Automatisierung einer Propulsionsanlage: Entwicklung einer Steuerung zum Betrieb von Azimut-RIM-Antrieben mit Hilfe von Joysticks für die maritime Forschungsplattform AutoGnom
Marlene Pleuß, Hochschule Flensburg
Elektrische und zunehmend automatisierte maritime Forschungsplattformen benötigen modular erweiterbare Steuerungssysteme mit nachvollziehbarem und sicher beherrschbarem Verhalten. Die Arbeit untersucht diese Anforderungen anhand der Antriebssteuerung der Forschungsfähre AutoGnom der Hochschule Flensburg.
Entwickelt und prototypisch umgesetzt wird eine verteilte Steuerungsarchitektur für zwei Azimut-RIM-Antriebsstränge. Sie überführt Joystickvorgaben in Sollwerte für Azimutwinkel und Schub und verknüpft Sollwertbildung, Stellwegauswahl, Aktoranbindung, Diagnose und softwarebasierte Validierung. Da die Azimutachsen aufgrund von Kabelwegen und Einbausituation nicht frei um 360 Grad drehbar sind, bewertet eine Entscheidungslogik zulässige Stellpfade und kritische Winkelbereiche. Sie bestimmt, ob ein Bewegungsvektor direkt, durch eine Umorientierung um 180 Grad mit umgekehrtem Schub oder mittels reduzierter beziehungsweise verzögerter Stellbewegung umgesetzt wird. Auf der SCB-Ebene werden Joysticksignale vorverarbeitet, normiert und zu einem Sollvektor zusammengeführt. Die RIM-Ebene übernimmt die aktornahe Umsetzung, glättet Sollwerte, überwacht den Befehlspfad, steuert die Azimutantriebe an und verarbeitet Rückmeldungen sowie Diagnosegrößen. Ein Notfahrstand ermöglicht bei Ausfall oder Übersteuerung des übergeordneten Steuerpfads eine lokale Führung. Beide Antriebsstränge werden über Reduktions- und Statusinformationen gekoppelt, um asymmetrische Schubverteilungen und daraus entstehende Giermomente zu vermeiden. Die Architektur wird zudem hinsichtlich einer modularen Integration weiterer Schiffsfunktionen nach dem Ansatz des Module Type Package betrachtet.
Die sicherheits- und klassifikationsorientierte Bewertung berücksichtigt die verteilte Systemstruktur, Kommunikations- und Datenkonsistenz sowie Anforderungen einer späteren Prüfung durch RINA. Daraus werden Vorgaben für eindeutige Steuerhoheit, Timeout-Überwachung, degradierte Betriebszustände, Änderungsmanagement und die Trennung produktiver Steuerpfade von Versuchsschnittstellen abgeleitet. Eine FMEA identifiziert 18 relevante Fehlermodi und begründet Maßnahmen zur Absicherung von Übergängen, Diagnosefunktionen und Rückfallpfaden.
Die softwarebasierte Validierung kombiniert anforderungsbezogene Tests mit risikoorientierten Prüfungen von Sperrzonen, Vorzeichenwechseln, Kommunikationsunterbrechungen, Trackingabweichungen und Notfahrstandsbetrieb. Die Ergebnisse bestätigen eine konsistente, nachvollziehbare und erweiterbare Sollwertkette. Weiterer Entwicklungsbedarf besteht bei der Präzisierung der Schnittstellen, der Automatisierung risikomindernder Reaktionen und der Inbetriebnahme unter realen Systembedingungen. Damit trägt die Arbeit zur Entwicklung modularer, validierbarer und klassifikationsfähiger Steuerungssysteme für maritime Automatisierungsplattformen bei.
Automation of a Propulsion System: Development of a Control System for the Operation of Azimuth RIM Propulsion Units Using Joysticks on the Maritime Research Platform AutoGnom
Marlene Pleuß, Hochschule Flensburg
Automated maritime research platforms require modular control systems with transparent, manageable behaviour. This thesis examines these requirements using the propulsion control system of the AutoGnom research ferry at Flensburg University of Applied Sciences.
A distributed control architecture for two azimuth RIM propulsion trains is developed and prototypically implemented. It converts joystick commands into azimuth-angle and thrust setpoints, combining setpoint generation, path selection, actuator interfacing, diagnostics, and software-based validation. As cable routing and installation prevent unrestricted 360-degree rotation, an algorithm evaluates permissible paths and critical angular ranges. It determines whether a motion vector is achieved directly, by reorienting through 180 degrees with reversed thrust, or through reduced or delayed positioning.
At SCB level, joystick signals are preprocessed, normalised, and combined into a setpoint vector. The RIM control smooths setpoints, monitors the command path, controls the propulsion units, and processes feedback and diagnostics. An emergency control station provides local control if the higher-level path fails or is overridden. The propulsion trains exchange reduction and status information to prevent asymmetric thrust and yaw moments. The architecture is also assessed for modular integration of further ship functions using the Module Type Package approach.
The safety and classification assessment considers the distributed architecture, communication and data consistency, and RINA review. It derives requirements for control authority, timeout monitoring, degraded operating states, change management, and separation of operational from experimental interfaces. An FMEA identifies 18 failure modes and supports safeguards for transitions, diagnostics, and fallback paths.
Software-based validation combines requirements-based and risk-oriented tests of restricted zones, sign changes, communication interruptions, tracking deviations, and emergency control. The results confirm a consistent, transparent, extensible setpoint chain. Further work is needed to refine interfaces, automate risk-mitigating responses, and commission the system under real conditions. The thesis thus contributes to modular, verifiable and classifiable control systems for maritime automation platforms.
