EP2435998A1 - Verfahren zur rechnergestützten steuerung eines schiffes - Google Patents

Verfahren zur rechnergestützten steuerung eines schiffes

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EP2435998A1
EP2435998A1 EP10720432A EP10720432A EP2435998A1 EP 2435998 A1 EP2435998 A1 EP 2435998A1 EP 10720432 A EP10720432 A EP 10720432A EP 10720432 A EP10720432 A EP 10720432A EP 2435998 A1 EP2435998 A1 EP 2435998A1
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EP
European Patent Office
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ship
computer
detected
control
image display
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10720432A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Jaehnisch
Markus Radimirsch
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.)
GLAESER, PHILIPP
Original Assignee
Glaser Philipp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Glaser Philipp filed Critical Glaser Philipp
Publication of EP2435998A1 publication Critical patent/EP2435998A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B43/00—Improving safety of vessels, e.g. damage control, not otherwise provided for
    • B63B43/18—Improving safety of vessels, e.g. damage control, not otherwise provided for preventing collision or grounding; reducing collision damage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B49/00—Arrangements of nautical instruments or navigational aids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63B2241/20—Designs or arrangements for particular purposes not otherwise provided for in this class
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/937—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of marine craft
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G08G3/02—Anti-collision systems

Definitions

  • the invention relates to methods for the computer-aided control of a ship.
  • US 2004/0064249 A1 relates to a method and a device for assisting in the control of a vehicle, in particular also of a ship, wherein the possibility is also raised of determining a course for a landing maneuver in order to assist the skipper.
  • This object is achieved in that in plant maneuvers positions and movements of the vessel as well as moving or stationary obstacles or interference contours are detected automatically by redundant means and by means of a computer image display is controlled on the actual position of the ship relative to obstacles and Interference contours and introduced or recommended control measures are shown.
  • the invention is based on the general idea to constantly record the positions of the bow and stern of a ship relative to a fixed ground reference system and / or obstacles and Störkonturen and display on a display, so that the respective skipper the respective situation including the potential danger constantly Has eyes and in case of automatic maneuvers, if necessary, can intervene immediately.
  • one of the redundant means for determining the positions and movements of the ship is a GPS system having a nose-end and a rear-end GPS receiver.
  • the position of the ship in a basically known manner
  • the position data of the GPS receiver whose distance from each other can be determined and compared with the actually measured value on the ship.
  • the deviation between the distance determined from the GPS data and the actual distance can then be used as a criterion for the quality of the position data of the GPS system.
  • the arrangement of three GPS antennas on the ship and very small quasi-periodic movements of the ship in a known per se can be accurately detected.
  • ramming, rolling and / or rolling movements and the like of the ship can not lead to any errors in determining the position of the ship relative to the environment.
  • At least one further location system is provided, which allows the position of the bow and stern of the ship to be detected relative to stationary and / or movable obstacles.
  • positioning systems may be sonar, ultrasound, laser and / or radar systems.
  • distance-measuring sensors such as ultrasonic sensors
  • ultrasonic sensors are arranged on the ship as sensor triples at three measured positions.
  • the coordinates of obstacles can be detected with high accuracy in a ship-side coordinate system, so that at a start time of a plant maneuver a precise environment map of the ship can be generated.
  • a tracking of the reference system or a detection of the ship movements can be realized by an inertial navigation device, which determines the translational and rotational movements of the vessel from the start time. Due to the relatively short time duration of a docking maneuver, the position errors occurring during integration remain low and can be improved by redundant sensors, such as compass, GPS systems, etc., preferably when using a Kalman filter. Absolute position determination is of minor importance in landing maneuvers so that a relative frame of reference with respect to the ship is sufficient to automatically perform a landing maneuver. In this way, a map of the environment of the ship can be made and displayed on a monitor, so that the space of movement available to the ship is easily recognizable. The data acquired for the generation of the card can be processed by means of a Kalman filter in order to "hide" errors or measurement errors that occur during data acquisition.
  • a desired path of the ship is automatically determined and stored.
  • the control and propulsion systems of the ship are controlled so that the target-actual value deviation between the predetermined target path and the actually executed by the ship actual path is minimal or remains.
  • Such a control of the propulsion and control systems of the ship is basically independent of any confounding factors, such. Eg flow or wind, possible. The only requirement is that the control and propulsion systems of the ship are sufficiently powerful to be able to move the ship against any disturbing forces relative to a fixed earth reference system.
  • an anemometer communicating with the assistance system can be arranged on the ship.
  • the thus determinable wind speed and direction relative to the ship can then be used by the assistance system for determining the wind speed and direction relative to a fixed ground reference system, as from the data of the GPS system or other ship-side positioning systems, the movement speed and direction of the ship relative can be determined to the earth-fixed reference system.
  • Possible water flows can be determined with regard to direction and speed, if necessary, by the assistance system "knowing" a model of the respective ship and, based on the model parameters, being able to calculate the speed and direction of movement of the ship at the respective wind load in (ideally) still waters
  • the flow velocity and direction can then be determined between the calculated course or calculated movement direction and speed with respect to the actual movement direction and speed Since, at least in ports, it can be assumed that the flow conditions of adjacent locations are practically indistinguishable, the flow data may be determined before the beginning of a critical maneuver and then taken into account in the subsequent critical maneuver.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of ships in a port section
  • Fig. 2 is a highly schematic block diagram of the assistance system according to the invention.
  • the further ship 5 may now be equipped with an assistance system according to the invention It has a GPS device with a GPS receiver 6 at the bow and a GPS receiver 7 at the rear, and the ship 5 also has a plurality of locating devices 8 with which the environment of the ship 5 can be detected.
  • a computer 9 of the assistance system is connected on the input side to the GPS receivers 6 and 7.
  • the computer 9 can communicate on the input side with a memory 11 or a transmitter or the like in order to obtain the data of a digital map of the respective port section.
  • the computer 9 can display the ship 5 in the correct position relative to the quay wall 1 on the image display 10.
  • the computer 9 can also generate on the image display 10 by means of the data supplied by the locating devices 8 an image of the ship 5 with the surroundings of this ship. If the digital map of the port is available, the data of the locating devices 8 are essentially only used to "draw in” the ships 2 and 3 in the map or in the map image appearing on the image display 10. Otherwise the computer checks For example, from the data of the GPS receivers 6 and 7, their distance from one another can be determined and compared with the constructively specified value, the greater the deviation between the two values determined thereby The more uncertain are the position data for the bow and stern of the ship 5 ascertained by means of the GPS receivers 6 and 7. This can be reproduced on the image display 10, for example, by showing the most probable position of the ship 5 on the one hand and a corresponding uncertainty range on the other hand is reproduced figuratively, within which the ship are 5 could.
  • a desired target position of the ship 5 can be given and "communicated" to the computer 9.
  • the computer 9 determines a suitable or optimum target path, so that the ship 5 can reach the target position
  • the computer 9 takes into account the ship-side control and drive devices available to the ship 5. If these devices are not suitable or sufficient to carry out the necessary maneuvers, this is indicated If there are sufficient control and drive devices, on the one hand there is the possibility that the necessary maneuvers are carried out automatically by the computer 9 correspondingly actuating the drive and control devices 15 of the ship, that is to say depending on a setpoint.
  • I stwert- comparison between the determined target path for the ship 5 and the actual From the ship 5 executed actual way. To determine this difference, both the signals provided by the GPS receivers 6 and 7 as well as the signals of the locating devices 8 can be used.
  • the control devices 15 are actuated by means of manual control elements 16, whereby the commands given by the computer 9 to the control devices become ineffective.
  • the computer 9 can propose on the image display 10 appropriate operations of the control and drive means of the ship and simultaneously represent the actual position of the ship 5 and a recommended target position. As a result, the ship's crew, the control of the ship 5 is much easier.
  • the assistance system can also be helpful if the performance of the propulsion and control devices of the ship 5 alone is not sufficient to carry out the necessary maneuvers to achieve a desired berth.
  • the computer may suggest appropriate maneuvers for tow tractors or the like, so that the ship's crew will be given substantial help in the necessary instructions to the crews of the tow tractors.
  • the computer 9 "knows" a model of the ship 5, so that it can predict the reactions of the ship to interventions on the control and propulsion devices of the ship in an ideal (in particular flow-free) waters From the data of the GPS receiver 6 and 7 compare actual reactions of the ship and thereby check whether the deviating reactions by acting on the ship 5 wind loads, the data from an input side connected to the computer 9 anemometer 13 determined are, can be explained. The reactions of the ship, which can not be explained in this way, are then returned by the computer 9 to water flows which can be determined in this way with regard to strength and direction. In principle, this determination of water flows can take place continuously, in particular in good time before a special maneuver of the ship 5, so that the flow influences can be taken into account in advance in the automatic or computer-assisted execution of a maneuver.
  • data on water currents and the like can in principle also be transmitted from a port-side data transmitter to a corresponding receiving device of the computer 9, for example together with a digital map of the respective port.
  • the computer 9 is additionally connected on the input side with a motion sensor system 14, with which rolling or pitching movements or the like of the ship can be detected. If the computer 9 due to a stored ship model possible rolling and tamping movements of the ship "knows" can be avoided in this way that the computer 9 undesirably reacts to the aforementioned ship movements in an automatically performed maneuver of the ship or in the determination of recommended maneuvers In particular, it is possible in this way to avoid that essentially periodic movements of the ship are stimulated by means of control measures. Rather, there is the advantageous possibility of damping periodic ship movements by push-pull control measures.
  • the invention can be summarized by way of example as follows:
  • the environment of the ship is detected, with basically known methods (Kalman filtering) can be used to compensate for measurement errors.
  • the GPS receivers of the ship are mainly used for course determination (compass) and to record the extent of the ship.
  • the motion sensor detects movements of the ship in the direction of the degrees of freedom and thus allows conclusions about the strength of the sea state, also can be avoided so that unnecessary control measures of the ship are automatically performed or recommended to the ship's personnel.
  • the data used for the calculation are preferably improved by Kalman filtering or the like.
  • manipulated variables for the control and propulsion systems of the ship are determined and supplied to this via a CAN bus or the like. These manipulated variables are constantly updated by comparing the set and actual travel of the ship.

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Abstract

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

Description

VERFAHREN ZUR RECHNERGESTÜTZTEN STEUERUNG EINES SCHIFFES
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur rechnergestützten Steuerung eines Schiffes.
Assistenzsysteme, mit denen ein Schiff automatisch auf einem vorgebbaren Kurs gehalten werden kann, sind grundsätzlich bekannt.
In diesem Zusammenhang kann auf die DE 198 13 005 A1 verwiesen werden.
Aus der US 4,881 ,080 ist es bekannt, ein Fahrzeug mit einer GPS-Einrichtung auszurüsten, die zwei Antennen aufweist. Auf diese Weise lässt sich die Lage des Fahrzeuges bzw. seiner Längsachse mit hoher Genauigkeit ermitteln.
Die Druckschrift P Andree et.al: Bestimmung von Schiffsbewegungen und anderen hochfrequenten Bewegungen mittels GPS, DGON Symposium Ortung + Navigation 2000, (http//www.geop.de/download/dgon2000.pdf) befasst sich mit der Möglichkeit mehr oder weniger periodische Bewegungen eines Schiffes zu erfassen, um die Genauigkeit von Messwerten, wie z.B. Echolotdaten zu erhöhen. In diesem Zusammenhang wird vorzugsweise ein GPS-System mit drei GPS-Antennen, die in Dreiecksform angeordnet sind, eingesetzt.
Die US 2004/0064249 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hilfe bei der Steuerung eines Fahrzeuges, insbesondere auch eines Schiffes, wobei auch die Möglichkeit angesprochen wird, einen Kurs für ein Anlegemanöver zu ermitteln, um den Schiffsführer zu unterstützen.
Anlagemanöver gehören zu besonders schwierigen Manövern eines Schiffes. Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, hierfür ein zuverlässiges Verfahren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Anlagemanövern Positionen und Bewegungen des Schiffes sowie bewegliche bzw. stationäre Hindernisse oder Störkonturen automatisch durch redundante Mittel erfasst werden und mittels eines Rechners eine Bildanzeige gesteuert wird, auf der die Ist-Lage des Schiffes relativ zu Hindernissen und Störkonturen sowie eingeleitete bzw. empfohlene Steuermaßnahmen dargestellt werden.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ständig die Positionen von Bug und Heck eines Schiffes relativ zu einem erdfesten Bezugssystem und/oder zu Hindernissen und Störkonturen zu erfassen und auf einer Anzeige darzustellen, so dass der jeweilige Schiffsführer die jeweilige Situation einschließlich des Gefahrenpotentials ständig vor Augen hat und bei automatisch durchgeführten Manövern gegebenenfalls sofort eingreifen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gehört zu den redundanten Mitteln zur Ermittlung der Positionen und Bewegungen des Schiffes ein GPS-System mit einem bugseitigen und einem heckseitigen GPS-Empfänger. Damit lässt sich einerseits die Lage des Schiffes (in grundsätzlich bekannter Weise) sehr genau erfassen. Andererseits kann aus den Positionsdaten der GPS-Empfänger deren Abstand voneinander ermittelt und mit dem tatsächlich vermessenen Wert am Schiff verglichen werden. Die Abweichung zwischen dem aus den GPS-Daten ermittelten Abstand und dem tatsächlichen Abstand kann dann als Kriterium für die Güte der Positionsdaten des GPS-Systems herangezogen werden. Gegebenenfalls können bei Anordnung von drei GPS-Antennen auf dem Schiff auch sehr kleine quasi periodische Bewegungen des Schiffes in an sich bekannter weise genau erfasst werden. Damit können Stampf-, Schlinger- und/oder Rollbewegungen und dergleichen des Schiffes zu keinerlei Fehlern bei der Ermittlung der Lage des Schiffes relativ zur Umgebung führen.
Vorzugsweise ist zusätzlich oder alternativ zu einer GPS-Einrichtung auf dem Schiff zumindest ein weiteres Ortungssystem vorgesehen, welches die Lage von Bug und Heck des Schiffs relativ zu stationären und/oder beweglichen Hindernissen zu erfassen gestattet. Bei derartigen Ortungssystemen kann es sich um Sonar-, Ultraschall-, Laser und/oder Radarsysteme handeln.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass entfernungsmessende Sensoren, wie zum Beispiel Ultraschallsensoren auf dem Schiff als Sensortripel an drei vermessenen Positionen angeordnet sind. Damit lassen sich die Koordinaten von Hindernissen mit hoher Genauigkeit in einem schiffseitigen Koordinatensystem erfassen, so das zu einem Startzeitpunkt eines Anlagemanövers eine präzise Umfeldkarte des Schiffes erzeugbar ist.
Eine Nachführung des Bezugssystems bzw. eine Erfassung der Schiffsbewegungen kann durch ein inertiales Navigationsgerät realisiert werden, das ab dem Startzeitpunkt die Translations- und Rotationsbewegungen des Schiffes ermittelt. Die dabei durch Integration auftretenden Positionsfehler bleiben wegen der relativ kurzen Zeitdauer eines Anlegemanövers gering und können durch redundante Sensoren, wie Kompass, GPS-Systeme etc., vorzugsweise bei Anwendung eines Kaiman-Filters, verbessert werden. Eine absolute Positionsbestimmung ist bei Anlegemanövern von untergeordneter Bedeutung, so dass ein relatives Bezugssystem bezüglich des Schiffes ausreichend ist, um ein Anlagemanöver automatisch durchzuführen. Auf diese Weise kann eine Karte der Umgebung des Schiffs hergestellt werden und auf einem Monitor dargestellt werden, so dass der dem Schiff zur Verfügung stehende Bewegungsraum ohne Weiteres erkennbar wird. Die für die Generierung der Karte erfassten Daten können mittels eines Kaiman-Filters bearbeitet werden, um bei der Datenerfassung auftretende Störungen bzw. Messfehler „auszublenden".
Soweit die vorgenannten GPS-Einrichtungen auf dem Schiff vorhanden sind und eine digitale Karte des jeweiligen Hafens bereits zur Verfügung steht, kann die mittels der schiffsseitigen Ortungssysteme hergestellte Karte der Umgebung soweit sie sich auf stationäre Konturen des jeweiligen Hafens bezieht, mit der digitalen Karte verglichen werden, so dass auch auf diesem Wege Kriterien für die Güte der mit dem GPS-Empfängern ermittelten Positionen von Bug und Heck des Schiffs ableitbar sind.
Sobald die Umgebung des Schiffs hinreichend genau erfasst worden ist, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, das Schiff mit Unterstützung durch einen Rechner (mit entsprechender Kapazität) automatisch auf einem optimalen Kurs an einen gewünschten Platz zu führen. Auch hier ist wieder vorteilhaft, dass bei der Erfindung die Positionsdaten von Bug und Heck des Schiffs erfasst werden, so dass auch komplizierte Bewegungen des Schiffs verzögerungsfrei verfolgt und ausgeführt werden können. In diesem Zusammenhang kann auf grundsätzlich bekannte Steuer- und Antriebssysteme verwiesen werden, mit denen ein Schiff nicht nur in Längs- sondern auch in Querrichtung bewegt werden kann, beispielhaft wird auf Bugstrahlruder und Voith-Schneider-Propeller verwiesen. Derartige Systeme erlauben auch ein Traversieren des Schiffs. Sobald das erfindungsgemäße Assistenzsystem mit seinen Ortungseinhchtungen festgestellt hat, dass hinreichend Freiraum für ein vorgesehenes Manöver des Schiffs vorhanden ist, wird ein Soll-Weg des Schiffs automatisch ermittelt und gespeichert. Nachfolgend werden dann die Steuer und Antriebssysteme des Schiffs so gesteuert, dass die Soll-Istwert-Abweichung zwischen dem vorgegebenen Soll-Weg und dem vom Schiff tatsächlich ausgeführten Ist-Weg minimal wird bzw. bleibt. Eine solche Regelung der Antriebs- und Steuersysteme des Schiffs ist grundsätzlich unabhängig von eventuellen Störfaktoren, wie z. Bsp. Strömung oder Wind, möglich. Vorraussetzung ist lediglich, dass die Steuer- und Antriebssysteme des Schiffs hinreichend leistungsfähig sind, um das Schiff entgegen eventuellen Störkräften relativ zu einem erdfesten Bezugssystem bewegen zu können.
Gleichwohl ist es zweckmäßig und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, zumindest größere Störkräfte separat zu erfassen, um eine entsprechende Voreinstellung der Antriebs- und Steuersysteme des Schiffs zur Kompensation der jeweiligen Störkräfte vornehmen zu können. Auf diese Weise werden mögliche Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Weg des Schiffs von Anfang an gering gehalten. Damit wird gleichzeitig der Regelungsbedarf vermindert.
Zur Messung der Windgeschwindigkeit kann auf dem Schiff ein mit dem Assistenzsystem kommunizierendes Anemometer angeordnet sein. Die damit ermittelbare Windgeschwindigkeit und -richtung relativ zum Schiff kann dann vom Assistenzsystem zur Ermittlung der Windgeschwindigkeit und -richtung relativ zu einem erdfesten Bezugssystem genutzt werden, da aus den Daten des GPS-Systems bzw. sonstiger schiffsseitiger Ortungssysteme die Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung des Schiffs relativ zum erdfesten Bezugssystem ermittelbar ist. Eventuelle Wasserströmungen können hinsichtlich Richtung und Geschwindigkeit gegebenenfalls dadurch ermittelt werden, dass das Assistenzsystem ein Modell des jeweiligen Schiffs „kennt" und aufgrund der Modellparameter die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Schiffs bei der jeweiligen Windlast in einem (ideal) stillen Gewässer berechnen kann. Aus der Abweichung zwischen berechnetem Kurs bzw. berechneter Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit gegenüber der tatsächlichen Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit kann dann die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung ermittelt werden. Da zumindest in Häfen davon ausgegangen werden darf, dass sich die Strömungsverhältnisse benachbarter Orte praktisch nicht unterscheiden, können die Strömungsdaten gegebenenfalls vor dem Beginn eines kritischen Manövers ermittelt und dann bei dem nachfolgenden kritischen Manöver berücksichtigt werden.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Assistenzsystems näher erläutert wird.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf Schiffe in einem Hafenabschnitt, Fig. 2 eine stark schematisierte Blockdarstellung des erfindungsgemäßen Assistenzsystems.
Die Fig. 1 zeigt ein „Luftbild" eines Abschnitts eines Hafens mit einer Kaimauer 1 , an der ein Schiff 2 angelegt hat. Ein weiteres Schiff 3 nimmt einen Liegeplatz ein, wobei die Längsachse des Schiffs 3 senkrecht zur Kaimauer 1 erstreckt ist. Beide Schiffe 2 und 3 sind mittels Leinen oder Taue an Poldern 4 festgelegt. Für ein weiteres Schiff 5 steht noch ein Liegeplatz zwischen den Schiffen 2 und 3, parallel zum Schiff 3 zur Verfügung. Das weitere Schiff 5 möge nun mit einem erfindungsgemäßen Assistenzsystem ausgerüstet sein. Dieses besitzt eine GPS- Einrichtung mit einem GPS-Empfänger 6 am Bug und einem GPS-Empfänger 7 am Heck. Außerdem besitzt das Schiff 5 eine Vielzahl von Ortungseinrichtungen 8, mit denen die Umgebung des Schiffs 5 erfasst werden kann.
Gemäß Fig. 2 ist ein Rechner 9 des Assistenzsystems eingangsseitig mit den GPS-Empfängern 6 und 7 verbunden. Ausgangsseitig steuert der Rechner 9 zumindest eine Bildanzeige 10, auf der die Lage des Schiffs 5 aufgrund der Daten der GPS-Empfänger 6 und 7 relativ zu einem erdfesten Bezugssystem, z.B. UTM-Koordinaten (UTM = universale transversale Mercatorprojektion), dargestellt werden kann. Zusätzlich kann der Rechner 9 eingangsseitig mit einem Speicher 11 oder einem Sender oder dergleichen kommunizieren, um die Daten einer digitalen Karte des jeweiligen Hafenabschnitts zu erhalten.
Damit kann der Rechner 9 auf der Bildanzeige 10 das Schiff 5 lagerichtig relativ zur Kaimauer 1 darstellen.
Falls eine digitale Karte nicht zur Verfügung steht, kann der Rechner 9 auf der Bildanzeige 10 mittels der von den Ortungseinrichtungen 8 gelieferten Daten auch ein Abbild des Schiffs 5 mit der Umgebung dieses Schiffs generieren. Falls die digitale Karte des Hafens zur Verfügung steht, werden die Daten der Ortungseinrichtungen 8 im Wesentlichen nur dafür herangezogen, in die Karte bzw. in das auf der Bildanzeige 10 entsprechend erscheinende Kartenbild die Schiffe 2 und 3 „einzuzeichnen". Im Übrigen überprüft der Rechner 9 alle erhaltenen Daten auf Plausibilität bzw. auf deren Güte. So kann bspw. aus den Daten der GPS-Empfänger 6 und 7 deren Abstand voneinander ermittelt und mit dem konstruktiv vorgegebenen Wert verglichen werden. Je größer die dabei ermittelte Abweichung zwischen den beiden Werten ist, umso unsicherer sind die mittels der GPS-Empfänger 6 und 7 ermittelten Positionsdaten für Bug und Heck des Schiffs 5. Dies kann auf der Bildanzeige 10 bspw. dadurch sinnfällig wiedergegeben werden, dass einerseits die wahrscheinlichste Position des Schiffs 5 dargestellt und andererseits ein entsprechender Unsicherheitsbereich bildlich wiedergegeben wird, innerhalb dessen sich das Schiff 5 befinden könnte.
Nunmehr kann mit einer Tastatur 12 oder einer Maus oder dergleichen an der Bildanzeige 10 eine gewünschte Ziellage des Schiffs 5 vorgegeben und dem Rechner 9 „mitgeteilt" werden. Sodann ermittelt der Rechner 9 einen geeigneten bzw. optimalen Sollweg, damit das Schiff 5 in die Ziellage gelangen kann. Dabei berücksichtigt der Rechner 9 die dem Schiff 5 zur Verfügung stehenden schiffsseitigen Steuer- und Antriebseinrichtungen. Sollten diese Einrichtungen nicht geeignet oder ausreichend sein, die notwendigen Manöver durchzuführen, wird dies angezeigt. Damit erhält die Schiffsbesatzung einen eindeutigen Hinweis darauf, dass Hilfe durch Bugsierschlepper oder dergleichen angefordert werden muss. Bei ausreichenden Steuer- und Antriebseinrichtungen besteht einerseits die Möglichkeit, dass die notwendigen Manöver automatisch durchgeführt werden, indem der Rechner 9 die Antriebs- und Steuereinrichtungen 15 des Schiffs entsprechend betätigt, das heißt in Abhängigkeit von einem Soll-Istwert- Vergleich zwischen dem ermittelten Sollweg für das Schiff 5 und dem tatsächlich vom Schiff 5 ausgeführten Ist-Weg. Zur Ermittlung dieser Differenz können sowohl die von den GPS-Empfängern 6 und 7 bereit gestellten Signale als auch die Signale der Ortungseinrichtungen 8 herangezogen werden.
Falls die Schiffsbesatzung eine manuelle Steuerung des Schiffs bevorzugt, werden die Steuereinrichtungen 15 mittels Handsteuerorgane 16 betätigt, wobei die vom Rechner 9 an die Steuereinrichtungen gegebenen Befehle unwirksam werden bzw. bleiben. Jedoch kann der Rechner 9 auf der Bildanzeige 10 zweckmäßige Betätigungen der Steuer- und Antriebseinrichtungen des Schiffs vorschlagen und gleichzeitig die Ist-Lage des Schiffs 5 sowie eine empfehlenswerte Soll-Lage darstellen. Dadurch wird der Schiffsbesatzung die Steuerung des Schiffs 5 wesentlich erleichtert.
Im Übrigen kann das Assistenzsystem auch dann hilfsreich sein, wenn die Leistungsfähigkeit der Antriebs- und Steuereinrichtungen des Schiffs 5 für sich allein nicht ausreicht, die zur Erreichung eines gewünschten Liegeplatzes notwendigen Manöver auszuführen. In diesem Falle kann der Rechner zweckmäßige Manöver für Bugsierschlepper oder dergleichen vorschlagen, so dass der Schiffsbesatzung eine wesentliche Hilfe bei den notwendigen Anweisungen an die Besatzungen der Bugsierschlepper gegeben wird.
Der Rechner 9 „kennt" ein Modell des Schiffs 5, so dass er die Reaktionen des Schiffs auf Eingriffe an den Steuer- und Antriebseinrichtungen des Schiffs in einem idealen (insbesondere strömungsfreien) Gewässer voraussagen kann. Diese vorausgesagten Reaktionen kann der Rechner 9 ständig mit den aus den Daten der GPS-Empfänger 6 und 7 ermittelten tatsächlichen Reaktionen des Schiffs vergleichen und dabei überprüfen, ob die abweichenden Reaktionen durch auf das Schiff 5 einwirkende Windlasten, die aus Daten eines eingangsseitig mit dem Rechner 9 verbundenen Anemometers 13 ermittelbar sind, erklärt werden können. Die auf diese Weise nicht erklärbaren Reaktionen des Schiffs werden dann vom Rechner 9 auf Wasserströmungen zurückgeführt, die auf diese Weise bezüglich Stärke und Richtung ermittelbar sind. Diese Ermittlung von Wasserströmungen kann prinzipiell ständig, insbesondere rechtzeitig vor einem besonderen Manöver des Schiffs 5 erfolgen, so dass bei der automatischen oder rechnerunterstützten Durchführung eines Manövers die Strömungseinflüsse vorab berücksichtigt werden können.
Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich Strömungsverhältnisse in der Regel an benachbarten Positionen nur wenig voneinander unterscheiden, das heißt weitgehend ortsunabhängig konstant sind.
Im Übrigen können Daten über Wasserströmungen und dergleichen prinzipiell auch von einem hafenseitigen Datensender an eine entsprechende Empfangseinrichtung des Rechners 9 übertragen werden, bspw. zusammen mit einer digitalen Karte des jeweiligen Hafens.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rechner 9 eingangsseitig zusätzlich mit einer Bewegungssensorik 14 verbunden, mit der Schlinger- oder Stampfbewegungen oder dergleichen des Schiffs erfasst werden können. Wenn der Rechner 9 aufgrund eines hinterlegten Schiffsmodells mögliche Schlinger- und Stampf beweg ungen des Schiffs „kennt" kann auf diese Weise vermieden werden, dass der Rechner 9 bei einem automatisch durchgeführtem Manöver des Schiffs oder bei der Ermittlung empfehlenswerter Manöver unerwünscht auf die vorgenannten Schiffsbewegungen reagiert. Insbesondere kann auf diese Weise vermieden werden, dass im Wesentlichen periodische Bewegungen des Schiffs durch Steuermaßnahmen angeregt werden. Vielmehr besteht die vorteilhafte Möglichkeit, periodische Schiffsbewegungen durch im Gegentakt erfolgende Steuermaßnahmen zu dämpfen. Die Erfindung kann wie folgt beispielhaft zusammengefasst werden:
Mittels der Sensorik von schiffsseitigen Ortungssystemen wird das Umfeld des Schiffes erfasst, wobei grundsätzlich bekannte Methoden (Kaiman-Filterung) zur Kompensation von Messfehlern eingesetzt werden können. Die GPS-Empfänger des Schiffes werden hauptsächlich zur Kursbestimmung (Kompass) und zur Erfassung der Ausdehnung des Schiffes eingesetzt. Die Bewegungssensorik erkennt Bewegungen des Schiffes in Richtung der die Freiheitsgrade und ermöglicht damit Rückschlüsse auf die Stärke des Seegangs, außerdem lässt sich damit vermeiden, dass unnötige Steuerungsmaßnahmen des Schiffes automatisch durchgeführt oder dem Schiffspersonal empfohlen werden. Nach Vermessung eines Anlege- oder Liegeplatzes wird ein Sollweg des Schiffes berechnet, wobei die zur Berechnung herangezogenen Daten vorzugsweise durch Kaiman-Filterung oder dergleichen verbessert werden. Auf der Grundlage des Sollweges werden Stellgrößen für die Steuer- und Antriebssysteme des Schiffes ermittelt und diesem über einen CAN-Bus oder dergleichen zugeführt. Diese Stellgrößen werden ständig durch Vergleich von Soll- und Ist-Weg des Schiffes aktualisiert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur rechnergestützten Steuerung eines Schiffes, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlegemanövern Positionen und Bewegungen des Schiffes sowie bewegliche bzw. stationäre Hindernisse oder Störkonturen automatisch durch redundante Mittel erfasst werden und mittels eines Rechners eine Bildanzeige gesteuert wird, auf der die Ist-Lage des Schiffes relativ zu Hindernissen und Störkonturen sowie eingeleitete bzw. empfohlene Steuermaßnahmen dargestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Trägheits- und/oder Bewegungssensorik im Wesentlichen periodische Bewegungen des Schiffes (Schlingern, Stampfen, Rollen) erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Rechner auch gespeicherte Daten eines Modells des Schiffes zugegriffen wird, und dass dessen Reaktionen auf Steuereingriffe und vorgebbaren Idealbedingungen ermittelt sowie mit tatsächlichen Reaktionen des Schiffes zur quantitativen Erfassung von Störeinflüssen verglichen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer GPS-Einrichtung mit einem bugseitigem und einem heckseitigen GPS-Empfänger jeweils erfasste Positionen von Bug und Heck auf Plausibilität bzw. Genauigkeit überprüft werden, indem der aus den Positionen ermittelte Abstand zwischen den Positionen von Bug und Heck mit einem konstruktiv vorgegebenen, gespeicherten Wert verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bildanzeige eine wahrscheinlichste Position des Schiffes sowie ein Unsicherheitsbereich bildlich wiedergegeben werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bildanzeige angezeigt wird, ob vorgesehene oder notwendige Manöver mit vorhandenen Steuer- bzw. Antriebseinrichtungen des Schiffes durchführbar sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Rechner auf der Bildanzeige zweckmäßige Manöver von Bugsierschleppern oder dergleichen aufzeigt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei manueller Steuerung des Schiffes mit dem Rechner auf der Bildanzeige zweckmäßige Betätigungen der Steuer- bzw. Antriebseinrichtungen des Schiffes vorgeschlagen und gleichzeitig die Ist-Lage sowie eine Soll-Lage des Schiffes dargestellt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens drei entfernungsmessenden Sensoren, die an vermessenen Positionen des Schiffes angeordnet sind, Hindernisse in einem schiffsseitigen Koordinatensystem erfasst werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schiffsbewegungen durch ein inertiales Navigationsgerät ab einem Anfangszeitpunkt, zu de die Hindernisse i schiffsseitigen Koordinatensystem erfasst wurden, ermittelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schiffsbewegungen durch redundante Sensoren, wie Kompass oder GPS- System oder Trägheitssensoren, erfasst werden.
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