Forschung zu autonomen Fähren in realen städtischen Wasserstraßen

WarnowstromerAI ist ein von der Universität Rostock geleitetes Forschungsprojekt, dessen Schwerpunkt auf der Entwicklung hochautomatisierter Assistenzsysteme für Binnenschiff-Personenfähren liegt. Das Projekt nutzt die Fähre „Warnowstromer“, die auf einer 500 Meter langen Strecke in einem stark frequentierten Stadtgebiet die Warnow überquert.

Diese Strecke wird von Touristen, Handelsschiffen und Freizeitbooten frequentiert, was sie zu einem idealen Schauplatz für die Erprobung autonomer Fährnavigation, energieeffizienter Betriebsabläufe und fortschrittlicher Umgebungserkennung macht. Aufgrund dieser ständigen Aktivität verkehrt die Fähre in einer dynamischen Umgebung, in der sich die Verkehrsbedingungen schnell ändern können. Dies macht die Strecke besonders wertvoll für Forscher, die untersuchen möchten, wie automatisierte Schiffe auf reale Situationen reagieren, anstatt auf kontrollierte Testumgebungen.

Kundenziele: Zuverlässige autonome Navigation ermöglichen

Das Projekt startete mit einer klaren Zielsetzung: der Entwicklung eines Steuerungs- und Rückmeldesystems, das automatisierte Assistenzfunktionen auf Binnenfähren unterstützt. Das Team wollte eine Lösung schaffen, die über ein einzelnes Schiff hinaus einsetzbar ist. Um dies zu ermöglichen, berücksichtigten sie nicht nur die technische Leistungsfähigkeit, sondern auch wirtschaftliche und regulatorische Aspekte. Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das auch in komplexen und sich ständig verändernden Umgebungen sicher und effizient funktioniert.

Von Anfang an war dem Entwicklungsteam klar, dass genaue und zuverlässige Positionsdaten der Schlüssel zum Erfolg der Automatisierung sein würden. An einer stark befahrenen Flussüberfahrt mit vielen Schiffen, wechselnden Winden und Strömungen sind präzise Navigationsdaten absolut unerlässlich.

Technische Herausforderungen

Der autonome Betrieb der Fähre ist alles andere als einfach. Der „Warnowstromer“ bewegt sich zwischen Handelsschiffen, Sportbooten, elektrischen Freizeitbooten und sogar Schwimmern. Sedimente, Vegetation und nahegelegene Bauwerke können die Manövriermöglichkeiten der Fähre einschränken. Gleichzeitig verfügt die Fähre nur über eine begrenzte Batteriekapazität, sodass sie energieeffizient betrieben werden muss.

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

Um diese Herausforderungen zu meistern, benötigte das Team:

• Navigation nach Schätzung für bis zu 5 Minuten, was die Navigation unter Brücken und in Gebieten GNSS ermöglicht. IMU auf taktischem Niveau mit mindestens 100 Hz.
• GPS-Kompass mit flexiblen Doppelantennen, die in die IMU integriert sind.
• Technische Daten des Gyroskops: 0,1°/√h, 2°/h Bias-Stabilität, 60 µg/√Hz und 20 µg Beschleunigungsrauschen.

Aufgrund dieser Anforderungen benötigte das Team ein Navigationssystem, das präzise Echtzeitdaten liefert und unter wechselnden Umgebungsbedingungen zuverlässig funktioniert.

Integration unserer Navigationslösung in die autonome Fähre

Das Team stieß bei einer Online-Suche auf uns und erkannte schnell, dass unsere Trägheitsnavigationslösungen seinen Anforderungen gerecht werden konnten. Die Zusammenarbeit begann mit einer Angebotsanfrage, und wir arbeiteten eng mit dem Team zusammen, um eine nahtlose Integration sicherzustellen. Wir stellten dem Team Ekinox Micro, unser taktischesGNSS , zur Verfügung, um seinen hohen Anforderungen gerecht zu werden.

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

Zunächst überprüften sie die Grundfunktionen mittels Joystick-Steuerung, während unser System präzise Positions- und Orientierungsdaten lieferte. In dieser Anfangsphase konnte das Team die Qualität der Navigationsdaten validieren und sicherstellen, dass diese später im Projekt auch komplexere Automatisierungsfunktionen unterstützen würden.

Als Nächstes fügten sie eine Geschwindigkeits- und Positionssteuerung hinzu, wobei sie die Hochfrequenzdaten des von Ekinox Micro GNSS nutzten. Dies half ihnen, den Kurs der Fähre und die automatische Positionierung anhand von Messungen aus der realen Welt genauer anzupassen.

Integration und Test

Während der gesamten Integrations- und Testphase ermöglichten die Fast-Ethernet-Schnittstelle und das maßgeschneiderte Protokoll unseres Systems eine einfache Einspeisung von Echtzeit-Navigationsdaten in die Steuerungsalgorithmen des Teams. Ekinox Micro präzises Manövrieren selbst unter wechselnden Umgebungsbedingungen, sodass sich das Team auf die autonomen Funktionen konzentrieren konnte, ohne auf Umgehungslösungen zurückgreifen zu müssen.

Die Bediener konnten die autonome Fähre dank stets präziser, hochauflösender Navigationsdaten sicher überwachen. Die kontinuierliche Datenverfügbarkeit ermöglichte es dem Team, autonome Funktionen wie Trajektorienplanung und Objekterkennung Schritt für Schritt zu bewerten und zu verbessern.

Das Team benötigte während der Integration nur sehr wenig Unterstützung. Es war in der Lage, das System mithilfe unserer Dokumentationsressourcen weitgehend selbstständig zu installieren und zu konfigurieren. Im Rückblick auf diese reibungslose Erfahrung berichteten sie:
„Ihre Online-Dokumentation und Ihr Support-Portal halfen dem Team, Ihre Lösung schnell zu integrieren. Wann immer wir einen Fehler identifizierten, stellte das Support-Team umgehend Updates bereit, um einen reibungslosen Ablauf der Implementierung zu gewährleisten.“

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.