WO2009047135A2 - Verfahren zum betreiben einer lenkeinheit für ein steer-by-wire schiffsteuersystem - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer lenkeinheit für ein steer-by-wire schiffsteuersystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder, eine mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung, einen Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder vorgeschlagen, im Rahmen dessen der durch die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht wird, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten Wert annimmt.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-bv-wire Schiffsteuersvstem
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder, eine mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung, einen Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Steer-by-wire Systeme bekannt, die auch in der Schiffsteuertechnik eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen werden die Lenkbefehle von einem Sensor erfasst und über eine Steuereinheit an einen Aktuator weitergeleitet, welcher den Lenkbefehl ausführt. In vorteilhafter Weise besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Steuerruder und dem Ruder bzw. für den Fall eines Kraftfahrzeugs zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern.
Ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem ist beispielsweise aus der US 6,431 ,928 B1 bekannt. Bei dem bekannten System ist ein elektrischer Motor zum Drehen der gesamten Propeller-Antriebseinheit über eine mechanische Energieübertragungskette vorgesehen, wobei der elektrische Motor von einer Steuereinheit gesteuert wird, welche zum Einen mit der Lenkeinrichtung zum Erhalten einer Lenkbefehlsinformation und zum Anderen mit einem die Lenk- stellungsinformation erfassenden Sensor verbunden ist.
Aus der US 7,137,347 B2 ist eine Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welche eine mechanisch drehbare Lenkeinrich- tung, beispielsweise ein Steuerruder, einen Sensor zum Erfassen der Drehbewegung des Steuerruders und einen Stop-Mechanismus zum Blockieren einer weiteren Drehbewegung des Steuerruders nach Steuerbord oder Backbord, wenn das Ruder des Schiffs eine extreme Steuerbord- bzw. Backbord-Position erreicht hat.
Aus der EP 1770008 A2 ist ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem bekannt, welches mindestens zwei Lenkeinheiten umfasst. Hierbei wird das Ruder mittels eines hydraulisch betätigbaren Aktuators anhand der Lenksignale betätigt, die vom derjenigen Lenkeinrichtung generiert werden, welche die schnellere Bewegung des Ruders fordert. Bei dem bekannten System umfassen die Lenkeinheiten jeweils ein Steuerruder, das mit jeweils einer Steuereinrichtung verbunden ist, die wiederum mit dem Steuernetzwerk verbunden ist.
Des weiteren ist vorgesehen, dass die Lenkeinrichtungen im Falle einer Betätigung bzw. Drehung des Steuerruders in Abhängigkeit von Signalen eines Sensors zur Erfassung der Ruderposition mittels Kupplungen einen mechanischen Widerstand erzeugen, wobei der Widerstand um so größer ist, je näher sich das Ruder an eine Endposition nähert. Wenn eine Endposition erreicht ist, ist der mechanische Widerstand am Steuerruder derart eingestellt, dass eine weitere Drehbewegung desselben in die gleiche Richtung nicht möglich ist. Dies wird durch eine Kupplung ermöglicht, welche im vollständig geschlossenen Zustand keine Drehbewegung des Steuerruders ermöglicht.
Des weiteren ist aus der US 6,843195 B2 ein Steuersystem für einen Außenbordmotor bekannt, bei dem der Quotient „realisierter Lenkwinkel/über das Steuerruder eingegebener Lenkwinkel" mit steigender Geschwindigkeit abnimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben der Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem an- zugeben, durch dessen Durchführung der Komfort und die Sicherheit erhöht werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder, eine vorzugsweise über einen CAN-Bus mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung, einen Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder vorgeschlagen, im Rahmen dessen für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht wird, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten (hohen) Wert annimmt. Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird die Sicherheit erhöht, da sehr schnelle Manöver bei hohen Geschwindigkeiten weitgehend vermieden werden.
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Geschwindigkeit definiert, die vorzugsweise 10kn beträgt, unterhalb der kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der von der Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder erzeugte mechanische Widerstand bis zu einem vorgegebenen Grenzwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, vorzugsweise linear erhöht wird. Beispielsweise kann der vorgegebene Wert 15Nm betragen. Gemäß einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens werden, für den Fall dass die Lenkeinheit eine Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders aufweist, um die aktuelle Null-Position des Steuerruders d.h. um die Ausgangsposition vor der Durchführung einer Lenkbewegung eine Nicht-Rückstellzone, eine Rückstellzone und eine Grenzzone definiert, wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders bei einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Nicht-Rückstellzone befindet, das Steuerruder nicht auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders zurückgestellt wird, wobei wenn sich die Winkelposition des Steuerruders nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Rückstellzone befindet, das Steuerruder durch die Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders mit konstanter Geschwindigkeit auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders oder auf eine Position in der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird.
Gemäß der Erfindung kann die Funktionalität der Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders von der Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder übernommen werden, wenn dies konstruktiv möglich ist, beispielsweise wenn die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes als Elektromotor ausgeführt ist. Durch die Unterteilung in Zonen und die zonenabhängige beschriebene Steuerung des Elektromotors wird die Sicherheit sowie der Komfort erhöht.
Des weiteren wird vorgeschlagen, dass, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Grenzzone befindet, die Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders derart betrieben wird, dass das Steuerruder nicht oder nur mit erheblichen Kräften (diese Kräfte sind höher als die Kräfte, die erforderlich sind, um das Steuerruder zu bewegen, wenn sich dessen Winkelposition innerhalb der Rückstellzone befindet) weiter in Richtung der Lenkbewegung bewegt werden kann und mit konstanter Geschwindigkeit auf eine definierte Winkelposition innerhalb der Rückstellzone oder auf eine Position innerhalb der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird.
Gemäß der Erfindung wird die Nicht-Rückstellzone als Bereich zwischen +X° und X° um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d.h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert, wobei die Rückstellzone als Bereich zwischen den Enden der Nicht-Rückstellzone und Y% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert ist; als Grenzzone sind die Bereiche zwischen Y% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert , wobei X Werte zwischen 1 und 135 und Y Werte zwischen 45 und 95 annehmen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, dass der durch die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder in der Rückstellzone und in der Nicht-Rückstellzone eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht wird, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten vorgegebenen vorzugsweise hohen Wert annimmt. In der Grenzzone weist der Wert des mechanischen Widerstands entweder einen konstanten Maximalwert auf oder der mechanische Widerstand wird in Abgängigkeit der noch fehlenden Umdrehungen bis zur maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen bis zum Maximalwert hin erhöht.
Für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, und sich die Winkelposition des Steuerruders in der Rückstellzone oder in der Nicht-Rückstellzone befindet, wird im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung eine Geschwindigkeit definiert, unterhalb der kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit ein mechanischer Widerstand erzeugt wird, der bis zu einem vorgegebenen Grenzwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, vorzugsweise linear erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unabhängig von der Art des mit dem Ruder verbundenen Lenkatuators in Steer-by-wire Schiffsteuersystemen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Aktuator als hydraulischer oder elektromechanischer Aktuator ausgeführt sein. Hierbei verarbeitet die ECU die Signale der vom Benutzer betätigten Lenkeinheit oder einer Auto-Pilot - Einrichtung und leitet diese an den Lenkaktuator. Hierbei wird der Lenkaktuator entsprechend der Vorgaben der Lenkeinheit und der ECU hinsichtlich des Lenkwinkels und der Drehgeschwindigkeit des Ruders betrieben. Für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, wird in der Steuerung der Lenkeinheit die Ruderposition kontinuierlich aktualisiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder, eine mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung, einen Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht wird, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten Wert annimmt.
2. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit definiert wird, unterhalb der kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit der von der Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder erzeugte mechanische Widerstand bis zu einem vorgegebenen Grenzwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit erhöht wird.
3. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, umfassend ein Steuerruder, eine mit der elektronischen Steuerung des Schiffsteuersystems (ECU) verbundene Steuerung, einen Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Steuerruders und eine Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes am Steuerruder, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass, für den Fall dass die Lenkeinheit eine Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders aufweist, um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) eine Nicht-Rückstellzone, eine Rückstellzone und eine Grenzzone definiert werden, wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders bei einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Nicht-Rückstellzone befindet, das Steuerruder nicht auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders zurückgestellt wird, wobei wenn sich die Winkelposition des Steuerruders nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Rückstellzone befindet, das Steuerruder durch die Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders mit konstanter Geschwindigkeit auf die aktuelle Null-Position des Steuerruders oder auf eine Position in der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird und wobei, wenn sich die Winkelposition des Steuerruders nach einer Lenkbetätigung durch den Benutzer innerhalb der Grenzzone befindet, die Einrichtung zur Rückstellung des Steuerruders derart betrieben wird, dass das Steuerruder nicht oder nur mit erheblichen Kräften weiter in Richtung der Lenkbewegung bewegt werden kann und mit konstanter Geschwindigkeit auf eine definierte Winkelposition innerhalb der Rückstellzone oder auf eine definierte Position innerhalb der Nicht-Rückstellzone zurückgestellt wird.
4. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nicht-Rückstellzone als Bereich zwischen +X° und X° um die aktuelle Null-Position des Steuerruders (d. h. die Ausgangsposition vor der Durchführung der Lenkbewegung) definiert ist, dass die Rückstellzone als Bereich zwischen den Enden der Nicht-Rückstellzone und Y% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert ist und dass als Grenzzone die Bereiche zwischen Y% und 100% der maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen im und gegen den Uhrzeigersinn definiert sind, wobei X Werte zwischen 1 und 135 und Y Werte zwischen 45 und 95 annehmen kann.
5. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der durch die Einrichtung zum Erzeugen eines mechanischen Widerstandes bei einer Betätigung des Steuerruders seitens des Benutzers erzeugte mechanische Widerstand am Steuerruder in der Rückstellzone und in der Nicht-Rückstellzone eine Funktion der Geschwindigkeit ist, wobei der Widerstand mit steigender Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht wird, wobei für den Fall, dass eine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, der mechanische Widerstand bei jeder Geschwindigkeit einen konstanten vorgegebenen Wert annimmt und wobei in der Grenzzone der Widerstand entweder einen konstanten Maximalwert aufweist oder in Abgängigkeit der noch fehlenden Umdrehungen bis zur maximal möglichen Anzahl an Steuerruderumdrehungen bis zum Maximalwert hin erhöht wird.
6. Verfahren zum Betreiben einer Lenkeinheit für ein Steer-by-wire Schiffsteuersystem, nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass für den Fall, dass keine Auto-Pilot-Einrichtung aktiviert ist, und sich die Winkelposition des Steuerruders in der Rückstellzone oder in der Nicht-Rückstellzone befindet, eine Geschwindigkeit definiert wird, unterhalb der kein mechanischer Widerstand bei einer Bewegung des Steuerruders erzeugt wird, wobei oberhalb dieser Geschwindigkeit ein mechanischer Widerstand erzeugt wird, der bis zu einem vorgegebenen Grenzwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit erhöht wird.
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