EP4232354A1 - Wasserfahrzeug und verfahren zur bestimmung eines lagebilds von einem wasserfahrzeug - Google Patents

Wasserfahrzeug und verfahren zur bestimmung eines lagebilds von einem wasserfahrzeug

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Publication number
EP4232354A1
EP4232354A1 EP21793873.7A EP21793873A EP4232354A1 EP 4232354 A1 EP4232354 A1 EP 4232354A1 EP 21793873 A EP21793873 A EP 21793873A EP 4232354 A1 EP4232354 A1 EP 4232354A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
watercraft
sign
designed
signal sign
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21793873.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Kalwa
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.)
Tkms Atlas Elektronik GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
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 ThyssenKrupp AG, Atlas Elektronik GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4232354A1 publication Critical patent/EP4232354A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G08G3/02—Anti-collision systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B2035/006—Unmanned surface vessels, e.g. remotely controlled
    • B63B2035/007—Unmanned surface vessels, e.g. remotely controlled autonomously operating

Definitions

  • the invention relates to the detection of signal signs, for example flag, radio, light or sound signal signs, from watercraft.
  • Signal signs are used in shipping to convey information to other watercraft.
  • a wide variety of transmission paths are used to transmit the signals.
  • every ship has signal flags on board, with each signal flag or a combination of signal flags being assigned a specific meaning, hereinafter referred to as information, according to the flag alphabet.
  • On-board lights are another way of optically transmitting information. Depending on their color, location on the vessel, and combination with other onboard lights, these can transmit information to other vessels.
  • acoustic transmission path In addition to the optical transmission of information, there is also an acoustic transmission path.
  • ships have sound signal generators that are designed as whistle, bell and/or gong depending on their size. In their combination, long and short tones form the information to be transmitted. (Emergency) radio can also be used as a further acoustic transmission path. Emergency calls can be received via a specific radio frequency.
  • a standard vocabulary is used, at least in part, such as the word "mayday" to signal an emergency.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for signal sign monitoring by watercraft.
  • Exemplary embodiments show a watercraft with a signal processing unit and a signal sign sensor. Furthermore, a detection device for the continuous generation of a situational image of a watercraft is hereby disclosed (ie a corresponding device without the watercraft) which also has the signal processing unit and the signal sign sensor.
  • the signal processing unit is designed to receive sensor data (cyclically or continuously) and to create and continuously update a situational image of the surroundings of the watercraft based on the sensor data.
  • the sensor data comes, for example, from any selection of the following sensors: a radar, a sonar, a camera (e.g. with object recognition), an antenna for receiving AIS information (AIS: Automatic Identification System).
  • the situation picture describes information such as location and/or speed and/or direction of travel and/or type, etc. of other watercraft that are located at a corresponding distance from the watercraft.
  • the situational picture is generated based on this sensor data and continuously updated to reflect changes in the situational picture.
  • the situation picture is typically displayed on a monitor.
  • the signal sign sensor is designed to detect a signal sign of another watercraft and to provide it to the signal processing unit in the form of an electrical signal, the signal sign being one of a plurality of predetermined signal signs, with information being assigned to each predetermined signal sign.
  • predetermined Signal signs means the acoustic or visual signals described in the introductory part, in particular the signals described in the 1972 International Rules for the Prevention of Collisions at Sea.
  • the predetermined signal signs can be standardized in shipping or have otherwise been made known to a majority of seafarers. The predetermined signal signs can therefore depict expressions that are frequently used in seafaring and that are understood by the seafarers independently of the language, ie without language barriers.
  • the signal processing unit is designed to determine the information of the signal based on the electrical signal transmitted e.g. optically or acoustically and converted accordingly and to take the information into account when updating the situation picture and in particular to estimate a future situation picture.
  • the signal processing unit also uses the signal signs, in particular their information, to update the situation image. For example, a change in course of the other watercraft can be displayed or a minimum distance to be maintained from the other watercraft, etc.
  • the fact that the signal processing unit can estimate a future situation picture means, for example, that a maneuver indicated by the signal sign can be recognized and taken into account in advance in the situation picture .
  • the signal processing unit can carry out these considerations for all watercraft surrounding the watercraft (in a detection radius).
  • the idea is to support the recognition of signal signs, which is based exclusively on human perception, with technical aids such as the signal sign sensor.
  • the information obtained can flow directly into the situation picture and does not have to be transmitted verbally to the command bridge first.
  • the flow of information is accelerated and the captain or helmsman of the watercraft have all the information at a glance.
  • an emergency signal can be triggered in order to obtain the necessary attention to the situation on the navigating bridge.
  • the emergency signal is also part of the situation picture, but can be supplemented by a representation, for example in the form of a siren and/or warning light, are displayed.
  • a display on the monitor, on which the situation picture is displayed, is of course also possible.
  • the watercraft includes a plurality of signaling sensors, each of which is designed to detect the signaling of the other watercraft and to make it available to the signal processing unit in the form of an electrical signal.
  • the signaling sensors of the plurality of signaling sensors are advantageously arranged such that they can receive the signaling signals from either direction.
  • the signal processing unit can then determine a direction of incidence, from which the signal sign impinges on the signal sign sensors, based on the electrical signals and update the situation image taking into account the direction of arrival.
  • This update takes place in particular in addition to the update based on the information in the signal sign.
  • the meta information is obtained as to the direction in which the other watercraft is located relative to the watercraft, i.e. the watercraft that is transmitting the signal sign.
  • this information can be used, for example, to determine from which watercraft the signal has been transmitted and thus to facilitate the assignment of the signal to a watercraft.
  • the signal sign sensor can include a sound transducer, for example a microphone. If there are several signal sign sensors, they can each include a sound transducer.
  • the sound converter(s) are designed to receive a sound signal signal, in particular a whistle signal or bell signal or gong signal, from the other watercraft as a signal signal and to convert it into the (respective) electrical signal. If several sound transducers are used, they can be arranged in a ring, for example, so that sound waves can be received from all directions.
  • the signal processing unit is therefore designed to determine a direction of incidence, from which the sound signal impinges on the signal sensor, based on the electrical signals and to update the situation picture taking into account the direction of arrival.
  • the direction of incidence can be determined using beamforming.
  • the sound signal sign can be identified by means of spectral analysis, i.e. by looking at frequencies that occur in predetermined time intervals.
  • the frequencies with which the sound signals are emitted are not standardized, but they still show a characteristic pattern.
  • the pattern includes a fundamental and only a few characteristically arranged harmonics.
  • a fog horn differs from other acoustic signals in that it has a narrow-band signal with significantly higher energy than in the surrounding frequency bands.
  • the harmonics ie whole multiples of the fundamental frequency, have a lot of energy.
  • the frequency with which a foghorn transmits the signal also shows a high frequency constancy over time, i.e. a horizontal line is visible in the spectrogram.
  • the frequency is also between 70 and 700Hz, depending on the size of the ship. This is described in COLREG 1972 Annex III.
  • the quality of the data stream can be optimized by noise suppression before the signal processing unit detects the sound signal characters.
  • the sound signals include several consecutive tones of the same or different lengths, or the sound signal is repeated several times overall. A cross-correlation can then also be carried out in order to find similar noises and to detect them as sound signals.
  • Machine learning methods can also be used, for example deep learning or other methods using neural networks, hidden Markov models, etc.
  • the signal sign sensor comprises an image sensor, for example a camera, which can record a sequence of photos, in particular a video. If several signaling sensors are present, for example to enable an all-round view around the watercraft without moving the image sensors, they can each include an image sensor.
  • the image sensor is embodied as an optical signal sign, in particular a flag signal sign or to receive a traffic signal from the other vessel. If several image sensors are used, they can be arranged in a ring, for example, so that images can be recorded from all directions, typically with a small overlap of the image section from neighboring image sensors.
  • the image sensor can also be pivoted, preferably rotatable through 360°, on the watercraft.
  • the signal processing unit is therefore designed to determine a direction of incidence in which the optical signal sign is located based on the electrical signal of at least one signal sign sensor and to update the situation image taking the direction of incidence into account. If the positions of the image sensors, i.e. the direction in which the image sensors are aligned, relative to the watercraft are known, the position of the visual signal sign relative to the watercraft can be determined from this based on the position on one or more of the images. Analogously, this is possible with a panning or, in the special case, rotating camera if the panning angle at which an image was recorded relative to the watercraft is known.
  • the optical signal sign can be detected using image recognition algorithms. So flags and light signals are arranged at certain positions of the other watercraft. Light signals also have a higher light intensity than the surroundings, especially in the dark, and can be recognized as a result. The number of flags is also limited. The detection can therefore also be trained using artificial intelligence, for example, just like for the light signals.
  • the signal processing unit is designed to determine the direction of arrival for a chronological sequence of a plurality of signal signs and, based on the directions of arrival, to determine direction and/or speed information for the other watercraft and, based on the direction and/or speed information, to determine a future situational image appreciate.
  • the signal processing unit is designed to determine the direction and/or speed information relative to the position of the watercraft in order to predict a potential collision of the watercraft with the other watercraft. The potential collision of both watercraft can be easily determined by monitoring the direction, ie the angular position, of the other watercraft in relation to the watercraft.
  • both watercraft are on a collision course. In this way, a possible collision between the two watercraft can be predicted with simple means. This is possible with both optical and acoustic signals.
  • the watercraft is an autonomous watercraft, i.e. a self-contained watercraft.
  • the signal processing unit is then designed, based on the ascertained information, to control a control unit of the autonomous watercraft in order to change a speed and/or a direction of travel of the watercraft.
  • an autonomous watercraft with a length of more than 25m must be able to detect and interpret the sound signals.
  • autonomous underwater vehicles This is also understandable insofar as autonomous underwater vehicles of this size have a significantly higher proportion above the water than smaller autonomous underwater vehicles. For example, they can no longer be set down so easily from a ship, but typically drive out of a harbor like a manned underwater vehicle.
  • the signal processing unit controls the control unit of the autonomous watercraft.
  • the autonomous watercraft can thus perform a maneuver in order, for example, to avoid a watercraft that is on a collision course or to maintain a required minimum distance from the other watercraft.
  • the control unit can control the autonomous watercraft by controlling control loops.
  • the control unit is also referred to as a vehicle guidance system.
  • the situation picture can be forwarded to the command center as with manned watercraft.
  • the crew is not on the bridge of the craft, but remote from the unmanned craft on another craft or on land. That is, the picture of the situation is forwarded to the command center.
  • direct actuation of the control unit can be provided, as in the case of autonomous watercraft.
  • the "crew" from the command center can set this option.
  • the signal sign sensor comprises a speech sound transducer, e.g., a microphone, configured to convert a radio signal into the electrical signal.
  • the radio signal is in particular an emergency radio signal from the other watercraft.
  • the signal processing unit is designed to analyze the electrical signal using voice recognition in order to recognize an emergency radio signal as a predetermined signal sign.
  • the signal processing unit can thus be designed to detect the word “mayday” as an emergency radio signal and thus as a predetermined signal sign and to recognize the subsequent identification of the watercraft.
  • the identified watercraft can be specially marked in the situation picture and, if necessary, bypassed.
  • the radio message can also be forwarded to a command center from which the unmanned watercraft is monitored, so that the command center can communicate with the watercraft in distress.
  • a method for determining a situational image of a watercraft with the following steps: a) Obtaining sensor data in order to create and continuously update a situational image of the surroundings of the watercraft based on the sensor data; b) detecting a signal from another vessel; wherein the signal sign is a signal sign from a multiplicity of predetermined signal signs, wherein a piece of information is assigned to each of the predetermined signal signs; c) converting the signal into an electrical signal; d) determining the information based on the electrical signal; e) Updating the situation picture taking into account the information.
  • 1 a schematic block diagram of a watercraft.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of a watercraft 20.
  • the watercraft 20 comprises a signal processing unit 22 and a signal sensor 24.
  • the signal processing unit 22 receives (cyclically or continuously) sensor data 26 from one or more sensors 28, for example a radar and/or a camera . Based on the sensor data 26, the signal processing unit 22 creates a situational image 30 of the surroundings of the watercraft 20 and continuously updates this.
  • the sign sensor 24 detects a sign 32 of another vessel 34.
  • the sign sensor 24 outputs an electrical signal 36 in which the sign 32 is contained.
  • the signal processing unit 22 receives the electrical signal 36 and determines the signal sign 32 and the signal sign 32 associated information. The information determined is taken into account by the signal processing unit 22 when updating the situation image 30.
  • the signal processing unit 22 can determine a direction of incidence 38, ie an angular position of the other watercraft 34 in relation to the watercraft 20 in relation to a reference point 40 of the watercraft determine.
  • a plurality of signal sign sensors 24, in this case in the form of sound transducers, are necessary for determining the direction of incidence based on a sound signal.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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Abstract

Es ist ein Wasserfahrzeug (20) mit einer Signalverarbeitungseinheit (22) und einem Signalzeichensensor (24) gezeigt. Die Signalverarbeitungseinheit (22) ist ausgebildet, Sensordaten (26) zu erhalten und basierend auf den Sensordaten (26) ein Lagebild (30) der Umgebung des Wasserfahrzeugs (20) zu erstellen und fortlaufend zu aktualisieren. Der Signalzeichensensor (24) ist ausgebildet, ein Signalzeichen (32) eines anderen Wasserfahrzeugs (34) zu detektieren und der Signalverarbeitungseinheit (22) in Form eines elektrischen Signals (36) bereitzustellen, wobei das Signalzeichen (32) ein Signalzeichen aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalzeichen ist, wobei den vorbestimmten Signalzeichen jeweils eine Information zugeordnet ist. Die Signalverarbeitungseinheit (22) ist ferner ausgebildet, die Information des Signalzeichens (32) basierend auf dem elektrischen Signal (36) zu ermitteln und die Information bei der Aktualisierung des Lagebilds (30) zu berücksichtigen und insbesondere ein zukünftiges Lagebild (30) zu schätzen.

Description

Wasserfahrzeug und Verfahren zur Bestimmung eines Lagebilds von einem Wasserfahrzeug
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf die Detektion von Signalzeichen, beispielsweise Flaggen-, Funk-, Licht- oder Schallsignalzeichen, von Wasserfahrzeugen.
Signalzeichen werden in der Schifffahrt eingesetzt, um anderen Wasserfahrzeugen Informationen zu übermitteln. Um die Signalzeichen zu übermitteln, werden verschiedenste Übertragungswege verwendet. So hat jedes Schiff Signalflaggen an Bord, wobei jede Signalflagge oder eine Kombination von Signalflaggen eine bestimmte Bedeutung, nachfolgend als Information bezeichnet, entsprechend dem Flaggenalphabet, zugeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit zur optischen Übertragung der Informationen sind Bordlichter. Entsprechend ihrer Farbe, der Position am Wasserfahrzeug und der Kombination mit anderen Bordlichtem können diese Informationen an andere Wasserfahrzeuge übermitteln.
Neben der optischen Übertragung von Informationen gibt es auch einen akustischen Übertragungsweg. So weisen Schiffe Schallsignalzeichengeber auf, die entsprechend ihrer Größe als Pfeife, Glocke und/oder Gong ausgebildet sind. Lange und kurze Töne bilden hier in ihrer Kombination die zu übermittelnde Information ab. Als weiterer akustische Übertragungsweg kann auch (Not-) Funk verwendet werden. Über eine bestimmte Funkfrequenz können Notrufe empfangen werden. Auch hierfür wird zumindest in Teilen ein Standardwortschatz verwendet wie beispielsweise das Wort „mayday“ um einen Notfall zu signalisieren.
Die jeweiligen Informationen, mittels der entsprechende Signalzeichen übertragen werden, sind z.B. in den internationalen Regeln von 1972 zur Verhütung von Zusammenstößen auf See beschrieben. Auf Schiffen werden diese Signalzeichen derzeit von dem Ausguck, also einer Person, die auf die Signalzeichen achtet, überwacht. Dies muss Rund um die Uhr erfolgen. Es liegt auf der Hand, dass die Überwachung der Signalzeichen, die derzeit ausschließlich durch Menschen erfolgt, optimiert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für die Signalzeichenüberwachung durch Wasserfahrzeuge zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen ein Wasserfahrzeug mit einer Signalverarbeitungseinheit und einem Signalzeichensensor. Ferner ist hiermit eine Detektionsvorrichtung zur fortlaufenden Erstellung eines Lagebilds eines Wasserfahrzeugs offenbart (also eine entsprechende Vorrichtung ohne das Wasserfahrzeug) die ebenfalls die Signalverarbeitungseinheit und den Signalzeichensensor aufweist. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, (zyklisch bzw. fortlaufend) Sensordaten zu erhalten und basierend auf den Sensordaten ein Lagebild der Umgebung des Wasserfahrzeugs zu erstellen und fortlaufend zu aktualisieren. Die Sensordaten stammen z.B. einer beliebigen Auswahl folgender Sensoren: einem Radar, einem Sonar, einer Kamera (z.B. mit Objekterkennung), einer Antenne zum Empfang von AIS Informationen (AIS: Automatic Identification System, dt.: automatisches Identifikationssystem). Das Lagebild bezeichnet Informationen wie z.B. Ort und/oder Geschwindigkeit und/oder Fahrtrichtung und/oder Typ, etc. von anderen Wasserfahrzeugen, die sich in einem entsprechenden Abstand um das Wasserfahrzeug herum befinden. Das Lagebild wird basierend auf diesen Sensordaten erzeugt und fortlaufend aktualisiert um Änderungen in dem Lagebild abzubilden. Die Darstellung des Lagebilds erfolgt typischerweise auf einem Monitor.
Der Signalzeichensensor ist ausgebildet, ein Signalzeichen eines anderen Wasserfahrzeugs zu detektieren und der Signalverarbeitungseinheit in Form eines elektrischen Signals bereitzustellen, wobei das Signalzeichen ein Signalzeichen aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalenzeichen ist, wobei den vorbestimmten Signalenzeichen jeweils eine Information zugeordnet ist. Als vorbestimmte Signalzeichen werden die im einleitenden Teil beschriebenen akustischen oder optischen Signalzeichen, insbesondere die in den internationalen Regeln von 1972 zur Verhütung von Zusammenstößen auf See beschriebenen Signalzeichen, bezeichnet. Die vorbestimmten Signalzeichen können in der Schifffahrt genormt sein oder anderweitig einem überwiegenden Teil der Seeleute bekannt gemacht worden sein. Die vorbestimmten Signalzeichen können demnach häufig verwendete Ausdrücke in der Seefahrt abbilden, die sprachunabhängig, d.h. ohne Sprachbarrieren, von den Seeleuten verstanden werden.
Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, die Information des Signalzeichens basierend auf dem auf z.B. optischem oder akustischem Weg übermittelten und entsprechend konvertierten elektrischen Signal zu ermitteln und die Information bei der Aktualisierung des Lagebilds zu berücksichtigen und insbesondere ein zukünftiges Lagebild zu schätzen. Das heißt, neben den Sensordaten verwendet die Signalverarbeitungseinheit zum Aktualisieren des Lagebilds auch die Signalzeichen, insbesondere deren Information. So kann z.B. eine Kursänderung des anderen Wasserfahrzeugs angezeigt werden oder ein mindestens einzuhaltender Abstand zu dem anderen Wasserfahrzeug, etc. Dass die Signalverarbeitungseinheit ein zukünftiges Lagebild schätzen kann, heißt z.B., dass ein mittels des Signalzeichens angezeigtes Manöver erkannt und vorab in dem Lagebild berücksichtigt werden kann. Diese Betrachtungen kann die Signalverarbeitungseinheit für alle das Wasserfahrzeug (in einem Detektionsradius) umgebenden Wasserfahrzeuge durchführen.
Idee ist es, die ausschließlich auf der menschlichen Wahrnehmung beruhende Erkennung der Signalzeichen durch technische Hilfsmittel wie den Signalzeichensensor zu unterstützen. So können die gewonnenen Informationen direkt in das Lagebild einfließen und müssen nicht erst mündlich zur Kommandobrücke übermittelt werden. Der Informationsfluss wird beschleunigt und Kapitän bzw. Steuermann des Wasserfahrzeugs haben alle Informationen direkt auf einen Blick. Ferner kann bei einer vorhergesagten Kollision ein Notfallsignal ausgelöst werden, um auf der Kommandobrücke die notwendige Aufmerksamkeit für die Situation zu erhalten. Das Notfallsignal ist ebenfalls Teil des Lagebilds, kann aber durch eine Darstellung, beispielsweise in Form einer Sirene und/oder Warnleuchte, angezeigt werden. Eine Darstellung auf dem Monitor, auf dem das Lagebild angezeigt wird, ist natürlich ebenso möglich.
In Ausführungsbeispielen umfasst das Wasserfahrzeug eine Mehrzahl von Signalzeichensensoren, die jeweils ausgebildet sind, das Signalzeichen des anderen Wasserfahrzeugs zu detektieren und der Signalverarbeitungseinheit in Form eines elektrischen Signals bereitzustellen. Die Signalzeichensensoren der Mehrzahl von Signalzeichensensoren sind vorteilhafterweise so angeordnet, dass diese die Signalzeichen aus jeder Richtung empfangen können.
Die Signalverarbeitungseinheit kann dann eine Einfallsrichtung, aus der das Signalzeichen auf die Signalzeichensensoren auftrifft, basierend auf den elektrischen Signalen ermitteln und unter Berücksichtigung der Einfallsrichtung das Lagebild aktualisieren. Diese Aktualisierung erfolgt insbesondere ergänzend zur der Aktualisierung basierend auf der Information des Signalzeichens. D.h., neben der Information entsprechend der Signalzeichen wird die Metainformation gewonnen, in welcher Richtung relativ zu dem Wasserfahrzeug sich das andere Wasserfahrzeug, also das Wasserfahrzeug, das das Signalzeichen aussendet, befindet. Diese Information kann bei akustischen Signalen z.B. dazu verwendet werden, um zu bestimmen, von welchem Wasserfahrzeug das Signalzeichen ausgesendet worden ist und somit die Zuordnung des Signalzeichens zu einem Wasserfahrzeug erleichtern.
In Ausführungsbeispielen zur Detektion von den Schallsignalzeichen kann der Signalzeichensensor einen Schallwandler, beispielsweise ein Mikrofon, umfassen. Sind mehrere Signalzeichensensoren vorhanden, so können diese jeweils einen Schallwandler umfassen. Der bzw. die Schallwandler sind ausgebildet, als Signalzeichen ein Schallsignalzeichen, insbesondere ein Pfeifensignal oder Glockensignal oder Gongsignal, des anderen Wasserfahrzeugs zu empfangen und in das (jeweilige) elektrische Signal umzuwandeln. Werden mehrere Schallwandler verwendet, können diese z.B. ringförmig angeordnet sein, so dass Schallwellen aus allen Richtungen empfangen werden können. Die Signalverarbeitungseinheit ist demnach ausgebildet, eine Einfallsrichtung, aus der das Schallsignalzeichen auf den Signalsensor auftrifft, basierend auf den elektrischen Signalen zu ermitteln und unter Berücksichtigung der Einfallsrichtung das Lagebild zu aktualisieren. Die
Einfallsrichtung kann mittels Beamforming (dt.: Richtungsbildung) bestimmt werden.
In dem Datenstrom von elektrischen Signalen kann das Schallsignalzeichen mittels Spektralanalyse, also der Betrachtung von Frequenzen, die in vorbestimmten Zeitabschnitten auftreten. Nun sind die Frequenzen, mit denen die Schallsignalzeichen ausgesendet werden zwar nicht genormt, sie weisen aber dennoch ein charakteristisches Muster auf. Das Muster umfasst eine Grundschwingung und nur wenige, charakteristisch angeordneten Oberwellen. Ein Nebelhorn unterscheidet sich z.B. von anderen akustischen Signalen durch ein schmalbandiges Signal mit deutlich höherer Energie als in umliegenden Frequenzbändern. Ferner weisen die Oberschwingungen, also ganze Vielfache der Fundamentalfrequenz, viel Energie auf. Die Frequenz, mit der ein Nebelhorn das Signal aussendet, weist ferner eine hohe zeitliche Konstanz der Frequenz auf, d.h. es ist ein waagerechter Strich im Spektrogramm sichtbar. Die Frequenz liegt ferner zwischen 70 und 700Hz, abhängig von der Größe des Schiffs. Dies ist in COLREG 1972 Annex III beschrieben. Ferner kann die Qualität des Datenstroms durch eine Rauschunterdrückung optimiert werden, bevor die Signalverarbeitungseinheit die Schallsignalzeichen detektiert. Ferner umfassen die Schallsignalzeichen mit wenigen Ausnahmen mehrere aufeinanderfolgende Töne gleicher oder unterschiedlicher Länge oder das Schallsignalzeichen wird insgesamt mehrfach wiederholt. Dann kann auch eine Kreuzkorrelation vorgenommen werden, um ähnliche Geräusche zu finden und als Schallsignalzeichen zu detektieren. Ferner können auch Verfahren des maschinellen Lernens (engl. machine Learning) eingesetzt werden, beispielsweise deep learning oder andere Verfahren mittels neuronaler Netze, Hidden Markov Modelle, etc.
In Ausführungsbeispielen zur Detektion von optischen Signalzeichen umfasst der Signalzeichensensor einen Bildsensor, beispielsweise eine Kamera, die eine Abfolge von Fotos, insbesondere ein Video, aufnehmen kann. Sind mehrere Signalzeichensensoren vorhanden, um z.B. einen Rundumblick um das Wasserfahrzeug zu ermöglichen, ohne die Bildsensoren zu bewegen, so können diese jeweils einen Bildsensor umfassen. Der Bildsensor ist ausgebildet, als Signalzeichen ein optisches Signalzeichen, insbesondere ein Flaggensignalzeichen oder ein Lichtsignalzeichen, des anderen Wasserfahrzeugs zu empfangen. Werden mehrere Bildsensoren verwendet, können diese z.B. ringförmig angeordnet sein, so dass Bilder aus allen Richtungen, typischerweise mit einer kleinen Überlappung des Bildausschnitts von benachbarten Bildsensoren, aufgezeichnet werden können. Der Bildsensor kann auch schwenkbar, vorzugsweise um 360° rotierbar, auf dem Wasserfahrzeug angeordnet sein.
Die Signalverarbeitungseinheit ist demnach ausgebildet, eine Einfallsrichtung, in der sich das optische Signalzeichen befindet, basierend auf dem elektrischen Signal zumindest eines Signalzeichensensors zu ermitteln und unter Berücksichtigung der Einfallsrichtung das Lagebild zu aktualisieren. Wenn die Positionen der Bildsensoren, d.h. die Richtung, in der die Bildsensoren ausgerichtet sind, relativ zu dem Wasserfahrzeug bekannt sind, kann hieraus die Position des optischen Signalzeichens relativ zu dem Wasserfahrzeug anhand der Position auf einem oder mehreren der Bilder, bestimmt werden. Analog ist dies bei einer schwenk- oder im Spezialfall rotierbaren Kamera möglich, wenn der Schwenkwinkel, mit dem ein Bild aufgenommen worden ist, relativ zu dem Wasserfahrzeug, bekannt ist.
In dem Datenstrom von elektrischen Signalen kann das optische Signalzeichen mittels Bilderkennungsalgorithmen detektiert werden. So sind Flaggen und Lichtzeichen an bestimmten Positionen des anderen Wasserfahrzeugs angeordnet. Lichtzeichen weisen ferner insbesondere im Dunkeln eine höhere Lichtintensität auf als die Umgebung und können dadurch erkannt werden. Die Anzahl der Flaggen ist ferner limitiert. Die Detektion kann daher z.B., ebenso wie für die Lichtzeichen, auch mittels künstlicher Intelligenz angelernt werden.
In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, die Einfallsrichtung für eine zeitliche Abfolge von einer Mehrzahl der Signalzeichen zu ermitteln und basierend auf den Einfallsrichtungen eine Richtungs- und/oder Geschwindigkeitsinformation des anderen Wasserfahrzeugs zu bestimmen und basierend auf der Richtungs- und/oder Geschwindigkeitsinformation ein zukünftiges Lagebild zu schätzen. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, die Richtungs- und/oder Geschwindigkeitsinformation relativ zu der Position des Wasserfahrzeugs zu bestimmen um eine potentielle Kollision des Wasserfahrzeugs mit dem anderen Wasserfahrzeug vorherzusagen. Die potentielle Kollision beider Wasserfahrzeuge kann einfach bestimmt werden, indem die Richtung, also die Winkellage, des anderen Wasserfahrzeugs zu dem Wasserfahrzeug überwacht wird. Ändert sich die Richtung, d.h. die Winkellage, beider Wasserfahrzeuge zueinander nicht, befinden sich beide Wasserfahrzeuge auf Kollisionskurs. So kann mit einfachen Mitteln eine mögliche Kollision beider Wasserfahrzeuge vorhergesagt werden. Dies ist sowohl mit optischen als auch mit Schallsignalzeichen möglich.
In Ausführungsbeispielen ist das Wasserfahrzeug ein autonomes Wasserfahrzeug, d.h. ein eigenständig agierendes Wasserfahrzeug. Die Signalverarbeitungseinheit ist dann ausgebildet, basierend auf der ermittelten Information eine Steuereinheit des autonomen Wasserfahrzeugs anzusteuern um eine Geschwindigkeit und/oder eine Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs zu ändern. Für autonome Wasserfahrzeuge existieren bisher keine eigenen Regeln in den Gewässern. D.h. beispielsweise, dass ein autonomes Wasserfahrzeug mit einer Länge über 25m die Schallsignalzeichen detektieren und interpretieren können muss. Dies gilt auch für autonome Unterwasserfahrzeuge. Dies ist insoweit auch nachvollziehbar, da autonome Unterwasserfahrzeuge in dieser Größe einen deutlich höheren Überwasseranteil haben, als kleinere autonome Unterwasserfahrzeuge. Sie können beispielsweise nicht mehr so einfach von einem Schiff abgesetzt werden, sondern fahren typischerweise wie bemanntes Unterwasserfahrzeug aus einem Hafen aus.
Bei autonomen Wasserfahrzeugen reicht es jedoch nicht aus, das Lagebild auf einem Monitor anzuzeigen, sondern das Lagebild wird direkt zur Navigation verwendet. Hierzu steuert die Signalverarbeitungseinheit die Steuereinheit des autonomen Wasserfahrzeugs an. So kann das autonome Wasserfahrzeug ein Manöver fahren, um z.B. einem sich auf Kollisionskurs befindlichen Wasserfahrzeug auszuweichen oder einen erforderlichen Mindestabstand zu dem anderen Wasserfahrzeug einzuhalten. Die Steuerungseinheit kann durch Ansteuerung von Regelkreisen das autonome Wasserfahrzeug steuern. Die Steuereinheit wird auch als Fahrzeugführungssystem bezeichnet. Bei unbemannten, aber nicht autonomen, sondern ferngesteuerten Wasserfahrzeugen, kann das Lagebild wie bei bemannten Wasserfahrzeugen an die Kommandozentrale weitergeleitet werden. Der Unterschied besteht nur darin, dass sich die Besatzung nicht auf der Brücke des Wasserfahrzeugs befindet, sondern entfernt von dem unbemannten Wasserfahrzeug auf einem anderen Wasserfahrzeug oder an Land. D.h., das Lagebild wird an die Kommandozentrale weitergeleitet. Auch hier kann aber eine direkte Ansteuerung der Steuereinheit wie bei autonomen Wasserfahrzeugen vorgesehen sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die „Besatzung“ aus der Kommandozentrale diese Option einstellen.
In Ausführungsbeispielen umfasst der Signalzeichensensor einen Sprachschallwandler, z.B. ein Mikrofon, der ausgebildet ist, ein Funksignal in das elektrische Signal umzuwandeln. Das Funksignal ist insbesondere ein Notfunksignal des anderen Wasserfahrzeugs. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, das elektrische Signal mittels Spracherkennung zu analysieren um ein Notfunksignal als vorbestimmtes Signalzeichen zu erkennen. So kann die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet sein, das Wort „mayday“ als Notfunksignal und somit als vorbestimmtes Signalzeichen zu detektieren und die nachfolgende Kennung des Wasserfahrzeugs zu erkennen. Das identifizierte Wasserfahrzeug kann in dem Lagebild speziell markiert und wenn nötig umfahren werden. Ferner kann der Funkspruch auch an eine Kommandozentrale, von der das unbemannte Wasserfahrzeug überwacht wird, weitergeleitet werden, so dass die Kommandozentrale mit Wasserfahrzeug in Not kommunizieren kann.
Analog ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Lagebilds von einem Wasserfahrzeug mit folgenden Schritten offenbart: a) Erhalten von Sensordaten, um basierend auf den Sensordaten ein Lagebild der Umgebung des Wasserfahrzeugs zu erstellen und fortlaufend zu aktualisieren; b) Detektieren eines Signalzeichens eines anderen Wasserfahrzeugs; wobei das Signalzeichen ein Signalzeichen aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalenzeichen ist, wobei den vorbestimmten Signalenzeichen jeweils eine Information zugeordnet ist; c) Wandeln des Signalzeichens in ein elektrisches Signal; d) Ermitteln der Information basierend auf dem elektrischen Signal; e) Aktualisieren des Lagebilds unter Berücksichtigung der Information.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Blockdarstellung eines Wasserfahrzeugs.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Wasserfahrzeugs 20. Das Wasserfahrzeug 20 umfasst eine Signalverarbeitungseinheit 22 und einen Signalzeichensensor 24. Die Signalverarbeitungseinheit 22 erhält (zyklisch bzw. fortlaufend) Sensordaten 26 von einem oder mehreren Sensoren 28, beispielsweise einem Radar und/oder einer Kamera. Basierend auf den Sensordaten 26 erstellt die Signalverarbeitungseinheit 22 ein Lagebild 30 der Umgebung des Wasserfahrzeugs 20 und aktualisiert dies fortlaufend.
Der Signalzeichensensor 24 detektiert ein Signalzeichen 32 eines anderen Wasserfahrzeugs 34. Der Signalzeichensensor 24 gibt ein elektrisches Signal 36 aus, in dem das Signalzeichen 32 enthalten ist. Die Signalverarbeitungseinheit 22 erhält das elektrische Signal 36 und ermittelt das Signalzeichen 32 sowie die dem Signalzeichen 32 zugehörige Information. Die ermittelte Information berücksichtigt die Signalverarbeitungseinheit 22 bei der Aktualisierung des Lagebilds 30.
In Ausführungsbeispielen kann die Signalverarbeitungseinheit 22 eine Einfallsrichtung 38, d.h. eine Winkellage des anderen Wasserfahrzeugs 34 zu dem Wasserfahrzeug 20 bezogen auf einen Referenzpunkt 40 des Wasserfahrzeugs bestimmen. Hierzu sind für die Bestimmung der Einfallsrichtung basierend auf einem Schallsignalzeichen eine Mehrzahl von Signalzeichensensoren 24, in diesem Fall in Form von Schallwandlern, notwendig.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste:
20 Wasserfahrzeug
22 Signalverarbeitungseinheit 24 Signalzeichensensor
26 Sensordaten
28 Sensoren
30 Lagebild
32 Signalzeichen 34 anderes Wasserfahrzeug
36 elektrisches Signal
38 Einfallsrichtung
40 Referenzpunkt

Claims

Patentansprüche
1 . Wasserfahrzeug (20) umfassend:
- eine Signalverarbeitungseinheit (22), die ausgebildet ist, Sensordaten (26) zu erhalten und basierend auf den Sensordaten (26) ein Lagebild (30) der Umgebung des Wasserfahrzeugs (20) zu erstellen und fortlaufend zu aktualisieren,
- einen Signalzeichensensor (24), der ausgebildet ist, ein Signalzeichen (32) eines anderen Wasserfahrzeugs (34) zu detektieren und der Signalverarbeitungseinheit (22) in Form eines elektrischen Signals (36) bereitzustellen, wobei das Signalzeichen (32) ein Signalzeichen aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalzeichen ist, wobei den vorbestimmten Signalzeichen jeweils eine Information zugeordnet ist,
- wobei die Signalverarbeitungseinheit (22) ausgebildet ist, die Information des Signalzeichens (32) basierend auf dem elektrischen Signal (36) zu ermitteln und die Information bei der Aktualisierung des Lagebilds (30) zu berücksichtigen und insbesondere ein zukünftiges Lagebild (30) zu schätzen.
2. Wasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 1 ,
- umfassend eine Mehrzahl von Signalzeichensensoren die jeweils ausgebildet sind, das Signalzeichen (32) des anderen Wasserfahrzeugs (34) zu detektieren und der Signalverarbeitungseinheit (22) in Form eines elektrischen Signals (36) bereitzustellen,
- wobei die Signalverarbeitungseinheit (22) ausgebildet ist, eine Einfallsrichtung (38), aus der das Signalzeichen (32) auf die Signalzeichensensoren auftrifft, basierend auf den elektrischen Signalen (36) zu ermitteln und unter Berücksichtigung der Einfallsrichtung das Lagebild (30) zu aktualisieren.
3. Wasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 2, - wobei die Signalverarbeitungseinheit (22) ausgebildet ist, die Einfallsrichtung (38) für eine zeitliche Abfolge von einer Mehrzahl der Signalzeichen (32) zu ermitteln und basierend auf den Einfallsrichtungen (38) eine Richtungs- und/oder Geschwindigkeitsinformation des anderen Wasserfahrzeugs (34) zu bestimmen und basierend auf der Richtungs- und/oder Geschwindigkeitsinformation ein zukünftiges Lagebild (30) zu schätzen. Wasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 3,
- wobei die Signalverarbeitungseinheit (22) ausgebildet ist, die Richtungs- und/oder Geschwindigkeitsinformation relativ zu der Position des Wasserfahrzeugs (20) zu bestimmen um eine potentielle Kollision des Wasserfahrzeugs mit dem anderen Wasserfahrzeug (34) vorherzusagen. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei das Wasserfahrzeug (20) ein autonomes Wasserfahrzeug (20) ist,
- wobei die Signalverarbeitungseinheit (22) ausgebildet ist, basierend auf der ermittelten Information eine Steuereinheit des Wasserfahrzeugs (20) anzusteuern um eine Geschwindigkeit und/oder eine Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs zu ändern. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei der Signalzeichensensor (24) einen Schallwandler umfasst oder die Signalzeichensensoren jeweils einen Schallwandler umfassen, der ausgebildet ist, als Signalzeichen (32) ein Schallsignalzeichen, insbesondere ein Pfeifensignal oder Glockensignal oder Gongsignal, des anderen Wasserfahrzeugs (34) zu empfangen und in das elektrische Signal (36) umzuwandeln. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, - wobei der Signalzeichensensor (24) einen Schallwandler umfasst oder die Signalzeichensensoren jeweils einen Schallwandler umfassen, der ausgebildet ist, als Signalzeichen (32) ein Pfeifensignal oder Glockensignal oder Gongsignal, des anderen Wasserfahrzeugs (34) zu empfangen und in das elektrische Signal (36) umzuwandeln. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei der Signalzeichensensor (24) einen Bildsensor umfasst oder die Signalzeichensensoren jeweils einen Bildsensor umfassen, der ausgebildet ist, als Signalzeichen (32) ein optisches Signalzeichen, insbesondere ein Flaggensignalzeichen oder ein Lichtsignalzeichen, des anderen Wasserfahrzeugs (34) zu empfangen. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei der Signalzeichensensor (24) einen Bildsensor umfasst oder die Signalzeichensensoren jeweils einen Bildsensor umfassen, der ausgebildet ist, als Signalzeichen (32) ein Flaggensignalzeichen oder ein Lichtsignalzeichen des anderen Wasserfahrzeugs (34) zu empfangen. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei die Signalverarbeitungseinheit (22) ausgebildet ist, die Information des Signalzeichens (32) basierend auf dem elektrischen Signal (36) mittels künstlicher Intelligenz zu ermitteln. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei der Signalzeichensensor (24) einen Sprachschallwandler umfasst, der ausgebildet ist, ein Funksignal in das elektrische Signal (36) umzuwandeln,
14 - wobei der Signalzeichensensor (24) ausgebildet ist, das elektrische Signal (36) mittels Spracherkennung zu analysieren um ein Notfunksignals als vorbestimmtes Signalzeichen zu erkennen.
12. Wasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vorbestimmten Signalzeichen häufig verwendete Ausdrücke in der Seefahrt abbilden.
13. Verfahren zur Bestimmung eines Lagebilds (30) von einem Wasserfahrzeug (20) mit folgenden Schritten: a) Erhalten von Sensordaten (26), um basierend auf den Sensordaten (26) ein Lagebild (30) der Umgebung des Wasserfahrzeugs (20) zu erstellen und fortlaufend zu aktualisieren, b) Detektieren eines Signalzeichens (32) eines anderen Wasserfahrzeugs (34), wobei das Signalzeichen (32) ein Signalzeichen (32) aus einer Vielzahl von vorbestimmten Signalenzeichen ist, wobei den vorbestimmten Signalenzeichen jeweils eine Information zugeordnet ist, c) Wandeln des Signalzeichens (32) in ein elektrisches Signal (36); d) Ermitteln der Information basierend auf dem elektrischen Signal (32); e) Aktualisieren des Lagebilds (30) unter Berücksichtigung der Information.
15
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