Maritime Robotik Autonome Schiffe: Der Käpt'n geht von Bord

Die Entwicklung autonomer Fahrzeuge und Maschinen kommt zügig voran - auch in der Meerestechnik. Der Maschinenbauer Yanmar hat jetzt ein System vorgestellt, mit dem Schiffe automatisch navigieren und andocken können. Ziel ist die Entwicklung eines unbemannten, autonomen Hochseeschiffs.

Die Entwicklung von selbstfahrenden Autos und landwirtschaftlichen Maschinen zeigt bemerkenswerte Erfolge. Auch die maritime Robotertechnologie macht große Fortschritte. Beginnend im Jahr 2017 mit dem Robotic Boat, einer unbemannten Yacht, arbeitet Yanmar, ein Hersteller von Bau- und Landmaschinen sowie Dieselmotoren für Schiffe, an der Einführung von Autonavigations- und automatischen Andocksystemen

Maritime Robotertechnologie soll Arbeitskräftemangel beheben

Da die Weltbevölkerung wächst, erlebt die maritime Aquakulturindustrie einen Boom. Gleichzeitig ist die Zahl der Beschäftigten in der Fischereiindustrie in Japan zurückgegangen - und dieser der Arbeitskräftemangel wird zu ernsten Problem. Hinzu kommt, dass die Sicherheit bei der Arbeit auf See schon immer ein besondere Herausforderung darstellte, schließlich sind die Arbeitnehmer dort den "Elementen" ausgeliefert.

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Vor diesem Hintergrund hat die maritime Robotertechnologie in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Mit der Einführung von Autodock- und Autonavigationstechnologien durch internationale Hersteller im Wettbewerb um immer höhere Präzision ist die Robotik zu einem festen Bestandteil der maritimen Industrie geworden.

Dabei stellt das Andocken die anspruchsvollste Aufgabe dar, die in der maritimen Robotertechnologie zu lösen ist. Yanmar arbeitet seit 2017 an ihrer Umsetzung, wobei eine erste Version des Schiffes 2018 fertiggestellt wurde.

Für automatisches Andocken arbeitet GNSS nicht genau genug

"Der wichtigste Faktor beim Auto-Docking ist die Verbesserung der Präzision bei der Positionierung des Bootes selbst", erklärt Yuichiro Dake, der bei Yanmar für die Entwicklung dieser Technik verantwortlich ist. "Das GNSS-System, das wir für die Navigation auf See verwendet haben, war jedoch nur bis auf mehrere Meter genau. Mit dem vorläufigen System wurde Real Time Kinematic (RKT) an Backbord eingerichtet, um Korrektursignale für eine genaue Positionierung zu senden. Wir waren in der Lage, Präzisionsfehler auf einige zehn Zentimeter zu begrenzen". Die Anwendung der Technologie, die für für die Roboterschlepper von Yanmar verwendet wurde, erwies sich als unschätzbar wertvoll, um die Präzision des Systems erheblich zu verbessern. für

Jedes Korn zählt

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Bei der Steuerung des Schiffes tauchten aber noch weitere Probleme auf. Ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Traktor und einem Boot ist sein Zustand, wenn es nicht in Bewegung ist. Ein Traktor wird sich nicht von seiner Position bewegen, wenn er einmal geparkt ist. Bei einem Boot hingegen ist es wahrscheinlich, dass dieses zur Seite driftet, selbst wenn es vor Anker liegt. Die Herausforderung bei der Steuerung des Schiffes bestand also darin, wie man die Position des Schiffs dynamisch korrigieren kann.

Für den autonomen Betrieb verwendete Yanmar ein Schiff mit zwei Propellern und zwei Rudern. Diese Konfiguration ermöglichte die Steuerung jedes Propellers und damit eine größere Manövrierfähigkeit im Vergleich zu einem Schiff mit nur einem Propeller und einem Ruder. Das Hinzufügen eines Triebwerks, einer Vorrichtung, die eine Seitwärtsbewegung ermöglichte, bedeutete, dass sich das Schiff in alle Richtungen bewegen konnte. Yanmar setzte das Projekt fort, indem er sich zunächst auf diesen Bootstyp konzentrierte, und es gelang, innerhalb kurzer Zeit ein Produkt zu entwickeln.

Andockzeit von vier auf zweieinhalb Minuten verkürzt

Die Technologie des automatischen Andockens wurde auf der Japan International Boat Show im März 2019 vorgestellt und sorrgte dort große Aufmerksamkeit. Trotz der starken Resonanz aus der Branche gab es jedoch weitere Herausforderungen, die überwunden werden mussten, bevor diese Technologie kommerziell rentabel werden konnte.

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Digitalisierung - in der Landwirtschaft bereits Alltag

Eine der Herausforderungen war die Geschwindigkeit des Auto-Docking-Prozesses. "Das vorläufige Modell für das automatische Andocken war zu langsam", erklärt Naohito Hara, im Forschungs- und Entwicklungszentrum der Yanmar Holdings Experte für Autonavigationssystemen und Steuerungstechnik. "Eine Höchstgeschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 1,0 m/s bedeutete, dass das Schiff Gefahr lief, zu einem Hindernis für andere Schiffe im Hafen zu werden. Wir beschlossen, ein Autopilotsystem einzusetzen, das in der Schifffahrtsindustrie für die automatische Steuerung der Steuerung weit verbreitet war. So konnten die beiden Steuerungssysteme bis zum Anlegen zusammen verwendet werden."

Durch diese Technologie ließ sich die Zeit vom Einlaufen in den Hafen bis zum Andocken von vier auf zweieinhalb Minuten reduzieren.

Mit 3D-LIDAR erfasst das Schiff seine Umgebung

Das Entwicklerteam hat auch an der Verbesserung der Sicherheit und Flexibilität des automatischen Andocksystems gearbeitet. Das automatische Andocken mit RTK, so wie es im vorläufigen Modell zu sehen ist, erlaubte das Andocken nur dann, wenn im Hafen Geräte aufgestellt waren. Es bestand auch die Gefahr, dass das Schiff Bewegungsentscheidungen nur auf der Grundlage der Sensoren traf, die es zur Bestimmung seiner eigenen Position verwendete.

Das "digitale Auto" kommt

Autonom fahren - mehr als eine Vision

Um dieses Problem zu lösen, wurde 3D-LIDAR installiert, damit das Schiff seine Umgebung erfassen konnte. In Zusammenarbeit mit dem GNSS konnte sich das Schiff ein Bild von seiner Position in der Umgebung machen. Damit wurde ein System geschaffen, das es dem Schiff ermöglicht, seine eigene Position entsprechend zu korrigieren.

Aufgrund seiner Fähigkeit, navigieren zu können, während es Hindernisse erkennt, war ein sicheres Fahren zusammen mit einem automatischen Andocken an jedem gewünschten Platz möglich - frei von den Einschränkungen von RTK. Für die automatische Offshore-Navigation konnte durch die Kombination von 3D-LIDAR und Schiffsradar eine sichere und genaue Navigationskarte erstellt werden. Das Schiff konnte nun leicht die Position von Bojen bestimmen, was zuvor ein nahezu unlösbares Problem darstellte.

Vollständige Automatisierung der Navigationsroute

Ein weiterer Bereich mit großen Verbesserungen war die Erstellung der Navigationsroute. "Unter dem Aspekt der Sicherheit brauchten wir ein System mit noch geringerem Kollisionsrisiko. Wir begannen, nach Ideen außerhalb der Seeschifffahrt zu suchen - zum Beispiel Roboter, die in Innenräumen eingesetzt werden. Wir passten sie an die Anforderungen für Autonavigations- und Autodocksysteme an", erklärt Tomoya Fukukawa, der für die Entwicklung dieses Systems verantwortlich ist.

Autonomes Fahren: Wie neuromorphe Technik die Umfelderfassung verbessert

Das anfängliche Navigationssystem erforderte die Eingabe mehrerer Wegpunkte zwischen Abfahrts- und Ankunftsort, um die Navigationsroute zum Zielort zu bestimmen. Dies wurde stark verbessert. Durch das Erkennen der Umgebung kann die Navigationsroute nun automatisch erstellt werden. Andere gebräuchliche Navigationssysteme haben oft den Nachteil, dass sie einem Hindernis zu nahe kommen. Die Implementierung des Auto-Navigationssystems von Yanmar erstellt automatisch eine sichere Navigationsroute aus den vom Betreiber eingegebenen Abfahrts- und Ankunftspunkten.

Die Vision: ein unbemanntes Schiff

Alle Mitglieder des Entwicklungsteams sind sich einig: Das Autonavigations- und Autodocksystem von Yanmar ist derzeit anderen in der Schifffahrtsindustrie verwendeten Technologie einen Schritt voraus. Trotzdem bedarf es noch weiterer Verbesserungen. So geht die Entwicklung in Richtung einer höheren Navigationsgeschwindigkeit und größeren Sicherheit bei schlechtem Wetter.

Das Endziel ist ein völlig unbemanntes Schiff mit einer Technologie, die die menschlichen Fähigkeiten übersteigt und als Alternative zu schwierigen und gefährlichen Arbeiten auf See eingesetzt werden kann. Pläne für die Kommerzialisierung des Yanmar-Systems sind mittlerweile im Gange.

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