Fakultät Elektro- und Informationstechnik
Elektrotechnik und Informationstechnik - Herz & Hirn der modernen Welt
Solgenia: Das schwimmende High-Tech-Labor für die autonome Schifffahrt von morgen
Wie kann nachhaltige, effiziente und sichere Mobilität auf dem Wasser aussehen? An der HTWG Konstanz wird dazu nicht nur geforscht, sondern die entwickelten Methoden werden auch direkt auf dem Bodensee getestet. Die Solgenia ist einer der zentralen Versuchsträger der HTWG Konstanz und bietet einzigartige Testmöglichkeiten. Auf ihr werden künstliche Intelligenz, Regelungstechnik, moderne Sensoren und innovative Antriebe zu einem zukunftsorientierten Gesamtsystem kombiniert.
Vom Solar-Pionier zur autonomen Forschungsplattform
Seit ihrer Taufe im Jahr 2007 und einer umfangreichen Modernisierung im Jahr 2020 dient die Solgenia als hochmoderner Versuchsträger und Schnittstelle zwischen Theorie und Praxis. Der Umbau führte zu einer wegweisenden Forschungsplattform für Regelungstechnik, Sensordatenfusion und alternative Antriebe, die komplett in der Hand der HTWG liegt.
Auch heute wird das Schiff stetig weiterentwickelt. Ein Meilenstein letztes Jahr war das einzigartige, modulare High-End-Sensor-Setup, das Lidar, Radar, Stereokameras und RTK-GPS umfasst. Dank eines innovativen, von Stefan Wirtensohn mit Unterstützung von Peter Rasch entwickelten Hebemechanismus ist diese sensible Technik in kurzer Zeit einsatzbereit und im eingefahrenen Zustand robust geschützt. Dies reduziert den Arbeitsaufwand für Erprobungsfahrten drastisch und maximiert die Zeit für die Forschung auf dem Wasser. Für die notwendige Rechenleistung sorgt unter anderem ein leistungsstarker GPU-Rechner, der auch komplexe Algorithmen in Echtzeit ausführen kann.
Forschung und Lehre: Wo Algorithmen navigieren lernen
Die Solgenia ist die grundlegende Plattform für eine Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen und praxisnaher Studien- und Abschlussarbeiten. Hier wird mit internationaler Sichtbarkeit aktiv an aktuellen Fragen der maritimen Robotik geforscht.
Das engagierte und interdisziplinäre Team, darunter die Mitarbeitenden des Boots-Teams und einige Doktoranden des Instituts für Systemdynamik (ISD) unter der Leitung von Direktor Prof. Dr. Johannes Reuter, treibt die Innovation voran, was sich nicht zuletzt in einer Vielzahl an Publikationen widerspiegelt. Über zehn wissenschaftliche Veröffentlichungen in den verganenen Jahren dokumentieren die Fortschritte in den folgenden Kernbereichen:
- Energieoptimierte Regelung: Wie finden Schiffe automatisch den effizientesten Kurs? Doktorand Hannes Homburger forscht in den Bereichen Trajektorienoptimierung und Nichtlinearer Modellprädiktiver Regelung (NMPC). Algorithmen, die vorausschauend denken und Umgebungsinformationen wie Wind und Strömungen einbeziehen, um Energie zu sparen und gleichzeitig die Sicherheit zu gewährleisten.
- Intelligente Umfelderfassung: Damit ein Schiff autonom agieren kann, muss es seine Umgebung präzise verstehen. Die Doktoranden Patrick Hoher und Tim Bauer arbeiten unter anderem an Extended-Object-Tracking-Algorithmen, um andere Schiffe, Schwimmer und weitere Hindernisse selbst unter schwierigen Bedingungen mithilfe unterschiedlicher Sensorik sicher zu erkennen und zu verfolgen.
Forschung, die bereits im Studium beginnt
Das Besondere an der HTWG Konstanz: Auch Studierende können von Anfang an einen Teil zu dem Solgenia-Projekt beitragen. Ein Beispiel hierzu liefert der Student Christian Stopp, der in seiner Bachelorarbeit einen Kurshalte-Assistenten entwickelte, der den Fahrkomfort erheblich verbessert. Auch wird die Solgenia in verschiedenen Vorlesungen thematisiert. So ist sie beispielsweise im Anwendungsteil der Vorlesung „Optimale Regelung mit Anwendungen in der Robotik“ zu finden, die für die Masterstudiengänge der Fakultät EI angeboten wird.
Sicherheit und Effizienz durch den digitalen Zwilling
Ein zentraler Aspekt bei der Arbeit mit der Solgenia ist der digitale Zwilling. Dieses präzise mathematische Abbild ermöglicht es, komplexe Algorithmen und kritische Situationen in einem Hardware-in-the-Loop-System (HiL) sicher zu simulieren, noch bevor das reale Schiff das Ufer verlässt. Das garantiert maximale Sicherheit und Effizienz bei den anschließenden Erprobungsfahrten auf dem Bodensee.
Nachhaltige Antriebe als Fundament
Neben der algorithmischen Forschung spielt die Erprobung alternativer Antriebskonzepte eine tragende Rolle auf der Solgenia. Im Zuge der Modernisierung 2020 wurde ein neuartiges Antriebskonzept mit zwei unabhängigen Elektromotoren integriert, die alten Blei-Gel-Batterien durch ein für maritime Anwendungen zertifiziertes Li-Ionen-Batteriesystem ersetzt und eine Methanol-Brennstoffzelle als Ergänzung zum Solargenerator installiert. Dieses hybride Energiekonzept bildet die praktische Grundlage für Untersuchungen zu optimalen Energiemanagement-Strategien und dient zugleich als anschauliches Lehrbeispiel für nachhaltige maritime Antriebstechnik. Ein flexibles Datenbussystem ermöglicht die Aufzeichnung aller relevanten Systemparameter in Echtzeit und schafft damit die Voraussetzung für datengetriebene Optimierungen. Die gesammelten Betriebserfahrungen fließen direkt in die übergeordneten Forschungsarbeiten zur energieeffizienten Trajektorienplanung ein und liefern wertvolle Erkenntnisse für die Praxis der elektrischen Schifffahrt am Bodensee.
Bootsteam, die Basis für den Erfolg
Die Entwicklungen und Forschungsarbeiten werden durch das Solgenia-Boots-Team ermöglicht, das auch für die Verstetigung relevanter Forschungsergebnisse sorgt. Den Grundstein für den autonomen Betrieb der Solgenia legte der EI-Laboringenieur und ehemalige wissenschaftliche Mitarbeiter am ISD Stefan Wirtensohn: Seine herausragenden Beiträge zur anfänglichen Hardware- und Softwarearchitektur ermöglichten die ersten autonomen Anlegemanöver und waren auch essenziell für das HiL-Testsystem. Weiterer Dank gebührt dem ehemaligen Mitarbeiter Oliver Hamburger für seinen Beitrag zum Hardware-Design sowie den EI-Mitarbeitern Peter Rasch und Klemens Graf, die durch ihre wertvollen Arbeiten bei den Hardware-Implementierungen und dem Unterhalt der Solgenia einen unverzichtbaren Beitrag leisten. Ebenso danken wir Johannes Faller, der bereits als Student im Bootsteam mitwirkte und dem Team bis heute – inzwischen aus der Industrie heraus – mit seinem fundiertem maritimen Fachwissen als wertvoller Ratgeber zur Seite steht. Ein besonderer Dank gilt in diesem Zusammenhang Prof. Dr. Richard Leiner für seine frühe Vision des Potenzials der elektrischen Schifffahrt.
Links: Stefan Wirtensohn bei Verkabelungsarbeiten mit einem Rapid Control Prototyping System. Rechts: Peter Rasch und Klemens Graf bei Arbeiten mit der Brennstoffzelle. (Bilder: Sara Lo Frano, HTWG)
Publikation und detaillierte Informationen
Für das Fachpublikum empfehlen wir die folgende Publikation, die einen umfangreichen Überblick über das Forschungsschiff Solgenia bietet:
Hannes Homburger, Stefan Wirtensohn, Tim Baur, Patrick Hoher, Dennis Grießer, Moritz Diehl und Johannes Reuter „Solgenia — A Test Vessel toward Energy-Efficient Autonomous Water Taxi Applications“ Ocean Engineering 328 (2025), 121011.
Link zur Publikation: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801825007243
Beteiligte aus dem Bootsteam der Fakultät EI
Prof. Dr. Johannes Reuter
Prof. Dr. Boris Böck
Prof. Dr. Richard Leiner
Stefan Wirtensohn
Peter Rasch
Klemens Graf
Johannes Faller
Kontakt
Prof. Dr. Johannes Reuter
+49 7531 206-266
jreuter@htwg-konstanz.de