Forschung an autonomen Fähren in realen städtischen Wasserstraßen

WarnowstromerAI ist ein Forschungsprojekt, das von der Universität Rostock geleitet wird und sich auf die Entwicklung hochautomatisierter Assistenzsysteme für autonome Binnenpassagierfähren konzentriert. Das Projekt nutzt die Fähre Warnowstromer, die den Fluss Warnow auf einer 500 Meter langen Strecke in einem belebten Stadtgebiet überquert.

Diese Strecke wird von Touristen, kommerziellen Schiffen und Freizeitschifffahrt frequentiert, was sie zu einem idealen Umfeld macht, um autonome Fährnavigation, energieeffiziente Operationen und fortschrittliche Umfelderkennung zu testen. Aufgrund dieser konstanten Aktivität verkehrt die Fähre in einer dynamischen Umgebung, in der sich die Verkehrsbedingungen schnell ändern können. Diese Strecke ist für Forscher besonders wertvoll. Sie können untersuchen, wie automatisierte Wasserfahrzeuge auf reale Situationen anstelle von kontrollierten Testumgebungen reagieren.

Kundenziele: Ermöglichung zuverlässiger autonomer Navigation

Das Projekt begann mit einer klaren Mission: ein Steuerungs- und Rückmeldesystem zu entwickeln, das automatisierte Assistenzfunktionen auf Binnenfähren unterstützen kann. Das Team wollte eine Lösung schaffen, die über ein einzelnes Schiff hinaus angewendet werden kann. Um dies zu ermöglichen, berücksichtigten sie nicht nur die technische Leistungsfähigkeit, sondern auch wirtschaftliche und regulatorische Aspekte. Ziel ist es, ein System aufzubauen, das auch in komplexen und sich ständig ändernden Umgebungen sicher und effizient betrieben werden kann.

Von Anfang an erkannte das Entwicklungsteam, dass genaue und zuverlässige Positionsdaten entscheidend für die Funktionsfähigkeit der Automatisierung sein würden. Bei einer stark frequentierten Flussüberquerung mit vielen Schiffen, wechselnden Winden und sich verlagernden Strömungen sind präzise Navigationsdaten absolut unerlässlich.

Technische Herausforderungen

Der autonome Betrieb der Fähre ist alles andere als einfach. Der Warnowstromer bewegt sich zwischen kommerziellen Schiffen, Sportbooten, elektrischen Freizeitbooten und sogar Schwimmern. Sedimente, Vegetation und nahegelegene Strukturen können die Manövrierfähigkeit der Fähre einschränken. Gleichzeitig wird die Fähre mit einer begrenzten Batterieladung betrieben, weshalb sie energieeffizient arbeiten muss.

Diese betrieblichen Einschränkungen bedeuten, dass Navigations- und Steuerungssysteme nicht nur präzise, sondern auch über lange Betriebszeiten hinweg zuverlässig sein müssen. Jede Instabilität oder der Verlust von Positionsinformationen könnte sowohl die Sicherheit als auch die Effizienz beeinträchtigen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, benötigte das Team:

• Koppelnavigation für bis zu 5 Minuten, die Navigation unter Brücken und in GNSS-verweigerten Bereichen ermöglicht. Taktische IMU-Leistung mit mindestens 100 Hz.
• GPS-Kompass mit in die IMU integrierten flexiblen Doppelantennen.
• Gyroskop-Spezifikationen: 0,1°/√h, 2°/h Bias-Stabilität, 60 µg/√Hz und 20 µg Beschleunigungsrauschen.

Diese Anforderungen erforderten für das Team ein Navigationssystem, das präzise Echtzeitdaten liefert und zuverlässig unter wechselnden Umgebungsbedingungen funktioniert.

Integration unserer Navigationslösung in die autonome Fähre

Das Team entdeckte uns durch eine Online-Suche und erkannte schnell, dass unsere inertialen Navigationslösungen ihren Anforderungen gerecht werden konnten. Die Zusammenarbeit begann mit einer Angebotsanfrage, und wir arbeiteten eng mit ihnen zusammen, um eine nahtlose Integration zu gewährleisten. Wir stellten dem Team Ekinox Micro, unser taktisches INS/GNSS-System, zur Verfügung, um deren anspruchsvolle Anforderungen zu erfüllen.

Mit Ekinox Micro konnte das Team in einem strukturierten, schrittweisen Ansatz von ersten Tests zu vollautomatisierten Funktionen übergehen.

Zuerst überprüften sie grundlegende Operationen mittels Joystick-Steuerung, während unser System präzise Positions- und Orientierungsdaten lieferte. Diese Anfangsphase ermöglichte es dem Team, die Qualität der Navigationsdaten zu validieren und zu bestätigen, dass diese später im Projekt fortgeschrittenere Automatisierungsfunktionen unterstützen könnten.

Als Nächstes fügten sie Geschwindigkeits- und Positionsregelung hinzu, unter Verwendung der hochfrequenten Daten des Dual-Antennen-GNSS, das von Ekinox Micro bereitgestellt wird. Dies half ihnen, die Spur und die automatische Positionierung der Fähre mithilfe von realen Messungen genauer anzupassen.

Integration und Tests

Während der gesamten Integration und Erprobung ermöglichten die schnelle Ethernet-Schnittstelle und das angepasste Protokoll unseres Systems eine einfache Einspeisung von Echtzeit-Navigationsdaten in ihre Steuerungsalgorithmen. Ekinox Micro ermöglichte präzises Manövrieren selbst unter wechselnden Umgebungsbedingungen, sodass sich das Team auf autonome Funktionen konzentrieren konnte, ohne Behelfslösungen zu benötigen.

Die Bediener konnten die autonome Fähre zuversichtlich überwachen, da jederzeit präzise, hochauflösende Navigationsinformationen zur Verfügung standen. Die kontinuierliche Datenverfügbarkeit ermöglichte es dem Team, autonome Funktionen wie Trajektorienplanung und Objekterkennung schrittweise zu bewerten und zu verbessern.

Das Team benötigte während der Integration nur sehr wenig Unterstützung. Sie konnten das System mithilfe unserer Dokumentationsressourcen weitgehend selbst installieren und konfigurieren. Rückblickend auf diese reibungslose Erfahrung teilten sie mit: „Ihre Online-Dokumentation und das Support-Portal halfen dem Team, Ihre Lösung schnell zu integrieren. Immer wenn wir einen Fehler identifizierten, lieferte das Support-Team umgehend Updates, um die Implementierung reibungslos am Laufen zu halten.“

Ergebnisse und nächste Schritte

Dank der Integration des Navigationssystems verfügt das Team nun über eine stabile und zuverlässige Quelle für Positions- und Orientierungsdaten für seine Tests. Dies hat es ihnen ermöglicht, automatisierte Funktionen besser zu bewerten und ihre Steuerungsalgorithmen während der Fährversuche anhand realer Navigationsdaten anzupassen. Zudem bietet es eine einheitliche Referenz für den Vergleich verschiedener Testszenarien und die schrittweise Verbesserung des Systemverhaltens.

Auch in Zukunft wird sich das Projekt weiterentwickeln. Das Team plant, das Navigationssystem mit optischen Sensoren zu kombinieren, um die Erkennung und Wahrnehmung der Umgebung durch die autonome Fähre zu verbessern. Dies wird fortgeschrittenere autonome Funktionen ermöglichen und den Forschern helfen zu untersuchen, wie automatisierte Fähren oder Schiffe sicher in stark befahrenen städtischen Wasserstraßen operieren können.

Im Rückblick auf die bisherige Arbeit fasste das Team seine Erfahrungen einfach zusammen: „Der Ekinox Micro die beste Sensorausrüstung, um die autonome Schifffahrt in städtischen Gebieten voranzubringen.“

Das Projekt läuft noch, aber die bisherigen Ergebnisse zeigen, wie zuverlässige Navigationsdaten die Entwicklung automatisierter Fährbetriebe unter realen Bedingungen unterstützen können.