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Online trajectory generation and tracking control for automated river ferries = Online-Trajektoriengenerierung und Trajektorienfolgeregelung für automatisierte Flussfähren
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-08
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11708
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974949/files/974949.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
automatisierte Flussfähre (frei) ; autonomous river ferry (frei) ; guidance (frei) ; navigation and control (GNC) (frei) ; trajectory planning (frei) ; trajectory tracking control (frei) ; water current field estimation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Schifffahrt auf Binnenwasserstraßen gewinnt als energieeffizientes Transportmittel zunehmend an Bedeutung. Allerdings stehen der Branche maßgebliche Herausforderungen bevor, wie beispielsweise zunehmende Niedrigwasserperioden, strengere Umweltstandards und Sicherheitsauflagen sowie ein Mangel an ausgebildetem Schiffspersonal. Dieser Wandel betrifft unter anderem die Fährschifffahrt, welche vielerorts einen elementaren Bestandteil der Verkehrsinfrastruktur darstellt. Als ein vielversprechender Ansatz, um den genannten Herausforderungen zu begegnen, untersucht die vorliegende Dissertation die Automatisierung von Flussfähren. Als konkretes Anwendungsbeispiel wird dabei eine Fährverbindung auf dem Rhein betrachtet, für die im Rahmen des Forschungsprojekts AKOON ein Demonstratorschiff umgerüstet und im Praxiseinsatz erprobt wurde. Die vorliegende Arbeit gibt zunächst einen Überblick über bisherige Fährenautomatisierungsprojekte, beschreibt die betrachtete Fährverbindung im Detail und definiert relevante Forschungsfragen. Nachfolgend wird das Schiffs- und Antriebsmodell als Grundlage des Automatisierungssystems vorgestellt. Als Hauptbeitrag werden anschließend für die folgenden drei Aspekte der Fährautomatisierung methodische Ansätze präsentiert. Als Erstes wird die Schätzung relevanter Störgrößen untersucht. Um die starke Strömung im Fährgebiet berücksichtigen zu können, wird ein neuartiger Filteransatz vorgestellt. Mit diesem lassen sich Daten eines am Schiff montierten Strömungssensors zu adaptiven Karten des Strömungsfeldes zusammenführen. Zudem wird ein Störgrößenbeobachter auf Basis eines erweiterten Kalman-Filters präsentiert, um verbleibende Störgrößen zu schätzen. Die ermittelten Störgrößen dienen unter anderem als Eingang der Trajektorienfolgeregelung, die als zweites Kernthema der Arbeit untersucht wird. Die gezeigte Schiffsregelung vereint einen modellprädiktiven Regelungsansatz mit einer dynamischen Schuballokation für überaktuierte Schiffe mit Zykloidalpropellern. Sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Schubgrenzen werden darin explizit berücksichtigt. Als dritten Schwerpunkt wird ein graphenbasiertes Verfahren zur Trajektorienplanung vorgestellt, das auf der Optimierung von Abspielgeschwindigkeitsprofilen vordefinierter Referenztrajektorien basiert. Dieser Ansatz beachtet den Kraftstoffverbrauch und die Überfahrtszeit als Teil einer Kostenfunktion. Zudem werden die Schubgrenzen eingehalten und Kollisionen mit anderen Verkehrsteilnehmern vorausschauend vermieden. Alle vorgestellten Methoden werden anhand realer Versuchsfahrten und realitätsnaher Hardware-in-the-Loop-Tests evaluiert. Auf diese Weise kann gezeigt werden, dass ein sicherer und effizienter Betrieb automatisierter Flussfähren trotz starker Strömung, hoher Verkehrsdichte sowie komplexer Manöver auf begrenztem Raum möglich ist.Shipping on inland waterways plays an increasingly important role as an energy-efficient means of transport. However, the industry faces several significant challenges, such as increasingly frequent low-water periods, stricter environmental standards and safety regulations, and a shortage of trained shipping personnel. Ferry shipping, which is a fundamental part of the transport infrastructure in many places, is one of the sectors affected by these changes. As a promising approach to meet the mentioned challenges, this dissertation investigates the automation of river ferries. As a concrete application example, a ferry connection on the Rhine River is considered, for which an experimental vessel was converted and tested in practical operation as part of the research project AKOON. This thesis first provides an overview of previous ferry automation projects, describes the considered ferry service in detail, and defines relevant research questions based on their comparison. Subsequently, the ship and propulsion models are presented, which serve as the basis of the automation system. As the work’s main contribution, methodological approaches are presented and evaluated regarding the following three aspects of ferry automation. First, the estimation of relevant disturbances acting on the ferry is investigated. To account for the strong water current in the ferry area, a novel filtering approach is presented that allows data from a ship-mounted current sensor to be merged into adaptive maps of the current field. In addition, a disturbance observer based on an extended Kalman filter is presented to estimate all remaining disturbances. One of the uses of the resulting disturbance estimates is to serve as an input to the trajectory tracking controller, which is investigated as the second core topic of the thesis. This approach combines a model predictive controller with a dynamic thrust allocation, designed for over-actuated ships equipped with cycloidal propellers. Fuel consumption and thrust limitations are considered explicitly as part of the controller. As a third main topic, a graph-based trajectory planning method is presented based on optimizing playback speed profiles of predefined reference trajectories. This approach considers fuel consumption and crossing time as part of a cost function. In addition, dynamic feasibility is ensured and collisions with other traffic participants are avoided in a forward-looking manner. All presented methods are evaluated using experimental trials and realistic hardware-in-the-loop tests. As a result, it can be shown that a safe and efficient operation of automated river ferries is possible despite strong currents, high traffic density, and complex maneuvers in confined areas.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030620381
Interne Identnummern
RWTH-2023-11708
Datensatz-ID: 974949
Beteiligte Länder
Germany
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