Autopilot

Auf ausgedehnten Fahrten ist ein elektrischer Autopilot unverzichtbar. In diesem Beitrag geht es nicht um die sogenannten Pinnenpiloten, die dafür bekannt sind, nach kurzer Zeit ihren Dienst zu quittieren, sondern um die fest eingebauten Autopiloten. Wer sich ein Boot mit einem solchen Autopiloten anschafft, wird diesen zunächst einrichten müssen. 
Dafür gilt es zunächst die Prozeduren im Hafen auszuführen, die jedoch relativ einfach sind.
In einem ersten Schritt müssen die Quellen festgelegt werden, mit denen der Autopilot arbeiten muss. Das sind der Kompass, die Logge und der Ruderlagengeber. Für die Quellensuche steht in der Regel eine Automatik zur Verfügung. Als nächstes muss der Autopilot kommissioniert, d. h., an das Boot angepasst werden. Hier werden zunächst die Spannung 12 V oder 24 V angegeben, mit welcher der Antriebsmotor arbeitet. Die Höhe der Antriebsleistung in Prozent und die Länge des Bootes will der Computer dann auch noch wissen. Ist das erledigt, muss der Ruderantrieb eingestellt werden. Dazu muss das Ruder bis zum mechanischen Anschlag zunächst auf hart Steuerbord und dann auf hart Backbord gebracht werden und es werden die Winkel für diese Rudereinstellungen eingegeben. Das sind bei den meisten Booten jeweils 45°. Danach folgt eine Bestätigung der Rudermittelstellung. Das Ganze wird mit einem Rudertest abgeschlossen, wobei der elektrische Antrieb das Rad einmal automatisch dreht.

Ist das alles erledigt, dann folgt die Seeerprobung. Die dient zur Einstellung der Parameter Ruderverstärkung, Gegenruder und Auto Trimm. Für Ruderverstärkung und Gegenruder gibt es meist eine automatische Routine, in der sich der Autopilot anhand einiger S-Kurven die optimalen Einstellungen selbst suchen soll. Die Vorgabe für den Auto Trimm in Sekunden muss anschließend manuell vorgenommen werden. Über den Daumen gepeilt sollte dazu die Zahl der in Fuß gemessenen Schiffslänge eingegeben werden. Im Großen und Ganzen ist damit die Einstellung gemäß Handbuch erledigt. Im Segelmodus können dann noch ein paar mehr Einstellungen gemacht werden, z. B., wie das Boot auf Windböen reagieren soll.

Doch bald wird man feststellen, dass das Ruder nach beiden Seiten um eine viertel Umdrehung oder sogar mehr hin- und her pendelt. Bei manueller Steuerung im Standby Betrieb hingegen kommt man jedoch mit einer Handbreit Ruderbewegung nach jeder Seite aus. Die automatischen Abstimmungen scheinen also nicht ganz optimal zu sein und bewirken mit der Zeit dann auch einen höheren Verschleiß. Eine bessere Einstellungen des Autopiloten gelingt allerdings nur manuell und dazu muss man tiefer in die Regelungstechnik einsteigen. Das scheint zunächst für viele hochkompliziert zu sein, ist es aber gar nicht, wenn man sich nur rantraut und alles gut erklärt ist.

 

Regeleigenschaften

Ein Autopilot arbeitet nach einer sogenannten PID Charakteristik. Die drei Buchstaben bedeuten Proportional, Integral und Differential. Tatsächlich besteht der Regler des Autopiloten aus drei ganz unterschiedlich wirkenden und voneinander unabhängigen Einzelreglern. In der Regelungstechnik gilt dafür die allgemeine Grundformel:

    \[u=G_P\cdot e+G_I\int e\ dt+G_D\frac{de}{dt}\]

Hierbei sind u die Stellgröße, also der Wert, der notwendig ist, um eine Regelabweichung e auszugleichen. Dabei kommt e in drei Summanden vor. Einmal als Produkt mit GP, dann in einem Integral mit GI und schließlich in einem Produkt von GD mit einem sogenannten Differential de/dt. Unter den drei Parametern G versteht man die Stärke der jeweils wirkenden Anteile, die angeben, wie stark der proportionale Anteil P, der integrale Anteil I und der differentiale Anteil D eines Reglers sein soll.

Um die Anwendung dieser Formel etwas praktischer zu machen, kann GP ausgeklammert werden und man erhält:

    \[u=G_P\bigg( e+\frac{1}{T_N}\int e\ dt+T_V\frac{de}{dt}\bigg)\]

Durch diese Maßnahme ist es jetzt möglich geworden, dass sowohl der integrale Anteil als auch der differentielle Anteil in Zeiten, also in Sekunden oder Minuten eingestellt werden kann wie das auf dem Display unseres Autopiloten dann auch gemacht werden muss. Mathematisch gesehen sind jetzt 1/TN = GI/GP und TV = GD/GP, und die Ruderverstärkung GP beeinflusst den Regler im Ganzen. Wir haben es am Ende mit folgenden Parametern zu tun:

  1. Ruderverstärkung GP
  2. Auto Trimm TN (Vorhaltezeit) und
  3. Gegenruder TV (Nachstellzeit)

Das war bis jetzt für Nicht-Mathematiker ein wenig kryptisch und deshalb sollen diese Parameter eingehender erklärt werden.

Ruderverstärkung GP: Unter Verstärkung versteht man im Allgemeinen die Vervielfachung eines schwachen Wertes. Das gilt nicht unbedingt in der Regelungstechnik. Da arbeitet man auch mit Verstärkungen von weniger als 1, also z. B. 0,5 und das bedeutet, dass vom Proportionalregler nur die Hälfte einer erforderlichen Stellgröße zur Verfügung gestellt wird. Der noch fehlende Anteil muss dann von den anderen Regleranteilen erzeugt werden, die bei der folgenden Betrachtung erstmal nicht vorhanden sein sollen. Wie viel Verstärkung einem Autopiloten gegeben wird, hängt sehr stark davon ab, wie das Boot reagiert, wie träge es dreht.
Wenn wir mit voll eingeschlagenem Ruder einen Gasstoß nach vorn geben, dann beginnt das Boot eine Drehung, die nach Gaswegnahme und Auskuppeln des Vorwärtsganges weitergeht. Das Boot reagiert träge. Nach einem Drehimpuls beginnt die Drehung verzögert und läuft nach dem Ende des Drehimpulses langsam aus. Für die Einstellung der Ruderverstärkung hat das Konsequenzen. Geben wir zu viel Verstärkung, weil wir eine schnelle Reaktion haben wollen, dann schießt das Boot über das Ziel hinaus. Aus einer Ruderabweichung nach Steuerbord wird dann ganz schnell eine Ruderabweichung nach Backbord. Diese will der Autopilot dann ausgleichen und dreht zurück, doch abermals viel zu stark. Der Vorgang schaukelt sich auf und das Boot fährt gewaltige S-Kurven.
Die Verstärkung ist sicher eingestellt, wenn das Boot nach Vorgabe eines neuen Kurses nicht darüber hinaus überschwingt. Bei Segelbooten mit einem Kurzkiel wird das im Allgemeinen nur mit Verstärkungen von weniger als 1 erreicht. Am Ende bleibt jedoch eine Kursabweichung bestehen. Ist nämlich die Verstärkung 0,6, und ein neuer Kurs soll 40° nach Steuerbord gehen, dann kann der reine P-Autopilot tatsächlich nur bis 24° nach Steuerbord ausregeln. Das Boot könnte zwar bis 40° ausschwingen, pendelt sich danach aber langsam auf 24° Kursänderung zurück. Es fehlen dann aber noch 16°. Eine Verstärkung von <1 führt also zu einer sogenannten bleibenden Regelabweichung. Leider kann dieses Verhalten nicht ganz genau verifiziert werden, weil es kaum möglich ist, das integrale und das differentiale Reglerverhalten im Autopiloten ganz abzuschalten. Man sollte deshalb für derartige Versuche die Zeit TD für das Gegenruder auf den kleinsten und die Vorhaltezeit TV auf den größten Wert stellen und mit kleineren Kursänderungen von 10° oder 20° seine ersten Versuche beginnen.

Gegenruder TD: Mit dem Gegenruder wird die Stärke des differentialen Anteils de/dt vorgegeben. Die Buchstaben d in diesem Quotienten kann man auch als Delta im Sinne von Änderung verstehen, dann bedeutet dieser Quotient Änderung der Kursabweichung (Δe) pro Zeiteinheit (Δt) und beschreibt damit die Geschwindigkeit oder Schnelle, in der sich ein Kurs ändert. Geben wir also einen neuen Kurs vor dann ist die Geschwindigkeit der Kursänderung infolge des Tastendrucks extrem hoch, theoretisch unendlich, denn der Tastendruck passiert in einer Zeit null, ohne dass dadurch eine Kursänderung erfolgt. Wir erhalten nur kurzzeitig eine starke Stellgröße, die aber augenblicklich wieder verschwindet und nichts bewirkt. Die Wirkung setzt aber danach ein. Wenn das Boot durch Wirken des Proportionalreglers zu drehen beginnt, entsteht eine Stellgröße, die der proportionalen Komponente entgegenwirkt und so das Überschwingen verhindern soll. Das Boot soll in unserem Beispiel dann die 24° Kursänderung machen, dort stehenbleiben und nicht weiter drehen. Das Gegenruder ist damit nicht geeignet, eine bleibende Regelabweichung zu verhindern.

Auto Trimm TV: Beim Auto Trimm haben wir es mit einer sogenannten integralen Regelung zu tun. So wie wir uns den Buchstaben d beim Differential als Delta vorstellen, muss man sich das Integralzeichen als Summenzeichen ∑ vorstellen. Ein Intergralanteil ist so zu verstehen, dass in jedem kleinsten Zeitintervall dt - das ist ein vom Autopilot-Computer vorgegebenes winziges Zeitintervall ∆t - ein Anteil einer momentan bestehenden Regelabweichung fortwährend aufaddiert wird und damit für die Kompensation einer bestehenden Kursabweichungen kumulierend eine Stellgröße aufgebaut wird. Mit der einzustellenden Vorhaltezeit wird die Steilheit von Anstieg bzw. Abfall der Stellgröße bestimmt, so als ob größere oder kleinere Anteile der Regelabweichung jeweils immer addiert oder auch abgezogen werden. Wenn letzlich nur noch kleine Kursabweichungen existieren, dann verflacht sich der Anstieg des I-Anteils in der Stellgröße ebenfalls bis auf null. Ein I-Regler arbeitet anfangs immer recht schnell und wird dann am Ende sehr langsam. Der I-Anteil erzwingt auf diese Weise einen vollständigen Ausgleich einer Regelabweichung bzw. Kursabweichung. Da die Stärke des Anwachsens einer Stellgröße über den Kehrwert der eingestellten Zeit beeinflusst wird, führt eine kleine Zeiteinstellung zu einem schnellen Ausgleich und eine große Zeiteinstellung zu einen langsamen Ausgleich einer Kursabweichung. Der I-Anteil ist in unserem Beispiel optimal bemessen, wenn er in derselben Zeit, in der P-Anteil und D-Anteil gemeinsam ihren Ausgleich auf 24° geschafft haben, den Anteil für die restlichen 16° aufbringt. Ein zu großer I-Anteil (kleine Vorhaltezeit = kleine Zeit für Auto Trimm) führt allerdings zu Schwingungen. Wenn sich in der Wirkzeit von P- und D-Regler ein zu großer I-Anteil aufbaut, dann dreht das Boot über den vorgegebenen Kurs hinaus und muss zurückgeregelt werden. Die Folge davon sind S-Kurven, die entweder abklingen, aber auch aufklingen können.

 

Seeerprobung

Um es gleich zu sagen, von der automatischen Seeerprobung allein halte ich nicht allzu viel und gehe lieber einen etwas abgewandelten Weg, die optimalen Einstellungen von Ruderverstärkung, Gegenruder und Auto Trimm zu finden. Um einen Anhaltspunkt zu bekommen lasse ich die automatische Seeerprobung mit einer mittleren Reisegeschwindigkeit von etwa 5 kn bei möglichst Windstille ablaufen. Dadurch werden Ruderverstärkung und Gegenruder automatisch gefunden. Ist das geschehen, dann stelle ich Auto Trimm auf den höchsten und Gegenruder auf den kleinsten Wert, so dass eigentlich nur noch die automatisch gefundene Ruderverstärkung vorhanden sein sollte. Die soll beispielsweise 0,6 betragen.
Jetzt wird eine Kursänderung von z. B. 40° provoziert, indem die 10° Taste 4-mal schnell hintereinander gedrückt wird. Daraufhin wird sich das Boot in die vorgesehene Richtung drehen, die 40° Änderung vielleicht sogar erreichen oder auch nicht und dann wieder langsam zurück gehen. Bei einer Verstärkung von 0,6 können bei vorgegebenen 40° Kursänderung nur 24° Kursänderung realisiert werden. Die Verstärkung könnte jetzt so verändert werden, dass das Boot bis auf die vorgegebene Kursänderung von 40° gerade mal kurzzeitig auspendelt und dann zurückgeht.

Die jetzt folgende Gegenrudereinstellung hat zum Ziel, ein Auspendeln zu verhindern. Das Gegenruder muss also so groß eingestellt werden, dass das Boot bei 40° vorgegebener Kursänderung und einer Verstärkung von 0,6 nur 0,6 x 40°, also 24° Kursänderung schafft und dann genau dort stehenbleibt, ohne überzuschwingen bzw. dreht und nicht zurückpendelt.

Erst danach kann die Vorhaltezeit (Auto Trimm) eingestellt werden. Es vergeht ja eine ganze Zeit, bis das Boot mittels Ruderverstärkung und Gegenruder die 24° schaffen kann und in dieser ganzen Zeit besteht immer eine Kursabweichung zu den vorgegebenen 40°. Anteile der laufend abgetasteten Kursabweichungen werden in dieser Zeit beständig addiert (integriert), wodurch sich allmählich die dritte Stellgröße aufbaut, die zum Ausgleich der noch fehlenden 16° an den vorgegebenen 40° führt.

Das wäre jetzt ein Einstellungsverfahren für den Fahrtensegeler, der nicht auf ein aggressives Verhalten seines Autopiloten aus ist, sondern auf einen geringsten Materialverschleiß. Regattasegler haben da vielleicht andere Vorstellungen oder rudern lieber gleich manuell.

Eine Schwingneigung entsteht fast immer durch einen zu großen I-Anteil (Auto Trimm zu klein) oder durch eine zu große Verstärkung. Das Ganze sollte deshalb auch bei höheren Geschwindigkeiten getestet bzw. wiederholt werden und sollte auch dann noch stabil funktionieren.
Eine optimale Einstellung ist nicht trivial, sie erfordert viel Zeit und Einfühlungsvermögen in die hier beschriebenen Charakteristika. Man sollte sich dafür einige Tage reservieren, ein  erreichtes Verhalten sollte man technisch überdenken und dann eine Verbesserung versuchen zu erreichen. Es lohnt sich am Ende bestimmt.