White Paper Sensorik Schleusenkammer

Datum: 05. März 2021

Autoren (in alphabetischer Reihenfolge):

Dominic Gerahn
dominic.gerahn@titus-research.eu

MSc Ira Hüppe                     
ira.hueppe@titus-research.eu

Prof. Dr. Uwe Meinberg
uwe.meinberg@titus-research.eu

MSc Florian Schulz
florian.schulz@titus-research.eu

TITUS Research GmbH                    [TITUS]
Schmiedestraße 2A
15745 Wildau

Gender-Hinweis
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird bei Personenbezeichnungen und personenbezogenen Hauptwörtern in diesem Dokument die männliche Form verwendet. Entsprechende Begriffe gelten im Sinne der Gleichbehandlung grundsätzlich für alle Geschlechter. Die verkürzte Sprachform hat ausschließlich redaktionelle Gründe und beinhaltet keine Wertung.

Anforderungen an eine autonome Schiffsführung in einer Schleuse

Das autonome Befahren einer Schleuse stellt aufgrund vieler Einflussfaktoren eine Herausforderung für hochautomatisierte (Binnen-) Schiffe dar. Zum einen ist hier der lokal sehr begrenzte Raum für Manöver zu nennen, in dem sich unterschiedliche variable Hindernisse befinden können. Zum anderen ist zu beachten, dass Schiffe grundsätzlich durch eine sehr träge Reaktionsfähigkeit gekennzeichnet sind und sich kontinuierlich in einer dreidimensionalen Bewegung befinden; das bedeutet, dass auch nach dem Aufstoppen kontinuierlich eine Lage- bzw. Positionssteuerung erfolgen muss.

Um eine Kollision des Schiffes mit seiner infrastrukturellen Umgebung bzw. mit anderen mobilen Objekten zu vermeiden, ist eine Fusion verschiedener Sensoren notwendig, die Schleusenmauern und -tore, andere Schiffe, schwimmende Objekte wie z.B. Eisschollen erkennen und entsprechende Abstände messen können. Die Sensorik muss in der Lage sein, zuverlässig, schnell, in einem relativ breiten Entfernungsband und auch bei schlechten Sichtverhältnissen (z.B. Dunkelheit, Regen, Nebel) die Umgebung und die Verkehrssituation zu erfassen. Weiterhin ist eine schnelle Verarbeitung und Auswertung der Daten notwendig, welche anschließend regelnd in die Schiffssteuerung einfließen.

Beim Ansteuern einer Schleuse muss diese schon aus relativ großer Entfernung detektierbar sein, um ab dem Erreichen eines definierten Abstandes (abhängig vom Schiffstyp) das Aufstoppen einleiten zu können. Die erreichbare Genauigkeit der eingesetzten Sensorik zur Abstandsbestimmung spielt dabei eine eher untergeordnete Rolle. In unmittelbarer Nähe zur Schleuse muss die Geschwindigkeit soweit reduziert sein, dass exakte Manöver möglich sind und Hindernisse vor bzw. in der der Kammer erkannt werden können. Zudem ist sicherzustellen, dass das Tor geöffnet und der Schleuseninnenbereich eine sichere Einfahrt ermöglicht. Zur Orientierung bei diesem Prozessschritt genügen nach vorne und seitlich ausgerichtete Sensoren. Im Anschluss wird das Schiff parallel zu den (geraden) Schleusenwänden ausgerichtet und fährt gerade, mit kleinen automatisierten Richtungsänderungen, in die Schleuse ein. Dazu sind Sensoriken notwendig, die hinsichtlich der Abstandsmessung sehr hohe Genauigkeiten erreichen, um die Feinansteuerung der Navigationssysteme mit ausrechend validen Daten zu versorgen. Außerdem sind aufgrund der Bewegungen des Schiffes um die Hoch- und Längsachse zusätzliche Sensoren erforderlich, um beispielsweise tote Winkel zu eliminieren.

Für eine Sensorfusion zur Autonomisierung des Prozesses bietet sich daher eine Kombination aus Abstandssensoren, wie Lidar, Radar, Sonar und Ultraschall in Ergänzung zu Kamerasystemen an.

Eine Erweiterung um Beschleunigungssensoren ermöglicht zudem die Erfassung der Eigengeschwindigkeit sowie der Bewegungsrichtung und schafft damit eine solide Datengrundlage zur präzisen Ansteuerung der Schleusenkammer.

 

Spree-Oder-Wasserstraße (SOW) / Quelle: WSV, digitale Bundeswasserstraßenkarte DBWK1000

Im Projekt DataSOW führt TITUS bereits erste Tests mit unterschiedlichen Sensoren durch, wobei mit Hilfe eines Lidarsensors räumliche Objektgeometrien und Abstände erfasst werden. Zusätzlich dazu ermöglicht ein Kameratupel die Erkennung und Klassifizierung von Schifffahrtszeichen und -komponenten.

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