Integratives Manöverregelungssystem zur Bahnführung maritimer Fahrzeuge

Martin Kurowski

eingereicht am 24.April 2019
verteidigt am 20.Dezember 2019

Gutachter:

Prof. Dr.-Ing. Torsten Jeinsch, Universität Rostock
Prof. Dr. rer. nat. habil. Hartmut Ewald, Universität Rostock
Prof. Dr.-Ing. Holger Korte, Jade Hochschule

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Kurzfassung

Der maritime Wirtschaftsbereich ist geprägt von technischen Spezialentwicklungen. Basierend auf einem breiten Spektrum an Schiffstypen, Antriebsanlagen und Sensoren finden sich zweckgebunden zumeist unangepasste Systemlösungen zur Führung, Navigation und Regelung der maritimen Fahrzeuge. Je nach Arbeitsbereich des Schiffes werden dedizierte Systeme eingesetzt, verallgemeinerte Ansätze zur Schiffsführung existieren nicht. Insbesondere für Standardfahrzeuge fehlen Automationslösungen für den kritischen Bereich des Manövrierens, in dem bislang ausschließlich manuell oder assistiert gefahren wird. Auch in diesem Zusammenhang zeigt sich in den letzten Jahren ein Trend von steigenden Unfallzahlen und verursachten Kosten innerhalb der Schifffahrtsindustrie.

In dieser Arbeit wird ein Regelungssystem vorgestellt, welches Bahnführungsaufgaben im Bereich des Manövrierens maritimer Fahrzeuge ermöglicht. Die Grundlage bildet ein neuer Modellansatz, der ausgehend von der allgemeinen, hydrodynamischen Bewegungsgleichung eine entkoppelte, parametervariable Struktur einführt. Durch die konsequente Abstraktion und Modularisierung der hydrodynamischen Einflussgrößen ergibt sich so ein generalisiertes Modell. Entgegen der bisher eingesetzten parameterintensiven Beschreibungen nutzt der Ansatz einen minimalen Parametersatz bei gleichzeitiger Erhöhung der Komplexität des einzelnen Parameters. Für die experimentelle Bedatung der resultierenden Kennfelder wurden systematische Manövrierversuche erarbeitet.

Zur Steuerung und Regelung wurde ein prozessnahes, generisches Geschwindigkeitsregelungssystem unter Applikation einer inversionsbasierten Steuerung auf Grundlage des generalisierten Modells und einer dezentralen Mehrgrößenregelung entworfen. Aufbauend wird ein Manöverregelungssystem als Bahn- und Lageregelung zur Berücksichtigung von Abweichungen in erdfesten Koordinaten vorgeschlagen. Die eingesetzten Regelungen werden mittels eines robusten Ansatzes parametriert, indem sie für den Parameterraum eines definierten Arbeitsbereiches ausgelegt werden. Zur Umsetzung eines ganzheitlichen Systemansatzes wird eine hybride Struktur unter Verwendung eines modifizierten Supervisors erarbeitet, der die Vorgaben aus der Führungsgrößensteuerung integrativ berücksichtigt. In dieser Weise kann eine manöverorientierte Bahngenerierung erfolgen, die in Verbindung mit der Regelung eine präzise Führung von Wasserfahrzeugen über den gesamten Arbeitsbereich des Fahrzeugs gewährleistet.

Die entwickelten Methoden wurden mit Hilfe systematischer Simulationen verifiziert und zeigen die Abbildungsqualität des generalisierten Modells und die Performanz des generischen Ansatzes zur inversionsbasierten Steuerung und Regelung nichtlinearer, maritimer Bewegungsprozesse. Abschließend werden zur Validierung experimentelle Ergebnisse unter Einsatz unterschiedlicher Versuchsumgebungen präsentiert. Es erfolgte die Integration der erarbeiteten Modulein einen Schiffsführungssimulator zur nautischen Ausbildung und in verschiedene unbemannte Wasserfahrzeuge, um die Praxistauglichkeit des avisierten, generischen Ansatzes zu demonstrieren. Die Experimente zeigen die effektive Bedatung des generalisierten Modells und die Applikation der Komponenten des Regelungssystems zur Bahnführung maritimer Fahrzeuge.