bewegung der Wasserwellen beispielsweise ins erdfeste Koordinatensystem transformiert werden. Auf diese Weise kann der Einfluss von Kurs- und/oder Geschwindigkeitsönderungen des Wasserfahrzeugs aus den Daten zum Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs bzw. zur Bewegung der Wasserwellen herausgerechnet werden. Beispielsweise können dann diese Daten mit einem Hochpassfilter gefiltert werden, dessen Zeitkonstante nicht durch Zeitskalen, auf welchen Kursänderungen geschehen, nach oben begrenzt ist. Beispielsweise kann eine Filterung auf langen Zeitskalen zweckmäßig sein, um eine möglichst genaue Bestimmung der Ausbreitungsrichtung der Wasserwellen zu erreichen.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt bei dem Verfahren die Änderung von Kurs und/oder Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs mittels zumindest einer Maschine und/oder zumindest eines Aktors des Wasserfahrzeugs selbsttätig. Beispielsweise handelt es sich bei diesen Aktoren um das oder die Seitenruder, insbesondere bei Kreuzfahrtschiffen und Yachten um seitlich angebrachte Flossen zur Rollstabilisierung, sowie bei Unterseebooten zusätzlich oder alternativ um das bzw. die Tiefenruder. Bevorzugt werden sämtliche verfügbaren Aktoren und/oder die Maschine des Wasserfahrzeugs zu diesem Zweck eingesetzt.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei dem Verfahren die Vertikalbewegungsdämpfung erhöht, sofern der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs innerhalb des Vertikalbewegungsresonanzbereichs gelegen ist. Beispielsweise wird die Vertikalbewegungsdämpfung über ein unterlagertes Regelungsverfahren erhöht, welches der Vertikalbewegung entgegenwirkt.
  • Zweckmäßigerweise wird die Vertikalbewegungsdämpfung mittels zumindest einer oder mehrerer Einrichtungen aus der Gruppe Maschine, Seitenflossen, Seitenruder, Tiefenruder beispielsweise geteilte, gegenläufig bewegte Tiefenruder und/oder ggf. weitere Aktoren erhöht. Diese Aktoren müssen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht allein zur Dämpfung der Vertikalbewegung zur Verfügung stehen, sondern können zugleich auch zur Änderung von Kurs und/oder Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs wie oben beschrieben eingesetzt werden. Dazu werden ggf. die Ansteuerungen der Maschine bzw. der Aktoren - beispielsweise zur Einstellungen von Ruder-/Flossenwinkeln, Maschinenleistung, etc. - zwecks Änderung von Kurs bzw. Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs sowie zwecks Vertikalbewegungsdämpfung geeignet überlagert. Beispielsweise kann die Dämpfung durch die Maschine bzw. durch die Aktoren in Regelkreisen berücksichtigt werden, welche zur Änderung von Kurs bzw. Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs ausgebildet sind. Umgekehrt können die Ansteuerungen zur Änderung von Kurs bzw. Fahrgeschwindigkeit auch in unterlagerten Regelkreisen zur Dämpfung der Vertikalbewegung mittels der Maschine bzw. der Aktoren erfolgen. Beispielsweise können die jeweiligen Ansteuerungen in einer entsprechenden Regelung addiert werden.
  • Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren die Stärke der Erregung der Vertikalbewegung bei einem Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs innerhalb des Vertikalbewegungsresonanzbereichs durch die Änderung der Stampfamplitude des Wasserfahrzeugs verringert, vorzugsweise durch ein unterlagertes Regelungsverfahren, welches der Stampfbewegung entgegenwirkt. Relevant ist dies insbesondere in dem Fall, in welchem der Vertikalbewegungsresonanzbereich durch einen Rollbewegungsresonanzbereich gebildet ist. Gerade Stampfbewegung und Rollbewegung koppeln untereinander häufig stark, so dass Stampfbewegungen bei entsprechender Frequenz Rollbewegungen resonant treiben können. Ferner bevorzugt wird bei einem Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs innerhalb des Vertikalbewegungsresonanzbereichs die Stärke der Erregung der Vertikalbewegung durch die Änderung des Gierwinkels des Wasserfahrzeugs verringert, vorzugsweise durch eine unterlagerte Regelung.
  • Zweckmäßigerweise wird die Stampfamplitude mittels zumindest eines Tiefenruders des Wasserfahrzeugs beeinflusst.
  • Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Bewegungszustand des Wasserfahrzeuges über eine Trägheitsplattform ermittelt.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Verminderung der Vertikalbewegung eines Unterseebootes ausgeführt. Gerade bei Unterseebooten können bei Überwasserfahrt insbesondere parametererregte Rollschwingungen in verstärkter Form auftreten, da ihr Schiffsrumpf regelmäßig nicht zur Vermeidung von Rollbewegungen optimiert ist. Vielmehr weisen Unterseeboote für das Rollverhalten ungünstige massengeometrische Verhältnisse auf. Diese ungünstigen Umstände werden durch das erfindungsgemäße Verfahren geeignet kompensiert.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch ein Signalschaltbild einer Regelung zur Ausführung eines eine Grundlage für die Erfindung bildenden Verfahrens und
    Fig. 2
    schematisch ein Signalschaltbild einer alternativen Regelung.
  • Das in den Signalschaltbildern dargestellte, die Grundlage für die Erfindung bildende Verfahren vermindert die Rollbewegung eines Schiffes. Beispielsweise handelt es sich dabei um ein Kreuzfahrtschiff, ein Frachtschiff oder ein Unterseeboot. Ferner kann das beschriebene Verfahren in entsprechender Weise auch zur Verminderung der Stampfbewegung eingesetzt werden.
  • Bei dem Verfahren wird zunächst der Bewegungszustand des Schiffes erfasst. Hierzu sind Sensoren vorgesehen, welche den Bewegungszustand des Schiffes hinsichtlich seiner sechs Freiheitsgrade vermessen, d. h. die Lage des Schiffes in den drei Raumrichtungen sowie die Orientierung des Schiffes werden mittels der Sensoren bestimmt. Darüber hinaus werden die zeitlichen Ableitungen der vorgenannten Größen ermittelt, d. h. es werden die Geschwindigkeit des Schiffes entlang der drei Raumrichtungen sowie die Winkelgeschwindigkeiten der Drehbewegungen des Schiffes um seine Hauptträgheitsachsen bestimmt. Die Bestimmung dieser zeitlichen Ableitungen geschieht entweder durch eine direkte Messung über eigens zu diesem Zweck vorgesehene Sensoren oder aber rechnerisch aus jeweils zeitlich aufeinander folgend gemessenen Werten von Position und/oder Orientierung des Schiffes. Beispielsweise können die Eingangsdaten zur Position bzw. zur Orientierung des Schiffes auch aus der zeitlichen Integration der zeitlichen Ableitungen von Position und Orientierung des Schiffes gewonnen werden. Über Beschleunigungssensoren werden ferner die zweiten zeitlichen Ableitungen der Position und der Orientierung des Schiffes gemessen, so dass die Beschleunigung des Schiffes entlang der drei Raumrichtungen sowie die Winkelbeschleunigungen um die Hauptträgheitsachsen des Schiffes Bestandteil der Eingangsdaten sind.
  • Der vorgenannte Satz von Eingangsdaten bildet einen Zustandsvektor x, der den Bewegungszustand des Schiffs beschreibt. Zusätzlich werden bei dem Verfahren Positionsdaten aus den Daten eines satellitengestützten Navigationssystems, wie beispielsweise dem Global Positioning System (GPS), bestimmt. Diese Positionsdaten bilden einen weiteren Satz von Eingangsdaten, der in einem Vektor GPS zusammengefasst ist. Die beiden vorgenannten Sätze von Eingangsdaten x und GPS werden einer Filtereinrichtung 1 zugeführt. In der Filtereinrichtung 1 werden die Datensätze x und GPS geeignet gefiltert und somit von Störungen befreit. Ferner stehen der Filtereinrichtung 1 über weitere Sensoren ermittelte, redundante Daten zu den Eingangsdaten x und GPS zur Verfügung, mit welchen die Filtereinrichtung 1 Mittelwertbildungen zu den Eingangsdaten vornimmt. Die derart durch Filterung bzw. Mittelung bereinigten Eingangsdaten stehen als Datensätze x̃ und GP̃S zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
  • Auf ähnliche Weise werden in einer zweiten Filtereinrichtung 2 von weiteren, unterlagerten Regeleinrichtungen vorgegebene Sollgrößen für Aktoren des Schiffes bereinigt. Diese Sollgrößen umfassen u. a. die Solldrehzahl einer Maschine n, den Sollwinkel einer Seitenruderfläche δ 1 , im Falle eines Unterseebootes den Sollwinkel des Tiefenruders δ 2 sowie Sollgrößen weiterer Aktoren. Die Filtereinrichtung 2 stellt die bereinigten Sollgrößen ñ, δ̃1 und δ̃2 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
  • In der Auswerteinrichtung 3 wird anhand eines oder mehrerer definierter Kriterien die Nähe des bereinigten Bewegungszustands x̃ zum Zustand einer parametererregten Rollschwingung ermittelt. Die Nähe des Bewegungszustands zum Rollresonanzzustand wird durch einen als Resonanzlevel RL bezeichneten Datensatz gekennzeichnet.
  • In einer zweiten Auswerteinrichtung 4 werden aus dem bereinigten Bewegungszustand x̃ die Ausbreitungsrichtung der Wasserwellen relativ zum Schiff, die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit sowie weitere charakteristische Größen der Wellenanregung bestimmt. Diese Parameter werden in einem Datensatz zusammengefasst, der hier als Wellenanregung qw bezeichnet ist. Ferner werden der Auswerteinrichtung 4 die bereinigten GPS-Daten GP̃S übergeben, auf deren Basis die Wellenanregung qw in ein erdfestes Koordinatensystem transformiert wird, so dass der Einfluss von Kurs und Geschwindigkeit des Schiffes herausgerechnet wird. In diesem erdfesten Koordinatensystem wird die Wellenanregung qw gefiltert. Insbesondere erlaubt diese Filterung eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der Ausbreitungsrichtung der Wasserwellen.
  • Der Resonanzlevel RL, der bereinigte Bewegungszustand des Schiffes x̃ sowie die Wellenanregung qw werden einer Regeleinrichtung 6 übergeben, die den Resonanzlevel RL daraufhin überprüft, ob der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs x̃ eine kritische Nähe zur parametererregten Rollschwingung aufweist, d. h. ob der Bewegungszustand innerhalb eines Rollresonanzbereichs gelegen ist. Falls der Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs im Rollresonanzbereich liegt, wird mittels eines Regelgesetzes die Geschwindigkeit sowie der Gierwinkel des Schiffes derart geändert, dass der Abstand des Bewegungszustands x̃ zum Zustand der parametererregten Rollschwingung wächst. Eine geeignete Vorgabe zur Änderung des Gierwinkels hängt dabei wesentlich von der Wellenanregung qw ab, insbesondere von der Ausbreitungsrichtung der Wasserwellen. Bei dem Regelgesetz stellt damit der Bewegungszustand x̃ die Regelgröße dar. Die Stellgrößen zur Geschwindigkeits- und Gierwinkeländerung sind durch Sollgrößen O1 für die Maschine sowie Sollgrößen O2 für ein Seitenruder gebildet, welche den bereits an Bord vorhandenen, unterlagerten Aktorreglern 7 und 8 zur Bedienung dieser Aktoren zugeführt werden. Auch den weiteren Aktoren werden durch die Regeleinrichtung 6 Sollgrößen O5 vorgegeben.
  • Resonanzlevel RL und bereinigter Bewegungszustand x̃ werden zudem einer weiteren Regeleinrichtung 5 übermittelt. Die Regeleinrichtung 5 ermittelt zunächst anhand des Resonanzlevels RL, ob der Bewegungszustand des Schiffes x̃ derart nah an einem Zustand einer parametererregten Rollschwingung liegt, dass die Schiffsbewegung gedämpft werden muss. Sofern dies der Fall ist, werden auf Basis des Bewegungszustandes x̃ gemäß einem Regelgesetz Sollwerte für Aktoren des Schiffes berechnet, welche zur Dämpfung eingesetzt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind dies z. B. Sollgrößen O3 für die Seitenflossen. Zudem ermittelt die Regeleinrichtung 5 Sollgrößen O4 für weitere direkt auf das Roll- und Stampfverhalten des Schiffes wirkende Aktoren, im Falle von Unterseebooten beispielsweise die Tiefenruder.
  • Die zuvor beschriebenen Aktorsollgrößen ñ, δ̃1, δ̃2 werden in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel intern in den Reglern 5 und 6 berücksichtigt. Alternativ (Fig. 2) können die Sollgrößen O1, O2, ..., O5 für die Aktoren auch in den unterlagerten Aktorregiern 7, 8 und 9 hinzu addiert werden, wobei die Filterung der Aktorsollgrößen ñ, δ̃1, δ̃2 über die Filtereinrichtung 2 vollständig separat erfolgen kann.
    • Bezugszeichenliste
    • x
    - gemessener Bewegungszustand des Schiffes
    x̃
    - bereinigter Bewegungszustand des Wasserfahrzeugs
    GPS
    - GPS-Daten
    GP̃S
    - bereinigte GPS-Daten
    RL
    - Resonanzlevel
    qw
    - Wellenanregung
    n
    - Solldrehzahl Maschine
    δ1
    - Sollwinkel Seitenruder
    δ2
    - Sollwinkel Tiefenruder
    ñ
    - bereinigte Solldrehzahl Maschine
    δ̃1
    - bereinigter Sollwinkel Seitenruder
    δ̃2
    - bereinigter Sollwinkel Tiefenruder
    O1
    - Sollgrößen Maschine
    O2
    - Sollgrößen Seitenruder
    O3
    - Sollgrößen Seitenflossen
    O4
    - Sollgrößen Tiefenruder
    O5
    - Sollgrößen
    1
    - Filtereinrichtung
    2
    - Filtereinrichtung
    3
    - Auswerteinrichtung
    4
    - Auswerteinrichtung
    5
    - Regeleinrichtung
    6
    - Regeleinrichtung
    7
    - Unterlagerter Aktorregler
    8
    - Unterlagerter Aktorregler
    9
    - Unterlagerter Aktorregler

Claims (11)

  1. Verfahren zur Verminderung einer Vertikalbewegung eines Wasserfahrzeugs, bei welchem zunächst ein Vertikalbewegungsresonanzbereich für Bewegungszustände ( x ) des Wasserfahrzeugs während der Fahrt des Wasserfahrzeugs neu bestimmt wird, bei dem dann während der Fahrt der Bewegungszustand ( x ) des Wasserfahrzeugs zumindest teilweise erfasst wird, indem zumindest eine Komponente des Ortes und/oder der Orientierung des Wasserfahrzeugs und/oder ihre zeitliche Ableitung bestimmt wird und ermittelt wird, ob dieser Bewegungszustand ( x ) im Vertikalbewegungsresonanzbereich liegt, wonach dann, wenn festgestellt wird, dass dieser Bewegungszustand ( x ) im Vertikalbewegungsresonanzbereich liegt, die Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs und/oder der Kurs geändert wird, bis der Vertikalbewegungsresonanzbereich verlassen ist, wobei eine Rollbewegung die Vertikalbewegung bildet und der Vertikalbewegungsresonanzbereich durch einen Rollbewegungsresonanzbereich gebildet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Vertikalbewegungsresonanzbereich durch Ermittlung zumindest einer Resonanzfrequenz der Vertikalbewegung bestimmt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zur zumindest teilweisen Erfassung des Bewegungszustandes ( x ) des Wasserfahrzeugs die erste zeitliche Ableitung einer Komponente des Ortes und/oder der Orientierung des Wasserfahrzeugs bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zur zumindest teilweisen Erfassung des Bewegungszustandes (x) des Wasserfahrzeugs Daten (GPS) eines satellitengestützten Navigationssystems herangezogen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Änderung von Kurs und/oder Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs mittels zumindest einer Maschine und/oder zumindest eines Aktors des Wasserfahrzeugs selbsttätig erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem bei einem Bewegungszustand (x) des Wasserfahrzeugs innerhalb des Vertikalbewegungsresonanzbereichs die Vertikalbewegungsdämpfung erhöht wird, vorzugsweise über ein unterlagertes Regelungsverfahren, welches der Vertikalbewegung entgegenwirkt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Vertikalbewegungsdämpfung mittels zumindest einer oder mehrerer der folgenden Einrichtungen erhöht wird: Maschine, Seitenflossen, Seitenruder, Tiefenruder und/oder weiterer Aktoren des Wasserfahrzeuges.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 und 7, bei welchem bei einem Bewegungszustand (x) des Wasserfahrzeugs innerhalb des Vertikalbewegungsresonanzbereichs ein oder mehrere Aktoren und/oder eine oder mehrere Maschinen des Wasserfahrzeugs zugleich sowohl zur Änderung von Kurs und/oder Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs als auch zur Erhöhung der Vertikalbewegungsdämpfung eingesetzt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem bei einem Bewegungszustand (x) des Wasserfahrzeugs innerhalb des Vertikalbewegungsresonanzbereichs die Stärke der Erregung der Vertikalbewegung durch die Änderung der Stampfamplitude des Wasserfahrzeugs verringert wird, vorzugsweise durch ein unterlagertes Regelungsverfahren, welches der Stampfbewegung entgegenwirkt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Stampfamplitude mittels zumindest eines Tiefenruders des Wasserfahrzeugs beeinflusst wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Bewegungszustand (x) des Wasserfahrzeugs mittels einer Trägheitsplattform ermittelt wird.
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