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Ausgehend von der Problemstellung des Filterentwurfs zur Eliminierung hochfrequenter, nicht ausregelbarer Storgrosen in maritimen Regelkreisen soll mittels Simulation der Nachweis der Notwendigkeit des Filtereinsatzes erbracht werden. Davon ausgehend sollen ein lineares Tiefpassfilter und ein nichtlineares Filtersystem mit Totzoneglied im simulierten Kursregelkreis fur die Storunterdruckung angewendet werden. Die Auswirkungen der Filtereinstellung auf den Treibstoffverbrauch der Hauptmaschine werden gezeigt.

Komplexe, physikalisch orientierte Bewegungsmodelle (Bilanzgleichungen) werden im Kap. 3 behandelt. Eingangs erfolgt die Darstellung der zur Beschreibung der Fahrzeugbewegung erforderlichen physikalischen Grosen sowie der Bezugs- und Koordinatensysteme (Abschn. 3.2). Darauf aufbauend werden Algorithmen fur die Grosentransformation zwischen den Bezugssystemen angegeben (Abschn. 3.3). Auf der Grundlage von physikalisch-mathematischen Gesetzmasigkeiten, insbesondere Gesetzen der Mechanik und Schiffshydrodynamik, wird ein komplexes physikalisch-mathematisches Bewegungsmodell fur die allgemeine Bewegung maritimer Fahrzeuge in allen sechs moglichen Freiheitsgraden (Schnellen/Surge, Versetzen/Sway, Tauchen/Heave, Rollen/Roll, Stampfen/Pitch, Gieren/Yaw) abgeleitet (Abschn. 3.4). Fur die Ableitung von Bewegungsmodellen fur die gesteuerte Bewegung von maritimen Fahrzeugen, die sich an der Wasseroberflache (Oberflachenfahrzeuge) bzw. in einem bestimmten Wassertiefenhorizont (Unterwasser-Fahrzeuge) bewegen, kann die Zahl der Freiheitsgrade von sechs auf drei reduziert werden. Es wird die translatorische Bewegung des Fahrzeugs in der Ebene der ungestorten, glatten Wasseroberflache mit den zwei Freiheitsgraden Schnellen/Surge und Versetzen/Sway sowie die rotatorische Bewegung Gieren/Yaw um die Vertikalachse betrachtet (Abschn. 3.5). Die Einflusse von Rollen, Stampfen und Tauchen auf die gesteuerte Bewegung werden vernachlassigt. Krafte und Momente an den Aktoren, wie Propeller, Ruder und Manovriersysteme, erfordern eine gesonderte Behandlung (Abschn. 3.6). Die Generierung linearer Bewegungsmodelle erfolgt ausgehend von linearen Kraft- und Momentansatzen aus Modellversuchsergebnissen und der Naherungstheorie des schlanken Korpers (Abschn. 3.7). Abschliesend erfolgt die Darstellung der Wirkung der verschiedenen behandelten hydrodynamischen Krafte und Momente bei einem Drehkreismanover (Abschn. 3.8).

Nach einer Darstellung der Grundschritte und -struktur der experimentellen Systemidentifikation (Abschn. 6.2 und 6.3) erfolgt eine Klassifikation von Identifikationsverfahren in Abhangigkeit der verwendeten Testsignale (Abschn. 6.3). Es wird ein Identifikationsalgorithmus fur die Ermittlung der Steuerparameter des IT1-Kursmodells aus den determinierten Sprungantworttests des Kurses und der Gier-Drehrate beim Anschwenken eines Drehkreises abgeleitet (Abschn. 6.4), der auf eine grosere Zahl von seegehenden Fahrzeugen angewendet wird (Kap. 6.5). Tendenzen der Veranderung der Steuerparameter in Abhangigkeit von Fahrzeuggrose, Geschwindigkeit und Ruderwinkel werden abgeleitet. Statistische Parameterschatzverfahren haben sich zu einem sehr ausgedehnten Fach- und Forschungsgebiet fur die Identifikation stochastisch gestorter Prozesses entwickelt, sodass hier fur maritime Prozesse die Fokussierung auf die Grundlagen und die Anwendung einiger wichtiger Parameterschatzmethoden erfolgt (Abschn. 6.6). An synthetischen, gestorten Daten und Borddaten des Ausbildungsschiffs „Stortebeker“ werden die Erwartungstreue und Storanfalligkeit der RLS-, RELS- und RIV-Parameterschatzverfahren getestet (Abschn. 6.7 und 6.8). Das IT1-Kursmodell des USV Messdelphin (MESSIN) wird mittels der PEM-Schatzmethode identifiziert (Abschn. 6.9). Fur Containerschiffe des Typs Warnow CS 1400 erfolgt auf der Grundlage von Borddaten die Identifizierung von Kurs- und Bahnabstandmodellen mittels des Maximum-Likelihood-Verfahrens (Kap. 6.10) und des RLS-Verfahrens (Kap. 6.11). Im Zusammenhang mit der Manoverregelung wird auf notwendige Testmanover zur Parametrierung des parametervariablen Modells fur die Manoverfahrt (Abschn. 12) und auf die Bedatung des parametervariablen Modells (Abschn. 13) eingegangen.

Nach einer Klassifizierung von Stromungs- und Stromungsprofilsensoren wird das Wirkungsprinzip von Vertikal(V)-ADCP-Sensoren behandelt und Stromungsprofilmessungen mit einem V-ADCP, installiert auf dem Messkatamaran MESSIN I, mit weiterentwickelten Programmen der Datenauswertung auf MATLAB®-Basis dargestellt. Als alternative Losung fur die Gewinnung von horizontalen, lokalen Stromungsfeldern in Hafenansteuerungen und -gebieten mit erheblich geringerem Aufwand als mit V-ADCP, erfolgt die Auswertung von Stromungsprofilmessungen mit einem Horizontal-ADCP-Sensor im Fahrhafen Puttgarden.

In diesem Kapitel erfolgt die Erarbeitung eines Regelungssystems fur manovrierende Fahrzeuge. Die Manoverregelung berucksichtigt dabei das eingefuhrte parametervariable Modell (Kap. 4.8) implizit in einer prozessnahen Geschwindigkeitsvorsteuerung und einer dezentralen Mehrgrosenregelung. Aufbauend darauf wird eine Methode zur Bahn- und Lageregelung wahrend der Manoverfahrt betrachtet. Zur Parametrierung der Regelungen wird anschliesend ein robuster Ansatz beschrieben, um die Parameter fur einen Parameterraum zu berechnen. Die Methoden werden an zwei Beispielszenarien mit einem USV im Realversuch und einem Kreuzfahrtschiff im Schiffsfuhrungssimulator validiert.

In diesem Kapitel steht die Erarbeitung von Bewegungsmodellen fur Bodeneffektfahrzeuge (BEF) zur Anwendung in Trainingssimulatoren im Mittelpunkt. Besondere Manover von BEF bei hohen Geschwindigkeiten erfordern ein spezielles Training der Fahrzeugfuhrer. Es soll in den Bodeneffekt und die unterschiedlichen Bewegungsarten von BEF eingefuhrt werden. Beispielhaft wird die geschlossene Modellbildung und Simulation fur die entkoppelte Seitenbewegung und den Kurvenflug eines BEF im Flare Mode behandelt. Die Besonderheit dabei besteht darin, dass erstmalig die in der Hydromechanik entwickelte Theorie des schlanken Korpers (Streifentheorie) auf die Berechnung der Querkraft und des Giermoments bei der Steuerbewegung von BEF angewendet werden soll.

Eingangs wird das Grundprinzip des Bahnregelungssystems anhand des Bahnregelkreises mit seinen Subsystemen erlautert. Der einlaufige Bahnregelkreis erfullt nicht die Stabilitatsbedingung. Mittels des Wurzelortskurvenverfahrens erfolgt der Entwurf der Kaskaden-Bahnregelung. Das Verhalten der Kaskaden-Bahnregelung bei Fuhrungs- und Storgroseneinwirkung wird mittels SIMULINK®-Simulation untersucht.

Im Abschn. 2.1 wird als praktisches Beispiel fur maritime Regelungs- und Sensorsysteme auf automatische Kursregelungssysteme eingegangen. Ausgehend von ihrer langen historischen Entwicklung als eines der ersten maritimen Regelungssysteme sollen die Aufgaben der Kursregelung sowie ihr Wirkungsprinzip dargestellt werden. Es soll die detaillierte Darstellung des PID-Kursreglers mit Gierfilter und die praktische Einstellung seiner Parameter folgen. Die Rolle des Menschen sowie Besonderheiten und Zielstellungen des Kursregelungssystems runden die Erlauterungen ab. Das Abschn. 2.2 widmet sich dem hierarchischen Aufbau maritimer Regelungssysteme.

Im Kap. 4 werden linearisierte, regelungstechnische Modellformen entwickelt, die fur den Entwurf und die Parametereinstellung maritimer Regler geeignet sind. Eingangs werden fur das im Kap. 3 entwickelte lineare Richtungssteuerungsmodell die Verlaufe wichtiger Zustandsgrosen beim Anschwenken eines Drehkreises mittels Simulation anschaulich dargestellt und eine Regelstreckenhierarchie entwickelt. Mit PT1-Blocken konnen Richtungssteuerungsmodelle fur Fahrzeuge mit beliebig vielen Steuer- und Manovriereinrichtungen erstellt werden (Abschn. 4.1). Als grundlegende mathematische Modellform des Bewegungsverhaltens werden lineare, explizite Differenzialgleichungen fur Kurswinkelgeschwindigkeit, Gierwinkel und Kurs abgeleitet, mit denen das Eigenstabilitatsverhalten des Systems „Maritimes Fahrzeug“ untersucht wird (Abschn. 4.2). Der Zusammenhang der Gleichungskoeffizienten mit den hydrodynamischen Grosen in Kap. 3 wird hergestellt, damit der physikalische Bezug gewahrleistet ist. Es werden sowohl Modellbeschreibungen der klassischen Regelungstechnik als auch der modernen Zustandsbeschreibung behandelt. Ausgehend von den Differentialgleichungen werden als klassische Modelltypen die verschiedenen Formen (Polynomform, Pol-Nullstellenform, Zeitkonstantenform) der Ubertragungsfunktionen fur Kurswinkelgeschwindigkeit, Kurs und Gierwinkel abgeleitet, ihre Pol-Nullstellenverteilung wird mit MATLAB® berechnet und grafisch dargestellt, Modellreduktionen werden vorgenommen sowie typische Systemantworten (Sprungtest, harmonische Erregung) berechnet (Abschn. 4.3). Modelle fur die Bahnabstand-Regelstrecke werden wegen ihrer Spezifik (Allpassverhalten) gesondert behandelt (Abschn. 4.4). Die im Zeitbereich arbeitenden Zustandsdifferentialgleichungen werden eingefuhrt und auf typische maritime Regelstrecken angewendet (Abschn. 4.5). Fur dynamisch gierinstabile Fahrzeuge muss ein spezielles Kurs-Modell abgeleitet werden (Abschn. 4.6). Als Voraussetzung fur den Entwurf digitaler Regler erfolgt die Darstellung von zeitdiskreten Modellen als z-Ubertragungsfunktion und Differenzengleichung (Abschn. 4.7). Die Behandlung neuartiger parametervariabler Modelle fur Manoverfahrt erfolgt als Grundlage fur den spateren Entwurf von Regelungssystemen fur manovrierende Fahrzeuge (Abschn. 4.8).

Eingangs wird das Signalflussbild des Kursregelkreises mit seinen einzelnen Ubertragungsblocken dargestellt. Im simulierten Kursregelkreis werden die Wirkungen der einzelnen Regleranteile des PID-Kursreglers bei der Storgrosenausregelung und Folgekursregelung untersucht. Die analytische Behandlung des Kursregelkreises fokussiert sich auf die Reglersynthese mit dem Polvorgabeverfahren zur Gewahrleistung einer vorgegebenen Regelgute und den Nachweis der Vermeidung einer bleibenden Kursabweichung durch den I-Anteil. Es folgt der Entwurf des Kursreglers mit dem Wurzelortskurvenverfahren unter Anwendung entsprechender MATLAB® -Programme.

Kleinere unbemannte, autonom agierende Uberwasserfahrzeuge (Unmanned Surface Vehicles/USV) mit Abmessungen im Bereich einiger Meter werden zunehmend zur Erfassung ozeanografischer Daten, fur Rettungsaufgaben, zur Ausfuhrung von Suchaufgaben auf dem Meeresboden und als Kommunikationssystem zu Unterwasserstationen und -fahrzeugen benotigt. Ein wesentlicher Einsatzbereich stellt der Meeresraum im Tiefenbereich zwischen der Kustenlinie und 10 m Wassertiefe dar, der durch grosere Forschungs- und Vermessungsschiffe nicht erfasst werden kann. Nach einer Darstellung der Entwicklung von USV seit der Mitte der 90er Jahre, wird als Fallbeispiel auf den Prototyp Messdelphin (MESSIN) naher eingegangen, der im Rahmen eines an der Universitat Rostock mit Kooperationspartnern bearbeiteten Forschungsprojekts entwickelt wurde. Die schiffbautechnisch/hydrodynamischen und elektrisch/elektronischen Komponenten sowie das hierarchische Steuerungssystem des MESSIN werden behandelt. Eine aktuelle, modernisierte Version des MESSIN wird vorgestellt. Umfangreiche Ergebnisse zur Modellbildung und Identifikation sowie zum automatischen Bahnfuhrungssystem demonstrieren die guten Manovriereigenschaften und die Performance des MESSIN. Abschliesend wird ein Uberblick zu den vielfaltigen Messkampagnen des MESSIN in einem Zeitraum von nahezu 20 Jahren gegeben.

In diesem Kapitel werden Assistenz- und Beratungssysteme als wesentliche Erganzung zu maritimen Regelsystemen behandelt. Ausgehend von der Motivation fur den Einsatz von Assistenz- und Beratungssystemen aus der Sicht der Erhohung der Schiffssicherheit wird beispielhaft auf das Manover-Pradiktions-System MAPSYS, das Assistenzsystem fur sichere Schiffsfuhrung ASFOSS und das Assistenzsystem STROWAR mit ADCP-Stromungsmessungen vor der Hafeneinfahrt Rostock-Warnemunde eingegangen. Hinsichtlich der weiteren Automation der Schiffsfuhrung wird die Manoverautomation in den Mittelpunkt gestellt. Losungen fur eine potenziell zukunftige autonome Schifffahrt werden anhand des MAL-Konzepts fur Manoverautomation (Manover Automations Level) entwickelt und an einem automatisierten Begegnungsszenario zweier USVs (Unmanned Surface Vehicles) mit einem Storfahrzeug demonstriert.

Nach einem Uberblick zu gegenwartigen GNSS wird das militarische U.S.-amerikanische GPS umfassend mit besonderer Betonung des Fehlerbudgets behandelt. Es folgt die Darstellung der GPS-Modernisierung. Nach einem Uberblick zum ebenfalls militarisch orientierten russischen GLONASS liegt der weitere Schwerpunkt auf dem zivilen europaischen GALILEO. Die Erhohung der Positionsgenauigkeit und der Integritat mittels Differential-GNSS und Satellitenbasierter Erweiterungssysteme (SBAS), einbezuglich EGNOS, wird besonders beleuchtet. GNSS-Positionsmessungen zeigen die Nutzung von GNSS-Empfangern. Abschliesend wird die bei DP-Systemen genutzte Relative GNSS-Positionierung (DARPS) einbezogen.

In diesem Kapitel wird der Einsatz von Unterwasserfahrzeugen beleuchtet. Neben der grundlegenden Einordnung von Unterwasserfahrzeugen und der Beschreibung typischer Anwendungsszenarien soll anschliesend gezeigt werden, wie die Umsetzung der bisher dargestellten Verfahren zur Modellierung und Regelung von maritimen Fahrzeugen anhand eines konkreten Beispiels mit einem autonomen Unterwasserfahrzeug erfolgen kann.

The manoeuvring freedom is reduced by use of larger and larger vessels in estuarine waters. Modem steering and propulsion devices only compensate in a conditional manner this disadvantage. Especially unknown adverse conditions of winds and currents give an only hardly solvable task to ship officers. A reasonable support in the decision making can give the appropriation of externally measured surrounding values on board. The developed system ASFOSS transmit the measured data via AIS from the estuary basis to the ship. On board of the ship the data will be presented at an integrated display device like ECDIS, conning or radar.

Due to more largely becoming ship units its manoeuvring freedom in enveloped sea areas is limited. Therefore a more exact knowledge of the sea area conditions and variable disturbances in the zone of manoeuvre than with smaller ship units is necessary. The on-board sensor technology can determine only the body-related variable disturbances. By using of an external acoustic doppler current profiler (ADCP) in connection with a telemetry mechanism and an up-to-date identified ship's model the calculation results of the manoeuvre predictor should be improved. The harbour approach Puttgarden will be the example area for the investigations.

The Catamaran - Measuring Dolphin (MESSIN) is an unmanned and independently operated craft having been designed for carrying out multiple measuring tasks in the field of marine research and water monitoring especially in shallow waters. An introduction to the navigation, steering and safety systems is given. Furthermore the main components of the track control system and the electronic chart system used here are shown. Results of manoeuvring tests of the MESSIN are represented. This paper gives a contribution to the field of research„ autonomous and full automated vehicle“.

The Catamaran - Measuring Dolphin (MESSIN) is an unmanned and independently operated craft having been designed for carrying out multiple measuring tasks in the field of marine research and water monitoring especially in shallow waters. An introduction to the navigation, steering and safety systems is given. Furthermore the main components of the track control system and the electronic chart system used here are shown. Results of manoeuvring tests of the MESSIN are represented. This paper gives a contribution to the field of research „autonomous and full automated vehicle“.

PID course controllers for common ships with yaw-dynamic stability can be carried out designed with the help of an analysis of the pole-zero-configuration. All poles and zeros are real and negative or zero. In this relation it is rather simple to find out the quantities of the controller parameters by means of the characteristic pole pair. Towing vessels have a more complicated yawing behaviour. They tend to oscillate in their yawing motion. The present paper gives a survey of the change of pole and zero configurations in the complex plane as a consequence of the impact of the towing force. It shows the demands to a controller of towing or dragging ships.