DE19803078B4

DE19803078B4 - Verfahren und Einrichtung zur automatischen Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler

Info

Publication number: DE19803078B4
Application number: DE19803078A
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl.-Ing. Korte; Jürgen Prof. Dr.-Ing.habil. Majohr; Thomas Dr.-Ing. Buch
Original assignee: Individual
Current assignee: BUCH, THOMAS, DR.-ING., 18119 ROSTOCK, DE; Korte Holger Dr-Ing 18109 Rostock De; MAJOHR, JUERGEN, PROF.DR.-ING.HABIL., 18069 ROS, DE
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: DE19803078A1

Abstract

Verfahren zur Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler, bei dem die Bahn- und Regelvorgaben in einem Sollbahngenerator 31 spurpunktabhängig als φ_s = f_i1(s), λ_s = f_i2(s), Φ_s = f_i3(s), R_s = f_i4(s) und v_s = f_i5(s) kodiert werden, wobei der Spurpunktparameter s die Weglänge auf der Sollbahn, φ_s die zum Spurpunkt gehörende geografische Breite, λ_s die geografische Länge, Φ_s die Richtung der Sollbahntangente im Spurpunkt, R₅ der Krümmungsradius am Spurpunkt und v_s die dem Spurpunkt zugehörige Bahnlängsgeschwindigkeit darstellen, mit einem Regelgrößentransformator 36, der aus der Ist-Position (φ_ist, λ_ist) und dem Istkurs ψ_ist des Schiffes sowie den Bahn- und Reglervorgaben den Spurpunkt s auf der Sollbahn nach der Vorschrift Y_B ² = [φ_ist – φ_s(s)]² + [λ_ist – λ_s(s)]²→ min berechnet und dass ein Sollwertgeber 34 die nichtlineare Führungsbahn in eine lineare Sollbahn umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Messdaten im Regelgrößentransformator 36 durch Transformation in Polarkoordinaten und Filterung in die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Führung eines Schiffes auf vorgegebenen Bahnen, die diese mit Hilfe eines Sollbahngenerators 31 spurpunktabhängig nach der Vorschrift φ_s = f_i1(s), λ_s = f_i2(s), Φ_s = f_i3(s), R_s = f_i4(s), v_s = f_i5(s), i ∊ {1, 2, ..., n} codiert und auf einem Speichermedium abgelegt, wobei (φ, λ) die Position, Φ der Sollbahnwinkel, R der Drehradius und v die zu fahrende Bahngeschwindigkeit sind. Ein Regelgrößentransformator 36 berechnet aus den gemessenen Größen Schiffsposition (φ_ist, λ_ist), Kompasskurs Ψ_ist, Kurswinkelgeschwindigkeit r_ist und Schiffsgeschwindigkeit v_ist = [v_x, v_y] die Regelgrößen Bahnabstand, Kurs, Kurswinkelgeschwindigkeit und Geschwindigkeit und schaltet diese auf die entsprechenden Teilregler des Bahnreglers 35. Diese Teilregler betreffen die Einzelregler für Bahnabstand 41, Kurs 42, Kurswinkelgeschwindigkeit 43 und Schiffslängsgeschwindigkeit 44, wobei 43 und 44 entfallen können. Weiterhin wird im Regelgrößentransformator 36 der Spurpunktparameter s der Sollbahnlinie berechnet, der auf einen Sollwertgeber geschaltet die Regelsollgrößen bestimmt. Die berechneten Regelgrößen des Regelgrößentransformators 36 gelangen ebenfalls auf einen Identifikator 37, der Schiffs- und Störmodell sowie die Reglerparameter in geeigneten Zeitabständen ermittelt und auf den Sollwertgeber 34 bzw. die Regler 35 schaltet.
Bekannt sind Regeleinrichtungen, die Schiffe entlang vorgegebener Bahnabschnitte führen. Solche Bahnabschnitte sind i. d. R. als Geraden, Kreisbögen oder Manövertrajektorien ausgelegt. Damit werden in allen Fällen den gemessenen Schiffspositionen bestimmte Wegabschnitte zugeordnet. Das kann nur bei relativ geringen Abweichungen von der Sollbahn erfolgen, da sonst keine eindeutige Zuordnung möglich ist. Hier schafft die sogenannte Line of Sight (LOS) Regelung Abhilfe, bei der die mit Attributen belegten Wegpunkte nach Detektion mit einem um das Fahrzeug gelegten Erfassungs-Ring auf den nachfolgenden Wegpunkt der Liste umschalten, Fussen: Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley & Sons Ltd, 1994. Nachteilig für die Bahregelung wirken sich dabei sprunghafte Änderungen des Kursvorgabewinkels aus, die zu großen Abweichungen führen.
Nach DE 41 10 249 A1 : Bahnregler für Schiffe, bei dem aus der gemessenen Schiffsposition die Ablage von der Sollbahn berechnet und als Regelabweichung auf einen Ablageregler gegeben wird, dessen Ausgangssignal an einem weiteren Vergleichspunkt mit einem Istkurs verglichen wird, wobei dem Vergleichspunkt für Soll- und Istkurs ein weiteres Signal zugeführt wird, das in Relation zum Schiebewinkel des Schiffes
steht, wobei v_y die Geschwindigkeit des Schiffes in Quer- und v_x die Geschwindigkeit des Schiffes in Längsrichtung ist. Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Becker, DE 196 25 561 A1 , sowie Kriegsman und Leblang, US 005523951 A .
Weiter lassen sich mit Hilfe von Bahntrajektorien beliebige krummlinige Sollbahnen vorgeben, beispielsweise für U-Boote, Thomas, Brindley, DE 38 82 138 T2 . Jedoch besteht hierbei ein wesentlicher Nachteil: Es müssen zunächst umfangreiche Optimierungsalgorithmen abgearbeitet werden, um einen Stellgrößenverlauf zu ermitteln, der einen gewünschten Bahnverlauf realisiert. Das kann umgangen werden, indem man eine bestimmte Manöverbibliothek zur Verfügung stellt, aber man kann dann nicht mehr jede beliebige Bahn vorgeben, z.B. Burns, Dove EP 0 179 595 A2 . Im freien Seeraum ist eine solche Strategie sicherlich ausreichend, vergl.: Holzhüter, T.: Struktur eines hochgenauen Bahnführungs-Systems für Schiffe, Tagungsmaterial Arbeitsgruppe B, 19. Internationale Tagung der Ingenieurhochschule für Seefahrt Warnemünde/Wustrow, 2.-3.11.1989, S. 86-96.
Fährt ein Schiff (möglicherweise Spezialschiff) in sehr engen Fahrwassern mit sich stets ändernden Bahnwinkeln Φ und Krümmungsradien R, so ist es nicht oder nur sehr schwer möglich, entsprechende Steuergrößen zu berechnen. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung mit einem Bahnregler für Schiffe zu schaffen, der auch bei sich städig ändernden Bahnwinkeln und -krümmungen eine ausreichende Regelgenauigkeit erreicht und die Stabilität der Regelung auch bei starken Wind- und Strömungseinflüssen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1–3.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird durch einen Sollbahngenerator 31 eine Bahnvorgabe mit einer endlichen Menge n von Bahnabschnitten in Form von Kreisbögen oder geraden Strecken erzeugt und die entsprechenden Bahnparameter Position (φ_s, λ_s), Bahnwinkel Φ₅, Krümmungsradius R₅ sowie Fahrgeschwindigkeit v_s spurpunktabhängig codiert: φs = fi1(s), λs = fi2(s), Φs = fi3(s), Rs = fi4(s), vs = fi5(s); i ∊ {1...n} (1)
Ein so generierter Bahnabschnitt kann beliebig klein gewählt werden, wodurch sich praktisch jede Bahnvorgabe realisieren läßt, mit den Besonderheiten, daß der Krümmungsradius eine untere Schranke aufgrund der Schiffsdynamik besitzt und ein gerader Bahnabschnitt den Krümmungsradius unendlich aufweist. Diese Sollbahncodierung gelangt neben den Sensorgrößen Geschwindigkeit v_ist, DGPS-Position (φ_ist, λ_ist) (oder in der Genauigkeit vergleichbare Position), Kreiselkurs ψ_ist und Kurswinkelgeschwindigkeit r_ist in einen Regelgrößentransformator 36. Im Regelgrößentransformator wird aus Position und Kreiselkurs zunächst der Spurpunktparameter s(φ_ist, λ_ist) auf der Sollbahn ermittelt. Dieser wird auf einen Sollwertgeber 34 geschaltet.
Der Spurpunkt stellt den Punkt der Sollbahn mit dem minimalen Abstand zur gemessenen Position dar, siehe 1. Er wird ermittelt aus der Nullstelle der 1. Ableitung der quadrierten Abstandsfunktion: YB 2 = [φist – φs(s)]2 + [λist – λs(s)]2 → min (2)
Im Falle von Mehrdeutigkeiten, z.B. bei Wendeschleifen, wird mit Hilfe des Kurses ψ_ist und des vergangenen Spurpunktes s_alt eine eindeutige Zuordnung erreicht. Parallel zur Spurpunktberechnung werden die Meßgrößen im Regelgrößentransformator 36 gefiltert, die Regelgröße Bahnabstand Y_Bist, aus der gemessenen Position erzeugt und auf den Bahnregler 35 geschaltet.
Der für die erfindungsgemäße Einrichtung verwendete Sollwertgeber 34 setzt die spurpunktabhängigen Sollbahngrößen in zeitabhängige Reglersollwerte unter Nutzung des aktuellen Spurpunkteparameters s aus dem Regelgrößentransformator 36 mit Hilfe der aktuellen Schiffsmodell-, Regler- und Störmodellparameter aus dem Identifikator 37 um.
Der um die modell- und geschwindigkeitsabhängige Vorhaltestrecke 1 korrigierte Spurpunktparameter s* wählt aus der Sollgrößendatenbank die aktuellen Sollbahngrößen aus. Aus der Sollgeschwindigkeit v_soll(s) und dem Drehradius R_soll(s) wird im Wandlerblock 53 die Zwischengröße der Solldrehrate r(s*) errechnet und um den Faktor der Abweichung der Istgeschwindigkeit von der Sollgeschwindigkeit korrigiert. Die Vorhaltestrecke 1 ist dabei die Distanz vom Ort des Ruderlegens bis zum Schnittpunkt der Anfangskurslinie mit der Manbvertrajektorie des Schiffsmodells.
Durch einen Vergleich des Integrals der Vorgabedrehrate r_soll(s) mit dem Sollbahnwinkel Φ_soll(s) wird im Wandler für Reglersollgrößen 53 ein vorzeichenrichtiger Drehratenimpuls erzeugt, der an die Dynamik der Rudermaschine angepaßt ist. Gleichzeitig wird der Drehratenreglersollwert r_soll(t) einem Vorfilter 54 für die Erzeugung des Kursreglersollwertes ψ_soll(t) zugeführt, welches erfindungsgemäß dem Ausgangssignal des Systems mit der Übertragungsfunktion aus der Einheit von Drehratenregler G_r(p) und Schiffsmodell F_r(p) mit der Laplace-Variablen p entspricht:
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Bahnregler 41 und der Kursregler 42 während der Drehratenregelung nicht abgeschaltet werden muß oder nicht gegen den Drehratenregler 43 arbeitet. Gleichzeitig wird dem Kursreglersollwert ψ_soll(t) über ein Vorfilter 56 ein Korrekturkurs ψ_korr(t) aufgeschaltet, der aus dem Driftvektor, erzeugt durch Strömung und Windeinfluß, bestimmt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1: Prinzipskizze zur Bestimmung des Spurpunktes und der Bahnabweichung
2: Vektordreiecke zur Ermittlung der Driftkorrektur

a) Ermittlung der Drift (passives Stromdreieck)
b) Kompensation der Drift (aktives Stromdreieck)

3: Strukturbild der Bahnführungseinrichtung
4: Innere Struktur des Bahnreglers, ausgeführt als Kaskadenregler
5: Funktionsbild des Sollwertgebers 34
In 3 ist die Einrichtung dargestellt, die das erfindungsgemäße Verfahren realisiert mit den Blöcken Sollbahngenerator 31, Sollwertgeber 34, Bahnregler 35, Regelgrößentransformator 36 und Identifikator 37. Der Sollbahngenerator 31 stellt die Schnittstelle zum Bedienpersonal dar, er wandelt Bahnvorgaben in die Codes nach Gleichung 1 um und legt sie in einer Datenbasis 51 zum Zugriff für den Sollwertgeber 34 und Regelgrößentransformator 36 ab. Im Regelgrößentransformator 36 werden die Meßdaten der Sensoren 33 in die Regelgrößen transformiert. Diese werden als Istgrößen auf den Bahnregler 35 und auf den Identifikator 37 geschaltet. Gleichzeitig werden der Spurpunkt s und die gemessene Schiffslängsgeschwindigkeit v_ist(t) auf den Sollwertgeber 34 geschaltet.
Ein Identifikator 37 sammelt in einem Puffer alle Meß- und Regelgrößen mit ausreichender Anregung, die für eine Parameterbestimmung des Schiffs- und Störmodells nötig sind. Unter Verwendung eines Schätzverfahrens können sowohl die Parameter eines einfachen Bahnmodells als auch die Parameter eines vereinfachten Störmodells ermittelt werden. Die Gesamtdrift kann aus den Meßwerten Geschwindigkeit v_ist(t) und Kurs über Grund (Bahnwinkel) Φ_ist(t) sowie aus dem Bahnwinkel Φ_Wδ und der Bahngeschwindigkeit v_Wδ durchs Wasser, die sich durch Modellrechnung (Übertragungsfunktion nach Gleichung 5) aus den gemessenen Werten für die Ruderlage δ_ist(t), die Längsgeschwindigkeit durch Wasser v_Wx(t) und dem Kompaßkurs ψ_ist(t) ergeben, bestimmt werden. Durch Vektorsubtraktion von Bahn über Grund (Φ_ist, v_ist) und Bahn durch das Wasser (Φ_Wδ, v_Wδ) wird der Driftvektor (Φ_d, v_d) bestimmt (2). Zeitkonstanten-Bahnmodell:
Störmodell:

ψkorr = Φist – ΦWδ (6)

Aus den Modellparametern des Schiffes lassen sich ausgehend von festgelegten Regelungskriterien die einzustellenden Parameter des Bahnreglers 35 bestimmen. Die Parameter des identifizierten Stör- und Schiffsmodells werden auf den Sollwertgeber 34 geschaltet. Der Identifikator 37 kann jedoch durch eine Adaptionseinrichtung auf der Grundlage einer Meßsensorik für Umwelt- und Schiffsgrößen ersetzt werden. Der Sollwertgeber 34 hat die Aufgabe, die spurpunktabhängigen Bahnvorgaben mit den Informationen von Regelgrößentransformator 36 und Identifikator 37 in die zeitabhängigen Führungsgrößen für den Bahnregler umzuwandeln. Im Bahnregler 35 werden nach dem Vergleich der Führungsgrößen mit den entsprechenden Istgrößen die Vorgaben für die Steuerorgane bestimmt und auf die entsprechenden Schnittstellen des Schiffes 32 geschaltet.
Nach 4 ist der Bahnregler als dreistufiger Kaskadenregler 41–43 und einem parallelen Geschwindigkeitsregler 44 ausgelegt. Damit werden praktisch alle Bewegungszustände geregelt, so daß er auch als Zustandsregler ausgelegt werden kann. Der Kaskadenregler besteht aus einem PI-Bahnabstandsregler 41, einem untergeordneten PI-Kursregler 42 und einem PID-Drehratenregler 43. Er zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß neben einer Korrekturvorgabe durch den übergeordneten Regler eine Sollwertgröße durch den Sollwertgeber 34 aufgeschaltet wird. So werden sowohl Strom- und Winddrift am Kursregler als auch die Manöverträgheit des Schiffes am Drehratenregler kompensiert. Die Reglerparameter der Einzelregler lassen sich durch einen Identifikator 37 oder eine nicht dargestellte Adaptionseinrichtung geschwindigkeits- und beladungsabhängig einstellen. 5 zeigt den Sollwertgeber, der dazu dient, aus den spurpunktabhängigen Sollbahnparametern, die in der Datenbasis 51 abgelegt sind, die zeitabhängigen Sollwerte Solldrehrate r_soll(t), Sollkurs ψ_soll(t), Sollbahnabweichung Y_Bsoll(t) und Sollgeschwindigkeit v_soll(t) zu berechnen und auszugeben. Aus dem vom Regelgrößentransformator ausgegebenen aktuellen Spurpunktparameter s_ist wird unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit v_ist und des durch das Schiffsmodell festgelegten Zeitverhaltens im Vorhalteblock 52 ein um die Vorhaltestrecke 1 korrigierter Spurpunktparameter s* ermittelt, der die zugehörigen Sollbahnparameter aus der Sollbahndatenbasis 51 auswählt. Aus den spurpunktabhängigen Sollgrößen werden unter Berücksichtigung der gemessenen Geschwindigkeit v_ist(t) im Wandlerblock 53 die zeitabhängigen Größen bestimmt. Bekannte Verfahren betreffen die Ermittlung der Drehrate aus Bogenradius und Geschwindigkeit sowie die Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Kurses als Integral über die Drehrate. Die zeitabhängige Solldrehrate r_soll(t) wird als Sollwert für den Drehratenregler 43 ausgegeben. Gleichzeitig werden in einem Vorfilter 54, welches das Modell des Kurs- und Bahnregelkreises beinhaltet, die Sollwerte für den Kurs- und Bahnregler dynamisch derart bearbeitet, daß die einzelnen Regler 41, 42 der Reglerkaskade 41–43 nicht gegeneinander arbeiten. Außerdem wird aus dem Bahnvektor, bestehend aus Bahnwinkel und Bahngeschwindigkeit, und dem Driftvektor als Störmodell unter Anwendung bekannter Verfahren der Vektoralgebra im Driftkorrekturblock 55 der Korrekturkurswinkel zur dynamischen Störgrößenkompensation ermittelt und nach Passieren eines Störgrößenvorfilters 56 zur Dynamikanpassung zum Sollkurs ψ_soll(t) für den Kursregler 42 verknüpft. Diese Vorsteuerung bewirkt eine wesentliche Verbesserung der Bahnregelung auf krummlinigen Bahnen.

31: Sollbahngenerator
32: Schiff mit Ruder und Schraube (Regelstrecke mit Stellgliedern)
33: Sensoren (DGPS, Kreisel, Log, ggf. Inertialsensoren)
34: Sollwertgeber
35: Bahnregler (Gesamtausführug)
36: Regelgrößentransformator
37: Identifikator für Schiffs- und Störmodell
41: Bahnabstandsregler
42: Kursregler
43: Drehratenregler
44: Geschwindigkeitsregler
51: Datenbasis für Sollbahnparameter
52: Vorhalteblock Manöverträgheit
53: Wandler für Reglersollgrößen
54: Vorfilter für Kompensation der Schiffsdynamik
55: Driftkorrekturblock
56: Vorfilter für Störgrößenaufschaltung

Claims

Verfahren zur Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler, bei dem die Bahn- und Regelvorgaben in einem Sollbahngenerator 31 spurpunktabhängig als φ_s = f_i1(s), λ_s = f_i2(s), Φ_s = f_i3(s), R_s = f_i4(s) und v_s = f_i5(s) kodiert werden, wobei der Spurpunktparameter s die Weglänge auf der Sollbahn, φ_s die zum Spurpunkt gehörende geografische Breite, λ_s die geografische Länge, Φ_s die Richtung der Sollbahntangente im Spurpunkt, R₅ der Krümmungsradius am Spurpunkt und v_s die dem Spurpunkt zugehörige Bahnlängsgeschwindigkeit darstellen, mit einem Regelgrößentransformator 36, der aus der Ist-Position (φ_ist, λ_ist) und dem Istkurs ψ_ist des Schiffes sowie den Bahn- und Reglervorgaben den Spurpunkt s auf der Sollbahn nach der Vorschrift Y_B ² = [φ_ist – φ_s(s)]² + [λ_ist – λ_s(s)]²→ min berechnet und dass ein Sollwertgeber 34 die nichtlineare Führungsbahn in eine lineare Sollbahn umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Messdaten im Regelgrößentransformator 36 durch Transformation in Polarkoordinaten und Filterung in die Istgrößen Schiffslängsgeschwindigkeit v_ist, Bahnabstand Y_Bist, Kurs ψ_ist und Kurswinkelgeschwindigkeit r_ist und andererseits die Parameter der nichtlinearen Sollbahn mit Hilfe des Spurpunktes s aus der Bahnvorgabe des Sollbahngenerators 31 im Sollwertgeber 34 durch Polarkoordinatentransformation in lineare Sollbahnparameter umgewandelt und diese als zeitabhängige Ist- und Sollgrößen dem Bahnregler 35 zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem Bahnregler 35 in robuster oder adaptiver Ausführung die Führungsgröße der Kurswinkelgeschwindigkeit r_soll entsprechend eines identifizierten oder fest eingestellten Modells der Schiffsbewegung um einen Zeitbetrag T vorgehalten wird, der der Zeitverzögerung des Bahnverhaltens entspricht und dass der Führungsgröße des Kurses ein Korrektursignal zugeführt wird, das sich entsprechend der Gesamtdrift aus den Störgrößen Strom und Wind aus der Gleichung ψ_korr = Φ_ist – Φ_Wδ bestimmt.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentansprüchen 1 und 2, bestehend aus den Baugruppen Sollbahngenerator 31, Bahnregler 35, Regelgrößentransformator 36 und Sollwertgeber 34, der seinerseits einen robusten oder adaptiven Vorhalteblock 52 beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Kompensation der Manöverträgheit des Schiffes einen korrigierten Spurpunktparameter s* generiert, aus dem die Datenbasis 51 die spurpunktabhängigen Sollbahndaten Φ(s*), R(s*) und v(s*) für den Wandlerblock 53 bereitstellt, welcher seinerseits die Zwischengröße r(s*) unter Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit v_s berechnet und auf das modellabhängige Vorfilter 54 leitet, so dass die einzelnen Teilregler des Bahnreglers nicht gegeneinander arbeiten sowie weiterhin dem Kurses ψ_soll(t) ein zusätzliches Signal ψ_korr zur Kompensation der Gesamtdrift aus Strom, Wind und Seegang aufgeschaltet wird.