Schiffs-Steuerung

[JoachimK]

Soviel ich weiß, wurde ursprünglich die autonome Steuerung der Schiffe geplant, das Vorhaben aber wegen Problemen wieder aufgegeben worden.

Ich habe schon einige Male darüber nachgedacht und ich denke, einen Lösungsweg gefunden zu haben, der bei allen Wasserständen, Veränderungen innerhalb und außerhalb des Wassers funktionieren sollte.
Auch die Bewegung mehrerer Schiffe zugleich sollte gehen.
Bei Interesse bitte bei mir melden.

Gruß,
Joachim Kröger

[meckisteam]

Soviel ich weiß, wurde ursprünglich die autonome Steuerung der Schiffe geplant, das Vorhaben aber wegen Problemen wieder aufgegeben worden.

Na ja, ganz so stimmt das nicht. Man entwickelt nach wie vor an der Schiffssteuerung. Nur musste erstmal die ganze Energie in den Flughafen gesteckt werden. Jetzt geht es aber weiter damit.

[Harry]

Bei Interesse bitte bei mir melden.

Jo, ich habe Interesse. Schreibe doch hier nieder, dann kann man mal über Deine Idee reden.

Viele Grüße
Harry

[JoachimK]

Hallo Harry,
Grundlage ist die Trennung der Intelligenz und das Ortungsverfahren.
Im Becken werden für an jedem Punkt möglicher Routen, in direkter Sichtlinie befindliche, Infrarotsender getaucht untergebracht, die jeder auf einer anderen Frequenz moduliert sind. In der Modulation sind - ähnlich DCC oder Märklin - Befehle enthalten.
Diese Befehle beinhalten Adresse, geometrische Route und Geschwindigkeit. Es gibt eine regelmäßige Aufforderung zur Rückmeldung der Position.
Das Schiff hat am Kiel den Empfänger (duplex mit 360° Sender über Luft)
Der Empfänger besteht aus einem hängend angebrachten rotierenden Spiegel, der in einem Plexirohr 'ins Wasser schaut'. Die Optik kann relativ einfach ausfallen, ein Empfangspunkt reicht, ein Flächensensor wird nicht gebraucht. Der Schiffsrechner trianguliert seine Position. Hierzu bestimmt er den Winkel aus dem Maximum des Infrarotsignals für jede der ihm bekannten Modulationsfrequenzen.
Die Modulationsfrequenzen sollten im MHz-Bereich liegen, um leicht die 3-4 Sender per selektivem Filter (ein LC Kreis reicht) auszufiltern. Für die Positionsbestimmung reicht das aus. Der Pegel wird über einen AD bestimmt (12 Bit), der Winkel mit 16 Bit, Inkrementalgeber.
Die Position sollte vom Schiff auf 1 cm genau bestimmt werden können.
Sie wird zurückgesendet, die Route vom Steuerrechner fortgeschrieben.
Das Schiff bewegt sich autonom auf der vorgegebenen Route, mit einer Ungenauigkeit, die aus der Qualität des eigenen Regelkreises und der Positionsbestimmung herrührt. Querruder vorn, Ruder hinten und Vortrieb mit Schraube werden in einen Regelkreis gemeinsam eingebracht.
Der Empfänger der Positionsbestimmung (Plexirohr) ist identisch mit Drehpunkt bzw. Koordinate des Schiffs.
Der absolute Winkel des Schiffs und seine Position werden zurückgemeldet.
Da die Geschwindigkeit langsam ist, dürften alle Komponenten mit einer Regelfrequenz von 10 Korrekturen pro Sekunde auskommen. Damit ist auch der Drehspiegel in seiner Rotationsgeschwindigkeit festgelegt.

Mechanisch und optisch werden keine hohen Anforderungen gestellt. Die Sender im Becken müssen fest montiert sein und in breitem Winkel strahlen. Ihr Licht muss auf Sichtlinie immer einen Höchstpegel gegenüber Reflektionen ergeben. Unterschreitet dieser Pegel ein Minimum, wird er in der Triangulation nicht mehr berücksichtigt. Damit fallen Reflektionen raus.
Gibt es keine Möglichkeit, die Position zu bestimmen, meldet das Schiff dies und schaltet Antriebe ab. Der Steuerrechner schlägt Alarm und man muss manuell eingreifen.
Also Vorgabe-Routen ändern oder die Optik putzen.

Soweit das Grundverfahren.
Kritik erbeten!

Gruß,
Joachim

[Harry]

Muss ich mir noch ein paar Mal durchlesen, aber zwei Kritikpunkte habe ich schon mal.

Rotierender Spiegel -> ich halte eine Lösung ohne bewegliche Teile für den Dauerbetrieb als sinnvoller.

Was mir fehlt ist die Lage des Schiffes. Du ermittelst zwar die Position eines bestimmten Punktes des Schiffes, aber nicht, in welche Richtung der Bug zeigt, oder? Dss geshört für mich zwingend dazu.


Viele Grüße
Harry

[HahNullMuehr]

Moin,

da fiele mir sofort ein: 2 "Seh-Rohre".
Wenn jedes die Position tatsächlich auf ± 1 cm bestimmen kann, sollten 2 die Lage/Richtung des Dampfers ergeben können.

Gruß

[JoachimK]

Muss ich mir noch ein paar Mal durchlesen, aber zwei Kritikpunkte habe ich schon mal.

Rotierender Spiegel -> ich halte eine Lösung ohne bewegliche Teile für den Dauerbetrieb als sinnvoller.

Ich prinzipiell auch. Aber:
Die erforderliche Winkelauflösung ist hoch. Eine CCD-Kamera hat auch als Single-Line (welche noch immer teuer sind) nicht mehr als 4096 Bildpunkte. Eine Interpolation vom Schwerpunkt einer Lichtquelle in einem 2D-Bild ist rechenintensiv. Die Genauigkeit wäre ebenfalls sehr dürftig. Was gebraucht wird, kann man sich mal genauer ausrechnen, aber Überschlagsrechnung ergibt für mich 64K Inkremente des Drehgebers pro Umdrehung. Das ist kein Problem.
Die Mechanik ist trivial: Ein Getriebemotor mit guter Dämpfung im Getriebe, der kommt mit weniger als 1 Watt aus. Dementsprechend hält das genau so lange, wie ein Uhrwerk.
Ich habe da keine Bedenken. An der Abgangswelle hängt ein hochwertiger Spiegel unten, oben nur der Inkrementalgeber (mit einer Referenzmarke)
Die Drehzahl des Motors muss nicht genau stimmen, das System justiert sich selbst allein über den Winkel.

Was mir fehlt ist die Lage des Schiffes. Du ermittelst zwar die Position eines bestimmten Punktes des Schiffes, aber nicht, in welche Richtung der Bug zeigt, oder? Dss gehört für mich zwingend dazu.
Viele Grüße
Harry

Die Ausrichtung / Richtung des Schiffs wird über die Triangulation sogar primär bestimmt. Das geschieht über die hinterlegten 'Koordinaten' der Sender. Das Schiff hat Kenntnis über die 2D-Koordinaten dieser 'Leuchtbojen'. Dann werden die Winkel der optisch verfügbaren 'Leuchtbojen' einzeln bestimmt. Da jede eine bestimmte Modulationsfrequenz hat, ist sie identifiziert. Der LC-Kreis gibt eine HF-Spannung ab, deren Betrag genau gemessen wird. Schon aus 2 Stück ist die Lage / Ausrichtung des Schiffs bestimmbar, aus 3 oder mehr dann mit hoher Genauigkeit die Koordinate des Schiffs. Es dürfen viele 'Bojen' existieren.

Man braucht insgesamt vielleicht 4-5 'Bojen' in Eurem Becken, lass es auch 8 sein, aber das reicht dann dicke. Bei 10 MHz Bandbreite kann man also locker 1 MHz Kanalabstand geben. Dafür reicht ein primitiver LC-Kreis, der sich bei den niedrigen Frequenzen sehr genau und einfach bauen lässt. Die Schiffe brauchen eigentlich nur 1 gemeinsame Frequenz, da sie sich auf die regelmäßige Abfrage hin einzeln melden.

Nachtrag: Die geometrische Position der 'Bojen' kann man auch dem Schiff übermitteln, falls mal eine Änderung anfällt.
Habe Text hier nochmal nachjustiert in Bezug auf den Drehgeber.

[JoachimK]

Moin,

da fiele mir sofort ein: 2 "Seh-Rohre".
Wenn jedes die Position tatsächlich auf ± 1 cm bestimmen kann, sollten 2 die Lage/Richtung des Dampfers ergeben können.

Gruß

Moin Moin,
ja, 2 und gerne auch mehr genau bestimmte Winkel-Koordinaten ist das, was gebraucht wird.
Lies mal meine erste Antwort auf Harry's Bemerkung.
Wenn man 2 Winkel zu genau definierten 'Bojen' relativ zum Schiff hat, ist die Berechnung des Winkels des Schiffs in 2D die leichteste Übung. Die Entfernungen im Dreieck ebenfalls.
Dann kann man über alle 'Bojen' mitteln und dabei die weiter entfernten (schwächeres Licht und Identifikation) höher bewerten.
Der Algorithmus ist zwar nicht ganz trivial, aber annähernd trivial.

Gruß, Joachim

[JoachimK]

Bei Interesse bitte bei mir melden.

Jo, ich habe Interesse. Schreibe doch hier nieder, dann kann man mal über Deine Idee reden.

Viele Grüße
Harry

Hallo Harry,
Habe eben Eure Webseite gesehen. Tolle Modelle, echt schön!
Ich habe nur früher mal, als der Sohn noch im Jugendlichen-Alter war und im eigenen Jugendalter 'gebastelt' (wie es ja offiziell heißt). Schiffe und Flugzeuge.
Mache heute professionell Software und ein bisschen Elektronik (was ich früher als E-Ing. ausgeübt habe).

Also einen Algorithmus um mit einem Schlepper ein anderes Schiff zu bugsieren, könnte ich nicht bieten. Da sind wir Menschen einfach besser, als sture Software
Gruß,
Joachim

[Maik Costard]

Maximal 8 Bojen brauchen wir? Du kennst unser Becken?

Fragende Grüße
Maik

[JoachimK]

Maximal 8 Bojen brauchen wir? Du kennst unser Becken?

Fragende Grüße
Maik

Hallo Maik,

ja, natürlich kenne ich Euer Becken. Habe oft da gestanden und die netten Mitarbeiter hinter dem Becken mit dem Fernsteuersender gesehen.
Irgendwie habe ich schon vor ein paar Jahren gehört, dass dieser Job von Algorithmen übernommen werden sollte. Da habe ich mir Gedanken gemacht...

Das Becken hat nach meiner Erinnerung ~ 4-5 Abschnitte, wo 'ausgeleuchtet' werden müssten.
Die Routen, wo heute die Schiffe navigiert werden, sind noch weniger. Wenn ich also als Algorithmus mindestens 3 'Bojen' sehen muss, würde ich relativ schnell 5-6 Punkte finden, dann wäre die ganze Fläche potentieller Routen abgedeckt.
Also zum Beispiel das mit Sandstrand eingefasste Becken würde ich wegen der Untiefen sowieso streichen, den Pier daneben aber nicht. Hinten (Fernsteuerer-Ecke) ist vielleicht noch Raum für mehr 'Bojen', da ich nicht weiß, wie weit das reicht (habe ich halt noch nie gesehen).
Zusammengefasst: ich schätze 5-6, maximal 8.

Die 'Bojen' sind ja auch simpel gebaut. Viele Infrarotdioden, die mit einer jeweils eigenen Trägerfrequenz und moduliert leuchten.

Gruß, Joachim

Nachtrag: Wenn man noch einen Kompass im Schiff auslesen könnte, würden sogar 2 sichtbare 'Bojen' reichen.

[Maik Costard]

Wenn Du Dir das Becken schon oft angesehen hast, hast Du dann auch mal zur Decke geschaut?

Schönen Gruß
Maik

[JoachimK]

Wenn Du Dir das Becken schon oft angesehen hast, hast Du dann auch mal zur Decke geschaut?

Schönen Gruß
Maik

Hallo Maik,

Klar, die goßen IR-Leuchten sind nicht zu übersehen.
Aber die bringen die dritte Dimension in den Algorithmus. Kann man machen, aber besser wird das nicht.
Der Hauptunterschied ist aber, dass oberhalb der Wasseroberfläche gewaltige Mengen an Reflektionen stattfinden, die sogar noch unvorhersehbar (dynamisch) sind.
Unterhalb der Oberfläche habe ich dagegen fast statische Verhältnisse und bleibe in 2 Dimensionen.
Die Spiegelung an den Plexi-Scheiben führt zu einer Pegelverminderung. Sollte also der Sensor an 2 Winkeln die gleiche Frequenz kriegen, ist einer der Pegel davon niedriger.
Da er sonst 3, dann aber 4 Winkelpositionen hat, kann er sich ausrechnen, an welchem Ort keine 'Boje' vorhanden sein kann. Also ist an jedem Ort des Beckens klar berechenbar, von wo ungespiegelte/reflektierte Signale kommen. Wird dieses Muster verlassen, kann man mit hoher Präzision bestimmen, was Reflektion und was Original ist.
Unter der Wasseroberfläche kann man durch Kontrollfahrten zur Not sogar Topologien anfertigen. Aber ich glaube, dass das unnötig ist.
Die Winkelposition einer 'Boje' wird einfach anhand des Maximums des Träger-Pegels der bekannten Frequenz bestimmt, das muss reichen.
Der Träger-Pegel wird simpel durch einen Tiefpass bestimmt, ähnlich wie bei einem FM-Empfänger in der NF-Decoder-Stufe. Der Tiefpass filtert auch die Steuerinformation raus.
Analog zum FM-Empfänger wird die 'Feldstärke' zur Winkelbestimmung verwendet.

Dann kommt ein Abgleich mit der Topologie auf Glaubwürdigkeit. Entweder wird die 'Reflektion' verworfen, oder man verwirft sogar die ganze Umdrehung.

Wenn die Plexiröhren am Kiel annähernd auf einer Ebene mit den 'Bojen' sind, können die sich gegenseitig nur ein paar hundert Millisekunden lang abschatten. Das ist das höchste denkbare Risiko. Eigentlich ist sogar diese Abschattung nicht zu 100% und der Regelkreis des Schiffs zur Routenfahrt wird schlimmstenfalls kurz das Ruder ausschlagen lassen, um dann wieder auf korrekte Route zurückzukehren.

Die Diskussion wäre mit ein paar Skizzen schneller zu führen.
Ladet mich mal Abends ein, dann klönt man das mit Papier auf dem Tisch durch... (Ich bin Hamburger, mein Büro ist 3 km von Euch weg)

Gruß,
Joachim

Nachsatz: Die Erzwingung von 2 Dimensionen rührt aus dem Drehspiegel und dem Sensor in der Plexiröhre. Der Sensor bekommt nur das, was genau senkrecht auf ihn fällt, der Spiegel hat 45°. Ich muss den Text immer wieder nachändern, um Unklarheiten rauszuwerfen, Sorry!

Nochmal ein Nachsatz; Wenn für 2 'Bojen' relativ zur waagrechten Achse des Schiffs die Winkel bestimmt sind, ergibt es 2 mögliche Lösungen der Gleichungen, also 2 Schiffspositionen mit jeweils umgekehrter Richtung. Deswegen die mindestens 3. 'Boje'.
Vielleicht sollte ich das mit den apostrophierten Bojen mal lassen, ist sowieso eine Implementierungs-Idee.

[JoachimK]

Auch wenn jetzt noch keiner so richtig reagiert hat...

Ein paar Worte zur Software auf dem Schiff. Zunächst ermittelt sie natürlich die Position und Ausrichtung (absolut) und dann daraus abgeleitet relativ zur Route.
Die Route ist also einfach eine Folge von Soll-Vektoren auf der 2D-Ebene.
Es ist egal, wann die Route übermittelt wird (schrittweise oder im Satz).
Der Regelkreis hat 3 Aktoren:
Propeller Drehzahl als vorzeichenbehaftete Zahl (proportional, näherungsweise linear)
Ruder als vorzeichenbehaftete Zahl (proportional, nicht linear)
Bugstrahlruder als vorzeichenbehaftete Zahl (proportional, näherungsweise linear)
Alle 3 Aktoren müssen gemeinsam über ein Kennlinienfeld betrieben werden.
Die Geschwindigkeit, mit der das Schiff fährt, wird aus den Positionsermittlungen abgeleitet und ergibt neben der Ist-Position einen Ist-Vektor. Die Differenz aus dem Soll-Vektor an der Position und dem Ist-Vektor wird dann über einen PID-Regelkreis geführt, der das Kennlinienfeld beinhaltet.
Das Kennlinienfeld ist einfach eine Näherung, die spezifisch für das Schiffs-Modell ist.
Das Feld muss nicht genau sein, die Genauigkeit bestimmt nur die Höhe von Regelkreis-Schwingungen die zwangsläufig auftreten.
Die Parameter des PID-Reglers können verhindern, dass diese Schwingungen sichtbar werden.
Die Genauigkeit der Routen-Einhaltung wird ebenfalls vom Kennlinienfeld beeinflusst.
Generell wird sich die Präzision auch von der Geschwindigkeit abhängig verändern. Da die Schiffe gerade dann, wenn sie sich langsam bewegen, schön realistisch anzuschauen sind, kommt das den Anforderungen nahe.
Die Ist-Position wird zur Ablaufsteuerung dem 'Anlagen'-Steuerrechner übermittelt, bzw. der fragt sie ab.
Läuft das Schiff aus dem Ruder (Man beachte die Passgenauigkeit der Formulierung), wird das Schiff (oder mehrere) angehalten - Das Schiff bekommt eine Route mit Ist-Position und Geschwindigkeit 0.
Kommt es nicht zum Stillstand, kann man die Aktoren fern-abschalten.

Schiffe ohne Bugstrahlruder dürften erheblich größere Kennlinienfelder und sequentielle Algorithmen fordern. Das sollte man erstmal lassen...

So, nun warte ich auf die Einladung zur Diskussion.
Tel. 040 7808 9460

[Sven Hinzmann]

Hallo Joachim,
deine Idee ist sehr interessant. Wir hatten so eine ähnliche Idee 2004 schon einmal, allerdings waren die Drehspiegel bei uns oberhalb der Wasserfläche und an Land angebracht, was mehrere Hintergründe hatte. Mit der neuen Prozessortechnik könnte man glatt überlegen ob man das nicht tatsächlich in das Schiff verlagern könnte. Bei deinen Ausführungen fallen mir aber schon ein paar Details auf, die aufgrund unserer Erfahrung, zu dem einen oder anderen Problem führen könnten.

Die Drehspiegel an das Schiff anzubringen wird, je nach Größe des Spiegels, eine sehr komplizierte Aufgabe. Mal abgesehen davon das die ganze Sache 100%ig dicht sein muss, muss auch dafür gesorgt werden, das die Röhre nicht beschlägt, was bei Temperatur unterschieden von min 10° nicht unüblich wäre.. Die Mechanik sollte in der horizontalen Ebene frei schwingend aufgehängt werden, damit beim stampfen oder rollen, immer eine gerade Linie zwischen Sender und Empfänger vorhanden ist. Der Spiegel selbst darf durch seine Eigenrotation, keinen Kraftimpuls an das Schiff liefern, damit es sich nicht weg dreht und der Spiegel darf bei der Drehung nicht vibrieren.
2004 hatten wir wie gesagt schon mal ein paar Versuche mit Drehspiegeln gemacht und sind dabei auf einige, nicht unwichtige, Probleme gestoßen. Zum einen ist ein optischer Spiegel nie plan, außer man lässt sie speziell anfertigen. Dadurch entstehen Fehler in der Lichtbrechung und somit Messfehler, die man elektronisch her ausrechnen kann, was wiederum Auslastung auf dem Prozessor bedeutet. Als Lösung könnte man den Sensor direkt auf die Motorachse setzen und müsste sich dann "nur" einfallen lassen, wie man die Signale weiter gibt.
Beim Motor für den Antrieb haben wir damals festgestellt, dass es immer wieder Probleme gab, genau fest zu stellen, in welcher Lage der Spiegel war, als er das Signal gemessen hat. Denn kleine Inkrementalgeber gab es damals meistens nur als optische Version, die wiederum nur ein sehr ungenauen Wert liefern können, da man zwischen den Flanken "blind" ist und nicht weiß, ob der Spiegel wirklich konstant weiter dreht oder kurz stehen geblieben ist und dann mit doppelter Geschwindigkeit weiter gedreht hat. Lösung dafür wären dabei andere Abtastungen wie zum Beispiel mit Sensoren die einen sinusförmiges Signal erzeugen (magnetische Abtastung), die dann wiederum im Prozessor für Auslastung sorgt. Eine andere Möglichkeit wäre, eine Schwungmasse an den Motor anzubringen, was das gesamte Konstrukt sehr schwer und groß macht und im schlimmsten Fall auch noch das Schiff beeinflusst. Bei den Messzyklen waren wir uns damals nicht ganz einig, wie schnell der Spiegel drehen muss. Versuche haben dann gezeigt, das man ein vielfaches der tatsächlich benötigten Messergebnisse ermitteln muss, damit man eine bessere Fehlerkorrektur bekommt. Das wiederum bedeutet, dass die Drehzahl ungefähr bei 100-150 U/min liegen müsste.
Wenn man nun die oben genannte Konstruktion mal genauer durchdenkt, merkt man schnell, das der mechanische Aufbau dieser Sensorik schon sehr aufwendig und kompliziert wird. Drehende Teile sind mit im Spiel und machen das Ganze, in Relation zur reinen elektronischen Ortung, sehr Störanfällig. Der Austausch einzelner Komponenten ist sehr schwierig, das es immer eine komplette neu Kalibrierung verlangt.

Ein weiteres, "theoretisches" Problem sehe ich in den Bojen. Aus unserer Erfahrungen, sind IR LED´s nicht gleichmäßig in ihrer Abstrahlung. Der Aufwand eine IR Boje zu bauen die 100%ig gleichmäßig abstrahlt, würde derart komplex, das man damit über Wochen beschäftigt ist. Will man ein gutes Ergebnis erzielen, muss jede LED einzeln vermessen und frei angeordnet werden, damit im Verbund der LEDs, ein perfektes Ergebniss erzielt werden kann. Da dieser Aufwand nicht lohnt, müsste man Referenzfahrten machen und auf den Routen die einzelnen Messergebnisse aufzeichnen. Diese Liste an Ergebnissen muss dann in der Steuerung hinterlegt werden und als Referenz gelten. Fällt dann ein Boje aus, muss das gesamte System, für den jeweiligen Bereich, neu kalibriert werden und an alle Steuerungen die neuen Daten übermittelt werden. Dieses vorgehen kann allerdings nur funktionieren, wenn man eine Referenz hat, also eine definierte Position von der aus diese Liste funktioniert und die Fahrt immer mit dem vorangegangenen Wert auf Plausibilität abgeglichen wird. Damit müsste die Genauigkeit der Ortung weit unter 1mm liegen, da sich Fehler sonst sehr schnell zu mehren cm aufsummieren.
Zusätzlich bin ich mir nicht so sicher ob die oben genannten Schaltbandbreiten für IR-LEDs erreichbar sind. Es gibt zwar Highspeed IR-LEDs, die allerdings nur eine sehr kurze Reichweite haben.
Ein weiteres Problem könnte die infrarote Strahlung in Verbindung mit Strömungen im Wasser sein. Ich übertreibe sicherlich ein wenig, aber durch unterschiedliche Dichten des Wassers (kaltes und warmes Wasser) entstehen sicherlich Brechungen und damit Veränderungen des IR-Strahles. Diesen Fehler heraus zu rechnen ist fast unmöglich und macht die Messungen ungenau.

Wenn ich das richtig verstanden habe, soll die Elektronik in dem Schiff die Ortung, die Ansteuerung der Steuerelemente und die Routen mit den zusätzlichen Referenzlisten speichern und laufend abgleichen. Im Umkehrschluss wäre das für mich eine autonome Steuerung wo nur noch Start und Ziel eingegeben wird und den Rest macht das Schiff schon. Ein Traum, aber mit ganz vielen Hindernissen!

Fazit:
Wir haben in den letzten Jahren viel über das Thema automatische Schiffssteuerung nachgedacht und viel experimentiert. Dabei durften wir Erfahrungen sammeln, die nicht immer zu unserem Vorteil waren. Viele Rückschläge haben uns gezeigt, dass gewisse theoretische Ansätze einfach nicht funktionieren und wir von unserem Anspruch hin und wieder abweichen müssen, um das gesteckte Ziel zu erreichen. Natürlich entwickelt sich die Technik, aber gewisse Dinge wird man einfach nicht in den Griff bekommen.
In der Zeit dieser Versuche ist auch das Zitat eines Kollegen entstanden: "Sven, auch du kannst die Physik nicht verarschen!"

In diesem Sinne, schönen Abend

Sven Hinzmann

[JoachimK]

Hallo Sven,

Deine Antwort ist schön umfangreich, ich möchte daher im Text antworten, mal sehen, ob ich das hinkriege...
Also:

Hallo Joachim,
deine Idee ist sehr interessant. Wir hatten so eine ähnliche Idee 2004 schon einmal, allerdings waren die Drehspiegel bei uns oberhalb der Wasserfläche und an Land angebracht, was mehrere Hintergründe hatte. Mit der neuen Prozessortechnik könnte man glatt überlegen ob man das nicht tatsächlich in das Schiff verlagern könnte. Auf jeden Fall, ein kleines Linux-Board frisst kaum Strom. Bei deinen Ausführungen fallen mir aber schon ein paar Details auf, die aufgrund unserer Erfahrung, zu dem einen oder anderen Problem führen könnten.

Die Drehspiegel an das Schiff anzubringen wird, je nach Größe des Spiegels, eine sehr komplizierte Aufgabe. Mal abgesehen davon das die ganze Sache 100%ig dicht sein muss, muss auch dafür gesorgt werden, das die Röhre nicht beschlägt, was bei Temperatur unterschieden von min 10° nicht unüblich wäre.. Einfache Lösung ist ein Verschluss mit Silikonkautschuk oben am Rohr. Die Mechanik sollte in der horizontalen Ebene frei schwingend aufgehängt werden, damit beim stampfen oder rollen, immer eine gerade Linie zwischen Sender und Empfänger vorhanden ist. Die vertikale Länge der Boje sollte ausreichen. Es wird ja kein Punkt fokussiert. Der Spiegel selbst darf durch seine Eigenrotation, keinen Kraftimpuls an das Schiff liefern, damit es sich nicht weg dreht und der Spiegel darf bei der Drehung nicht vibrieren. Wenn er mal dreht, ist das Anlaufmoment vorbei. Der dreht ja kontinuierlich. Das Getriebe sollte gut gedämpft sein, einfach viel Fett. Keine weiteren Lager, nur a) Motor mit Inkrementalgeber und b) Getriebeausgang mit Spiegel.
2004 hatten wir wie gesagt schon mal ein paar Versuche mit Drehspiegeln gemacht und sind dabei auf einige, nicht unwichtige, Probleme gestoßen. Zum einen ist ein optischer Spiegel nie plan, außer man lässt sie speziell anfertigen. Vor 25 Jahren gab es durchaus plane, kleine Spiegel zu kaufen. Die waren perfekt, wir haben die damals zur Abbildung auf einen linearen CCD Sensor genutzt. Muss man suchen, gibt es ganz sicher noch immer! Dadurch entstehen Fehler in der Lichtbrechung und somit Messfehler, die man elektronisch her ausrechnen kann, was wiederum Auslastung auf dem Prozessor bedeutet. Als Lösung könnte man den Sensor direkt auf die Motorachse setzen und müsste sich dann "nur" einfallen lassen, wie man die Signale weiter gibt. Gedankliche Skizze: Oben Inkrementalgeber an Motorwelle, Motor, Getriebe axial, Getriebeausgangswelle, auf welcher ein mechanisches Prisma 45° sitzt, auf diesem 'hängend' angeklebt der Spiegel. Der Sensor liegt unten im Rohr, mit haardünnen Drähten in's Schiff zurück.
Beim Motor für den Antrieb haben wir damals festgestellt, dass es immer wieder Probleme gab, genau fest zu stellen, in welcher Lage der Spiegel war, als er das Signal gemessen hat. Denn kleine Inkrementalgeber gab es damals meistens nur als optische Version, die wiederum nur ein sehr ungenauen Wert liefern können, da man zwischen den Flanken "blind" ist und nicht weiß, ob der Spiegel wirklich konstant weiter dreht oder kurz stehen geblieben ist und dann mit doppelter Geschwindigkeit weiter gedreht hat. Lösung dafür wären dabei andere Abtastungen wie zum Beispiel mit Sensoren die einen sinusförmiges Signal erzeugen (magnetische Abtastung), die dann wiederum im Prozessor für Auslastung sorgt. Eine andere Möglichkeit wäre, eine Schwungmasse an den Motor anzubringen, was das gesamte Konstrukt sehr schwer und groß macht und im schlimmsten Fall auch noch das Schiff beeinflusst. Bei den Messzyklen waren wir uns damals nicht ganz einig, wie schnell der Spiegel drehen muss. Versuche haben dann gezeigt, das man ein vielfaches der tatsächlich benötigten Messergebnisse ermitteln muss, damit man eine bessere Fehlerkorrektur bekommt. Das wiederum bedeutet, dass die Drehzahl ungefähr bei 100-150 U/min liegen müsste. Das genau habe ich auch bedacht und deswegen das Getriebe. Dann ist der Geber auch simpel und billig. Einen Resolver braucht man nicht.
Wenn man nun die oben genannte Konstruktion mal genauer durchdenkt, merkt man schnell, das der mechanische Aufbau dieser Sensorik schon sehr aufwendig und kompliziert wird. Drehende Teile sind mit im Spiel und machen das Ganze, in Relation zur reinen elektronischen Ortung, sehr Störanfällig. Der Austausch einzelner Komponenten ist sehr schwierig, das es immer eine komplette neu Kalibrierung verlangt. So aufwendig sehe ich das nicht, man muss nur suchen, aber z.B. Uhrwerke von größeren Uhren könnten geeignete Getriebe bieten.
Eine Kalibrierung ist aus meiner Sicht nur so erforderlich, dass ein präziser (~1°) Impuls pro Spiegelumdrehung kommt.

Ein weiteres, "theoretisches" Problem sehe ich in den Bojen. Aus unserer Erfahrungen, sind IR LED´s nicht gleichmäßig in ihrer Abstrahlung. Der Aufwand eine IR Boje zu bauen die 100%ig gleichmäßig abstrahlt, würde derart komplex, das man damit über Wochen beschäftigt ist. Will man ein gutes Ergebnis erzielen, muss jede LED einzeln vermessen und frei angeordnet werden, damit im Verbund der LEDs, ein perfektes Ergebniss erzielt werden kann. Da dieser Aufwand nicht lohnt, müsste man Referenzfahrten machen und auf den Routen die einzelnen Messergebnisse aufzeichnen. Diese Liste an Ergebnissen muss dann in der Steuerung hinterlegt werden und als Referenz gelten. Fällt dann ein Boje aus, muss das gesamte System, für den jeweiligen Bereich, neu kalibriert werden und an alle Steuerungen die neuen Daten übermittelt werden. Dieses vorgehen kann allerdings nur funktionieren, wenn man eine Referenz hat, also eine definierte Position von der aus diese Liste funktioniert und die Fahrt immer mit dem vorangegangenen Wert auf Plausibilität abgeglichen wird. Damit müsste die Genauigkeit der Ortung weit unter 1mm liegen, da sich Fehler sonst sehr schnell zu mehren cm aufsummieren. Das Thema bereitet mir gar keine Sorgen: Gefordert wird nur, dass die Boje mehr Licht abgibt, als alle Reflektionen einzeln. Da muss nix kalibriert werden, außer dass die Boje senkrecht hängt.
Zusätzlich bin ich mir nicht so sicher ob die oben genannten Schaltbandbreiten für IR-LEDs erreichbar sind. Es gibt zwar Highspeed IR-LEDs, die allerdings nur eine sehr kurze Reichweite haben. Das Problem kann nicht so relevant sein - Die ganzen Lichtleiter-Dioden erlauben höchste Frequenz. Ich suche mal einen Typ raus und schreibe ihn hier rein.
Ein weiteres Problem könnte die infrarote Strahlung in Verbindung mit Strömungen im Wasser sein. Ich übertreibe sicherlich ein wenig, aber durch unterschiedliche Dichten des Wassers (kaltes und warmes Wasser) entstehen sicherlich Brechungen und damit Veränderungen des IR-Strahles. Diesen Fehler heraus zu rechnen ist fast unmöglich und macht die Messungen ungenau. Macht auch nichts, wenn der zugehörige Fehler ein paar Millimeter ausmachen sollte - mehr wird das nicht, es sind ja keine Thermoquellen in Eurem Becken.

Wenn ich das richtig verstanden habe, soll die Elektronik in dem Schiff die Ortung, die Ansteuerung der Steuerelemente und die Routen mit den zusätzlichen Referenzlisten speichern und laufend abgleichen. Im Umkehrschluss wäre das für mich eine autonome Steuerung wo nur noch Start und Ziel eingegeben wird und den Rest macht das Schiff schon. Ein Traum, aber mit ganz vielen Hindernissen!

Fazit:
Wir haben in den letzten Jahren viel über das Thema automatische Schiffssteuerung nachgedacht und viel experimentiert. Dabei durften wir Erfahrungen sammeln, die nicht immer zu unserem Vorteil waren. Viele Rückschläge haben uns gezeigt, dass gewisse theoretische Ansätze einfach nicht funktionieren und wir von unserem Anspruch hin und wieder abweichen müssen, um das gesteckte Ziel zu erreichen. Natürlich entwickelt sich die Technik, aber gewisse Dinge wird man einfach nicht in den Griff bekommen.
In der Zeit dieser Versuche ist auch das Zitat eines Kollegen entstanden: "Sven, auch du kannst die Physik nicht verarschen!"

In diesem Sinne, schönen Abend

Sven Hinzmann

Ja gleichfalls, Sven!
Wir können ja mal bei einem Kaffee und mit Papier auf dem Tisch die Bedenken abschätzen, Lösungsansätze prüfen.

Gruß,
Joachim

P.S.: Spiegel: z.B. http://www.pgo-online.com/de/katalog/silberspiegel.html
Substrat ist Glas, absolut plan.
P.P.S.: IR-Emitter: http://www.pur-led.de/LED-Einzel-Highpo ... -CHIP.html
Die Grenzfrequenz wird meist durch die Kapazität der LED bestimmt, sowie durch deren Maximalstrom zum Umladen dieser Kapazität. Da kommt man heute mit MOS-FET ziemlich weit.
P.S.3: Getriebe: http://emc-technologie.de/de/images/mod ... mini/6.pdf

Nochwas: der Plexi-Zylinder muss als Infrarot-Filter herhalten. Das kriegt man bestimmt hin, wenn eine Folie schräg geschnitten eingelegt wird. Oder man kauft ein Filterglas-Rohr.

[Sven Hinzmann]

Hallo Joachim,
ich hab nochmal ein wenig nachgelesen, denn ich war mir nicht ganz sicher ob Infrarote Strahlung im Wasser wirklich funktioniert. Dabei stoße ich immer wieder auf Informationen, dass IR Strahlung durch unterschiedliche Gase und Wasser absorbiert wird. Im Internet finden sich dazu auch interessante Versuche.
Im Umkehrschluss müsste man eine wahnsinnige Energie aufbringen, um im Wasser eine vernünftige Reichweite der IR Strahlung zu bekommen. In die Karten spielt natürlich, dass man die IR LEDs pulsen lassen möchte, allerdings funktioniert das auch nur in sehr engem Rahmen. Die LED die du in deinem Link aufgeführt hast, ist laut Datenblatt nur bedingt geeignet, da die zur IR Beleuchtung gedacht ist. Das heißt das kein Impulsbetrieb vorgesehen ist und damit meistens auch keine hohen Frequenzen erreicht werden können. IR Dioden für Glasfasernetze scheiden auch aus, da man dort nur über optische Systeme den Strahl auffächern kann.

Kommen wir noch mal auf den Empfänger am Schiff. In einem Gespräch mit einem Kollegen sind wir noch ein wenig die Umwelteinflüsse durch gegangen, mit denen wir so zu kämpfen haben. Zum einen bildet sich auf den Schiffen ein leichter Schmierfilm, da wir das Wasser nicht 100%ig gereinigt bekommen, was zur Folge hätte, das täglich die Sensoren gereinigt werden müssten. Das bedeutet wiederum einen höheren Aufwand beim Betrieb der Schiffe, denn jeden Morgen müssten alle Schiffe aus dem Becken und die Sensoren gereinigt werden. Das ist bei einer Flotte von 15-20 Schiffen nicht realistisch, bzw. nicht gewünscht.

Die Idee mit einem Linux Board die gesamte Steuerung zu erledigen wäre sicherlich möglich, allerdings fressen diese Boards sehr viel Strom. Wir arbeiten daran, so wenig Energie wie möglich zu nutzen, damit die Laufzeit der Schiffe maximiert wird. Bei größeren Schiffen könnte man größere Akkus einsetzen, um das Problem zu kompensieren. Bei kleineren Schiffen ist das nicht so einfach möglich. Unser Denkansatz geht eher in die Richtung, komplizierte Rechenoperationen auf dem zentralen Steuerungsrechner zu erledigen und im Schiff nur die "lebenswichtigen" Operationen, wie Erfassung der Daten, Übermittlung der Daten und Steuerung des Schiffes zu erledigen. Natürlich hat dieses Konzept Vor- und Nachteile, aber für uns ist das derzeit der beste Weg.

Natürlich ist dein Ansatz interessant und sicherlich könnte man auch in diese Richtung die Entwicklung voran treiben. Wir haben uns derzeit aber für andere Wege entschieden, da für uns folgende Punkte wichtig sind:
1. Zuverlässigkeit, also Teile einsetzen die sehr langlebig sind oder sich schnell und einfach austauschen lassen.
2. Kompakt, denn wir haben nur sehr wenig Platz auf den Schiffen
3. Wenige optische Veränderungen an den Schiffen, denn der Gast soll ja nicht gleich sehen wie es funktioniert
4. Minimaler Energie Bedarf, um die Laufzeiten zu maximieren. Unsere Schiffe müssen so ausgelegt sein das sie 8-16 Stunden, ohne Ladung auskommen und da kommt es auf jedes Watt an.

Abschließend möchte ich noch sagen, das wir derzeit an mehreren unterschiedlichen Techniken arbeiten. Egal ob bei der Steuerung, der Datenübertragung oder der Ortung, wir sind noch nicht final festgelegt welches der Systeme endgültig genutzt wird. Es kann auch sein das nur eine Kombinationen von unterschiedlichen Systemen, zu einem optimalen Ergebnis führt. Zum jetzigen Zeitpunkt rücken wir aber immer mehr von Systemen ab, die Mechaniken beinhalten, da diese im Dauerbetrieb zu störanfällig sind. Am liebsten würden wir auch die Schiffe nicht mit Motoren, sondern mit irgendetwas anderem antreiben.

Gruß Sven

[JoachimK]

Hallo Sven,

ich gehe mal auf Abschnitte ein:

...
Im Umkehrschluss müsste man eine wahnsinnige Energie aufbringen, um im Wasser eine vernünftige Reichweite der IR Strahlung zu bekommen.

Da hast Du recht, die Absorption im Infrarotbereich ist höher als bei sichtbarem Licht. Mist.

... Die LED die du in deinem Link aufgeführt hast, ist laut Datenblatt nur bedingt geeignet, da die zur IR Beleuchtung gedacht ist...

Dass sie viel Leistung abgibt, heißt nur, dass man eine große Kapazität umladen muss und hierbei Maximalströme nicht überschreiten darf. Aber wir reden hier über ~ 10 MHz, dass ist nicht wirklich viel. Die Dioden für Lichtleiter sind natürlich sehr fokussiert und deswegen schwierig in der Optik.

...Kommen wir noch mal auf den Empfänger am Schiff. In einem Gespräch mit einem Kollegen sind wir noch ein wenig die Umwelteinflüsse durch gegangen, mit denen wir so zu kämpfen haben. Zum einen bildet sich auf den Schiffen ein leichter Schmierfilm, da wir das Wasser nicht 100%ig gereinigt bekommen, was zur Folge hätte, das täglich die Sensoren gereinigt werden müssten. Das bedeutet wiederum einen höheren Aufwand beim Betrieb der Schiffe, denn jeden Morgen müssten alle Schiffe aus dem Becken und die Sensoren gereinigt werden. Das ist bei einer Flotte von 15-20 Schiffen nicht realistisch, bzw. nicht gewünscht.

Wasser scheidet ja nun fast aus. Putzt Ihr täglich die Plexischeiben? Mein Aquarium braucht das nicht so oft.

Die Idee mit einem Linux Board die gesamte Steuerung zu erledigen wäre sicherlich möglich, allerdings fressen diese Boards sehr viel Strom. Wir arbeiten daran, so wenig Energie wie möglich zu nutzen, damit die Laufzeit der Schiffe maximiert wird. Bei größeren Schiffen könnte man größere Akkus einsetzen, um das Problem zu kompensieren. Bei kleineren Schiffen ist das nicht so einfach möglich. Unser Denkansatz geht eher in die Richtung, komplizierte Rechenoperationen auf dem zentralen Steuerungsrechner zu erledigen und im Schiff nur die "lebenswichtigen" Operationen, wie Erfassung der Daten, Übermittlung der Daten und Steuerung des Schiffes zu erledigen. Natürlich hat dieses Konzept Vor- und Nachteile, aber für uns ist das derzeit der beste Weg.

Viel ist relativ. Ein simples Arm-Board ohne Funk kommt mit ~100mA (330mW) aus. Das liegt nur wenig über dem Bedarf für WLAN. Buetooth braucht weniger, aber da kommen doch sehr viele Handys rein, die eingeschaltet sind (Freisprechen).
Die Energiebilanz von Duplex-Funk, kontinuierlich, dürfte kaum richtig besser ausfallen.
Die Schiffe die Ihr heute habt, erlauben doch alle, mehr als ein Kilo Zuladung - kleine habe ich noch nicht gesehen.

Natürlich ist dein Ansatz interessant und sicherlich könnte man auch in diese Richtung die Entwicklung voran treiben. Wir haben uns derzeit aber für andere Wege entschieden, da für uns folgende Punkte wichtig sind:
1. Zuverlässigkeit, also Teile einsetzen die sehr langlebig sind oder sich schnell und einfach austauschen lassen.
2. Kompakt, denn wir haben nur sehr wenig Platz auf den Schiffen
3. Wenige optische Veränderungen an den Schiffen, denn der Gast soll ja nicht gleich sehen wie es funktioniert
4. Minimaler Energie Bedarf, um die Laufzeiten zu maximieren. Unsere Schiffe müssen so ausgelegt sein das sie 8-16 Stunden, ohne Ladung auskommen und da kommt es auf jedes Watt an.

Abschließend möchte ich noch sagen, das wir derzeit an mehreren unterschiedlichen Techniken arbeiten. Egal ob bei der Steuerung, der Datenübertragung oder der Ortung, wir sind noch nicht final festgelegt welches der Systeme endgültig genutzt wird. Es kann auch sein das nur eine Kombinationen von unterschiedlichen Systemen, zu einem optimalen Ergebnis führt. Zum jetzigen Zeitpunkt rücken wir aber immer mehr von Systemen ab, die Mechaniken beinhalten, da diese im Dauerbetrieb zu störanfällig sind. Am liebsten würden wir auch die Schiffe nicht mit Motoren, sondern mit irgendetwas anderem antreiben.

Gruß Sven

Synchronmotoren sind schon mal ein Quantensprung in der Zuverlässigkeit. Leistung braucht Ihr ja fast gar keine.
Die Idee mit moduliertem IR auf die Luft-Ebene zu bringen und näherungsweise in einer Ebene zu bleiben (wenigstens rechnerisch), sollte man nochmal prüfen. Auch in der Luft sollten alle Reflektionen kleiner ausfallen, als direkter Sichtkontakt. Die Abschattung gegeneinander ist viel größer, weswegen niedrig aufgehängte Sender ausfallen.
Eure großen Strahler mit vielen LEDs lassen sich nicht hochfrequent ansteuern, weil man keine Ladung raus aus den LEDs kriegt, wenn die in Serie geschaltet sind.

Gruß,
Joachim

[JoachimK]

Hatte nun mal Zeit, die Absorption von Licht im Wasser nachzulesen.
Pauschales Ergebnis: Aus dem Infrarotbereich oberhalb der Sichtbarkeitsgrenze von 780 nm ist die Absorption nur geringfügig höher, als im sichtbaren Bereich.
Der Extinktionskoeffizient steigt langsam an (bis 900 nm).
UV dagegen wird unterhalb der Wellenlänge von 200nm stark absorbiert.

Also ist Infrarot unter Wasser doch ganz gut geeignet!

Hier noch ein Diagramm:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File: ... _(VIS).svg

Und ein Beispiel für LED in exakt wählbarem Spektrum, z.B. 730 nm mit 150 mW und Modulationsfrequenz von bis zu 100 MHz.
http://en.futureled.de/infrarot-led.html

Beispielmotor - kein Bastelobjekt - mit Inkrementalgeber am Motor, brushless, mit integrierter Elektronik. Leerlaufstrom ist bei 12V angegeben, da geht bestimmt auch einiges weniger.
http://www.power-tronic.com/gleichstrom ... ronik.html

[Nordexpress]

Gott, allmächtiger Vater,lass mich in dieser Abendstunde um all das bitten, was wir Menschen von Herzen wünschen und zum Leben brauchen: Um Brot auf dem Tisch, jeden Tag, um Speise und Trank, um gute Gesundheit
und einen sicheren Weg, um ein bewohnbares Haus für jeden Menschen.

Ich bitte Dich um das,was wir am meisten brauchen: um die Zuneigung unserer Mitmenschen, um die Treue unserer Freunde, um die Großmut aller, die wir beleidigt haben, um die Liebe derer, die uns nahe stehen.

Ich bitte Dich, dass wir selbst das Gute tun, dass wir die Wahrheit der Lüge vorziehen, dass wir bei Schwierigkeiten niemanden im Stich lassen, dass wir einander nicht verleumden und verspotten.

Lieber Gott, ich bitte Dich: Um eine sichere Zukunft für alle Kinder, um eine auf Dauer sichere elektronische Betriebslösung für die Miwula-Schiffssteurung für alle grosse und kleine Kinder, um die Freude an unserer Arbeit, um Geduld bei Mißerfolg,um Frieden auf Erden.

Guter Gott, nimm meine Fürbitten an und mache mich bereit für alles,was von Dir kommt. Amen.