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Autonomes Parken für Schiffe: HTWG-Forschungsboot legt automatisch an

27.05.2021

HTWG-Wissenschaftler*innen forschen am Seerhein-Ufer direkt vor dem HTWG-Campus am autonomen Andocken von Schiffen. Das hochschuleigene Forschungsboot Solgenia hat Ende vergangenen Jahres ein erstes autonomes Anlegemanöver absolviert. Bis es ganz von allein andocken kann, tüfteln internationale Forscher*innen an der HTWG aber noch an weiteren Algorithmen.

Geradezu elegant dreht sich die Solgenia auf dem Wasser des Seerheins. Zielsicher nähert sie sich dem Steg vor Gebäude A der HTWG und gleitet mühelos direkt in die Anlegestelle. Im Video, das dieses erste autonome Anlegemanöver des Forschungsbootes der HTWG zeigt, ist zwar ein Mensch zu sehen, der den Versuch an Deck begleitet. Gesteuert wurde das Boot aber vom Computer.

Bis das im Video gezeigte Anlegemanöver erfolgreich vom Institut für Systemdynamik Konstanz (ISD) getestet werden konnte, war es ein weiter Weg, der von vielen Wissenschaftler*innen gemeinsam geebnet wurde: Das Team des ISD beschäftigt sich schon lange mit Algorithmen zur Regelung und Zustandsschätzung. Ein Anwendungsgebiet hierfür ist zum Beispiel die Verarbeitung der Daten von Umgebungssensoren wie Radaren oder Lidar-Sensoren zur Schätzung anderer dynamischer und statischer Objekte.

Für das autonome Andocken wurde die Solgenia runderneuert

Stefan Wirtensohn, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISD, untersucht bereits seit mehreren Jahren regelungstechnische Algorithmen. Gemeinsam mit ISD-Leiter Prof. Dr. Johannes Reuter und seinem Kollegen Oliver Hamburger verfügt er durch die wissenschaftliche Arbeit am Solarboot Korona und dem Wasserroboter CaroLime über jahrelange Expertise im Bereich autonomer Systeme auf dem Wasser.

Aufbauend darauf beschäftigte er sich mit der Programmierung der Algorithmen, mit denen die ersten Andockversuche der Solgenia stattfanden. Bevor das möglich wurde, musste das interdisziplinäre Team der Fakultät Elektro- und Informationstechnik die Solgenia aber einer Runderneuerung unterziehen.

#WeAreHTWG: Stefan Wirtensohn

Stefan Wirtensohn, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Systemdynamik der HTWG Konstanz.

Stefan Wirtensohn ist bereits seit 15 Jahren HTWG-Angehöriger. 2006 begann er sein Studium im Bachelor-Studiengang Maschinenbau. 2012 beendete er seinen Master in Mechatronik an der HTWG. Seither forscht er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISD. Warum er der HTWG so lange treu geblieben ist? „Ich habe bei meiner Arbeit am ISD viele Gestaltungmöglichkeiten und arbeite mit Menschen, die sehr viel von ihren Fachgebieten verstehen, an sehr interessanten Projekten“, sagt Wirtensohn.

#WeAreHTWG

Die HTWG? Das sind Menschen - knapp 5000 Student*innen, 165 Professor*innen, 320 Mitarbeiter*innen und ebensoviele Lehrbeauftragte. Sie alle wie auch unsere Alumni verleihen der Hochschule ein Gesicht. Jede*r einzelne hat etwas über sich und sein*ihr Leben zu erzählen. In den nächsten Monaten werden wir in verschiedenen Publikationen, hier auf der Website und auch in den Social-Media-Kanälen der HTWG Hochschulangehörige vorstellen und zeigen, wofür sie brennen, was sie antreibt und motiviert.

Sie kennen eine*n Kommiliton*in, eine*n Kolleg*in, eine*n Lehrende*n, der*die Sie inspiriert? Sie meinen, er*sie sollte hier vorgestellt werden? Dann geben Sie uns einen Tipp an @WeAreHTWG.

Ein neuer Antrieb, hochmoderne Sensoren und ein neues Akkusystem machen die Solgenia zukunftsfähig

Als Forschungsboot mit hybridem Energiekonzept (Photovoltaik und Methanol-Brennstoffzelle) war die Solgenia bereits Teil einer erfolgreichen Forschungsgeschichte im Bereich erneuerbare Energien unter der Federführung von Prof. Dr. Richard Leiner. Anfang 2019 stand die grundlegende Renovierung des Bootes an. Zu diesem Zeitpunkt ging die Leitung der HTWG-Forschungsboote auf Prof. Dr. Johannes Reuter über.

Um die Solgenia mit allen technischen Voraussetzungen für das autonome Andocken auszustatten, bekam sie ein neues Antriebssystem. Damit die Forscher*innen dieses über ein externes elektronisches Steuergerät, statt über Hebel und Schalter, bedienen können, programmierte es Oliver Hamburger gemeinsam mit Hannes Homburger, der parallel zu seinem Elektrotechnik-Masterstudium am ISD arbeitet, entsprechend um.

Bisher würde die Solgenia beim autonomen Andocken noch mit anderen Booten zusammenstoßen

Auch das Akkusystem und die Elektronik wurden komplett überarbeitet. Bei der Weiterentwicklung der Solgenia zum autonomen Boot arbeitet das ISD zudem mit hochmodernen Lidar-Sensoren. Diese laserbasierten Sensoren sind eine Schlüsseltechnologie für automatisiertes und autonomes Fahren sowie weitere automatisierte Prozesse. Aus der geplanten Renovierung wurde so eine umfassende Aufwertung des gesamten Bootes.

Nach dem grundlegenden Umbau konnte die Solgenia im Sommer 2020 wieder zu Wasser gelassen werden. Im Dezember fand dann das erste autonome Anlegemanöver statt. Die Reise geht aber noch weiter, denn beim autonomen Andocken spielen verschiedenste Aspekte eine Rolle. Dazu gehört zum Beispiel, dass Hindernisse den Weg des Schiffes kreuzen könnten, während es das Manöver ausführt. Aktuell kann die Solgenia solche Hindernisse noch nicht erkennen und ihnen ausweichen. Die Route für das Andocken muss noch so geplant werden, dass keine Hindernisse im Weg sind.

Von Brasilien nach Konstanz: Doktorandin Leticia Kinjo entwickelt das Forschungsboot der HTWG weiter

Leticia Kinjo, Doktorandin an der Partneruniversität der HTWG in Caen (Normandie, Frankreich), forscht an dieser und weiteren Herausforderungen bei autonomen Andockmanövern. Neben der Integration der Kollisionsvermeidung ist unter anderem die optimale Berücksichtigung der physikalischen Grenzen des Antriebssystems im Regelalgorithmus eine ihrer zentralen Forschungsfragen. Für die Entwicklung von Lösungen kam die Brasilianerin vergangenes Jahr nach Konstanz, um in der AG Regelungstechnik des ISD mitzuarbeiten und dort auch ihre ersten Tests an der Solgenia durchzuführen.

Um das Steuerungssystem des Forschungsbootes und sein Verhalten auf dem Wasser kennenzulernen, verbrachte Leticia Kinjo einige Monate in einer Gästewohnung direkt auf dem HTWG Campus. Vom kurzen Arbeitsweg in die Labore der HTWG profitierte sie aber nur teilweise, da Meetings mit dem ISD-Team während ihres Aufenthalts aufgrund von Corona eingeschränkt waren und deshalb häufig online stattfinden mussten.

Forschungsboot direkt am Campus: Leticia Kinjo sammelte auf dem Bodensee Daten für ihre Doktorarbeit

Einige Ausflüge aufs Wasser waren aber möglich. Bei verschiedenen Manövern, wie zum Beispiel dem Andocken, Zick-Zack- oder auch einfach nur Geradeaus-Fahren, konnte die Doktorandin viele Daten über das Verhalten der Solgenia sammeln und so ein zuverlässiges mathematisches Modell des Forschungsboots erstellen. Das Modell wird nun in der Simulation zur Entwicklung weiterer Steuerungsalgorithmen für das autonome Andocken verwendet.

#WeAreHTWG: Leticia Kinjo

Leticia Kinjo, Doktorandin an der HTWG Konstanz

Leticia Kinjo ist Brasilianerin. Ihre Begeisterung für die Elektrotechnik verschlug sie bis nach Frankreich, wo sie nach dem Studium in Brasilien ihr Double-Degree Studium an der ENSICAEN, einer Partnerhochschule der HTWG, abschloss. Im September 2019 begann sie an der Universität in Caen (Normandie), innerhalb eines Ph.D Programms mit ihrer Promotion. Dabei behandelt sie das autonome Andocken von Booten. Durch die Partnerschaft der Hochschulen in Caen und Konstanz erhielt sie die Möglichkeit für ihre Arbeit an die HTWG zu kommen. Die Zeit über, die sie während des Lockdowns in Konstanz verbrachte, wohnte sie direkt auf dem HTWG-Campus in einer Gästewohnung. Diese teilte sie sich mit einer Mitbewohnerin aus Indonesien. „Ich war froh darüber, dass ich während dieser besonderen Phase nicht allein wohnte. Wir waren in einer vergleichbaren Situation, weit weg von zuhause und der Familie und in einem noch unbekannten Land“, sagt Kinjo. Ihre Freizeit nutzten sie für Gespräche, gemeinsames Kochen, Sightseeing in Konstanz und für Deutschkurse.

Titelbild: Das Forschungsboot Solgenia der HTWG Konstanz lernt direkt vor dem Campus der Hochschule auf dem Seerhein das autonome Andocken.