Automatische Stabilisierungseinheit für Wasserfahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine automatische Stabilisierungseinheit für Wasserfahrzeuge, wie Boote, Yachten u. dgl .

Aus der De 38 03 942 C3 ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Wasserlage eines Bootes bekannt, die auch bei geringen Trimm- bzw. Kränkungswinkeln anspricht und bei der die Aussteuerung des Trimms und der Kränkung unabhängig erfolgt. Dabei soll bei einer Neigung des Wasserfahrzeugs die Steuereinrichtung direkt aktiviert werden, indem ein beweglicher Kontaktgeberkörper infolge der Neigung des Wasserfahrzeugs Steuerkontakte beaufschlagt. Es werden in Abhängigkeit von dem zentralen Steuerschalter mit dem Kontaktgeberkörper Steuersignale zur Beaufschlagung der Antriebe von Trimmklappen erzeugt. Beim Krängen richtet sich das Wasserfahrzeug selbständig wieder auf, ganz gleich wie der Wind weht oder wie viele Personen auf einer Seite sitzen. Die Steuersignale beaufschlagen die Antriebsmotore der Steuerbordklappen und der Backbordklappen im Sinne gegenläufiger Klappenverstellungen. Dabei erfolgt das Ausrichten jeweils relativ zu einer einzigen Neigungsebene. Zum Trimmen des Bootes in Bezug auf zwei zueinander senkrechte Neigungsachsen einer Bezugsebene ist vorgesehen, dass eine Schieflagenkompensation durch nur die der Tiefstellung des Bootes diagonal gegenüberliegende Trimmklappe erfolgt. Der als Sollwertgeber dienende Steuerschalter ist dabei horizontal in zwei zueinander vertikale Achsen ausrichtbar.

Ein bekanntes automatisches Trimmsystem für Antrieb und Klappen gleicht bei Kursänderungen, Seitenwind oder Personebbewe- gungen auf dem Wasserfahrzeug permanent die Schräglage aus und korrigiert die Wasserlage automatisch (Automatisches Trimmsystem für Antrieb und Klappen, ACS, Mente Marine, P.O. Box 472, FIN-65101 Vaasa, Finnland) . Hierzu sind Sensoren vorgesehen, die die Geschwindigkeit, die Wankbewegungen, das Gieren und die Nickbewegung erkennen. Ein Programm korrigiert die Wasserlage des Bootes in Gleitfahrt und hört erst auf, wenn das Boot in die Verdrängungsphase übergeht. über die vom Sensor ermittelte Motordrehzahl wird das Unterschreiten der Gleitgeschwindigkeit erkannt. Dabei passt sich das System dem Seegang an. Unterschiedlicher Seegang wird von dem System ebenfalls erkannt. Hierbei korrigiert das Trimmsystem bei ruhigem Wasser schneller als in rauer See. Wird über das Giergeschwindigkeitssignal vom Trimmsystem eine Kurvenfahrt erkannt, so wird ein weitergehender Regelungseingriff aktiv verhindert. Erst wenn das Boot wieder stabil geradeaus läuft, schaltet sich das Trimmsystem wieder ein.

Mit den von den Steuerungen der Trimmsysteme ausgegebenen Steuersignalen werden an sich bekannte Stellglieder der Wasserfahrzeuge gesteuert. In Figur 1 ist eine Längstrimmeinrich- tung 15 dargestellt, die eine Power-Trimm des Wasserfahrzeugs mittels Außenbordern und Z-Antrieb ermöglicht. Hierzu wird die Längsantriebseinheit 23 des Wasserfahrzeugs um den Lagerpunkt 9 in Pfeilrichtung 8 geschwenkt. Zusätzlich können Trimm- Klappen 16, 17 synchron angesteuert werden.

Eine bekannte Quertrimmeinrichtungen kann die in Figur 2 schematisch dargestellten elektrisch und/oder hydraulisch ansteu-

erbaren Trimm-Klappen 16, 17 aufweisen, die asynchron angesteuert werden.

Darüber hinaus sind Längsantriebseinrichtungen 23, z.B. mindestens ein Antriebsmotor, üblicherweise ausgeführt als Außenbordmotor, Z-Antrieb, Wellenantrieb vorgesehen (EP1051326B1) . Eine nicht näher dargestellte Querantriebseinrichtung kann ein Bugstrahlruder und/oder ein Heckstrahlruder aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Stabilisierungseinheit für Wasserfahrzeuge, wie Boote, Yachten u. dgl so zu verbessern, dass das Wasserfahrzeug bei allen Fahrsituationen stabilisiert werden kann.

Die Eingangs beschriebene bekannte Stabilisierungseinheit „Attitüde Correction Systems - ACS A+" der Fa. Mente-Marine hat zwei Funktionsblöcke, mittels denen sich eine automatisierte Längstrimm-Regelung und ein Krängungsausgleich jeweils bei Geradeausfahrt durchführen lassen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung vermeidet die Einschränkungen der bekannten Stabilisierungseinheit auf eine Regelung bei Geradeausfahrt und besteht darin, dass ein elektronischer Regler vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit der fahrsituationsbedingten Drehraten und Longitudinalbeschleunigungen und/oder Lateralbeschleunigungen und/oder Vertikalbeschleunigungen, unter Nutzung der im Wasserfahrzeug üblicherweise verfügbaren Stellglieder, die Wasserlage des Wasserfahrzeugs im Fahrbetrieb während einer Geradeausfahrt und einer Kurvenfahrt stabilisiert, so dass eine Belästigung, Beschädigung oder Gefährdung des Wasserfahr-

zeugs, dessen Insassen sowie deren Umfeld verhindert bzw. auf ein Minimum reduziert wird.

Wesentliches ist dabei, dass eine automatische Stabilisierungseinheit für Wasserfahrzeuge, wie Boote, Yachten, Schiffe, einen elektronischen Regler zur Fahrstabilisierung aufweist, dem die gemessenen oder berechneten fahrsituationsbedingten Drehraten und Beschleunigungen (longitudinal, lateral, vertikal) als Ist-Größen zur Verfügung gestellt werden und der Regler in Abhängigkeit von berechneten Soll-Größen die Wasserlage eines angetriebenen Wasserfahrzeugs jederzeit bei Geradeausfahrt und Kurvenfahrt stabilisiert.

Als Stellglieder sind zweckmäßig Längs- und Quertrimmeinrichtungen und/oder Längs- und Querantriebseinheiten vorgesehen.

Vorteilhaft weist die elektronische Regelung eine Bedieneinheit auf, mittels der durch den Bediener frei wählbar anwendungsspezifische Fahrprogramme einstellbar sind. Es sind dabei mit der Bedieneinheit vorteilhaft mindestens die vorkonfigurierten Fahrprogramme ECO, HAFEN, TROLL, WAVE, CRUSING, SKI einstellbar, wobei z.B. mittels ECO ein sparsames Fahren und mittels HAFEN eine Hafeneinfahrt unterstützt wird.

Ferner erhält der elektronische Regler weitere Eingangssignale, die den Fahrer in seiner Verantwortung zur vorausschauenden Fahrweise und Kollisionsverhütung unterstützen. Die weiteren Eingangssignale des Reglers werden von Systemen in oder an dem Wasserfahrzeug erzeugt, deren Ausgangssignale zur Fahrwassererkennung zur Verfügung gestellt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter-

ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Längstrimmein- richtung, insbesondere eines Power-Trimm mittels Außenbordern und Z-Antrieb,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Quertrimmeinrichtungen, insbesondere elektrisch und/oder hydraulisch ansteuerbare Trimm-Klappern,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines fahrzeugfesten Koordinatensystems eines Wasserfahrzeugs mit den zugeordneten Winkeln

Figur 4 eine schematische Darstellung des Wankwinkels im fahrzeugfesten Koordinatensystem

Figur 5 eine schematische Darstellung des zu dem in Figur 4 gehörigen raumfesten Koordinatensystems

Figur 6 eine Darstellung des Zusammenhangs von Querdynamik und Wankwinkel

Figur 7 eine Darstellung des Zusammenhangs des Wankwinkels und den Beschleunigungen

Figur 8 eine Darstellung des Zusammenhangs von Längsdynamik und Nickwinkel

Figur 9 eine Darstellung des Zusammenhangs des Nickwinkels und den Beschleunigungen

Figur 10 ein Blockschaltbild des Reglers für die Wasserfahrzeugregelung

Figur 11 eine Darstellung der Winkel in der Horizontalebene

1. Allgemeine Definition der Koordinatensysteme eines Wasserfahrzeugs

Betrachtet man ein Wasserfahrzeug, z.B. eine Yacht oder ein Boot, das in Ruhe liegt, so können 3-Achsen eines lokalen Orthogonalsystems festgelegt werden:

Nullpunkt: Der Punkt, an dem die Auftriebskraft angreift x-Achse: Die Längsachse y-Achse: Die Querachse z-Achse: Die Vertikale, entsprechend der Richtung der Auftriebskraft

überträgt man diese drei Achsen auf das in Figur 3 dargestellte Wasserfahrzeug, können die folgenden zwei Koordinatensysteme betrachtet werden:

Raumfestes Koordinatensystem x _o -yo-z _o mit dem Ursprung im Fahrzeugschwerpunkt oder Nullpunkt, die z _o -Achse zeigt senkrecht nach oben, die x _o -Achse zeigt die Fahrtrichtung nach vorn und die y _o -Achse liegt auf der horizontalen Ebene und verläuft senkrecht zur x _o -Achse; sie zeigt in Fahrtrichtung nach links.

Fahrzeugfestes Koordinatensystem x-y-z mit dem Ursprung im Fahrzeugschwerpunkt, die z-Achse verläuft senkrecht zu Fahrzeugbodenebene nach oben, die x-Achse liegt parallel zu Fahrzeugbodenebene und zeigt in die Fahrtrichtung nach vorn, die y-Achse liegt parallel zu Fahrzeugbodenebene und zeigt in Fahrtrichtung nach links.

Das fahrzeugfeste Koordinatensystem x-y-z kann gegenüber dem raumfesten Koordinatensystem x _o -yo-z _o durch zwei Drehungen, die man nacheinander durchführt, realisiert werden. Am Anfang liegen die beiden Koordinatensysteme übereinander (Fig. 3). Dann dreht man das fahrzeugfeste Koordinatensystem x-y-z um die y ₀ - Achse in positive Richtung (Pfeilrichtung 11) um den Winkel φ. Damit hat die x-Achse den gleichen Winkel φ zu der x ₀ -

Achse. Man bezeichnet den Winkel φ als Nickwinkel 13 oder Stampfwinkel des Wasserfahrzeugs 10. Danach dreht man das fahrzeugfeste Koordinatensystem x-y-z um die x-Achse (Pfeilrichtung 12) um einen Winkel K. Der in Figur 4 dargestellte

Winkel K wird als Wankwinkel 14 oder Rollwinkel bezeichnet. Das in Figur 4 nur schematisch durch gestrichelte Linien angedeutete raumfeste Koordinatensystem ist in Figur 5 separat dargestellt .

2. Bewegungen des Wasserfahrzeugs

Greifen Kräfte an ein Wasserfahrzeug, wie ein Schiff oder ein Boot an, die nicht lotrecht sind, so gerät das Wasserfahrzeug in Bewegung; das schwimmende Wasserfahrzeug 10 ist ein frei beweglicher Körper mit 6 Freiheitsgraden, es kann daher sechs verschiedene Bewegungen einzeln oder kombiniert ausführen: Drei translatorische: in Richtung der x-Achse: (vorwärts, rückwärts) in Richtung der y-Achse: (seitwärts driften) in Richtung der z-Achse: (tauchen) und drei rotatorische:

Drehung um die x-Achse: (krängen, rollen, wanken) Drehung um die y-Achse: (trimmen, stampfen, nicken) Drehung um die z-Achse: (drehen, gieren)

Ein einfaches Beispiel ist die Bewegung vorwärts: Erzeugt die Längsantriebseinheit 23 die Kraft M in die negative x- Richtung, so bewirkt diese eine Vorwärtsbewegung.

3. Sensoren und Messwerte

Wie die Figuren 6 bis 9 und 11 zeigen, sind mit dem später noch näher zu beschreibenden elektronischen Regler 20 drei Beschleunigungssensoren 18 verbunden, die dem fahrzeugfesten Koordinatensystem x-y-z zugeordnet sind. Die Sensoren 18 messen die entsprechenden drei Beschleunigungskomponenten a _xM , a _yM und a _zM . Ebenfalls sind drei Winkelgeschwindigkeitssensoren 18 mit dem elektronischen Regler 20 verbunden, die dem fahrzeugfesten Koordinatensystem x-y-z fest zugeordnet sind. Die Sensoren 18 messen die in Figur 3 dargestellten drei Winkelgeschwindigkeiten um die x- y- und z-Achse. Diese sind die Wank- geschwindigkeitK oder Rollgeschwindigkeit, Nickgeschwindigkeit φ oder Stampfgeschwindigkeit und die Giergeschwindig- keitψ .

Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen bei denen die von den Sensoren 18 ermittelten Beschleunigungen und/oder Geschwindigkeiten auch aus anderen Signalen über Modelle berechnet bzw. geschätzt werden.

3.1 Wankwinkel des Wasserfahrzeugs (Rollwinkel, Krängwinkel))

Der Wankwinkel K kann nicht direkt gemessen werden. Um den Wankwinkel K abzuleiten, werden die Beschleunigungskomponenten in der y-z-Ebene betrachtet. Bei einer Kurvfahrt gibt es

zwei Beschleunigungskomponenten in der y-z-Ebene a _Q und a _v . Dabei ist a _Q die Querbeschleunigung des Wasserfahrzeugs 10 in der YO-Richtung und a _r die Vertikalbeschleunigung in der ZO- Richtung. α^ist näherungsweise mit der Zentripetalbeschleunigung identisch. a _Q =Vά=V\\f -Fß =Fψ (20)

wobei V= die Fahrgeschwindigkeit im raumfesten Koordinatensystem, ά = Fahrzeugkurswinkelgeschwindigkeit, ψ =Gierrate und ß = Driftwinkelgeschwindigkeit sind. Die Winkel in der Horizontalebene, wie z.B. ψ oder ß oder ά sind in Figur 11 näher dargestellt .

Figur 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Querdynamik und dem Wankwinkel des Wasserfahrzeugs.

Die der Querbeschleunigung entsprechende Fliehkraft F _F versucht das Wasserfahrzeug nach Kurvenaußen zu bewegen. Ein Gleichgewicht in der Querrichtung kann nur durch eine von Wasser an dem Wasserfahrzeug wirkende Querkraft F _Q mit dem gleichen Betrag erreicht werden:

F _Q =F _F =ma _Q ~mV\\f (21)

In der Z0-Richtung befindet sich das Wasserfahrzeug dann im Gleichgewicht, wenn die Auftriebskraft F _A mit der Schwerkraft F ₀ = gm des Boots gleich groß ist. g ist dabei die Erdbeschleunigung, m die Masse. Die Auftriebskraft F _ä könnte eine

virtuelle Vertikalbeschleunigung a _v erzeugen, wenn die Schwerkraft nicht vorhanden wäre.

Falls das Wasserfahrzeug 10 keinen Wankwinkel (K=O) hätte, dann wäre die mit dem Sensoren 18 gemessene Beschleunigung a _yM identisch mit der von Querkraft F _Q erzeugten Zentripetalbeschleunigung ü _Q und die Beschleunigung a _zM mit der von Auftriebskraft F _A erzeugten Vertikalbeschleunigung a _r . Falls das

Wasserfahrzeug 10 einen Wankwinkel (K ≠O) aufweist, dann gibt die in Figur 7 dargestellten folgender Beziehung zwischen den gemessenen Beschleunigungen und der Querbeschleunigung a _Q sowie der virtuellen Vertikalbeschleunigungα _F : ^a _v i _u = ( ^a o COSK + α _F sin K) ^{y y} (22) a _zM = (a _Q sinK + a _v COSK)

Bei Vernachlässigung der vertikalen Bewegung des Wasserfahrzeugs 10, wäreα _F =g. Dann gilt

) a _o = VMf

Falls die vertikale Bewegung des Bootes genau betrachtet wird, dann gilt

a _Q =(a _yM cosκ-a _zM smκ)

a _M a ₀ a _M — a ₀

K = γ - ^■ & = aresin - - aresin = ~ _j -— ( 25 )

Bei kleiner Querbeschleunigung gilt

Iv "^- g

3.2 Nickwinkel des Wasserfahrzeugs (Stampfwinkel, Trimmwinkel)

Der Nickwinkel des Wasserfahrzeugs ist genau wie der Wankwinkel nicht direkt zu erfassen. Bei der Geradeausfahrt können die an Boot wirkenden Außenkräfte und die entsprechenden Beschleunigungen in der X Z-Ebene zerlegt und dargestellt werden. Für die Vorwärtsfahrt gibt es eine Antriebskraft oder

Längskraft F _L , die auf das Wasserfahrzeug in der XO-Richtung wirkt und eine Längbeschleunigungα^ erzeugt. Außerdem wirkt an

Boot eine Auftriebskraft F _A , die in der ZO-Richtung zeigt und vor allem die Schwerkraft des Wasserfahrzeugs kompensiert. Ohne die Schwerkraft würde die Auftriebskraft F _A eine virtuelle Vertikalbeschleunigung a _r erzeugen.

Falls das Wasserfahrzeug keinen Nickwinkel (φ=0) hätte, dann wäre die mit dem Sensoren 18 gemessene Beschleunigung a _xM identisch mit der von der Längskraft F _L erzeugten Längsbeschleunigung a _L und die Beschleunigung a _zM mit der von der Auftriebskraft F _A erzeugten Vertikalbeschleunigung a _v . Falls das Boot einen Nickwinkel (φ≠O) aufweist, dann gibt es die in Figur 9 dargestellte folgende Beziehung zwischen den gemessene Beschleunigungen und der tatsächlichen Längsbe-

schleunigung a _L sowie der virtuellen Vertikalbeschleunigung a _r :

a _xM =(α _z cosφ-α _F sinφ) a _zM = (a _L sinφ + a _v cosφ)

Bei Vernachlässigung der vertikalen Bewegung des Wasserfahrzeugs wäreα _F =g. Dann gilt

φ = θ - ε = arcsm a _τ =V

Falls die vertikale Bewegung des Wasserfahrzeugs genau betrachtet wird, dann gilt

a _L =(a _xM cos<p + a _zM sm<p) ^ ^

φ = θ - ε = arcsm . = - arcsm

A ^a lu + a] _M y]a _x ² _M + a] _M yja _x ² _M +a _z ² _M (30) a _L =V

Bei kleiner Längsbeschleunigung gilt

a _L «g, 4s ^2+a l ~s < ³¹⁾ φ

4. Schaltbild für die Regelung des Wasserfahrzeuges

Figur 10 zeigt einen elektronischen Regler 20, der mit den Sensoren 18 des Wasserfahrzeugs 10 verbunden ist. Die Sensoren 18 können die im Kapitel 3 genannten Beschleunigungs- und Ge-

schwindigkeitssensoren sein, die dem fahrzeugfesten Koordinatensystem x-y-z zugeordnet sind. Die Sensoren 18 ermitteln die drei Beschleunigungskomponenten a _xM , a _yM , a _zM und die drei Winkelgeschwindigkeiten um die x- y- und z-Achse. Diese sind die Wankgeschwindigkeit K oder Rollgeschwindigkeit, Nickgeschwindigkeit φ oder Stampfgeschwindigkeit und die Giergeschwin- digkeitψ . Diese Regelgrößen werden dem Regler 20 für die Ermittlung der Wasserfahrzeugbewegungen, nämlich dem Wank- und Nickwinkel, zur Verfügung gestellt. Weiterhin können zusätzliche Sensoren 18 oder Modelle zur Wassertiefenerfassung, wie Echolot, oder Neigungssensoren, GPS, und dgl . und Sensoren 18 zum Erkennen des Fahrerwunsches, wie Lenkwinkelsensoren, Sensoren zur Ermittlung von Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorgaben, durch den Fahrer und dgl. vorgesehen sein. Ferner können Sensoren oder Modelle vorgesehen sein, die die Wassertiefe, den Kraftstoffdurchfluss, die Motordrehzahl, die Drehgeschwindigkeit eines Paddelrades oder das Motormoment ermitteln. Der Regler 20 weist eine erste Auswerteeinheit 22 zum Erkennen des Fahrerwunsches auf. Diese erste Auswerteeinheit 22 ist mit einer Eingabeeinheit 24 verbunden, mittels der durch den Fahrer bzw. Bediener frei wählbar anwendungsspezifische Fahrprogramme einstellbar sind. Als Fahrprogramme können HAFEN, eine Manövrierhilfe auf engstem Raum; TROLL, eine Absenkung der kleinstmöglichen Geschwindigkeit, eine Heckwellen- Ausgleichsregelung bei Aufstopp-Manövern; ECO, eine Fahrt bei maximaler Brennstoffeffizienz, die auch zusätzlich zu anderen Fahrprogrammen wählbar ist; CRUISING, ein Tempomat für sparsamste Marschfahrt; SKI, ein Fahrprogramm mit flacher Heckwelle bei dem die Geschwindigkeit speicherbar ist; WAVE, ein Fahrprogramm mit hoher Heckwelle bei dem die Geschwindigkeit speicherbar ist, an der Eingabeeinheit 24 über eine Tastatur

oder einen Schalter und/oder drahtlos über eine Fernbedienung eingestellt werden. Die Vorgaben des Fahrers mittels der Fahrprogramme über das Mensch-Maschine-Interface und/oder die direkten Vorgaben des Fahrers über die Betätigungen des Bedienungselemente, wie Lenkrad, Gaspedal, und/oder die Signale der Sensoren 18 werden in der Auswerteeinheit 22 bezüglich der Fahrsituationen bewertet und die Sollgrößen, wie z.B. Kraftstoffzufluss, Motordrehzahl und dgl . der Vergleichseinheit 38 zugeführt. Von der zweiten Auswerteeinheit 26, die mit den Sensoren 18 verbunden ist, werden der Vergleichseinheit 38 die Signale der Sensoren 18 als Istgrößen oder nach einer Istgrößenberechnung in einem Modell zugeführt. Die Soll-Ist- Abweichungen werden einem Regler 40 zur Verfügung gestellt der Stellgrößen III für die Aktuatoren des Wasserfahrzeugs 10 ermittelt und dem Arbitrations-Block 34 zur Verfügung stellt, in dem die endgültigen Stellgrößen ermittelt werden..

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Reglers 20 anhand der Ermittlung von Stellgrößen I, II aus dem Wank- und Nickwinkel näher beschrieben:

In der ersten Auswerteeinheit 22 werden der Sollwankwinkel und Sollnickwinkel ermittelt. In der zweiten Auswerteeinheit 26, der als Eingangsgrößen die Messwerte der Sensoren 18 zugeführt werden, werden die Istgrößen, d.h. der Istwankwinkel und der Istnickwinkel, aus den Sensorwerten nach Gl. (25) und Gl. (39) berechnet. über jeweils eine Vergleichseinheit 27, 28 werden aus dem Soll- und Istwankwinkel K _5oü ,K _λf und dem Soll- und Istnickwinkel ψ _Soü ,ψ _λr die jeweilige Abweichung δK und δφ ermittelt. Das Ausgangssignal δK wird dem Wankwinkelregler 30 und das Ausgangssignal δφ dem Nickwinkelregler 32 als Ein-

gangsgröße zugeführt. Der Wankwinkelregler 30 berechnet aus der Wankwinkelabweichung δK die entsprechenden Stellgrößen II zur Ansteuerung z.B. der Position der Trimm-Klappen 16, 17 u. dgl . Der Nickwinkelregler 32 berechnet aus der Nickwinkelabweichung δφ die eigenen Stellgrößen I zur Ansteuerung z.B. der Position der Trimm-Klappen 16, 17 und/oder des Neigungswinkels der Power Trimm 15 usw. In dem mit dem Wankwinkelregler 30 und dem Neigungswinkelregler 32 verbundenen Arbitrati- on-Block 34 werden aus den zwei Gruppen von Stellgrößen I, II die entgültigen Stellgrößen für die Ansteuerung der Stellglieder der Aktuatoren berechnet. Die Stellglieder, z.B. Hydraulikzylinder oder Elektromotore, stellen diese arbitrierten Stellgrößen der Aktuatoren 15, 16, 17, ein. Das wirkt direkt auf das Wasserfahrzeug und beeinflusst die Fahrzeugbewegungen. Die Fahrzeugbewegungsgrößen und die Fahrerwünsche werden mit den Sensoren 18 erfasst und zurückgeführt.

Vorteilhaft können die Sollwerte, d.h. die verschiedenen Fahrerwünsche, Regelungen, Fahrprogramme vom Fahrer vorgegeben werden. Dabei ist es auch möglich die vorgegebenen Sollwerte für die Regelung, während des Betriebes, zu verändern.

Alle Berechnungen des automatischen Reglers 20 werden wegen Fehlererkennungsgründen redundant und gleichzeitig auf zwei Prozessorkernen durchgeführt und miteinander verglichen. Wird eine Abweichung zwischen beiden Berechnungen erkannt erfolgt kein Regeleingriff. Weiterhin können die Beschleunigungs- und Drehratensignale einer Plausibilisierung unterzogen werden (fehlerhafte Sensorsignale können erkannt werden) .

5. Funktionsumfang

Der Regler 20 ist bevorzugt modular aufgebaut und enthält Funktionsmodule, die in Abhängigkeit von den im Wasserfahrzeug 10 vorhandenen Sensoren 18 und den Programmen zur Berechung von Eingangs- und/oder Ausgangsgrößen sowie den Aktuatoren unabhängig voneinander oder aufeinander aufbauend kombinierbar sind.

Der Regler 20 kann beispielhaft mit folgenden Funktionsmodulen ausgebildet werden:

Grundmodul Ia: Wasserfahrzeuge, nur mit Power-Trimm- Steller 15

+ Längstrimm-Regelung bei Geradeausfahrt + Schubkraftmaximierung bei Geradeausfahrt + Flachwasser-Antriebsschütz-Regelung

Grundmodul Ib: Wasserfahrzeuge, nur mit Trimmklappen- Steller 16, 17

+ Krängungsausgleich bei Geradeausfahrt + Quertrimm-Regelung (seitenkraftreduziert) bei Kurvenfahrt + Gierkompensation bei Geradeaus-Schleichfahrt

Ausbaumodul 2: Wasserfahrzeug mit Power-Trimm 15 und

Trimmklappen-Steller 16, 17

+ Längstrimm-Regelung bei Kurvenfahrt

+ Schubkraftmaximierung bei Kurvenfahrt

+ Rauwasser-Ausgleichsregelung

+ Lastausgleich bei einseitigen Schlepp-Manövern

+ HAFEN (Manövrierhilfe auf engstem Raum)

+ TROLL (Absenkung der kleinstmöglichen Geschwindigkeit)

Ausbaumodul 3: Wasserfahrzeug mit zusätzlichem Motormo- menten-Steller

+ Heckwellen-Ausgleichsregelung bei Aufstopp- Manövern

+ ECO (Alle Funktionen bei maximaler Brennstoffeffi- zienz)

+ CRUISING (Tempomat für sparsamste Marschfahrt) + SKI (flache Heckwelle/Geschwindigkeit speicherbar) + WAVE (hohe Heckwelle/Geschwindigkeit speicherbar)

5.1 Regelverfahren

5.1.1 Längstrimm-Regelung bei Geradeausfahrt oder bei Kurvenfahrt

Der Regler 20 führt eine automatische Längstrimm-Regelung bei Geradeausfahrt oder Kurvenfahrt aus, welche den Nickwinkel φ des Wasserfahrzeugs 10 derart beeinflusst, dass sich das Wasserfahrzeug 10 in einem nach hydrodynamischen Gesetzen optimalen Nickwinkel φ zur Wasseroberfläche in Fahrtrichtung bewegt, um möglichst schnell und dauerhaft die wirtschaftlichere Gleitfahrt zu nutzen.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren und/oder der Modelle für die Längs- und Vertikalbeschleunigung a _xM , a _zM sowie die Gierrate ψ (Gierwinkelgeschwindigkeit) und der Geschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 10 bei der Längstrimm-Regelung bei Geradeausfahrt und zusätzlich die Signale für die Querbeschleunigung a _M bei der Längstrimm-Regelung bei Kurvenfahrt

als Eingangsgrößen zugeführt. Geradeausfahrt liegt vor, wenn die Fahrsituationserkennung 22 ermittelt, dass die Signale ψ des Gierraten-Sensors 18 in einem anhand von Grenzwerten mit unterschiedlichem Vorzeichen gebildeten Toleranzband um den Null-Wert (Nulldurchgang) liegen. Kurvenfahrt liegt vor, wenn die Fahrsituationserkennung 22 nach Vergleich der Signale des Gierratensensors 18 mit den Grenzwerten des Toleranzbandes ermittelt, dass die Werte außerhalb des Toleranzbandes liegen. Die Vorzeichen der Signale geben dabei an, ob das Wasserfahrzeug 10 eine Link- oder eine Rechtskurve durchfährt. Ein Gierratensensor misst die Drehung um die Z-Achse (Fig. 3, 11) . Bei erkannter Geradeausfahrt ermittelt die Fahrerwunschauswertung

22 den Soll-Neigungswinkel φ _Solι , dieser wird in der Vergleichseinheit 27 mit dem berechneten Ist-Neigungswinkel φ verglichen und die Soll-Ist-Abweichung dem Nickwinkelregler 32 zur Verfügung gestellt. Dieser ermittelt aus der Abweichung die Stellgröße I für die Ansteuerung der Längstrimmeinrichtungen, wie dem Power-Trimm 15.

Wird in der Fahrsituationserkennung 22 Kurvenfahrt erkannt, wird zusätzlich die Wankwinkelabweichung K in der Vergleichseinheit 28 ermittelt und in dem Arbitration-Block 34 aus den beiden im Nick- und Wankwinkelregler 30, 32 ermittelten Stellgrößen I, II die endgültigen Stellgrößen für die Längsstabilität ermittelt. Mittels der endgültigen Stellgrößen werden die Längs- und Quertrimmeinrichtungen, wie den Power- Trimm 15 und die Trimm-Klappen 16, 17 eingestellt. Die Einstellung erfolgt derart, dass sich eine bestmögliche Kombination aus den mittels Beschleunigungssensoren 18 ermittelten Längs- und Vertikalbeschleunigungen bei Geradeausfahrt bzw. Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigungen bei Kurvenfahrt in

Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v ergibt. Die Geschwindigkeit kann mittels eines Geschwindigkeitssensors, wie Drehzahlsensors, GPS u.dgl., ermittelt werden.

Um die Reaktionszeit des Reglers 20 zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen 15, 16, 17 auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, aus denen die Nickrate und die Motordrehzahl bei der Geradeausfahrt oder die Nick- und die Wankrate sowie die Motordrehzahl ermittelt werden kann, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie den Trimmklappen 16, 17 bei der Geradeausfahrt und einem Motormo- menten-Steller bei Kurvenfahrt, möglich.

Durch die Längstrimm-Regelung werden die folgenden Vorteile erzielt :

Ein Sturz bzw. überbordgehen von ungesicherten Insassen und/oder Gegenständen. Weniger Kraftstoffverbrauch durch schnelleren Eintritt in die Gleitphase. Eingeschränkte Sicht während der Startphase Eingeschränkte Steuerbarkeit in der übergangsphase. Verbesserte Beschleunigung und Höhere Geschwindigkeit.

5.1.2 Krängungsausgleich bei Geradeausfahrt

Der Regler 20 kontrolliert einen automatischen Krängungsausgleich bei Geradeausfahrt, welche den Wankwinkel K des Wasserfahrzeugs 10 derart beeinflusst, dass sich das Wasserfahrzeug 10 jederzeit parallel zur Wasseroberfläche bewegt und in Längsrichtung dem vorgegebenen Kurs folgt.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren und/oder der Modelle für die Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigung a _xM , ^a _yM i ^a _z u sowie die Gierrate ψ (Gierwinkelgeschwindigkeit) und der Fahrgeschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 10 bei der Längstrimm-Regelung bei Geradeausfahrt zugeführt. Anhand der Ausgangssignale der Gierratensensors 18 wird eine Geradeausfahrt entsprechend der Beschreibung in 5.1.1 erkannt. Diese liegt vor, wenn die gemessene Gierrate ψ sich innerhalb eines Toleranzbandes um den Nulldurchgang befindet. Liegt dabei eine Fahrgeschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 10 größer als Schleichfahrt, insbesondere größer 3km/h, vor, ermittelt die Fahrerwunschauswertung 22 den Soll-Wankwinkel K _Soll , dieser wird in der Vergleichseinheit 28 mit dem berechneten Ist-Wankwinkel K verglichen und die Soll-Ist-Abweichung dem Wankwinkelregler 30 zur Verfügung gestellt. Dieser ermittelt aus der Abweichung die Stellgröße I für die Ansteuerung der Quertrimmeinrichtungen, wie den Trimm-Klappen 16,17 und stellt diese Stellgröße I dem Arbitration-Block 34 zur Verfügung, der aus der ermittelten Stellgröße I und ggf. weiteren Stellgrößen III, die endgültigen Stellgrößen für die Querstabilität ermittelt. Die Querstabilität wird dann mittels der vorhandenen Quertrimmeinrichtungen, wie Trimm-Klappen 16, 17 derart eingestellt, dass sich eine kleinstmögliche Querbeschleunigung a _M relativ zum Wasserfahrzeug 10 ergibt.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen (Lebensdauer) auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weite-

ren Eingangssignalen, aus denen sich eine Wankrate und die Motordrehzahl ermitteln lässt, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie einen Power-Trimm 15, möglich.

Durch den Kränkungsausgleich werden die folgenden Vorteile erzielt :

Sturz bzw. überbordgehen von ungesicherten Insassen des Wasserfahrzeugs (z .B . durch Kipp-/Schaukelbewegung des Fahrzeugs); Verlust von ungesicherten Gegenständen durch überbordfallen (z.B. bei Krängung);

Antriebsschaden durch Erfassen von verlorenen Gegenständen Ungewollte Eigenlenkneigung macht permanente Lenkkorrektur notwendig (z .B . Einseitige Belastung)

5.1.3 Quertrimm-Regelung (seitenkraftreduziert) bei Kurvenfahrt

Der Regler 20 führt eine automatische Quertrimm-Regelung durch, welche die Bootsneigung bei Kurvenfahrt derart beein- flusst, dass den Insassen eine seitenkraftfreie Kurvenfahrt ermöglicht wird. Seitenkraftfreie Kurvenfahrt heißt, dass eine seitenkraftfreie Einstellung des Wankwinkels K erfolgt.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren und/oder der Modelle für die Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigung a _xM , ^a _yM i ^a _z u sowie die Gierrate ψ (Gierwinkelgeschwindigkeit) und der Fahrgeschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 10 bei der Quertrimm-Regelung bei Kurvenfahrt zugeführt. Anhand der Ausgangs-

Signale der Gierratensensors 18 wird eine Kurvenfahrt entsprechend der Beschreibung in 5.1.1 erkannt. Diese liegt vor, wenn die gemessene Gierrate ψ sich außerhalb eines Toleranzbandes um den Nulldurchgang befindet. In der Fahrerwunschauswertung 22 wird dann der seitenkraftfreie Soll-Wankwinkel K _Soll ermittelt, dieser wird in der Vergleichseinheit 28 mit dem berechneten Ist-Wankwinkel K verglichen und die Soll-Ist-Abweichung dem Wankwinkelregler 30 zur Verfügung gestellt. Dieser ermittelt aus der Abweichung die Stellgröße I für die Ansteuerung der Quertrimmeinrichtungen, wie den Trimm-Klappen 16,17 und stellt diese Stellgröße I dem Arbitration-Block 34 zur Verfügung, der aus der ermittelten Stellgröße I und ggf. weiteren Stellgrößen III, die endgültigen Stellgrößen für die Querstabilität ermittelt. Die Querstabilität wird dann mittels der vorhandenen Quertrimmeinrichtungen, wie Trimm-Klappen 16, 17 derart eingestellt, dass sich eine kleinstmögliche Querbeschleunigung a _yM relativ zum Wasserfahrzeug 10 ergibt.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, die die Wankrate, Geschwindigkeit und die Motordrehzahl repräsentieren, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie Power- Trimm und Motormomenten-Steller, möglich.

Durch die Quertrimm-Regelung werden die folgenden Vorteile erzielt :

Verkratzen/Einreißen/Leckschlagen von Polstern/Böden/Seitenwänden durch sich bewegende, ungesicherte Gegenstände (z.B. Anker, Flaschen)

Verlust von ungesicherten Gegenständen durch überbordfallen Antriebsschaden durch Erfassen von verlorenen Gegenständen Verschmutzung von Kleidung/Inventar durch auslaufende Flüssigkeiten (z.B. Kraftstoff, Reinigungsmittel, Getränke) Sturz/Verletzung/überbordgehen von ungesicherten Insassen des Wasserfahrzeugs

Körperverletzungen durch sich bewegende, ungesicherte Gegenstände (z.B. Anker, Werkzeug, Wasserski/Wakeboard) Ausreichend viele Abstütz-/ Haltevorrichtungen notwendig Alle Insassen des Wasserfahrzeugs müssen jederzeit Aufmerksam sein (z.B. keine schlafenden Personen/Kinder)

5.1.4 Schubkraftmaximierung bei Geradeausfahrt und bei Kurvenfahrt

Der Regler 20 führt eine automatische Schubkraftüberwachung bei Geradeausfahrt und bei Kurvenfahrt mit kombinierter Regelung durch, welche das sog. Ventilieren des Propellers der Längsantriebseinheit 23 erkennt und bei Fahrt derart den Kraftschluss des Propellers im Wasser beeinflusst, dass jederzeit der bestmögliche Wirkungsgrad an der Kraftübertragungsstelle Längsantriebseinheit/Wasser gewährleistet ist und damit auch Schaden von Wasserfahrzeug 10 und Antriebseinheit 23 durch Drehzahlschwankungen/-überhöhung abgewendet wird.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 oder der nicht näher beschriebenen Modelle, die die Gierrate, die relative Fahrzeuggeschwindigkeit zur Wasseroberfläche (Paddelrad, Staudruckmesser) und die Motordrehzahl repräsentieren, zuge-

führt. Anhand der Auswertung der Gierrate des Gierratensensors wird eine Geradeausfahrt oder Kurvenfahrt erkannt. Die von den Sensoren 18 oder Modellen zur Verfügung gestellten Signale für die relative Fahrzeuggeschwindigkeit und die Motordrehzahl dienen zum überwachen des Schlupfverlaufs zwischen Längsantriebseinheit 23 und Wasseroberfläche bei Geradeausfahrt. Bei Kurvenfahrt wird zusätzlich die mit den Sensoren 18 gemessene Quer-, Längs- und Vertikalbeschleunigungen a _xM , a _yM , a _zM ermittelte und nach Beziehung (25) die in der zweiten Auswerteeinheit 26 ermittelte Ist-Wankgröße ψ _λr oder deren in der Vergleichseinheit 38 ermittelte Abweichung der Längsantriebseinheit 23 zur Wasseroberfläche zur überwachung des Schlupfverlaufs herangezogen. Anhand des so ermittelten Schlupfverlaufs wird der Kraftschluss mittels der vorhandenen Längstrimmein- richtungen 15 bei Geradeausfahrt und der Längs- und Quertrimmeinrichtungen 15, 16, 17 derart eingestellt, dass ein kleinstmöglicher Schlupf, also eine Abweichung zwischen der relativen Fahrzeuggeschwindigkeit und der zugehörigen Motordrehzahl, resultiert. Die Motordrehzahl ist proportional der Drehgeschwindigkeit des Propellers.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, die die Längsbeschleunigung repräsntieren, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie eines Motormomenten-Stellers, möglich.

Durch die Schubkraftmaximierung werden die folgenden Vorteile erzielt :

Antriebsschaden durch Drehzahlspitzen des Motors Gefahr des sog. "Weichfahrens" des Außenborder-Spiegels durch Kraftschlussschwankungen (z .B . durch häufige, stoßartige Beanspruchungen des Spiegels unter Last)

Aufschaukeln des Körpers des Wasserfahrzeugs in Kombination mit Seegang

Ventilation des Propellers (z .B . durch unzureichende Tauchtiefe / falscher Trimmwinkel)

5.1.5 Flachwasser-Antriebsschutz-Regelung

Der Regler 20 führt eine automatische Wassertiefenüberwachung in Verdrängerfahrt mit kombinierter Antriebsschutz-Regelung durch, welche möglichst vorausschauend eine Grundberührung der Längsantriebseinheit 23 erkennen und verhindern soll.

Dem Regler 20 werden die Signale von Sensoren 18 oder Modellen zugeführt, die die absolute bzw. raumfeste Fahrzeuggeschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 10 repräsentieren. In Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 erkennt die Fahrsituationserkennung 22 des Reglers 20 die Fahrsituation einer Verdrängerfahrt, die kleiner Gleitfahrt ist. Auf Basis des mit Sensoren 18, z.B. Echolot, ermittelten oder in einem Modell berechneten überwachten Wassertiefenverlaufs, wird die Fahrzeuggeschwindigkeit V sowie die bekannte Trimm-Position der Längsantriebseinheit 15 nach Maßgabe einer Soll-Ist-Tiefenprognose durchgeführt und mittels der vorhandenen Längstrimmeinrichtung (en) 23, des Power-Trimm 15, die Tauchtiefe der Längantriebseinheit 23 derart eingestellt, dass eine Grundberührung verhindert wird.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie den Motordrehzahlen, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie einem Motormomenten-Steller, möglich.

Durch die Flachwasser-Antriebsschutz-Regelung werden die folgenden Vorteile erzielt:

Antriebsschäden durch Grundberührung werden verhindert. Ventilieren des Propellers bei zu wenig Tauchtiefe (z.B. Zu viel Gas bei hochgetrimmter Längsantriebseinheit)

5.1.6 Rauwasser-Ausgleichsregelung

Der Regler 20 führt eine automatische Ausgleichsregelung bei Rauwasserfahrt (Seegang) durch, welche den Neigungswinkel φ und die Wankwinkel K des Wasserfahrzeugs 10 derart beein- flusst, dass sich das Wasserfahrzeug 10 in einem nach hydrodynamischen Gesetzen bestmöglichen Lage zur welligen Wasseroberfläche stabilisiert, um sich möglichst sicher und komfortabel in Fahrtrichtung fortzubewegen.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 oder der Modelle für die Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigung a _xM , a _yM , a _zM , die Gierrate ψ, die raumfeste Fahrzeuggeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl der Längsan-

triebseinheit 23 zugeführt. In Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit V und der Motordrehzahl ermittelt die Fahrsi- tuationserkennung 22 des Reglers 20 die Fahrsituation Rauwas- serfahrt. Hierzu wird beruhend auf den Abweichungen zwischen der raumfesten Fahrzeuggeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 und der aus den Motordrehzahlen berechneten Geschwindigkeit ein erhöhter Antriebsschlupf in Kombination von sich überlagernden Drehraten gemäß den Pfeilen 11, 12, 19 für den Nick-, Wank- und Gierwinkel 13, 14, 21 ermittelt. Anhand des ermittelten Antriebsschlupfs und der Drehraten wird die Längs- und Querstabilität mittels der vorhandenen Längs- und Quertrimmeinrichtungen, also der Trimm-Klappen 16, 17 und des Power- Trimm 15, durch dynamisches Gegensteuern (Kompensation) derart sichergestellt, dass eine kleinstmögliche Auswirkung auf Längs-, Quer- und Vertikalbewegungen des Wasserfahrzeugs 10 in Abhängigkeit der Geschwindigkeit resultiert. Hierdurch wird ein Aufschaukeln des Wasserfahrzeugs vermieden.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Längs-, Quer-, und der Vertikalbeschleunigung, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie einem Motormomenten-Steller, möglich.

Durch die Rauwasser-Ausgleichsregelung werden die folgenden Vorteile erzielt:

Sturz/überbordgehen von ungesicherten Insassen des Wasserfahrzeugs/Gegenständen

Eingeschränkte Sicht durch ungünstigen Anstellwinkel zur Welle Eingeschränktes Kurshaltevermögen aufgrund von Querwellen

5.1.7 Gierkompensation bei Geradeaus-Schleichfahrt

Der Regler 20 führt eine automatische Giermomenten-Regelung bei Geradeaus-Schleichfahrt durch, welche das Gleitboot typische Schlingern bei langsamer Fahrt derart beeinflusst, dass das Wasserfahrzeug ohne weitere Lenkkorrektur dem Fahrerwunsch folgt. Hierzu werden die Trimm-Klapen 16, 17 wechselseitig links und rechts angesteuert, um eine Geradeausfahrt zu unterstützen .

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 oder der Modelle zugeführt, die die Geschwindigkeit und die Gierwinkelgeschwindigkeit (Gierrate) des Wasserfahrzeugs 10 repräsentieren. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Gierrate ermittelt der Regler 20 die Fahrsituation Geradeaus- Schleichfahrt . Bei wechselseitigen Gierbewegungen des Wasserfahrzeugs 10, d.h. bei Abweichungen des Wasserfahrzeugs 10 von der Geradeausfahrt durch Drehung um die Z-Achse, wird die Querstabilität mittels der vorhandenen Quertrimmeinrichtungen, wie den Trimm-Klappen 16, 17, durch dynamisches Gegensteuern (Kompensation) derart wieder hergestellt, dass eine kleinst- mögliche Gierrate resultiert.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen) auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdy-

namikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Wankrate und der Motordrehzahl, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie dem Power-Trimm, möglich.

Durch die Gierkompensation bei Geradeaus-Schleichfahrt werden die folgenden Vorteile erzielt:

Vermeidung von ungewollten Eigenlenkneigung, die sonst permanente Lenkkorrektur notwendig macht (z.B. bei Schleichfahrt (Kanal) , Krängung)

5.1.8 Heckwellen-Ausgleichsregelung bei Aufstopp-Manövern

Der Regler 20 führt eine automatische Heckwellen- Ausgleichsregelung bei Aufstopp-Manövern durch, welche das bei Gleitbooten kritische Stoppen aus Gleitfahrt in Kombination mit dem Eintauchen des Rumpfes und der von hinten auflaufenden Heckwelle derart kompensiert, dass das Wasserfahrzeug 10 weder von der Welle heckseitig überrollt, noch durch die Welle gedreht wird (Querschlagen) .

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle zugeführt, die die relative Fahrzeuggeschwindigkeit zur Wasseroberfläche und die Längsbeschleunigung des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl der Längsantriebseinheit 23 repräsentieren. In Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Längsbeschleunigung und der Motordrehzahl ermittelt die Fahrsituationserkennung 22 die Fahrsituation Aufstopp- Manöver. Anhand der vorangegangenen Gleitfahrt-Geschwindigkeit

wird eine Heckwellen-Prognose (Wellenlänge/Amplitude) erstellt und mittels der vorhandenen Längsantriebseinheit 23, Motormo- menten-Steller, mit dem Auftreffen der Heckwelle automatisch ein Antriebsschub derart ausgelöst, dass das Wasserfahrzeug 10 während der Passage der Heckwelle eine stabilisierende Längsbewegung vollzieht, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Wasserfahrzeug und heckseitig kommender Well reduziert wird.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Vertikalbeschleunigung, der Nickrate und der Gierrate, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie dem Power-Trimm und den Trimm-Klappen, möglich.

Durch die Heckwellen-Ausgleichsregelung bei Aufstopp-Manövern werden die folgenden Vorteile erzielt:

Ungewolltes übernehmen von Wasser (z.B auflaufende Heckwelle)

Gefahr des Kenterns sowie des Querschlagens/überschlagens des

Wasserfahrzeugs

5.1.9 Lastausgleich bei (einseitigen) Schlepp-Manövern

Der Regler 20 führt eine automatische Lastausgleichs-Regelung bei (einseitigen) Schlepp-Manövern durch, welche die „Verstimmung" des Schlepp-Bootes in Bezug auf Kurshaltung, Wasserlage sowie Kraftstoffverbrauch derart beeinflusst, dass das Wasser-

fahrzeug 10 jederzeit sicher steuerbar ist und dem vorgegebenen Kurs folgt.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle für die Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigung a _xM , ^a _yM i ^a _z u sowie die Gierrate ψ (Gierwinkelgeschwindigkeit) , die Motordrehzahl der Längsantriebseinheit 23 und die Fahrgeschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 10 zum Lastausgleich bei (einseitigen) Schlepp-Manövern zugeführt. In Abhängigkeit von der relativen Fahrzeuggeschwindigkeit und der Motordrehzahl wird der Antriebsschlupf, mittels des Signals der Fahrzeuggeschwindigkeit eine niedrige Fahrgeschwindigkeit und in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung und der Gierrate eine verstimmte Wasserlage ermittelt. Anhand des Antriebsschlupfes, die einen Betrieb des Wasserfahrzeugs unter hoher Last anzeigt, der niedrigen Fahrgeschwindigkeit und der verstimmten Wasserlage ermittelt die Fahrsituationserkennung 22 die Fahrsituation Schleppbetrieb. Liegt diese vor, wird die Fahrstabilität anhand der in dem ermittelten Stellgrößen die vorhandenen Längs- und Quertrimmeinrichtungen, des Power-Trimm 15 und der Trimm-Klappen 16,17, derart eingestellt, dass sich eine bestmöglich Wasserlage im Hinblick auf die Gierrate und die Querbeschleunigung bezogen auf die Stabilitäts-Soll-Werte ergibt. Dem Arbitrations-Block 34 werden hierzu die in den Reglern 30, 32, 40 ermittelten Stellgrößen I, II, III zugeführt.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Wankrate und des Kraftstoffverbrauchs, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie dem Motormomenten-Steller, möglich.

Durch den Lastausgleich bei (einseitigen) Schlepp-Manövern werden die folgenden Vorteile erzielt:

Sturz/überbordgehen von ungesicherten Insassen (z.B. durch Kipp-/Schaukelbewegung des Wasserfahrzeugs) Verlust von ungesicherten Gegenständen durch überbordfallen (z.B. bei Krängung) Ungewollte Eigenlenkneigung (z.B. Einseitige Belastung)

6. Fahrprogramme 6.1 Fahrprogramme im Parallelbetrieb

Die Eingabeeinheit 24 des elektronischen Reglers 20 dient zum Eingeben frei wählbarer anwendungsspezifischer Fahrprogramme. Die Fahrprogramme können ergänzend zu den unter 5. beschriebenen Regelungen vorgewählt werden, sofern sie im betreffenden Wasserfahrzeug 10 zum Einsatz kommen. Es erfolgt ein paralleler Betrieb der Fahrprogramme mit den Regelungen. Es erfolgt lediglich eine Prioritätsschaltung bzw. überlagerungsregelung.

6.1.1 ECO-Modus (Alle Funktionen bei maximaler Brennstoffeffi- zienz)

Die Eingabe ECO an der Eingabeeinheit 24 des Reglers 20 führt zu einer automatische überlagerungs-Regelung zur Brennstoff- Effizienzsteigerung, welche die in 5. beschriebenen Regelungen derart beeinflusst, dass die jeweiligen Regelungseingriffe un-

ter Berücksichtigung der bestmöglichen Kraftstoffausnutzung erfolgen .

Im Regler 20 wird nach manueller Wahl des ECO-Modus am Eingabeelement 24 und der bevorzugt anhand der Eintrittskriterien erkannte Regelung gemäß der Beschreibung unter 5., die jeweiligen Regelungseingriffe an den in 5. beschriebenen Stelleinrichtungen und der Längsantriebseinheit 15, wie dem Motormo- menten-Steller, derart eingestellt, dass sich eine bestmöglichen Brennstoffeffizient ergibt.

Durch den ECO Modus werden die folgenden Vorteile erzielt: Verringerter Kraftstoffverbrauch durch Vermeidung von häufigen und extreme Lastwechseln (z .B . Beschleunigen, Wechselmanöver)

6.1.2 CRUISING-Modus (Tempomat für sparsamste Marschfahrt)

Der Regler 20 führt eine automatische Tempomat-Regelung bei Marschfahrt durch, welche die Geschwindigkeit und die Wasserlage des Wasserfahrzeugs 10 derart beeinflusst, dass das Wasserfahrzeug jederzeit möglichst sparsam bei gleichzeitig größtmöglicher Reisegeschwindigkeit betrieben wird.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle zugeführt, die die Geschwindigkeit und die Gierrate des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl sowie der Kraftstoffverbrauch der Längsantriebseinheit 15 repräsentieren. Nach manueller Wahl des CRUISING-Modus an der Eingabeeinheit 24 und der anhand der zugeführten Signale erkannten Konstant- Gleitfahrt, wird die Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 mittels der Längsantriebseinheit, vorteilhaft des Motormo- menten-Stellers, in einem vordefinierten Geschwindigkeits-

Toleranzband - bis zur Deaktivierung des CRUISING-Modus - derart eingestellt, dass sich eine optimale Wasserlage und Geschwindigkeit bei bestmöglichem Reisekomfort und Brennstoffef- fizienz ergibt. Die unter 5. beschriebenen Regelungen bleiben weiterhin aktiv und sind lediglich in ihrer Priorität zurückgesetzt .

Durch den CRUSING-Modus werden die folgenden Vorteile erzielt: Permanentes Korrigieren der Geschwindigkeit in Abhängigkeit des Momentanverbrauchwertes (z .B . durch Wellen, Wind) Es muss kein Wissen um den wirtschaftlichsten Fahrzustand eines Bootes vorhanden sein (z.B. Wenigfahrer, fremdes Boot) Anstrengung durch gleichzeitiges Bedienen mehrerer Parallelsysteme wird vermieden (z .B . Echolot, Trimmklappen, Steuer)

6.1.3 SKI-Modus (flache Heckwelle/Geschwindigkeit speicherbar)

Der Regler 20 führt eine automatische Wasserski-Zugboot- Regelung mit vorwählbarer Zielgeschwindigkeit durch, welche die besonderen Anforderungen beim Ziehen eines Wasserski- Läufers nach schnellem Start, flacher Heckwelle sowie konstanter Geschwindigkeit berücksichtigt.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle zugeführt, die die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl der Längsantriebseinheit 15 repräsentieren. Nach manueller Wahl des SKI-Modus an der Eingabeeinheit 24 sowie erkannter gespeicherter Zielgeschwindigkeit (manuell, Referenzfahrt nach Modus-Aktivierung), werden bei jedem weiteren Wasserskistart/Fahrt die Fahreigenschaften, vorzugsweise die Geschwindigkeit bzw. die Motordrehzahl, des Wasserfahrzeugs 10 mittels der Längsantriebseinheit, vorzugsweise

des Motormomenten-Stellers, derart beeinflusst, dass das Wasserfahrzeug maximal mit der Zielgeschwindigkeit betrieben werden kann. Die Zielgeschwindigkeit ist im Betrieb in definierten Schritten an der Eingabeeinheit 24 nach oben/unten korrigierbar. Die in 5. beschriebenen Regelungen bleiben weiterhin aktiv und sind lediglich in ihrer Priorität zurückgesetzt.

Durch den SKI-Modus werden die folgenden Vorteile erzielt: Bessere Vorausschau des Bootsführers im Schleppbetrieb Bessere Konzentration des Bootsführers auf den Wasserskiläufer Reproduzierbarkeit des Schleppvorgangs

6.2 Fahrprogramme im Einzelbetrieb

Die Eingabeeinheit 24 des elektronischen Reglers 20 dient zum Eingeben frei wählbarer anwendungsspezifischer Fahrprogramme. Die Fahrprogramme können nur alleine, ohne die unter 5. beschriebenen Regelungen, eingegeben werden, sofern sie im betreffenden Wasserfahrzeug 10 zum Einsatz kommen. Die in 5. beschrieben Regelungen müssen manuell deaktiviert werden oder werden bei Eingabe eines der folgenden Fahrprogramme automatisch deaktiviert.

6.2.1 WAVE-Modus (hohe Heckwelle/Geschwindigkeit speicherbar)

Der Regler 20 führt eine automatische Wakeboard-Zugboot- Regelung durch, welche den Anstellwinkel φ des Wasserfahrzeugs 10 bei Geradeausfahrt derart beeinflusst, dass sich das Wasserfahrzeug in einem (hydrodynamisch) möglichst ungünstigen Winkel zur Wasseroberfläche in Fahrtrichtung bewegt, um eine möglichst große Wasserverdrängung mit der damit verbundenen

großen Heckwelle, zu verursachen (beim Wakeboard-Fahren erwünscht ! ) .

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle zugeführt, die die Gierrate, die Längs- und Querbeschleunigung und die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl der Längsantriebseinheit 15 repräsentieren. Nach manueller Wahl des WAVE-Modus an der Eingabeeinheit 24, ermittelt der Regler 20 anhand der Gierrate die Fahrsituation Geradeausfahrt sowie die in eiern Speicher abgelegte Zielgeschwindigkeit (manuell, Referenzfahrt nach Modus- Aktivierung) . Bei jedem weiteren Start/Fahrt werden die Fahreigenschaften des Wasserfahrzeugs 10 mittels der Längstrimm- einheit, wie dem Power-Trimm, sowie der Längsantriebseinheit, wie dem Motormomenten-Steller, derart beeinflusst, dass das Wasserfahrzeug 10 eine größtmögliche Heckwelle bei definiertem Antriebsschlupf und Zielgeschwindigkeit erreicht. Die größtmögliche Heckwelle wird dabei in Abhängigkeit der Längs- und Vertikalbeschleunigung, der Antriebsschlupf in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Motordrehzahl und die Zielgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 geregelt. Diese limitiert die Höchstgeschwindigkeit beim Schleppen und ist im Betrieb in definierten Schritten am Bedienelement noch oben/unten korrigierbar.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Nickrate, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie den Trimm-Klappen, möglich.

Durch den WAVE-Modus werden die folgenden Vorteile erzielt: Reproduzierbarkeit des Schleppvorgangs Vermeidung von teurem Spezial-Zubehör

6.2.2 HAFEN-Modus (Manövrierhilfe auf engstem Raum)

Der Regler 20 führt eine automatische Manövrierhilfs-Regelung bei ungenügenden Platz- und Wetterverhältnissen durch, welche die unterstützende Lenk- und Verzögerungswirkung der im Wasserfahrzeug 10 vorhandenen Trimm- und Antriebseinheiten derart nutzt, dass Wende- und Anlegemanöver bestmöglich unterstützt werden .

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle zugeführt, die die Geschwindigkeit die Gierrate und die Wankrate des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl der Längsantriebseinheit 15 repräsentieren. Nach manueller Wahl des HAFEN-Modus an der Eingabeeinheit 24 sowie erkannter Geschwindigkeit kleiner 3 km/h, wird ein Eigenlenkverhalten, das bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten durch mangelnde dynamische Anströmung des Ruders des Wasserfahrzeugs 10 sehr eingeschränkt ist, mittels der vorhandenen Längs- und Quertrimmeinrichtungen, wie Power-Trimm und Trimm-Klappen, durch gezieltes Ansteuern (Verstärkung) derart unterstützt, dass eine größtmögliche Auswirkung auf Längs- und Querbewegungen entsprechend des in 22 ermittelten Fahrerwunsches resultiert.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen) auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Längs- und Querbeschleunigung, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie einem Motormomenten-Steller, möglich.

Durch den HAFEN-Modus werden die folgenden Vorteile erzielt: Erleichtertes Anlegemanöver in Häfen

Keine Beschädigung des eigenen oder eines anderen Wasserfahrzeugs Kurshaltevermögen bei niedrigen Geschwindigkeiten

6.2.3 TROLL-Modus (Absenkung der kleinstmöglichen Geschwindigkeit)

Der Regler 20 führt eine automatische Trolling-Hilfsregelung bei erforderlicher Geschwindigkeit kleiner Schleichfahrt (Standgas, eingekuppelt) durch, welche die unterstützende Bremswirkung der im Wasserfahrzeug 10 vorhandenen Trimmeinheiten derart nutzt, dass das weitere Absenken der kleinstmöglichen, fahrbaren Geschwindigkeit bestmöglich unterstützt wird.

Dem Regler 20 werden die Signale der Sensoren 18 und/oder der Modelle zugeführt, die die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 10 und die Motordrehzahl der Längsantriebseinheit 15 repräsentieren. Nach manueller Wahl des TROLL-Modus an der Eingabeeinheit 24 wir in dem Regler 20 anhand der Auswertung der Geschwindigkeit und der Motordrehzahl die Fahrsituation

Schleichfahrt erkannt. Der Regler 20 bremst das Wasserfahrzeug 10 ab, indem er die vorhandenen Längstrimmeinrichtungen, wie die Trimm-Klappen und den Power-Trimm, ansteuert (Verstärkung) . Durch die Ansteuerung resultier eine Vergrößerung der benetzten Rumpffläche und hierdurch eine größtmögliche Abbremsung der Fahrgeschwindigkeit. Die Schleichfahrt wird anhand der Geschwindigkeit und der Motordrehzahl erkannt.

Um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen sowie um die Anzahl und Amplitude der Regelzyklen für die Stelleinrichtungen auf ein Minimum zu reduzieren, ist ein unterstützendes Fahrdynamikmodell (Software) , basierend auf weiteren Eingangssignalen, wie der Gierrate, möglich.

Um den Wirkungsgrad des fahrdynamischen Eingriffs zu maximie- ren, ist die Anbindung weiterer Stelleinrichtungen, wie einem Motormomenten-Steller, möglich.

Durch den TROLL-Modus werden die folgenden Vorteile erzielt: Einhalten der Geschwindigkeitsbeschränkung in Häfen Unterstützung beim Schlepp-Fischen

Einsparen von aufwendigen Trolling-Hardwarelösungen Vermeidung ständiger Ein- und Auskuppelvorgänge