Autonome Anlegemanöver-Verfolgung eines 4-DOF-Schiffs unter nichtlinearer modellprädiktiver Regelung

Warum sicheres Anlegen wichtig ist

Jedes große Schiff muss irgendwann eine überraschend heikle Aufgabe bewältigen: an einen überfüllten Kai heranfahren und innerhalb weniger Dutzend Zentimeter zum Stillstand kommen, oft bei rauer Witterung und beengten Verhältnissen. Heute übernehmen das überwiegend erfahrene Besatzungen und Schlepper, doch künftige unbemannte oder stark automatisierte Schiffe müssen sich selbst sicher und sanft längsseits bringen können. Diese Studie untersucht, wie fortgeschrittene Regelungsalgorithmen ein Schiff mit hoher Präzision in den Hafen führen können, selbst wenn Wind und Wellen versuchen, es vom Kurs abzutreiben.

Herausforderungen beim Steuern eines Schiffs zum Kai

Anlegen ist weitaus komplexer als einfach nur langsamer werden und anhalten. Ein Schiff muss einer geplanten Bahn folgen, den Bug in die richtige Richtung halten und sanften Kontakt mit dem Kai handhaben, während Strömungen, Böen und Wellen sich ständig ändern. Traditionelle Regelungsverfahren beruhen auf festen Regeln oder manuell abgestimmten Einstellungen, die in überfüllten Häfen oder bei schlechtem Wetter an ihre Grenzen stoßen können. Frühere Arbeiten teilten das Anlegemanöver in Phasen und verbesserten Bewegungsmodelle, doch viele Ansätze hatten weiterhin Probleme mit starken, zeitlich veränderlichen Störungen und mit den feinen seitlichen und rollenden Bewegungen, die bei geringen Geschwindigkeiten nahe einer Kaimauer dominieren.

Das Schiffsverhalten genauer betrachten

Die Autoren konzentrieren sich auf eine umfassendere Beschreibung der Schiffsdynamik beim Anlaufen eines Liegeplatzes. Statt nur Vorwärtsbewegung und Kurs zu verfolgen, verwenden sie ein Vier-Freiheitsgrade-Modell, das auch Seitenversatz und Rollen einschließt. Dieses Rahmenmodell, in der Schiffsingenieurtechnik als Fossen-Modell bekannt, stellt das Schiff als starren Körper dar, auf den Kräfte von Propellern, Ruder und umgebendem Wasser einwirken, ergänzt durch zusätzliche Einflüsse von Wind und Wellen. Gleichzeitig werden zwei Koordinatensysteme verwendet: eines fest zur Erde zur Beschreibung der Gesamtposition des Schiffs und eines am Rumpf zur Erfassung lokaler Kräfte und Geschwindigkeiten. Dieses reichhaltigere Modell erfasst die subtilen, aber wichtigen Effekte, die besonders relevant sind, wenn das Schiff langsam fährt und sich nahe an Bauwerken befindet.

Ein prädiktiver "Vorausschau"-Steuermann

Auf Basis dieses Modells entwirft die Studie ein nichtlineares modellprädiktives Regelungssystem, das man sich als digitalen Steuerer vorstellen kann, der konstant einen kurzen Blick in die Zukunft wirft. In jedem Augenblick simuliert der Regler mithilfe des Schiffsmodells viele mögliche Steueraktionen — kleine Änderungen an Schub und Lenkung — und wählt die Kombination, die das Fahrzeug am besten auf der geplanten Bahn hält, während Grenzen für Geschwindigkeit und Manövriermittel eingehalten werden. Da Seebedingungen und Sensorwerte nie perfekt sind, koppeln die Autoren dies mit einer Schätzmethode namens Moving-Horizon-Estimation. Diese Methode verarbeitet jüngste Messungen von Position und Bewegung, vergleicht sie mit Modellvorhersagen und schätzt den wahrscheinlichsten tatsächlichen Zustand des Schiffs sowie die aktuelle Stärke der Umwelteinflüsse.

Den intelligenten Steuerer auf die Probe stellen

Das kombinierte Regelungs- und Schätzschema wird in einer detaillierten Computersimulation eines realen Versorgungsschiffs beim Anlegen im Hafen von Hamburg getestet. Der virtuelle Hafen enthält realistische Karten und absichtlich raue Seebedingungen mit starken Winden und dynamisch wechselnden Wellen. Die geplante Einfahrtsroute in den Hafen folgt einer glatten Doppel-S-Kurve, die eine vorsichtige reale Ansteuerung nachbildet. Der Regler muss das Schiff auf dieser Route halten, während das Manöver mit null Vorwärtsgeschwindigkeit beginnt und endet, wie es ein echtes Schiff tun würde, wenn es aus freier See kommt und schließlich den Kai berührt.

Wie gut das System funktioniert

In diesen anspruchsvollen Simulationen hält die neue Methode den Bahnfehler des Schiffs während des Manövers auf unter etwa zwei Metern und reduziert die endgültige Abweichung am Liegeplatz auf nur 0,3 Meter. Das ist deutlich besser als sowohl ein herkömmlicher Proportional–Integral–Differential-Regler als auch ein prädiktiver Regler ohne die zusätzliche Zustandsschätzungsschicht, die größere Überschwinger und weniger stabile Bewegungen zeigen. Die Geschwindigkeiten des Schiffs bleiben niedrig und gut geregelt, sodass harte Stöße vermieden werden, und die benötigten Schub- und Drehkräfte ändern sich gleichmäßig statt in abrupten Stößen. Wichtig ist, dass das System seine Leistung beibehält, selbst wenn die simulierten Wind- und Welleneinflüsse innerhalb starker, realitätsnaher Bereiche schwanken.

Was das für zukünftige Häfen bedeutet

Alltäglich ausgedrückt zeigt die Studie, dass ein unbemanntes Schiff mit der Sorgfalt eines erfahrenen Piloten an den Kai geführt werden kann, indem ein realistisches, aber kompaktes Bewegungsmodell mit einer prädiktiven, sich selbst korrigierenden Regelungsstrategie kombiniert wird. Obwohl die Arbeit auf Simulationen und nicht auf Versuchen im Vollmaßstab basiert, weist sie einen praktischen Weg zu sichererem und zuverlässigerem automatisiertem Anlegen, besonders in belebten Häfen und rauen Bedingungen. Mit weiterer Verfeinerung und Erprobung könnten solche Systeme den Bedarf an Schlepperhilfe verringern, die Arbeitsbelastung für Menschen reduzieren und den letzten, empfindlichsten Abschnitt einer Fahrt sowohl sicherer als auch effizienter machen.

Zitation: Song, ., Guo, . & Sui, J. Autonomous berthing path tracking of a 4-DOF ship under nonlinear model predictive control. Sci Rep 16, 12918 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41980-8

Schlüsselwörter: autonome Schiffe, Anlegekontrolle, prädiktive Regelung, Hafennavigation, Meeresrobotik