WO2005100147A1 - Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges windangriffselement bei einem wasserfahrzeug mit windantrieb - Google Patents

Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges windangriffselement bei einem wasserfahrzeug mit windantrieb Download PDF

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WO2005100147A1
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WO
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wind
positioning device
winch
rope
kite
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PCT/EP2005/004183
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Stephan Wrage
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Skysails Gmbh & Co. Kg
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    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the invention relates to a positioning device for a free-flying kite-like wind attack element in a watercraft with wind propulsion.
  • Such a positioning device is known from
  • the invention has for its object to provide a positioning device of the type indicated above, which does not have the disadvantage mentioned and it ges tattet to adjust the position of the windage element according to the wind conditions automatically.
  • the invention is based on the finding that a positioning device for a free-flying kite-like wind engagement element with a Tragflachenprofil as exclusive drive, as an auxiliary or as an emergency drive over a traction cable is connected to a watercraft, in particular a ship going to sea, then can be achieved in a favorable manner, if the length of the traction cable in each case adapts to the atmospheric conditions. If automatic picking and picking is to take place, the limit force for picking is set to be greater than the limit force for picking, so that stable operation occurs without control oscillations.
  • the output signal of an impending stall sensor is fed to a transducer which drives an onboard winch to shorten the haul rope so as to increase the windage member flow to such an extent the buoyancy of the windage element is sufficient to keep it at least in the air.
  • the winch speed when fetching can be set to a fixed minimum value, which guarantees a flow velocity that is sufficient, the wind engagement element stable to fly.
  • a minimum tension of the pull rope can be defined. Should this be fallen short of, the winch attracts and thus ensures the flow to the windage element.
  • a defined voltage is exceeded as a result, the winch stops again and the normal flight condition is established. This achieves a simple, depending on two tensile force thresholds winch control.
  • the winch can be provided in a preferred manner that the winch .
  • This measure is characterized by the fact that dynamic loads on the wind engagement element and the traction cable can be reduced. This can happen when the torque rope length characteristic has a progressive moment, i. the more rope is completed, the greater the resistance of the winch. With such a characteristic, a gust of wind acting on the wind-engaging element first causes a rapid finning of a great deal of rope, but then a gentle braking of the system.
  • the winch speed when lifting to be the minimum inflow velocity of the Wind attack element to maintain its ability to fly under load provided by the pull rope.
  • navigational restrictions threaten to prevent the wind element from being guided.
  • the catching and fining especially at elevated sea state, made in such a way that unwanted ship movements (roles, pounding, yaw) reduced become.
  • the catching and Fieren thus takes place out of phase to the component of the ship movements in the cable direction, so that on the one hand the ship movements are reduced, but on the other hand also provided for a stable guidance of the windage element, since the forces acting on the pull rope forces are reduced.
  • the winch is driven by a pressure medium, the winch drive in particular as a volume-adjustable hydraulic pump is trained.
  • safety requirements can be met, which - for example, on tankers - limit the use of electric drives because of the existing fire risk.
  • an emergency unit is provided for operating the winch, which ensures the required for operating the winch energy even in case of failure of the primary energy source.
  • the actuating elements or the means for generating force are provided in the immediate vicinity of the wind engaging element, the corresponding control devices can also be provided there at least partially directly at the wind engagement element, so that even expensive and fault-prone signal transmission paths can be largely dispensed with.
  • the change of the shape may be preferred by a symmetrical or asymmetrical change of the airfoil profile by influencing the orientation of its airfoil, by twisting the airfoil, by symmetrical and / or by asymmetrical change of the curvature of the airfoil and / or by changing the point of attack of the pull rope, respectively.
  • the change in the aerodynamic properties can also be made via a change in the geometry of the airfoil profile, as it is manifested in the cross section of the kite or its camber.
  • Such a change in shape is in a two-ply airfoil advantageously in a change in the distance between the two layers by corresponding elements.
  • a double-sided and / or opposing actuation for the same-direction or asymmetrical change of the airfoil profile is effected by a single drive element.
  • two ailerons are each operated in opposite directions, the neutral position forms the center position of both rudders.
  • the change in the aerodynamic effect can preferably take place by adjusting or by lengthening or shortening of at least one control line by means of the drive element.
  • At least one control line has at least one deflection or return in the form of a pulley, the pulley can serve both for over- and for reduction.
  • control lines When the control lines form a matrix-like arrangement, it is easier to influence a dragon in the manner of a sliding screen. In this case, this arrangement refers to an area below the dragon, from which the aerodynamic actuations can be made together. In this case, it is favorable if different control lines are in each case driven collectively via a jointly driven actuating element, since this causes the Number of drive elements reduced.
  • the jointly driven actuating element can consist, for example, of a rotatably mounted element, a rocker, a lever, a toothed belt pulley or the like, which is moved together by a drive motor.
  • the individual control lines then lead to differently selected fastening points on the common actuating element, so that the respective stroke results from the geometry of the fastening location, with which the relevant control line is moved.
  • the individual control lines can also be over or under-reduced by pulleys or the like. In this way, then sets the movement of the actuating element in the desired change in geometry of the entire or parts of the windage element.
  • the drive element consists of an electric winch and / or a linear actuator, wherein the linear actuator is formed by a pneumatic element which expands under overpressure in the transverse direction and thereby shortened in its length or vice versa.
  • a pneumatic element which expands under overpressure in the transverse direction and thereby shortened in its length or vice versa.
  • Such elements are called “artificial muscle” and preferably pneumatically driven.
  • a wind turbine is provided in a container provided in the vicinity of the wind-engaging element and streamlined, which acts on an electric generator, which then charges an electrical energy store.
  • pneumatic elements as actuators and a turbine can be provided, which drives a downstream compressor, which then the pressure for the pneumatic Ele- supplies.
  • a pressure accumulator As energy storage is used in this case, a pressure accumulator.
  • the means for controlling the Windangriffsele ents are housed, which provide output signals for controlling the drive elements (actuators).
  • means are provided, in particular, to determine a control signal for the drive element from a signal for the course of the vehicle, the wind direction and / or the wind speed.
  • control is based on the direction and the speed of the apparent wind at the windfall element, since its orientation is thereby determined.
  • the wind engagement element is preferably controlled by a self-control device (autopilot), wherein a sensor element is provided, which is followed by at least one, preferably designed as an accelerometer, transducer element which at least indirectly emits a control signal to the drive element.
  • a sensor element is provided, which is followed by at least one, preferably designed as an accelerometer, transducer element which at least indirectly emits a control signal to the drive element.
  • Another sensor element outputs an output signal with respect to its position and orientation in space, which is particularly related to the position of the ship.
  • the flight control can be designed such that in the case of FIG a stall a drop in the wind arresting element is prevented. It has also proven to be advantageous if means are provided for a control signal for the spatial orientation of the windage element or for the Manöverfigu- ren externally connected by a watercraft
  • advantageous signal transmission means are provided to transmit the third control signal from the on-board unit to the self-control device, which is preferably in this control signal is a differential GPS or other navigation signal, which contains information about the position of Windangriffsele ents to the vessel.
  • the drive element and / or the sensor element is provided in the container, which also forms the point of application for the traction cable and emanate from the holding and control lines with which the wind engaging element is connected.
  • This container is preferably designed aerodynamically favorable and can also have a wind turbine for energy production for the aerodynamic control of the windage element.
  • the illustrated invention is particularly suitable for seagoing ships or those with trades in the area of large lakes.
  • a generator driven by the flow of the water, in particular via a propeller or turbine, which supplies the generated electrical energy to an energy store, in particular a hydrogen generator.
  • the hydrogen obtained by electrolytic splitting of the water is stored and held in a reservoir.
  • windage element according to the invention is also synonymously referred to briefly as “dragon”. But it is also the name “wing” right, because it is an aircraft with wing function.
  • FIG. 1 shows a ship drawn by the kite system according to the invention in an oblique plan view
  • 1a is a coordinate system which serves as a reference system in the following description
  • 1 b shows an embodiment of the windage element according to the invention in the form of a paraglider according to the invention
  • 2 is a schematic diagram of the control of the inventive windage element in a schematic representation
  • Fig. 3 shows the control of the wind propulsion system according to the invention as a block diagram in more detail as well as
  • FIG 4 shows the positioning device according to the invention in block representation.
  • a drawn by the dragon system of the invention ship is shown in the oblique top view.
  • a wind-engaging member 1 is provided via a traction rope with a 1.1 'force application device 2, the egg nes in the bow vessel 4 is connected to the latter.
  • the traction cable 1.1 is guided to a central nacelle 1.2, from which a number of tethers 1.3 emanates, which are guided to the designed like a paraglider with kite profile windage element 1 and give this the necessary shape.
  • the apparent wind direction in the region of the wind engagement element 1 is designated by W.
  • the corresponding wind vector is characterized by its size and direction.
  • variable B characterizing the gustiness, which forms the mean time deviation of the wind speed from the mean value and can be represented as a scalar, which virtually forms the radius of a sphere around the tip of the wind vector W.
  • a coordinate system is reproduced, which is used in the following description as a reference system.
  • xs is the direction of travel of the vessel
  • ys is the direction transverse to the direction of travel.
  • the co-ordinate system is fixed with a point Ps of the Ship to think connected. This point is preferably the force attack point 2 in the bow area.
  • the height hs corresponds to the direction of the axis z of the conventional coordinate system. It indicates the height above the reference point Ps.
  • This reference point is preferably the location of the GPS antenna of an on-board GPS device so that the coordinates of a point outside of Ps at which another GPS device is located are obtained by subtracting the signals output by both devices Coordinates can be generated. (If the GPS antenna on board own GPS device is away from the reference point Ps, this can be taken into account by adding a fixed coordinate difference.)
  • the direction of the vector V points to the nacelle 1.2 of the wind-engaging element 1.
  • This is, as it were, a "geographical coordinate system", since the nacelle 1.2 or the wind-engaging element 1 essentially move on the surface of a sphere ,
  • the azimuth angle ⁇ and elevation ⁇ thus give something like the geographical longitude and latitude of the position of the nacelle on the '"globe" spanned by the vector V.
  • the length of the vector V is roughly the length of the pull rope 1.1, the sag should initially be disregarded.
  • the nacelle 1.2 of the windage element is oriented according to its own coordinate system with the directions xk, yk and zk, where zk points in the direction of extension of the vector V.
  • the rotation of the nacelle 1.2 of the windage element 1 about the vertical axis zk is designated by the yaw angle (Yaw).
  • Yaw yaw angle
  • Changing the yaw angle changes the direction of flight of the windage elements 1 causes.
  • the yaw angle can be changed inter alia by the active control of (described further below) the brake flaps of the wind attack element 1 forming paraglider. It causes a change in direction, and this process is similar to the steering of a steering kite.
  • a rotation about the longitudinal axis xk represents a rolling motion (roll) and is not actively controlled. From the rolling motion or the corresponding deviation of the direction of zk from V, the sag of the pull rope 1.1 can be determined by gravity, while the rotation about the transverse axis yk forms the pitch of the windage element about the transverse axis and by gusts and their Acting on the pull rope 1.1 may be caused.
  • This frame of reference forms the basis for understanding the description of the ship-kite system described below.
  • FIG. Lb an embodiment of a windage element according to the invention is shown schematically.
  • the wind engaging element forms in the illustrated embodiment a glider 101 with a container 102 for the control, as will be described in more detail below.
  • retaining lines 103 exit, which merge into branches 104 in the form of a linen tree, which are connected to a lower textile covering layer 105.
  • An upper textile cover layer 106 forms the conclusion upwards.
  • the two cover layers are held together by internal connecting lines or corresponding connecting elements, such as textile ribs, which are not visible in the figure, whereby the airfoil profile formed by the two cover layers is stabilized by an internal overpressure which extends through openings on the leading edge of the kite. in the drawing on the left), which in the drawing is also continued for reasons of clarity. are left.
  • the direction of flight is indicated by the arrow 107.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the wind propulsion system according to the invention is shown as a block diagram. The picture also serves for orientation in the following description of the individual system components.
  • the 100-th reference numerals used in the overview display also form the group designation of the system parts detailed below. (A dashed line 99 delimits those assemblies, which must be added to at least one conventional ship, so that it is additionally equipped with the wind drive according to the invention.)
  • the wind attack system 100 comprises the windage element and the associated control system, as far as it is located directly at this is.
  • the arrangement can be arranged either in a cable located at the end of the traction cable from which the tethers extend, or else be incorporated directly into the wind engagement element.
  • the control system essentially comprises an autopilot which controls the attitude and trajectory control of the windage element.
  • the wind attack system 100 is via the traction cable and a
  • Winch 210 (including pull rope) and dashed communication paths to the on-board system 200 connected to a user interface 205 comprising a control system that controls both the kite position and provides the necessary control commands to the machine 5 and rudder 6 of the ship ,
  • the on-board system is connected via various communication paths, which allow to specify both the kite position of the on-board system in principle as well as the wind attack system to receive information that are important for the on-board system.
  • a navigation system 300 Upstream of the on-board system 200 is a navigation system 300, which transmits to the on-board system the route of the ship to be observed, taking into account costs, times, speed and wind utilization and optionally the wind direction and wind strength.
  • the wind information may also include a marking which characterizes the gustiness of the wind. This can also still
  • the navigation system is supported by the navigational information finder (moving map) 310.
  • wind and wave information signals are generated which control the on-board system 200 and effect a corresponding adjustment of the kite system 100.
  • the on-board system 200 further generates drive signals for the engine 5 and the rudder 6.
  • the navigation system 300 is driven by a route system 400 that the path of the vessel above the the
  • the route system 400 is controlled on the basis of predetermined data from an external station 500, which are compared with the data of a weather information system 600.
  • the course data currently determined by the navigation system 300 are reported back to the external station 500 via a feedback link 301 (via radio, satellite).
  • the data can also be received by other ships equipped with the system according to the invention and can be used for updating the weather system locally. be. In this way, current, locally caused course changes in the further external route specification can be considered as.
  • kite system 100 depending on the heading data, is such that optimal weather conditions (currently prevailing winds and sea conditions) as well as the economic boundary conditions that are designed to maximize cost-saving ship operation Route presetting takes place.
  • An emergency system 700 provides the necessary control commands in the event of an unforeseen event which forces immediate action in the form of an emergency maneuver.
  • the signaling system and communication system are combined, which tunes the navigation with other road users.
  • the signaling system includes navigation safety lighting as well as the transmission of own navigation data via radio, which inform other ships in the vicinity about the set wind attack system and the intended route or the current course Information exchange.
  • FIG. 2 The main paths of the data flow are shown in FIG. 2 as solid lines, while the remaining message paths are shown in dashed lines.
  • Fig. 3 the block 100, which includes the wind attack system, and the block 200 with the on-board system of Fig. 2 are shown in more detail.
  • the positioning and control of the kite 101 will be described here.
  • the Windrich Speed and wind speed information including caliper characteristic as well as sea state information, is transferred to a buffer 211 in which this data is stored for buffering. Since the wind direction and all settings of the kite refer to the apparent wind, the course information is unnecessary during processing.
  • the adjustment and maneuvering of the windage element with respect to the ship does not require knowledge of the current course, since all maneuvers relate to the ship and to the effect of the apparent wind acting on the kite.
  • the wind information originates when setting the kite 101 first from the weather information system 600 in Figure 2 when it comes to positioning the kite. However, as soon as its own wind measurement after the start is in function, the apparent wind is determined at the location of the windage element itself, since this is decisive for the positioning.
  • the wind and sea data form a dataset which addresses a look-up table memory 212 for the target position and the maneuver type of the windage element.
  • This look-up table is organized like a normal addressable memory, the output data of the buffer 211 addressing the individual memory locations as address signals in which the status data of the wind engagement element belonging to the addressed data are stored.
  • Such a "look-up table” links the input and output data to one another in the manner of a "read-only memory” (ROM) in accordance with a predetermined functional relationship, so that it can be understood as a mathematical assignment (function).
  • ROM read-only memory
  • the corresponding blocks form only an exemplary realization and can also be replaced by any other functional elements or assemblies.
  • This may be, for example, a microprocessor act, in which the control software is held in a corresponding memory or even to an electrical circuit, in which the functional relationship is determined in the manner of an analog computer by the participating electronic components.
  • the presentation as a look-up table is chosen here for clarity, because a solution with a microprocessor, for example, is more difficult to represent because the various successive program steps require elaborate considerations as to which program parts are to be supplied to the microprocessor sequentially.
  • control signals can be processed in parallel, although such switching elements that cause activation of the blocks shown at certain times and the corresponding regulations are not shown.
  • switching elements that cause activation of the blocks shown at certain times and the corresponding regulations are not shown.
  • the state data thus contain, on the one hand, the desired position of the wind engagement element, ie its direction with respect to the ship and the length of the pull rope to be deployed. In addition, if appropriate, they also contain information as to whether and, if so, according to which stored program the kite 101 should be maneuvered. While the dragon in some positions static ', ie out fixed, it is cheaper for ship operation in certain cases when the kite is performed dynamically, ie. predetermined flight figures are executed, since this causes its relative speed to the wind and as a result also increased its train performance. In another memory 213, the current position of the kite is determined, as determined by the kite 101's navigation system.
  • the actual position of the kite recorded in the memory 213 relates to the ship and is preferably determined by subtraction of two GPS signals. These are firstly the GPS receiver 124 of the dragon 101 within the kite system 100, which is connected to the flying kite 101.
  • the position data determined in the flight position of the kite 101 are transmitted by means of a transmitter 112 to a receiver 214, which is located aboard the ship.
  • Another GPS receiver 215 is also provided on board the ship. Its output, along with the output of receiver 214, is applied to a subtractor 216 which generates the differential GPS signal.
  • the difference position data are converted into polar coordinates, which relate to the distance between the winch 2 and into the position of the wind engagement element.
  • the position determined by the differential GPS receiver thus formed is measured at intervals. averages. If it is insufficient in its precision, it can be supported by values determined by accelerometers 117, 119 and 120.
  • the corresponding computations including integration are executed in the assembly 123. Since within the time intervals that need to be integrated, only the times elapse before the next GPS position signal, the integrators do not need to meet quality requirements that would guarantee stability over long periods of time. (The accelerometers are used to stabilize the maneuvers, as described below - thus receive a secondary function).
  • an altimeter 129 preferably designed as an air pressure gauge, and an earth magnetic field sensor 128 are provided, the data of which are also supplied to the memory for the navigation signal 124.
  • Another possibility for determining the actual position of the windage element in relation to the ship is the use of the data transmitted to the ship of the altimeter 129 and the Earth's magnetic field sensor 128. These data are transmitted on the ship in block 227 and recorded. In block 227, a difference is then formed with the data of the altimeter 233 on the ship and the earth's magnetic field sensor 234 on the ship. Is it the altimeter?
  • weather data from block 600 can also be used to determine the air pressure on the ship.
  • the position information determined in this way is fed to block 217 and, if necessary, adjusted with the GPS data. In this way, the position information of two independent systems is mutually supportive, and if one system fails, the data remains available.
  • the desired position of the kite read out of the memory 212 is now fed on the one hand to a comparator 218 which outputs a signal if the actual position of the wind attack system 100 present in the memory 213 agrees with the setpoint position ü read from the memory 212 ,
  • a data record which identifies the selected maneuver type is read out of the maneuver type memory 220 via an enable circuit 219.
  • a static flight status can also be distinguished by the fact that the kite does not execute any maneuvers but retains its flying position it is the maneuver type "zero".
  • the flight processor 116 now generates at its relevant output 125 via a corresponding drive element on the kite 101 by asymmetrical braking of the kite 101 or a corresponding aerodynamic deformation of curved flight in the predetermined sequence and duration.
  • the other aerodynamic effects imposed by the other two outputs of the flight processor 116 Controlling are the hiring of the wing and reefing, as described below.
  • a signal filtered by a high-pass filter is additionally supplied to the flight processor 116 with a staggered phase position superimposed on the control signal, so that oscillation is avoided.
  • 125 yawing movements can be controlled via the output 125
  • the hiring of the wing is set via the output 126.
  • the ratio of flight resistance and buoyancy can be optimized by the amount of hiring a wing.
  • the reefing of the kite 101 can be initiated via a further exit 127. A reef changes the buoyancy and drag and may be required for individual maneuvers.
  • kite Since the kite is firmly guided on the pull rope, it is automatically stabilized by the pulling action of the rope in its buoyancy center with respect to its rolling and tilting movements. However, in order to rule out swinging, in each case a position signal from a roller transmitter 11-9 and an inclination transmitter 120 is transmitted via corresponding inverting high-pass filters 121 and 122 to the flight processor, so that jerky position changes of the windage element 101 are avoided and compensated.
  • the selected maneuver type is read out, including the kite causes to execute a given cyclic flight program. If this type of maneuver is transmitted, the control is done automatically by the autopilot of the windage element, and the unit 200 does not need to respond unless the kite leaves its target position due to unforeseen events.
  • the target position of the windage element 101 does not coincide with its predetermined position, it is that the default position read out of the memory 212 has changed - as is the case when the kite is set - or is it the kite in the course of maneuvering has left its position, the output signal at the output of the comparison 218 disappears, and the maneuver type of the memory 220 activated via the switching element 219 ends.
  • the signal "zero" appears, which is interpreted by the autopilot of Windangrif ssystems 100 to the effect that the last stored maneuver is no longer executed.
  • the actual position of the kite which is read out of the memory 213 and determined via GPS, is compared with the desired position from the memory 212 by means of a position correction unit 221 and a maneuver is determined, which moves the kite into the desired position leads.
  • the correction unit 221 is again designed as a look-up table, wherein the desired and the actual position (again relative to the ship) are combined to form a common addressing signal and the marking of a corresponding correction maneuver of the windage element from the actual position A in the target Position B is read out. It should be noted that depending on the start and finish (and also, if necessary, depending on the wind and wave conditions) different maneuvers must be selected to maneuver the kite. With the specified measures but any kite maneuvers can be selected and executed.
  • this data may be "looped" from the memory 211 through the lookup table memories 212 and 221 so that they are still present in the specific maneuver selection record and a suitable maneuver can be selected.
  • general adjustment guidelines which may include, for example, that when the sea is high, the kite is flown relatively so that the forces acting on the vessel by the wave direction can be compensated for. So in heavily krDeutschendem ship would be 'a dragon position with transverse component and favor a preliminary component in heavily pounding the ship.
  • an output signal of the sea clipping block 231 is directly supplied to the block 211 to add information which participates in the selection of the corresponding kite position and maneuvering in the sense described above.
  • Another function of this connection is to select parts of flight maneuvers to counteract the accelerations due to the sea. This implies that maneuvers with cyclical trajectories, in which different traction forces act on the traction cable at different times, are flown in such a way that these forces occur out of phase with the accelerations caused by the sea state. In this way, the ship movements are reduced overall. This compensation or reduction of ship movements by different traction forces, which are caused by maneuvering ', interfere with the other methods used for the seaway not compensation. This, has its reason in that of reduced ship movements require less effort to reduce their impact on the hang gliding trajectory. Because of the compensation of the individual ship movements, reference is made to the description of block 231 below.
  • the right-hand part of the memory 220 is addressed via a switching element 222 with the data set read out from the correction unit 221, the switching element 222 being activated by the output signal of the comparator by means of an inverter 223, if the switching element 219 is not activated, ie and actual position are unequal.
  • a multi-directional dynamic pressure gauge 111 provided on the kite forms an anemometer and, on the other hand, transmits the condition of too small a flow of the kite by a corresponding signal which, together with the generation of a position change maneuver, also drives the winch control 240, as a result of which the kite is accelerated at the position change, so that the flow is raised again. (It can be seen that the winch is also at
  • the wind gauge in different directions directed Pitot tubes with pressure cans, which are evaluated separately. From the pressure values of the three orthogonal pressure cans with the highest pressure values, the direction and speed of the wind with respect to the orientation of the wind meter 111 can be determined. If the output signal of the magnetic field sensor 128, which contains a bridge circuit of magnetically sensitive resistors and thus makes it possible to determine the direction of the field lines of the earth's magnetic field, is taken into account, then the direction of the wind can be referred to the north direction and can thus be referred to as the direction of the apparent wind in Windabzugselement be transferred to the vessel. There then, where appropriate, the correction of magnetic north to geographic north.
  • An arrow directed to the block 211 indicates that the normal navigation of the kite is disabled. Via an OR gate 224, which is connected upstream of the inverter 223, the rest of the normal maneuver control is also suppressed. (This also applies accordingly to the blocks 228, 229, 230 and 232 to be described below, which trigger further special functions.) The associated signal connections have been omitted there for reasons of clarity.)
  • the emergency maneuver "emergency shedding" is initiated via block 228 by selecting and starting the associated maneuver type via the right hand part of the maneuver type memory 220b containing the respective programming
  • This maneuver becomes necessary when the wind attack element for the ship has been caused by adverse circumstances or an accident danger (eg colliding with an obstacle): In this maneuver, the windage element is completely separated from the ship.
  • the blocks "set” 229 and “mountains” 230 are used to select the appropriate maneuvers by selecting and starting the relevant maneuver. Maneuver type introduced via the right part of the Manövertyp notess 220b containing the respective programming.
  • the acceleration component directed in the direction of the traction cable is determined via a suitably oriented acceleration sensor and, after integration, a signal is generated which describes the ship movements in the direction of the traction cable.
  • This signal is supplied to the on-board GPS receiver which provides a position signal corrected for the position of the winch control 240 if the receiver or antenna is not itself mounted in this position. If this GPS position signal were transmitted directly together with the GPS signal received via the receiver 214.
  • the accelerometer's integrated signal is additionally supplied to the GPS receiver 215 in block 231 to be subtracted (as a disturbance) from the signal to block 216 for processing is supplied, so that there the position signal of a "calm platform" is processed.
  • block 231 directly connects to winch control 240.
  • the latter immediately receives the command to fetch and retrieve through the block 231, in accordance with the determination of the swaying motion in the direction of the cable, so that the ship movements for the kite are directly compensated. Only if, for some reason, this compensation should no longer be sufficient, a position correction is triggered by a corresponding maneuver.
  • control commands can be transmitted directly to the autopilot unit and the winch control 240 in the left part 220a of the manual command maneuver memory, suppressing the remaining signal output from this memory.
  • These are the functions "Left”, “Right”, “Straight”, “Reffen”, “Recover”, “ recruit (+)” *, “ recruit (-)”, “Winch (+)” and “ Winsch (-) ". All commands can be modulated in their intensity.
  • a "predictive maneuvering" takes place in such a way that fictitious wind and course data are entered into the system for calculating the current position of the wind attack element and the configuration then being displayed for information.
  • the ship's command can then estimate the predictable behavior of the system and set the navigation accordingly.
  • additional memory means and comparator means are provided which allow a storage of signals associated with preceding times with signals appearing later in time in such a way that temporally successive maneuvering states are comparable on the basis of different - also more fictitious - input data.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the winch control 240 according to FIG. 3 of the positioning system according to the invention for a wind propulsion system.
  • the mechanical elements of the winch are grouped on a common drive shaft 244.
  • the output signal of the right-hand part of the memory 220b in FIG. 3, which represents the length of cable to be deployed becomes one
  • Memory 245 supplied, which holds this nominal pitch as a digital count.
  • the digital value contained in the memory 245 is supplied to a proportional comparator 246, which subtracts this value from another value supplied to it by a pulse counter 247.
  • This pulse counter 247 is in turn driven by a - in particular photoelectrically operating - position sensor 248, which is connected to a cable 11 leading the tensioning cable 249.
  • the spread length of the pull cable 11 can also be transmitted in other ways. For example, on the pull rope itself mounted optical, magnetic or other markings that are detected by corresponding sensors.
  • the traction cable 11 is frictionally driven by a multiple wrap around the spill head 249, wherein the rope is mounted in a storage space 250 shown only schematically.
  • the pull rope can also be handled by a cable drum, which then replaces the spill head.
  • a cable drum which serves as a cable storage. Otherwise, the structure remains the same.
  • the spill head to 249 is driven by a motor 251.
  • the engine preferably has an integrated, unspecified transmission.
  • the pulse counter 247 thus determines the actual unwound cable length by counting the output from the position sensor 248 in the pulse, the number of which is proportional to the rotation of the capstan head 249.
  • the length can be determined by a directly resting on the rope friction wheel with pulser.
  • the signal output by the proportional comparator 246 thus corresponds, depending on its polarity, to the cable length still to be wound up or unwound from the capstan head.
  • This output signal of the proportional comparator 246 is fed directly as a proportional component via a summing point 260 to a characteristic generator 252, which generates a control signal proportional to the cable length for the motor 251.
  • the output signal of the characteristic generator is limited to a linear course to high and low value out, so that there is a non-linear characteristic.
  • the steepness of the characteristic curve is adapted to the cable properties insofar as this also prevents overstretching.
  • the linear range of the characteristic curve is adapted to the elasticity properties of the cable, while in the event of imminent overloading there is a force limitation so that the cable can run freely when it threatens to break.
  • the activation of the motor 251 is preferably proportional to the length of rope to be deployed or retracted. This results in a characteristic of the drive, which is comparable to that of a spring. If the illustrated motor 251 is an electric motor whose torque is proportional to the supplied current, it is sufficient to connect the output of the characteristic generator 252 to the power source 253, which in this case is the current source.
  • the characteristic generator specifies a torque for the respective input variable, which is to act on the engine output shaft.
  • the steepness of the characteristic curve defines the "reactivity" of the winch to the corresponding control signals. It is adjustable to cope with various operating conditions (for example, the size of the windage element). During operation, the steepness of the characteristic curve is adjusted so that the winch movements settle below a too "nervous" reaction behavior.
  • the energy source 253 provides a different amount of energy, which does not directly lead to a proportional torque at the drive motor 251.
  • the motor 251 as a steam or hydraulic motor - in particular as volume adjustable hydraulic motor or as a pairing volume adjustable hydraulic pump and hydraulic motor - be executed, wherein on the output shaft, a torque measuring device 254 is provided whose output signals downstream of the characteristic generator 252 Feedback point 255 is supplied with negative polarity.
  • the signal emitted by the energy source is thereby increased until it is compensated by the negative feedback signal from the torque measuring device 254.
  • the desired characteristic can be generated with any drive motors.
  • an integrator 256 is switched on, which prevents a permanent control deviation in the adjustment of the cable length in that it increases or decreases the signal supplied to the characteristic generator the longer it is present.
  • an adjustable filter 258 parallel to it is an adjustable filter 258 with a downstream
  • Subtracting point 259 is turned on, wherein the filter is dimensioned so that it is permeable especially for resonant frequencies of the rope including winch and this suppressed by negative feedback.
  • the filter 258 is variable in frequency, the frequency setting being affected by the output of the pulse counter 247, which outputs a value corresponding to the applied pitch.
  • the filter is changed in its frequency according to the rope length, so that possible resonances, which are influenced in terms of their frequency by the rope length, are compensated.
  • only the tendency of the change is taken into account, once assuming a linear adjustment.
  • a precise adjustment is to be achieved, which follows the quadratic or other functional course, then a corresponding function transmitter is to be switched into the line of the pulse counter, which also in the form of a digital look-up table corresponding to Other illustrated embodiments may be designed.
  • the corresponding control variable is outputted for setting the desired filter frequency.
  • these are the corresponding digital control commands.
  • a voltage generator is programmed by the corresponding control variable for setting the corresponding output voltage for control.
  • the circuit shown is a digital control, so that the integrator 256 and the filter 258 also operate digitally.
  • the output signal of the position generator 248 gives a measure of the forces acting on the kite and their time course, so that it can be used for the evaluation of kite activity.
  • an acceleration sensor 265 is provided, which is effectively installed in the direction of the cable direction in the vicinity of the winch.
  • a downstream integrator 266 converts the detected acceleration values into corresponding path signals, which also act in the direction of the cable.
  • a preferably designed as a disc brake brake 261 is provided on the motor shaft for such cases when, for example, in calm sea no rope movements are neces sary. It is by a differentiator 262 with downstream Schmitt trigger 263 is driven, which only emits a signal when the output of the Differenziereis 262 exceeds a predetermined value, ie, the driving voltage for the motor 251 changes. The output of the Schmitt trigger then releases the brake via an inverter 264 (and a corresponding driver, not shown) and activates the power source (driver) for the motor. Otherwise, the brake 261 remains energized and deactivated. This also power for the drive motor 251 is saved.
  • a band brake acting directly on the capstan head 249 may also be provided. This is advantageous, for example, in view of the double safety demanded by some approval authorities, since braking of the capstan head is possible even if the motor gear or the shaft 244 breaks.
  • the assembly 231 (see FIG. 3), which has an acceleration sensor 265, which acts in the cable direction.
  • the output of the accelerometer 265 becomes a Integrator 266 supplied, which converts the accelerations in a distance in the cable direction.
  • the signal then arrives at a summing junction 257 via a downstream dosing device / inverter in order to be fed to the proportional comparator 246.
  • Assembly 267 alters the position of the kite 101 with respect to the ship at each of the seaward movements by fetching and hauling the rope so as to maintain its height with respect to the averaged sea surface and be unaffected by the ship's motions. This is particularly favorable low wind conditions and prevailing threshold, if the flight of the kite should not be influenced by additional forces.
  • the potentiometer 267 is provided, which enables a metering and polarity reversal of the output signal of the integrator 266. In this way, it is possible to dose and also reverse in polarity the proportion with which the integrated ship movement signal acts on the kite position, so that it can either steam the movements of the kite or the movements of the ship.

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Abstract

Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges Windangriffselement (1) mit einem Tragflächenprofil als ausschließlicher, als Hilfs- oder als Not-Antrieb, das über ein Zugseil (1.1) mit einem Wasserfahrzeug (4) verbunden ist, bei der eine Winsch (2) vorgesehen ist, welche Mittel aufweist, die bei Unterschreitung einer vorgegebenen ersten Zugkraft und/oder einem bevorstehenden oder eingetretenem Strömungsabriss ein Holen und/oder bei Überschreiten einer vorgegebenen zweiten Zugkraft und/oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Anströmgeschwindigkeit ein Fieren des Zugseils (1.1) bewirken.

Description

Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges Windangriffselement bei einem Wasserfahrzeug mit Windantrieb
Die Erfindung betrifft eine Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges Windangriffselement bei einem Wasserfahrzeug mit Windantrieb.
Eine derartige Positionierungsvorrichtung ist aus der
US PS 2 433 344 bekannt. Hierbei handelt es sich allerdings nicht. um eine Winsch, die geeignet ist, bei einem Wasserfahrzeug mit Windantrieb ein Windangriffselement entsprechend den Windverhältnissen einzustellen, sondern es geht nur darum, ein allgemeines aeronautisches Objekt, in einer konstanten Höhe zu halten. Eine Einstellung entsprechend den Windbedingungen ist bei der bekannten Vorrichtung nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionierungsvorrichtung der eingangs angegebenen Gattung an- zugeben, welche den genannten Nachteil nicht aufweist und es ges-tattet, die Position des Windangriffselements entsprechend den Windbedingungen selbsttätig anzupassen.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des An- spruchs • 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges Windangriffselement mit einem Tragflachenprofil als ausschließlicher Antrieb, als Hilfs- oder als Not-Antrieb, das über ein Zugseil mit einem Wasserfahrzeug, insbesondere einem See gehenden Schiff, verbunden ist, dann in günstiger Weise erzielbar ist, wenn sich die Länge des Zugseils jeweils an die atmosphärischen Zustände anpasst. Wenn ein automati- sches Holen und Fieren erfolgen soll, so wird die Grenzkraft zum Fieren größer eingestellt als die Grenzkraft zum Holen, so dass ein stabiler Betrieb ohne Regelschwingungen eintritt.
Bei der erfindungsgemässen Lösung ist besonders vorteilhaft, dass gleichzeitig eine Überlastung des Zugseils vermieden wird, da die Lastgrenze, bei der ein Fieren erfolgt, bevorzugt so gewählt wird, dass sie gut innerhalb der Belastungstoleranz des Zugseils gelegen ist.
Weiterhin ist es günstig, wenn weitere Mittel vorgesehen sind, welche ein Holen bzw. Fieren erst dann auslösen, wenn das Unterschreiten bzw. Überschreiten oder der Strömungsab- riss für eine vorgegebene Zeitdauer, die gegebenenfalls für jede Funktionsrichtung unterschiedlich festgelegt sein kann, andauert, da auf diese Weise ein zu häufiges Holen und Fieren vermieden wird. Die Zeitdauern liegen dabei bevorzugt im Bereich weniger Sekunden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Ausgangssignal eines Sensors für einen bevorstehenden Strömungsabriss einem Wandler zugeführt wird, welcher eine an Bord des Wasserfahrzeugs befindliche Winsch zur Verkürzung des Zugseils in der Weise ansteuert, dass die Anströ- mung des Windangriffselements soweit vergrößert wird, dass der Auftrieb des Windangriffselements ausreichend ist, um dieses mindestens in der Luft zu halten. Dabei kann die Winschgeschwindigkeit beim Holen auf einen festen Mindestwert gesetzt werden, welcher eine Anströmgeschwindigkeit garantiert, die ausreichend ist, das Windangriffselement stabil zu fliegen. Alternativ kann eine MindestSpannung des Zugseils definiert werden. Sollte diese unterschritten werden, zieht die Winsch an und stellt so die Anströmung am Windangriffselement sicher. Sobald in Folge 'dessen eine de- finierte Spannung überschritten wir, stoppt die Winsch wieder und der normale Flugzustand ist hergestellt. Damit erreicht man eine einfache, von zwei Zugkraft-Schwellwerten abhängige Winschsteuerung.
Bei einer weiteren günstigen Ausführung der erfindungsgemäßen Positionierungsvorrichtung .wird, wenn die Anströmung oder Zugkraft wieder einen vorgegebenen weiteren Schwellwert überschreitet - der unterhalb desjenigen Wertes liegt, bei dem in jedem Fall gefiert werden muss, die Länge des Zugseils wieder sukzessiv vergrößert wird, bis er im Wesentlichen seine Länge vor der Verkürzung erreicht hat.
Weiterhin kann in bevorzugter Weise vorgesehen sein, dass die Winsch .eine vorgegebene Drehmoment-Seillängenkennlinie um die eingestellte Seillänge herum aufweist, welche bewirkt, dass Seilstöße abgefedert werden. Diese Maßnahme zeichnet sich dadurch aus, dass dynamische Belastungen des Windangriffselements und des Zugseils reduziert werden können. Dies kann dann geschehen, wenn die Drehmoment- Seillängenkennlinie ein progressives Moment aufweist, d.h. je mehr Seil ausgefiert wird, desto größer wird der Widerstand der Winsch. Mit einer solchen Kennlinie bewirkt ein am Windangriffselement wirkender Windstoß zunächst eine schnelle Fierung von viel Seil, dann aber ein sanftes Ab- bremsen des Systems.
Um ein sicheres Bergen des Windangriffselements zu gewährleisten, ist. es ferner günstig, wenn die Winschgeschwindig- keit beim Bergen die Mindestanströmgeschwindigkeit des Windangriffselements zur Aufrechterhaltung seiner Flugfähigkeit unter Belastung durch das Zugseil gewährleistet.
Weiterhin sind Mittel vorgesehen, welche auf besondere Kri- terien ein selbsttätiges Einholen des Windangriffselement bewirken, wenn die Windgeschwindigkeit geringer ist als zur Aufrechterhaltung seiner Flugfähigkeit unter Belastung durch das Zugseil erforderlich ist oder wenn auf Grund navigatorischer Daten eine Kollision mit einem Gegenstand un- ter Wasser, im Wasser, an Land oder in der Luft innerhalb eines Zeitraums zu befürchten ist, der kleiner oder gleich der Zeit ist, welche für das Einholen des Windangriffselements bei maximaler Winschgeschwindigkeit mindestens erforderlich ist. Dasselbe gilt, wenn navigatorische Einschrän- kungen das Führen des Windangriffselements zu verhindern drohen.
Um höhere Windgeschwindigkeiten in größeren Höhen auszunutzen, ist es günstig, wenn, sobald innerhalb, eines vorgege- benen Zeitintervalls die Mindestanströmgeschwindigkeit nicht unterschritten wurde oder ein Wettersignal empfangen bzw. ermittelt wird, welches eine erhöhte Windgeschwindigkeit bzw. eine die Fahrt in Kursrichtung begünstigende Windrichtung anzeigt, ein Fieren des Seils jeweils um einen vorbestimmten zusätzlichen Längenbetrag ausgelöst wird und diese Länge beibehalten wird, wenn bei der ausgebrachten zusätzlichen Seillänge der Seilzug nicht abfällt. Auf diese Weise wird das Seil gefiert, wenn konstante Bedingungen herrschen, um zu versuchen, das Windangriffselement in grö- ßerer Höhe zu führen.
Bei einer anderen günstigen Weiterbildung der Erfindung wird das Einholen und Fieren, insbesondere bei erhöhtem Seegang, in der Weise vorgenommen., dass unerwünschte Schiffsbewegungen (Rollen, Stampfen, Gieren) herabgesetzt werden. Das Einholen und Fieren erfolgt also phasenversetzt zu der Komponente der Schiffsbewegungen in Seilrichtung, so dass insoweit einerseits die Schiffsbewegungen verringert werden, andererseits aber auch für eine stabile Führung des Windangriffselements gesorgt ist, da die auf das Zugseil wirkenden Kräfte verringert werden.
Es ist ersichtlich, dass - im Gegensatz zum Stand der Technik - eine Vielzahl von Maßnahmen getroffen wird, welche die vollautomatische Führung eines Windangriffselements als Vortriebselement ermöglichen, das in unterschiedlichen Höhen geführt werden muss.
Um den hohen Anforderungen, welche an eine Winsch nach der Erfindung gestellt werden, insbesondere in Bezug auf Energiebedarf, Kraft und Reaktionsfähigkeit, gerecht zu werden, ist es weiterhin günstig, wenn die Winsch mit einem Druckmedium angetrieben wird, wobei der Winschantrieb insbesondere als volumenverstellbare Hydraulikpumpe ausgebildet ist. Dadurch lassen sich auch Sicherheitsforderungen erfüllen, welche - beispielsweise auf Tankschiffen - den Einsatz von Elektroantrieben wegen der bestehenden Brandgefahr beschränken.
Um auch im Notfall ein sicheres Bergen zu gewährleisten, ist zum Betrieb der Winsch ein Notaggregat vorgesehen, welches die zum Betrieb der Winsch erforderliche Energie auch bei Ausfall der primären Energiequelle sicherstellt.
Besonders vorteilhaft bei der Erfindung ist der Umstand, dass die Kräfte zur Veränderung des Windangriffselements lediglich über kurze Wege übertragen 'werden müssen, so dass präzise Einstellungen ermöglicht sind, zumal bei der Betätigung über lange Zugleinen schon durch deren Dehnungen keine präzise Übermittlung der Steuerbefehle möglich ist. Weiterhin ist das Windangriffselement nicht dadurch Gefahren ausgesetzt, dass sich die Leinen miteinander verschlingen und es manövrierunfähig wird. Man muss sich nämlich vor Augen führen, dass die korrekte Einstellung und Führung des Windangriffselements auch für das Wasserfahrzeug insgesamt von erheblicher Bedeutung ist, da beispielsweise ein Manöver zur Fahrtrichtungsänderung stets eine Neueinstellung des Windangriffselements mit einschließen muss. Wären hier beispielsweise Leinen überkreuzt oder vertakelt, so könnte entweder die Richtungsänderung nicht ausgeführt werden oder das Windangriffselement müsste gekappt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass wenn die Betätigungselemente bzw. die Mittel zur Krafterzeugung in unmittelbarer Nähe des Windangriffselements vorgesehen sind, die entsprechenden Regeleinrichtungen auch mindestens teilweise dort unmittelbar beim Windangriffselement vorgesehen sein können, so dass auch auf aufwendige und störanfällige Signalübertragungswege weitgehend verzichtet werden kann.
Bei der Veränderung der aerodynamischen Wirkung des Windangriffsele ents sind alle aerodynamischen Steuerungen, wie Klappen, Ruder, sowie die Änderung seiner Ausrichtung, Anstellung und/oder Form eingeschlossen.
Die Änderung der Form kann dabei bevorzugt durch eine symmetrische oder unsymmetrische Änderung des Tragflächenprofils über eine Beeinflussung der Ausrichtung seiner Strömungsabrisskante, durch Verwindung des Tragflächenprofils, durch symmetrische und/oder durch unsymmetrische Änderung der Wölbung des Tragflächenprofils und/oder durch Änderung des Angriffspunkts des Zugseils, erfolgen. Bei anderen vorteilhaften Weiterbildungen kann die Veränderung der aerodynamischen Eigenschaften auch über eine Veränderung der Geo- metrie des Tragflächenprofils vorgenommen werden, wie es sich im Querschnitt des Drachens oder seiner Wölbung manifestiert. Eine derartige Änderung der Form besteht bei einem zweilagigen Tragflachenprofil vorteilhafterweise in einem Verändern des Abstands zwischen den beiden Lagen durch entsprechende Elemente.
Aus Gewichtsgründen kann es günstig sein, dass eine beid- seitige und/oder gegensinnige Betätigung zur gleichsinnigen bzw. unsymmetrischen Änderung des Tragflächenprofils durch ein einziges Antriebselement erfolgt. In diesem Fall werden beispielsweise zwei Querruder jeweils gegensinnig betrieben, wobei die neutrale Position die Mittellage beider Ruder bildet .
Bei einem aus textilem Material bestehenden Windangriffselement, wie es beispielsweise ein Drachen nach Art eines Gleitschirms darstellt, kann die Veränderung der aerodynamischen Wirkung vorzugsweise durch Verstellen oder durch Verlängern oder Verkürzen von mindestens einer Steuerleine mittels des Antriebselements erfolgen.
Um die für die aerodynamischen Verstellungen aufzuwendenden Kräfte anzupassen, kann es günstig sein, wenn mindestens eine Steuerleine mindestens eine Umlenkung oder Rückführung in Form eines Flaschenzugs aufweist, wobei der Flaschenzug sowohl zur über- als auch zur Untersetzung dienen kann.
Wenn die Steuerleinen eine matrixartige Anordnung bilden, ist die Beeinflussung eines Drachens nach Art eines Gleit- schirms erleichtert. Dabei bezieht sich diese Anordnung auf einen Bereich unterhalb des Drachens, von dem aus die aerodynamischen Betätigungen gemeinsam vorgenommen werden können. Hierbei ist es günstig, wenn verschiedene Steuerleinen jeweils über ein gemeinsam angetriebenes Betätigungselement zusammengefasst angetrieben werden, da sich dadurch die Zahl der Antriebselemente verringert. Das gemeinsam angetriebene Betätigungselement kann dabei beispielsweise aus einem drehbar gelagerten Element, einer Wippe, einem Hebel, einer Zahnriemenscheibe oder dergl. bestehen, welches ge- meinsam über einen Antriebsmotor bewegt wird. Die einzelnen Steuerleinen führen dann zu unterschiedlich gewählten Befestigungspunkten auf dem gemeinsamen Betätigungselement, so dass sich aus der Geometrie des Befestigungsorts der jeweilige Hub ergibt um, mit den die betreffende Steuerleine bewegt wird. Dabei können die einzelnen Steuerleinen auch noch durch Flaschenzüge oder dergleichen über- oder untersetzt werden. Auf diese Weise setzt sich dann die Bewegung des Betätigungselements in die gewünschte Geometrieveränderung des gesamten oder von Teilen des Windangriffselements um.
Bei einer anderen günstigen Ausführung besteht das Antriebselement aus einer elektrischen Winsch und/oder einem linearen Aktor, wobei der lineare Aktor durch ein pneumati- sches Element gebildet wird, welches sich unter Überdruck in Querrichtung ausdehnt und dadurch in seiner Länge verkürzt bzw. umgekehrt. Derartige Elemente werden "künstlicher Muskel" genannt und vorzugsweise pneumatisch angetrieben.
Zur Energiegewinnung für die Steuerbetätigungen am Windangriffselement ist es günstig, wenn in einem in der Nähe des Windangriffselements vorgesehenen und strömungsgünstig verkleideten Behältnis eine Windturbine vorgesehen ist, welche auf einen elektrischen Generator wirkt, der dann einen e- lektrischen Energiespeicher auflädt. Bei Verwendung von pneumatischen Elementen als Aktoren kann auch eine Turbine vorgesehen sein, die einen nachgeschalteten Verdichter antreibt, der dann den Überdruck für die pneumatischen Ele- mente liefert. Als Energiespeicher dient in diesem Fall ein Druckspeicher.
In dem in der Nähe des Windangriffselements vorgesehenen Behältnis sind auch die Mittel zur Steuerung des Windangriffsele ents untergebracht, welche Ausgangssignale zur Ansteuerung der Antriebselemente (Aktoren) liefern. Hierbei sind insbesondere Mittel vorgesehen, um ein Steuersignal für das Antriebselement aus einem Signal für den Kurs des Fahrzeugs, die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit zu ermitteln.
Günstig ist es, wenn für die Steuerung von der Richtung und der Geschwindigkeit des scheinbaren Windes am Windangriffs- element ausgegangen wird, da dessen Ausrichtung hierdurch bestimmt ist.
Das Windangriffselement wird bevorzugt durch eine Selbststeuervorrichtung (Autopilot) gesteuert, wobei ein Sensor- element vorgesehen ist, dem mindestens ein, vorzugsweise als Beschleunigungsmesser ausgestaltetes, Wandlerelement nachgeschaltet ist, welches mindestens mittelbar ein Steuersignal an das Antriebselement abgibt. Ein weiteres Sensorelement gibt ein Ausgangssignal mit Bezug auf seine Po- sition und Ausrichtung im Raum ab, welche insbesondere auf die Position des Schiffes bezogen ist.
Wenn ein anderes Sensorelement vorgesehen ist, welches einen bevorstehenden oder bereits eingetretenen Strömungsab- riss anzeigt oder als ein im Bereich der umströmten Oberfläche des Windangriffselements vorgesehenes Element ausgestaltet ist, welches bei anliegender Luftströmung ein Ausgangssignal abgibt, kann die Flugsteuerung so ausgelegt werden, dass im Falle eines Stalls ein Absinken des Windan- griffselements verhindert wird. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn Mittel vorgesehen sind, um ein Steuersignal zur räumlichen Ausrichtung des Windangriffselements oder für die Manöverfigu- ren extern durch eine mit dem Wasserfahrzeug verbundene
Bordeinheit zu erzeugen. Weiterhin sind vorteilhaft Signalübertragungsmittel vorgesehen, um das dritte Steuersignal von der Bordeinheit an die Selbststeuervorrichtung zu übermitteln, wobei es sich bevorzugt bei diesem Steuersignal um ein Diffential-GPS oder ein anderes Navigationssignal handelt, welches eine Information über die Position des Windangriffsele ents zum Wasserfahrzeug enthält.
Wenn zusätzliche Speichermittel und Vergleichermittel vor- gesehen sind, welche eine Speicherung von vorangehenden Zeitpunkten zugeordneten Signalen mit zeitlich später erscheinenden Signalen in der Weise ermöglichen, dass zeitlich aufeinander folgende Manöverzustände vergleichbar sind, kann eine vorhersehende Steuerung des Windangriffs- elements in dem Sinne erzeugt werden, dass bei Einleitung eines ■ Manövers, die vorsehbaren Folgen für den Schiffsbetrieb berücksichtigt werden.
Bei einer anderen günstigen Ausführung der Erfindung ist das Antriebselement und/oder das Sensorelement in dem Behältnis vorgesehen ist, welches auch den Angriffspunkt für das Zugseil bildet und von dem Halte- und Steuerleinen ausgehen, mit denen das Windangriffselement verbunden ist. Dieses Behältnis ist bevorzugt strömungsgünstig ausgeführt und kann auch eine Windturbine zur Energiegewinnung für die aerodynamische Steuerung des Windangriffselements aufweisen. Die dargestellte Erfindung eignet sich insbesondere für seegehende Schiffe oder solche mit Fahrtgebieten im Bereich großer Seen.
Bei einer günstigen Anwendung zur Energiegewinnung ist ein durch die Strömung des Wassers, insbesondere über eine Schiffsschraube oder Turbine, angetriebener Generator vorgesehen, welcher die erzeugte elektrische Energie einem E- nergiespeicher, insbesondere einem Wasserstoffgenerator zu- führt. Der durch elektrolytische Spaltung des Wassers gewonnene Wasserstoff wird gespeichert und in einem Reservoir festgehalten.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Dabei wird das erfindungsgemäße Windangriffselement auch synonym kurz als "Drachen" bezeichnet. Es ist aber auch die Bezeichnung "Flügel" richtig, weil es sich um ein Fluggerät mit Tragflügelfunktion handelt.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein von dem erfindungsgemäßen Drachen-System gezogenes Schiff in schräger Draufsicht,
Fig. la ein Koordinatensystem, welches bei der nachfolgenden Beschreibung als Bezugssystem dient,
Fig. lb ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Windangriffselements in Form eines Gleitschirms gemäß der Er- findung, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Steuerung des erfindungs- gemässen Windangriffselements in schematischer Darstellung,
Fig. 3 die Steuerung des erfindungsgemäßen Windantriebssystems als Blockschaltbild in detaillierter Darstellung sowie
Fig. 4 die erfindungsgemäße Positionierungseinrichtung in Blockdarstellung.
In Fig. 1 ist in den schräger Draufsicht ein von dem erfindungsgemäßen Drachensystem gezogenes Schiff wiedergegeben. Dabei ist ein Windangriffselement 1 über einen Zugseil 1.1 mit einer' Kraftangriffsvorrichtung 2, die im Bugbereich ei- nes Schiffes 4 vorgesehen ist, mit letzterem verbunden. Das Zugseil 1.1 ist zu einer zentralen Gondel 1.2 geführt, von der aus eine Anzahl von Halteleinen 1.3 ausgeht, welche zu dem nach Art eines Gleitschirms mit Drachenprofil ausgestalteten Windangriffselement 1 geführt sind und diesem die notwendige Form geben. Zu den Einzelheiten hierzu wird auf die Beschreibung weiter unte .verwiesen. Die scheinbare Windrichtung im Bereich des Windangriffelements 1 ist mit W bezeichnet. Der entsprechende Windvektor ist durch seine Größe und Richtung gekennzeichnet. Gegebenenfalls wird sei- ne zeitliche Veränderung noch durch eine die Böigkeit kennzeichnende Größe B gekennzeichnet, die zeitlich mittlere Abweichung der Windgeschwindigkeit vom mittleren Wert bildet und als Skalar darstellbar ist, der quasi den Radius einer Kugel um die Spitze des Windvektors W bildet.
In Fig. la ist ein Koordinatensystem wiedergegeben, welches bei der nachfolgenden Beschreibung als Bezugssystem herangezogen wird. Dabei gibt xs die Fahrtrichtung des Schiffes an, und ys ist die Richtung quer zur Fahrtrichtung. Das Ko- ordinatensyste ist dabei fest mit einem Punkt Ps des Schiffes verbunden zu denken. Bei diesem Punkt handelt es sich bevorzugt um den Kraftangrif spunkt 2 im Bugbereich. Die Höhe hs entspricht dabei der Richtung der Achse z des konventionellen Koordinatensystems . Sie gibt die Höhe über dem Bezugspunkt Ps an. Dieser Bezugspunkt ist in bevorzugter Weise der Ort der Anbringung der GPS-Antenne eines Bord eigenen GPS-Gerätes, so dass die Koordinaten eines Punktes außerhalb von Ps, bei dem sich ein anderes GPS-Gerät befindet, durch Differenzbildung der von beiden Geräten ausgege- benen Koordinaten erzeugt werden können. (Sollte sich die GPS-Antenne das Bord eigenen GPS-Gerätes entfernt vom Bezugspunkt Ps befinden, so kann dies durch Hinzufügen einer festen Koordinatendifferenz berücksichtigt werden.)
Zur Vereinfachung soll nachfolgend von einem Polarkoordinatensystem ausgegangen werden, bei dem der Winkel α den Azimutwinkel und der Winkel ß den Höhenwinkel bildet. Die Richtung des Vektors V zeigt dabei also auf die Gondel 1.2 des Windangriffselements 1. Es handelt sich hierbei gleich- sam um ein "geographi-sches Koordinatensystem", da die Gondel 1.2 bzw. das Windangriffselement 1 sich im Wesentlichen auf der Oberfläche einer Kugel bewegen. Der Azimutwinkel α und Höhenwinkel ß geben damit so etwas wie die geographische Länge und Breite der Position der Gondel auf der durch den Vektor V aufgespannten' "Weltkugel" . Die Länge des Vektors V gibt grob die Länge des Zugseils 1.1 an, wobei dessen Durchhang zunächst außer Betracht bleiben soll.
Die Gondel 1.2 des Windangriffselements ist nach einem ei- genen Koordinatensystem mit den Richtungen xk, yk und zk ausgerichtet, wobei zk in die Richtung der Verlängerung des Vektors V weist. Die Drehung der Gondel 1.2 des Windangriffselements 1 um die Hochachse zk wird mit dem Gierwinkel (Yaw) bezeichnet. Durch eine Veränderung des Gierwin- kels wird eine Änderung der Flugrichtung des Windangriffs- elements 1 bewirkt. Der Gierwinkel kann u. a. durch die aktive Ansteuerung von (weiter unten beschriebenen) Bremsklappen des das Windangriffselement 1 bildenden Gleitschirms verändert werden. Er bewirkt eine Richtungsände- rung, und dieser Vorgang ist mit dem Lenken eines Lenkdrachens vergleichbar. Eine Drehung um die Längsachse xk stellt eine Rollbewegung (Roll) dar und wird nicht aktiv gesteuert. Aus der Rollbewegung bzw. der entsprechenden Abweichung der Richtung von zk von V lässt sich der Durchhang des Zugseils 1.1 auf Grund der Schwerkraft ermitteln, während die Drehung um die Querachse yk die Neigung (Pitch) des Windangriffselements um die Querachse bildet und durch Böen und deren Einwirkung auf das Zugseil 1.1 hervorgerufen sein kann. Dieses Bezugssystem bildet die Basis für das Verständnis der Beschreibung des weiter unten beschriebenen Schiff-Drachen-Systems .
In Fig. lb ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mässen Windangriffselements schematisch dargestellt. Das Windangriffselement bildet bei der dargestellten Ausführungsform einen Gleitschirm 101 mit einem Behältnis 102 für die Steuerung, wie es weiter unten näher beschrieben werden wird. Von dem an dem Zugseil 1.1 befestigten Behältnis 102 gehen Halteleinen 103 aus, welche in Verzweigungen 104 in Form eines Leinenbaums übergehen, die mit einer unteren textilen Deckschicht 105 verbunden sind. Eine obere textile Deckschicht 106 bildet den Abschluss nach oben. Die beiden Deckschichten sind durch interne - in der Figur nicht sichtbare - Verbindungsleinen oder entsprechende Verbin- dungselemente, wie zum Beispiel Textilrippen, zusammengehalten, wobei das durch die beiden Deckschichten gebildete Tragflügelprofil durch einen internen Luftüberdruck stabilisiert wird, der sich über Öffnungen an der Drachenvorderkante (in der Zeichnung links) aufbaut, welche in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls fort- gelassen sind. Die Flugrichtung ist mit dem Pfeil 107 gekennzeichnet.
In Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Windantriebssystems als Blockschaltbild wiedergegeben. Das Bild dient auch zur Orientierung bei der nachfolgenden Beschreibung der einzelnen Systembestandteile. Die in der Ü- bersichtsdarstellung verwendeten 100-ter-Bezugszeichen bilden auch die Gruppenbezeichnung der weiter unten jeweils detailliert dargestellten Systemteile. (Eine gestrichelte Linie 99 umgrenzt dabei diejenigen Baugruppen, welche mindestens einem konventionellen Schiff hinzugefügt werden müssen, damit es mit dem erfindungsgemäßen Windantrieb zusätzlich ausgestattet ist.) Das Windangriffssystem 100 um- fasst das Windangriffselement sowie das dazugehörige Steuersystem, so weit es unmittelbar bei diesen angeordnet ist. Die Anordnung kann dabei sowohl in einer am Ende des Zugseils befindlichen Gondel, von der die Halteleinen ausgehen, angeordnet sein oder aber auch unmittelbar in das Windangriffselement eingearbeitet sein. Das Steuersystem umfasst im Wesentlichen einen Autopiloten, der die Lage- und Flugbahnsteuerung des Windangriffselements kontrolliert.
Das Windangriffssystem 100 ist über das Zugseil und eine
Winsch 210 (einschließlich Zugseil) und gestrichelt dargestellte Kommunikationswege mit dem Bordsystem 200 verbunden mit einer Bedienoberfläche (User Interface) 205, welches ein Steuersystem umfasst, das sowohl die Drachenposition kontrolliert als auch an die Maschine 5 und das Ruder 6 des Schiffes die notwendigen Steuerbefehle abgibt. Mit dem Windangriffselement ist das Bordsystem über verschiedene Kommunikationswege verbunden, welche ermöglichen, sowohl die Drachenposition vom Bordsystem im Grundsatz vorzugeben als auch vom Windangriffssystem her Informationen zu empfangen, die für das Bordsystem von Bedeutung sind.
Dem Bordsystem 200 vorgeschaltet ist ein Navigationssystem 300, welches an das Bordsystem die einzuhaltenden Route des Schiffes unter Berücksichtigung von Kosten, Zeiten, Geschwindigkeit und Windausnutzung sowie gegebenenfalls die Windrichtung und Windstärke übermittelt. Zur Windinformationen kann auch eine Kennzeichnung gehören, welche die Böig- keit des Windes charakterisiert. Dazu können ferner noch
Informationen betreffend den Seegang bzw. die daraus resultierende Schiffsbewegung kommen. (Die Wind- und Wetterdaten stammen dabei ursprünglich aus dem weiter unten dargestellten Wetterinformationssystem 600.) Das Navigationssystem wird unterstützt von dem navigatorischen Informationsfundus (Moving Map) 310.
Aus den Kurs-, Wind- und Welleninformationen werden Signale generiert, welche das Bordsystem 200 ansteuern und eine entsprechende Einstellung des Drachensystems 100 bewirken. Das Bordsystem 200 erzeugt weiterhin Ansteuersignale für die Maschine 5 und das Ruder 6.
Das • Navigationssystem 300 wird von einem Routensystem 400 angesteuert, welches den Weg des Schiffes über die dem
Schiffsbetrieb zu Grunde liegenden ökonomischen Basis. ermittelt. Das Routensystem 400 wird auf der Basis von einer externen Station 500 vorgegebenen Daten angesteuert, welche mit den Daten eines Wetterinformationssystems 600 abgegli- chen werden. Die von dem Navigationssystem 300 aktuell ermittelten Kursdaten werden über eine Rückkopplungsverbindung 301 (über Funk, Satellit) an die externe Station 500 zurückgemeldet. Die Daten sind auch von anderen mit dem erfindungsgemäßen System ausgestatten Schiffen empfangbar und können zur lokalen Aktualisierung des Wettersystems verwen- det werden. Auf diese Weise können aktuelle, lokal bedingte Kursänderungen bei der weiteren externen Routenvorgabe wie berücksichtigt werden.
Es ist ersichtlich, dass die Positionierung des Drachensystems 100 in Abhängigkeit von den Kursdaten so erfolgt, dass sowohl auf Grund der Wetterbedingungen (aktuell vorherrschenden Winde und Seegangsbedingungen) als auch unter Berücksichtigung der ökonomischen Grenzbedingungen, welche einen möglichst Kosten sparenden Schiffsbetrieb erbringen sollen, eine optimale Routenvorgabe erfolgt.
Ein Notfallsystem 700 gibt im Falle eines unvorhergesehenen Ereignisses, welches ein sofortiges Handeln in Form eines Notmanövers erzwingt, die erforderlichen Steuerbefehle.
In weiteren Blöcken 800 bzw. 900 sind jeweils das Signalisierungssystem und KommunikationsSystem zusammengefasst, welches die Navigation mit weiteren Verkehrsteilnehmern ab- stimmt. Zum Signalisierungssystem gehört eine Navigations- sicherheitsbeleuchtung sowie die Aussendung von eigenen Navigationsdaten über Funk, welche andere in der Umgebung befindliche Schiffe über das gesetzte Windangriffssystem und die beabsichtigte Route bzw. den aktuellen Kurs informie- ren. Das Kommunikationssystem umfasst dagegen alle Systeme, welche den weiteren Informationsaustausch betreffen.
Die Hauptwege des Datenflusses sind in Fig. 2 als durchgezogene Linien dargestellt, während die übrigen Nachrichten- wege gestrichelt wiedergegeben sind.
In Fig. 3 sind der Block 100, welcher das Windangriffssystem umfasst, sowie der Block 200 mit dem Bordsystem aus Fig. 2 näher dargestellt. Es wird hier die Positionierung und Steuerung des Drachens 101 beschrieben. Die Windrich- tungs- und Windgeschwindigkeitsinformation, einschließlich Böigkeitskennwert sowie Seegangsinformationen gelangt in einen Zwischenspeicher 211, in dem diese Daten zur Pufferung festgehalten werden. Da sich die Windrichtung und alle Einstellungen des Drachens auf den scheinbaren Wind beziehen, ist die Kursinformation bei der Verarbeitung entbehrlich. Die Einstellung und das Manövrieren des Windangriffselements in Bezug auf das Schiff erfordert keine Kenntnis des aktuellen Kurses, da sich alle Manöver in Bezug auf das Schiff und unter Einwirkung des auf den Drachen einwirkenden scheinbaren Winds beziehen. Die Windinformationen stammen beim Setzen des Drachen 101 zunächst aus dem Wetterinformationssystem 600 in Figur 2, wenn es darum geht, den Drachen zu positionieren. Sobald dessen eigene Windmessung nach dem Start jedoch in Funktion ist, wird der scheinbare Wind am Ort des Windangriffselements selbst bestimmt, da dieser für die Positionierung bestimmend ist.
Die Wind- und Seegangsdaten bilden insgesamt einen Daten- satz, welcher einen eine Nachschlagetabelle bildenden Speicher 212 für die Sollposition und den Manövertyp des Windangriffselements adressiert. Diese Nachschlagetabelle ist wie ein normaler adressierbarer Speicher organisiert, wobei die Äusgangsdaten des Zwischenspeichers 211 als Adressen- signale die einzelnen Speicherplätze adressieren, bei denen die zu den adressierten Daten gehörigen Zustandsdaten des Windangriffselements abgelegt sind. Eine derartige "Nachschlagetabelle" verknüpft nach Art eines "Nur-Lese- Speichers" (ROM) gemäß einem vorgegebenen funktionalen Zu- sammenhang die Eingangs- und Ausgangsdaten miteinander, lässt sich also als mathematische Zuordnung (Funktion) verstehen. Die entsprechenden Blöcke bilden jedoch nur eine beispielhafte Realisierung und können auch durch beliebige andere Funktionsglieder oder Baugruppen ersetzt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor handeln, bei dem die Steuerungssoftware in einem entsprechenden Speicher festgehalten ist oder aber auch um eine elektrische Schaltung, bei der der funktionale Zusammenhang nach Art eines Analogrechners durch die beteiligten elekt- rischen Komponenten festgelegt ist. Die Darstellung als Nachschlagetabelle ist hier der Übersichtlichkeit halber gewählt, weil eine Lösung mit einem Mikroprozessor beispielsweise nur deswegen unübersichtlicher darzustellen ist, weil die verschiedenen nacheinander abzuwickelnden Programmschritte aufwendige Überlegungen dahingehend erfordern, welche Programmteile dem Mikroprozessor nacheinander zuzuführen sind.
Bei der gewählten Ausführung können die Steuersignale pa- rallel verarbeitet werden, wobei allerdings solche Schaltglieder, die eine Aktivierung der dargestellten Blöcke zu bestimmten Zeiten und die entsprechenden Regelungen bewirken, nicht dargestellt sind. Es wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass ein eingehendes Steuersignal, wel- ches von bisher anstehenden Signalzustand abweicht, die
Verarbeitung in den nachfolgenden Blöcken auslöst, welche den betreffenden erreichten Zustand beibehalten, bis eine Signaländerung eine neue Verarbeitung erzwingt.
Die Zustandsdaten beinhalten also zum einen die Sollposition des Windangriffselements, d. h. seine Richtung in Bezug auf das Schiff und die auszubringende Länge des Zugseils. Darüber hinaus enthalten sie gegebenenfalls auch eine Informationen darüber, ob und wenn ja nach welchem abgespei- cherten Programm der Drachen 101 manövriert werden soll. Während der Drachen in einigen Positionen 'statisch, d. h. feststehend geführt wird, ist es für den Schiffsbetrieb in bestimmten Fällen günstiger, wenn der Drachen dynamisch geführt wird, d. h.. vorbestimmte Flugfiguren ausgeführt wer- den, da sich dadurch seine Relativgeschwindigkeit zum Wind und infolgedessen auch seine Zugleistung erhöht. In einem weiteren Speicher 213 wird die aktuelle Position des Drachens festgehalten, wie sie durch das Navigationssystem des Drachens 101 bestimmt wird.'
Die im Speicher 213 festgehaltene Ist-Position des Drachens bezieht sich auf das Schiff und wird vorzugsweise durch Differenzbildung zweier GPS-Signale ermittelt. Hierbei handelt es sich zum einen um den GPS-Empfänger 124 des Dra- chens 101 innerhalb des Drachensystems 100, welches mit dem fliegenden Drachen 101 verbunden ist. Die in der Flugposition des Drachens 101 ermittelten Positionsdaten werden mittels eines Senders 112 an einen Empfänger 214 übermittelt, welcher sich an Bord des Schiffes befindet. Ein wei- terer GPS-Empfänger 215 ist ebenfalls an Bord des Schiffes vorgesehen. Sein Ausgangssignal wird zusammen mit dem Ausgangssignal des Empfängers 214 einer Subtrahiereinheit 216 zugeführt, mit der das Differential-GPS-Signal erzeugt wird. In einem der Subtrahiereinheit 216 nachgeschalteten Block 217 werden die Differenz-Positionsdaten in Polarkoordinaten umgerechnet, welche sich auf den Abstand zwischen der Winsch 2 und in die Position des Windangriffselements beziehen. Es handelt sich um die Winkel und ß entsprechend Fig. la sowie die Seillänge "L" . Die so erhaltenen Differential-GPS-Positionsdaten weisen eine große Genauigkeit auf, wenn sie gleichzeitig ermittelt werden und der GPS-Empfänger des Schiffes an einem Ort installiert ist, der möglichst wenig von Schiffsbewegungen betroffen ist bzw. wenn die Bewegungen kompensiert werden.
Weiterhin ist es dabei notwendig, die Koordinatendifferenz zwischen der Positionen der Winsch und des GPS-Empfänger des Schiffes durch Subtraktion eines festen Wertes zu berücksichtigen. Die durch den so gebildeten Differential- GPS-Empfänger ermittelte Position wird in Zeitabständen er- mittelt. Falls sie in ihrer Präzision nicht ausreicht, kann sie durch Werte, die über Beschleunigungsaufnehmer 117, 119 und 120 ermittelt werden, gestützt werden. Die entsprechenden Berechnungen, die eine Integration enthalten, wird in der Baugruppe 123 ausgeführt. Da es sich innerhalb der Zeitintervalle, in denen integriert werden muss, lediglich um die Zeiten handelt, die bis zum nächsten GPS-Positions- Signal vergehen, brauchen die Integratoren keine Qualitätsanforderungen zu erfüllen, die eine Stabilität über lange Zeiträume garantieren würde. (Die Beschleunigungsaufnehmer dienen an sich zur Stabilisierung der Flugmanöver, wie es weiter unten beschrieben ist - erhalten somit also eine Zweitfunktion) . Des weiteren sind noch ein Höhenmesser 129, vorzugsweise als Luftdruckmesser ausgeführt, und ein Erd- magnetfeldsensor 128 vorgesehen, deren Daten ebenfalls dem Speicher für das Navigationssignal 124 zugeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Ist-Position des Windangriffselements in Relation zum Schiff ist die Nutzung der zum Schiff übertragenen Daten des Höhenmessers 129 und des Erdmagnetfeldsensors 128. Diese Daten werden auf dem Schiff in Block 227 übertragen und festgehalten. In Block 227 findet dann eine Differenzbildung mit den Daten des Höhenmessers 233 am Schiff und des Erdmagnetfeldsensors 234 am Schiff statt. Handelt es sich bei dem Höhenmesser
129 um einen Luftdruckmesser, können für die Bestimmung des Luftdrucks am Schiff aber auch Wetterdaten aus Block 600 (Isobaren) genutzt werden. Die so ermittelten Positionsinformationen werden Block 217 zugeführt und gegebenenfalls mit den GPS-Daten abgeglichen. Auf diese Weise stützen sich die Positionsinformationen zweier unabhängiger Systeme gegenseitig, und bei Ausfall eines Systems stehen die benötigten Daten weiterhin zur Verfügung. Die aus dem Speicher 212 ausgelesene Sollposition des Drachen wird nun einerseits einem Vergleicher 218 zugeführt, der ein Signal ausgibt, wenn die Ist-Position des Windangriffssystems 100, die in dem Speicher 213 vorhanden ist, mit der aus dem Speicher 212 ausgelesenen Sollposition ü- bereinstimmt . In diesem Fall wird über eine Freigabeschaltung 219 ein den ausgewählten Manövertyp kennzeichnender Datensatz aus dem Manövertyp-Speicher 220 ausgelesen.- (Dabei kann ein statischer Flugzustand sich aber auch da- durch auszeichnen, dass der Drachen keine Manöver ausführt, sondern seine Flugposition beibehält. Hierbei handelt es sich um den Manövertyp "Null".)
Bei Ansteuerung dieses Manövertypspeichers 220 wird also ein Flugprogramm vom sequenziellen Typ ausgelesen und an den Autopiloten des Windangriffssystems 100 übertragen. Das Ausgangssignal des Speichers 220 gelangt dabei an einen Sender 221, der die Daten emittiert und einem Empfänger 113 des Windangriffssystems 100 zuführt. Vom Ausgang des E p- fängers 113 gelangt das Signal in eine Autopiloten- Baugruppe und dort in eine Manöversteuereinheit 114. Diese empfängt die für ein bestimmtes sequenzielles Flugmanöver kennzeichnenden Signale und setzt diese in Kurvenwerte um, die dem Flugprozessor 116 zugeleitet werden, welcher das betreffende Flugmanöver ausführt. Dabei wird der einzustellende Wert in einen Kurvenwertvergleicher 115 überführt, dem andererseits das Eingangssignal des Gierwertmessers 117 zugeführt wird. Der Flugprozessor 116 erzeugt jetzt an seinem betreffenden Ausgang 125 über ein entsprechendes An- triebselement am Drachen 101 durch unsymmetrisches Abbremsen des Drachens 101 oder einer entsprechenden aerodynamischen Verformung Kurvenflug in der vorgegebenen Folge und Dauer. Die anderen aerodynamischen Effekte, welche durch die beiden anderen Ausgänge des Flugprozessors 116 ange- steuerte werden sind das Anstellen des Flügels und das Reffen, wie es weiter unten beschrieben wird.
Aus dem Speicher 220b für die Positionierung wird auch die Winsch 240 zum Fieren auf eine bestimmte Seil-Solllänge angesteuert.
Um ein Pendeln um die Hochachse zu vermeiden, wird zusätzlich ein durch einen Hochpass gefiltertes Signal dem Flug- rozessor 116 mit versetzter Phasenlage dem Steuersignal überlagert zugeführt, so dass ein Aufschwingen vermieden ist. Während über den Ausgang 125 Gierbewegungen gesteuert werden können, wird über den Ausgang 126 das Anstellen des Tragflügels eingestellt. Bekanntlich lässt sich durch das Maß des Anstellens eines Flügels das Verhältnis von Flugwiderstand und Auftrieb optimieren. Über einen weiteren Ausgang 127 kann das Reffen des Drachens 101 eingeleitet werden. Ein Reffen verändert den Auftrieb und Widerstand und kann bei einzelnen Flugmanövern erforderlich sein.
Da der Drachen fest am Zugseil geführt ist, wird er durch die Zugwirkung des Seils in seinem Auftriebsschwerpunkt bezüglich seiner Roll- und Neigungsbewegungen automatisch stabilisiert. Um aber auch hier ein Schwingen auszuschlie- ßen, wird in entsprechender Weise jeweils ein Lagesignal von einem Rollgeber 11-9 und einem Neigungsgeber 120 über entsprechende invertierende Hochpassfilter 121 und 122 zum Flugprozessor übermittelt, so dass ruckartige Lageänderungen des Windangriffselementes 101 vermieden und kompensiert werden.
Wenn der Drachen sich also in seiner vorgegebenen Position befindet (am Ausgang des Vergleichers 218 erscheint ein diesen Zustand kennzeichnendes Ausgangssignal) , so wird der ausgewählte Manövertyp ausgelesen, welche den Drachen dazu veranlasst, ein vorgegebenes zyklisches Flugprogramm auszuführen. Ist dieser Manövertyp übertragen, erfolgt die Steuerung selbsttätig vom Autopiloten des Windangriffselements, und die Einheit 200 braucht nicht mehr zu reagieren, sofern der Drachen nicht durch unvorhergesehene Ereignisse seine Sollposition verlässt.
Stimmt die Sollposition des Windangriffselements 101 nicht mit seiner vorgegebenen Position überein, sei es, dass sich die Vorgabeposition, welche aus dem Speicher 212 ausgelesen wird, verändert hat - was auch beim Setzen des Drachens der Fall ist -, oder sei es, dass der Drachen im Laufe des Ma- növrierens seine Position verlassen hat, so verschwindet das Ausgangssignal am Ausgang des Vergleiches 218, und der über das Schaltglied 219 aktivierte Manövertyp des Speichers 220 endet. Am Ausgang des Speichers für den Manövertyp 220 (linker Teil) erscheint das Signal "Null", was vom Autopiloten des Windangrif ssystems 100 dahingehend interpretiert wird, dass das zuletzt eingespeicherte Manöver nicht mehr ausgeführt wird. Statt dessen wird die Ist- Position des Drachen, welche aus dem Speicher 213 ausgelesen wird und über GPS ermittelt wurde, mit der Soll- Position aus dem Speicher 212 mittels einer Positionskorrigiereinheit 221 verglichen und ein Manöver ermittelt, wel- ches den Drachen in die Sollposition führt. Die Korrigiereinheit 221 ist wieder als Nachschlagetabelle ausgebildet, wobei die Soll- und die Ist-Position (wieder bezogen auf das Schiff) zu einem gemeinsamen Adressiersignal zusammen- gefasst werden und die Kennzeichnung eines entsprechenden Korrekturmanövers des Windangriffselements von der Ist- Position A in die Soll-Position B ausgelesen wird. Es ist nämlich zu beachten, dass je nach Start und Zielpunkt (und auch gegebenenfalls abhängig von den Wind- und Wellenbedingungen) unterschiedliche Manöver gewählt werden müssen, um den Drachen zu manövrieren. Mit den angegebenen Maßnahmen können aber beliebige Drachenmanöver ausgewählt und ausgeführt werden.
Spielen Wind- und Seegang bei den auszuführenden Manövern 5. eine Rolle, so können diese Daten vom Speicher 211 durch die Nachschlagetabellenspeicher 212 und 221 "durchgeschleift" werden, so dass sie im Datensatz für die Auswahl eines spezifischen Manövers noch vorhanden sind und ein geeignetes Manöver ausgewählt werden kann. Hierbei geht0 es allerdings nicht um den Ausgleich einzelner Ereignisse, sondern um generelle Einstellungsrichtlinien, welche beispielsweise beinhalten können, dass bei hohem Seegang der Drachen relativ so geflogen wird, dass die durch die Wellenrichtung auf das Wasserfahrzeug wirkenden Kräfte ög-5 liehst kompensiert werden können. So wäre also' bei stark krängendem Schiff eine Dracheposition mit Querkomponente und bei stark stampfendem Schiff eine Vorauskomponente zu bevorzugen. Aus diesem Grunde wird ein Ausgangssignal des Blocks 231 zur Erfassung des Seegangs direkt dem Block 211 zugeleitet, um eine Information zuzufügen, welche bei der Auswahl der entsprechenden Drachenposition und Manövrierung im oben beschriebenen Sinne mitwirkt. Eine weitere Funktion dieser Verbindung besteht darin, Teile von Flugmanövern so auszuwählen, dass sie den Beschleunigungen aufgrund des Seegangs entgegenwirken. Hierzu gehört, dass Manöver mit zyklischen Flugbahnen, bei denen, unterschiedliche Zugkräfte am Zugseil zu unterschiedlichen Zeiten einwirken, so geflogen werden, dass diese Kräfte phasenversetzt zu den Beschleunigungen auftreten, welche durch den Seegang hervor- gerufen werden. Auf diese Weise werden die Schiffsbewegungen insgesamt herabgesetzt. Diese Kompensation bzw. Herabsetzung von Schiffsbewegungen durch unterschiedliche Zugkräfte, welche durch das Manövrieren' hervorgerufen werden, stören die übrigen angewandten Verfahren für die Seegangs- kompensation nicht. Dies, hat seinen Grund darin, dass von vornherein reduzierte Schiffsbewegungen weniger Aufwand bei der Reduzierung von deren Auswirkungen auf die Drachenflugbahn erfordern. Wegen der Kompensation der einzelnen Schiffsbewegungen wird auf die Beschreibung des Blocks 231 weiter unten verwiesen.
Für den Positionswechsel wird der rechte Teil des Speichers 220 über ein Schaltglied 222 mit dem aus der Korrigiereinheit 221 ausgelesenen Datensatz adressiert, wobei das Schaltglied 222 vom Ausgangssignal des Vergleichers mittels eines Inverters 223 aktiviert wird, wenn das Schaltglied 219 nicht aktiviert ist, also Soll- und Ist-Position ungleich sind.
Des Weiteren kann auch die Flugstabilität des Windangriffselements für seine Position eine Rolle spielen. Ein am Drachen vorgesehener Mehrrichtungs-Staudruckmesser 111 bildet einerseits einen Windmesser und übermittelt andererseits für die in Flugrichtung gemessene Komponente den Zustand einer zu geringen Anströmung des Drachens durch ein entsprechendes Signal, welches zusammen mit der Erzeugung eines Positionswechselmanövers auch die Winschsteuerung 240 ansteuert, wodurch der Drachen bei dem Positionswechsel beschleunigt wird, so dass die Anströmung wieder heraufge- setzt wird. (Es ist ersichtlich, dass die Winsch auch bei
"gewollten" Positionsänderungen aufgrund von Wind- und Wellendaten über den rechten Teil des Speichers 220b mit angesteuert werden kann, damit beispielsweise eine Änderung der Höhe des Windangriffselements herbeigeführt werden kann.)
Für die Ermittlung der wahren Windrichtung und Windgeschwindigkeit weist der Windmesser in unterschiedliche Richtungen gerichtete Staurohre mit Druckdosen auf, welche getrennt ausgewertet werden. Aus den Druckwerten der drei rechtwinklig zueinander gerichteten Druckdosen mit den höchsten Druckwerten lässt sich die Richtung und Geschwindigkeit des Windes in Bezug auf die Ausrichtung des Windmessers 111 bestimmen. Wird das Ausgangssignal des Magnetfeld-Sensors 128, der eine Brückenschaltung aus magnetisch empfindlichen Widerständen enthält und somit die Ermittlung der Richtung der Feldlinien des Erdmagnetfeldes ermöglicht, mit in Betracht gezogen, so kann die Richtung des Windes auf die Nordrichtung bezogen werden und kann somit als Richtung des scheinbaren Windes beim Windangriffselement zu Wasserfahrzeug hin übertragen werden. Dort erfolgt dann gegebenenfalls noch die Korrektur von magnetisch Nord zu geographisch Nord.
Ein zu dem Block 211 gerichteter Pfeil deutet an, dass da- bei die normale Navigation des Drachens außer Funktion gesetzt wird. Über ein Oder-Gatter 224, das dem Inverter 223 vorgeschaltet ist, wird auch die übrige normale Manöversteuerung unterbunden. (Dies gilt entsprechend auch für die nachfolgend zu beschreibenden Blöcke 228, 229, 230 und 232, welche weitere Sonderfunktionen auslösen. Die zugehörigen Signalverbindungen, sind dort aber aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden.)
Über den Block 228 wird das Notfallmanöver „Notabwurf" durch Auswahl und Start des zugehörigen Manövertyps über den rechten Teil des Manövertypspeichers 220b eingeleitet, der die jeweiligen Programmierungen enthält. Dieses Manöver wird notwendig, wenn vom Windangriffselement für das Schiff durch ungünstige Umstände oder einen Unfall eine große Ge- fahr ausgeht (z.B. durch Zusammenstoss mit einem Hindernis) . Bei diesem Manöver wird das Windangriffselement vollständig vom Schiff getrennt.
Über die Blöcke "Setzen" 229 und "Bergen" 230 werden die entsprechenden Manöver durch Auswahl und Start des betref- fenden Manövertyps über den rechten Teil des Manövertypspeichers 220b eingeleitet, der die jeweiligen Programmierungen enthält .
Über einen Block 231 "Schiffsbewegungen" wird über einen entsprechend ausgerichteten Beschleunigungsaufnehmer die in Richtung des Zugseils gerichtete Beschleunigungskomponente ermittelt und nach Integration ein Signal generiert, welches die Schiffsbewegungen in Richtung des Zugseils be- schreibt. Dieses Signal wird dem Bord-GPS-Empfänger zugeführt, welcher ein für die Position der Winschsteuerung 240 korrigiertes Positions-Signal liefert, falls der Empfänger bzw. die Antenne nicht selbst in dieser Position montiert ist. Würde dieses GPS-Positionssignal unmittelbar zusammen mit dem über den Empfänger 214 empfangenen GPS-
Positions-Signal des Drachensystems 100 ausgewertet und zu Führung des Drachens 101 verwendet, würde dieser in seiner Steuerung den Seegangsbewegungen der Winsch folgen. Da dieser aber seine Manöver in Bezug auf eine gedachte beruhigte Schiffsposition fliegen soll, wird das integrierte Signal des Beschleunigungsaufnehmers in Block 231 zusätzlich dem GPS-Empfänger 215 zugeführt, um (als Störung) von dem Signal subtrahiert zu werden, welches dem Block 216 zur Verarbeitung zugeführt wird, so dass dort das Positionssignal einer "beruhigten Plattform" verarbeitet wird. Auf diese
Weise fliegt der Drachen 101 Manöver, die von Seegangsstörungen befreit sind. Es ist nämlich ersichtlich, dass sich hauptsächlich die in Zugseil-Richtung wirkenden Seegangs- Anteile für das Flugobjekt bemerkbar machen, wohingegen quer dazu gerichtete Anteile lediglich zu einer gerade bei langem Zugseil verschwindenden Änderung der Winkel o. und ß des Flugvektors beitragen und somit vernachlässigbar sind.
Um bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht perma- nent in die Situation zu kommen, bei starkem Seegang ein anstehendes Flugmanöver durch Feststellung einer Abweichung am Differenzblock 218 zu unterbrechen und einen gesteuerten "Flug" in die korrekte Position (in diesem Fall durch Aktivierung der Winsch 240 über den rechten Manöverblock 220b) ausführen zu müssen, besteht vom Block 231 eine Direktverbindung zur Winschsteuerung 240. Diese erhält unmittelbar den Befehl, entsprechend der Feststellung der Seegangsbewegung in Zugseilrichtung durch den Block 231 zu fieren und zu holen, so dass die Schiffsbewegungen für den Drachen un- mittelbar ausgeglichen sind. Erst, wenn dieser Ausgleich aus irgendeinem Grunde nicht mehr ausreichend sein sollte, wird eine Positionskorrektur durch ein entsprechendes Manöver ausgelöst.
Um auch Manöver manuell auslösen zu können, sind über eine Bedienereingabe 232, welche Teil des Bedieneroberfläche 205 in Figur 2 ist, die entsprechenden Eingabebefehle möglich. Über entsprechende Befehle können in dem linken Teil 220a des Manöverspeichers für manuelle Befehle unter Unterdrü- ckung der übrigen Signalausgabe aus diesem Speicher direkt Steuerbefehle an die Autopiloteneinheit und die Winschsteuerung 240 übermittelt werden. Hierbei handelt es sich um die Funktionen "Links", "Rechts", "Gerade", "Reffen", "Entreffen", "Anstellen (+)'*, "Anstellen (-)", "Winsch (+) " und "Winsch (-)". Alle Befehle können in ihrer Intensität moduliert werden.
Bei einer in der beschriebenen Ausführung eingeschlossenen Variante erfolgt, ein "vorausschauendes Manövrieren" in der Weise, dass in das System zur Berechnung der aktuellen Po- sition des Windangriffselements fiktive Wind- und Kursdaten eingegeben werden und die sich dann einstellende Konfiguration zur Information angezeigt wird. Hieraus kann dann die Schiffsführung das vorhersehbare Verhalten des Systems ab- schätzen und die Navigation entsprechend einstellen. Diese Mehrfachbearbeitung der Daten nach Art der Eventualvoraus- schau ist in Figur 3 durch Mehrfachwinkel an den Ecken verschiedener Speicherelemente dargestellt, was andeuten soll, dass die Inhalte dieser Speicher unabhängig von der aktuel- len Prozesssteuerung mehrfach ausgewertet werden. Hierbei sind also zusätzliche Speichermittel und Vergleichermittel vorgesehen, welche eine Speicherung von vorangehenden Zeitpunkten zugeordneten Signalen mit zeitlich später erscheinenden Signalen in der Weise ermöglichen, dass zeitlich aufeinander folgende Manöverzustände unter Zugrundelegung verschiedener - auch fiktiver - Eingangsdaten vergleichbar sind.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Winschsteuerung 240 gemäß Figur 3 des erfindungsgemäßen Positioniersystem für ein Windantriebssystem näher dargestellt. Die mechanischen Elemente der Winsch gruppieren sich dabei auf einer gemeinsamen Antriebswelle 244. Dabei wird das Ausgangssignal des rechten Teils des Speichers 220b in Figur 3, wel- ches die auszubringende Seillänge repräsentiert, einem
Speicher 245 zugeleitet, der diese Sollseillänge als digitalen Zählwert fest hält. Der im Speicher 245 enthaltene digitale Wert wird einem Proportionalvergleicher 246 zugeführt, der diesen Wert von einem weiteren Wert abzieht, der ihm von einem Impulszähler 247 zugeleitet wird. Dieser Impulszähler 247 wird seinerseits von einem - insbesondere photoelektrisch arbeitenden - Positionsgeber 248 angesteuert, der mit einem das Zugseil 11 führenden Spillkopf 249 verbunden ist. Die ausgebrachte Länge des Zugseils 11 kann aber auch auf andere Art und Weise übermittelt werden. So beispielsweise über am Zugseil selbst angebrachte optische, magnetische oder sonstige Markierungen, die von entsprechenden Sensoren erfasst werden. Das Zugseil 11 wird über eine mehrfache Umschlingung um den Spillkopf 249 reibschlüssig angetrieben, wobei das Seil in einen nur schematisch dargestellten Vorratsraum 250 gelagert ist. Bei einer nicht dargestellten alternativen Ausführung kann das Zugseil auch von einer Seiltrommel abgewickelt werden, die dann den Spillkopf ersetzt. Ein weiteres vorteilhaftes, nicht dargestelltes, Ausführungsbeispiel ist 'ein Spillkopf nebst einer Seiltrommel, die als Seilspeicher dient. Im Übrigen bleibt der Aufbau aber entsprechend.
Der Spillkopf zu 249 wird von einem Motor 251 angetrieben. Der Motor weist vorzugsweise ein integriertes, nicht näher dargestelltes Getriebe auf. Der Impulszähler 247 ermittelt so die tatsächlich abgewickelte Seillänge durch Zählen der vom Positionsgeber 248 abgegebenen im Pulse, deren Anzahl proportional zur Umdrehung des Spillkopfes 249 ist. Bei einer nicht dargestellten alternativen Ausführung kann die Länge durch ein direkt auf dem Seil aufliegendes Reibrad mit Pulsgeber ermittelt werden. Das von den Proportional- vergleicher 246 abgegebene Signal entspricht also - je nach seiner Polarität - der von dem Spillkopf zu 249 noch auf- bzw. abzuwickelnden Seillänge. Dieses Ausgangssignal des Proportionalvergleichers 246 wird unmittelbar als Proportionalanteil über einen Summenpunkt 260 einem Kennliniengeber 252 zugeführt, der ein der Seillänge proportionales Steuersignal für den Motor 251 erzeugt. Das Ausgangssignal des Kennliniengebers ist nach einem linearen Verlauf zu hohen und niedrigen Wert hin begrenzt, so dass sich eine nicht lineare Charakteristik ergibt. Die Steilheit der Kennlinie ist an die Seileigenschaften insoweit angepasst, als hierdurch auch eine Überdehnung verhindert wird. Der lineare Bereich der Kennlinie ist den Elastizitätseigenschaften des Seils angepasst, während sich bei drohender Überbelastung eine Kraftbegrenzung ergibt, so dass das Seil frei auslau- fen kann, wenn es zu brechen droht. Bis zu den genannten Grenzwerten ist also die Ansteuerung des Motors 251 vorzugsweise proportional zur auszubringenden bzw. einzufahrenden Seillänge. Daraus ergibt sich eine Charakteristik des Antriebs, der mit derjenigen einer Feder vergleichbar ist. Wenn es sich bei dem dargestellten Motor 251 um einen Elektromotor handelt, dessen Drehmoment den zugeführten Strom proportional ist, so ist es ausreichend, den Ausgang des Kennliniengebers 252 mit der in diesem Fall als Stromquelle ausgebildeten Energiequelle 253 zu verbinden. Der Kennliniengeber gibt für die jeweilige Eingangsgröße ein Drehmoment vor, welches auf der Motorabtriebswelle wirken soll. Die Steilheit der Kennlinie definiert die "Reaktionsfähigkeit" der Winsch auf die entsprechenden An- Steuersignale. Sie ist einstellbar, um verschiedenen Betriebsbedingungen (beispielsweise der Größe des Windangriffselements) gerecht zu werden. Im Betrieb wird die Steilheit der Kennlinie so eingestellt, dass sich die Winschbewegungen unterhalb eines zu "nervösen" Reaktions- Verhaltens einpegeln.
Bei Antrieben anderer Art kann es jedoch vorkommen, dass die Energiequelle 253 eine andere Energiegröße liefert, welche nicht unmittelbar zu einem proportionalen Drehmoment am Antriebsmotor 251 führt. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn in einer explosionsgefährdeten Umgebung, wie es beispielsweise auf Tankern der Fall ist, keine elektrischen Antriebe verwendet werden können. In diesem Fall kann der Motor 251 als Dampf- oder Hydraulikmotor - insbesondere a- ber als volumenverstellbarer Hydraulikmotor oder als Paarung von volumenverstellbarer Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor - ausgeführt sein, wobei auf der Abtriebswelle eine Momentenmesseinrichtung 254 vorgesehen ist, deren Ausgangssignale einem dem Kennliniengeber 252 nachgeschalteten Rückkopplungspunkt 255 mit negativer Polarität zugeführt wird.
Das von der Energiequelle abgegebene Signal wird dabei so- lange erhöht, bis es durch das Gegenkopplungssignal von der Momentenmesseinrichtung 254 kompensiert wird. Auf diese Weise lässt sich mit beliebigen Antriebsmotoren die gewünschte Charakteristik erzeugen. Weiterhin ist in dem Signalweg zwischen dem Proportionalvergleicher 246 und dem Kennliniengeber 252 ein Integrator 256 eingeschaltet, welcher eine bleibende Regelabweichung bei der Einstellung der Seillänge dadurch verhindert, dass er das dem Kennliniengeber zugeführte Signal umso mehr vergrößert bzw. verkleinert, je länger dieses ansteht. Weiterhin ist parallel dazu ein einstellbares Filter 258 mit einem nachgeschalteten
Subtrahierpunkt 259 eingeschaltet, wobei das Filter so bemessen ist, dass er insbesondere für Resonanzfrequenzen das Seils einschließlich Winsch durchlässig ist und diese durch Gegenkopplung unterdrückt. Das Filter 258 ist in seiner Frequenz variabel, wobei die Frequenzeinstellung vom Ausgangssignal des Impulszählers 247 beeinflusst wird, welcher einen Wert ausgibt, der der ausgebrachten Seillänge entspricht .
Auf diese Weise wird das Filter in seiner Frequenz entsprechend der Seillänge verändert, so dass mögliche Resonanzen, welche hinsichtlich ihrer Frequenz von der Seillänge beeinflusst werden, kompensierbar sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich die Tendenz der Änderung berücksichtigt, wenn man einmal von einer linearen Verstellung ausgeht. Soll eine präzise Anpassung erreicht werden, die dem quadratischen oder sonstigen funktionalen Verlauf folgt, so ist ein entsprechender Funktionsgeber in die Leitung vom Impulszähler einzuschalten, welcher ebenfalls in Form einer digitalen Nachschlagetabelle entsprechend den anderen dargestellten Ausführungsbeispielen gestaltet sein kann. Bei Adressierung durch einen der Seillänge entsprechenden Digitalwert erfolgt die Ausgabe der zugehörigen für die Einstellung der gewünschten Filterfrequenz entsprechen- den Steuergröße. Bei einem digitalen Filter sind das die entsprechenden digitalen Steuerbefehle. Bei einem analog ausgeführten Filter mit Varicap-Dioden wird ein Spannungsgenerator durch die entsprechende Steuergröße zur Einstellung der entsprechenden Ausgangsspannung zur Ansteuerung programmiert.
Bei. der dargestellten Schaltung handelt es sich um eine digitale Regelung, so dass der Integrator 256 und das Filter 258 ebenfalls digital arbeiten. Das Ausgangssignal des Po- sitionsgebers 248 gibt eine Maß für die auf den Drachen wirkenden Kräfte und deren zeitlichen Verlauf, so dass es für die Auswertung der Drachenaktivität herangezogen werden kann.
Um auch die Auswirkungen der Schiffsbewegungen auf die
Seilführung auszugleichen, ist ein Beschleunigungssensor 265 vorgesehen, der in Richtung der Seilrichtung wirksam in der Nähe der Winsch eingebaut ist. Ein nachgeschalteter Integrator 266 wandelt die ermittelten Beschleunigungswerte in entsprechende Wegstreckensignale um, welche ebenfalls in Richtung des Seils wirken. Damit wird die in Seilrichtung wirksame Komponente der Schiffsbewegungen durch ein entsprechendes Auf- und Abwickeln des Seils kompensiert, so dass sich die Schiffsbewegungen nicht auf die Position des Drachens auswirken.
Eine bevorzugt als Scheibenbremse ausgebildete Bremse 261 ist auf der Motorwelle für solche Fälle vorgesehen, wenn beispielsweise bei ruhiger See keine Seilbewegungen erfor- derlich sind. Sie wird durch einen Differenzierer 262 mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger 263 angesteuert, der nur dann ein Signal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Differenziereis 262 einen vorgegebenen Wert überschreitet, d.h. die Ansteuerspannung für den Motor 251 sich ändert. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers gibt dann über einen Inverter 264 (und einen entsprechenden nicht dargestellten Treiber) die Bremse frei und aktiviert die Energiequelle (Treiber) für den Motor. Andernfalls bleibt die Bremse 261 angezogen und wird deaktiviert. Damit wird auch Leistung für den Antriebsmotor 251 eingespart.
Bei einer nicht dargestellten alternativen Ausführung kann zusätzlich zur ersten, motorseitig wirkenden Scheibenbremse 261 noch eine direkt auf den Spillkopf 249 wirkende Band- bremse vorgesehen werden. Dies ist zum Beispiel mit Blick auf die von manchen Zulassungsbehörden geforderte doppelte Sicherheit vorteilhaft, da selbst bei einem Bruch des Motorgetriebes oder der Welle 244 eine Bremsung des Spillkopfes möglich ist.
Die bisher beschriebenen Baugruppen sorgen dafür, dass das Seil jeweils auf eine vorbestimmte Länge ausgebracht wird und die Winsch als quasi "elastisches Element" wirkt, um einer Seilüberdehnung entgegenzuwirken. Ferner werden Reso- nanzvorgänge auf dem Seil bedämpft, so dass sich nicht durch sich einstellende Resonanzbedingungen Kraftüberhöhungen einstellen können, die das Seil gefährden.
Eine weitere Maßnahme sorgt jetzt noch dafür, dass der See- gang und die daraus resultierenden Schiffsbewegungen sich nicht - oder nur kontrolliert - auf die Position des Windangriffselements 101 auswirken. Hierzu dient die Baugruppe 231 (vergleiche Fig. 3) , welche einen Beschleunigungsaufnehmer 265 aufweist, der in Seilrichtung wirkt. Das Aus- gangssignal des Beschleunigungsaufnehmers 265 wird einem Integrator 266 zugeführt, der die Beschleunigungen in eine Wegstrecke in Seilrichtung umsetzt. Über einen nachgeschalteten Dosierer/Inverter gelangt das Signal dann auf einen Summenpunkt 257, um dem Proportionalvergleicher 246 zuge- führt zu werden. Durch die Baugruppe 267 wird die Position des Drachens 101 in Bezug auf das Schiff jeweils um die Seegangsbewegungen durch Fieren und Holen des Seils verändert, so dass er in Bezug auf die gemittelte Meeresoberfläche seine Höhe beibehält und von den Schiffsbewegungen un- beeinflusst ist. Dies ist insbesondere Schwachwindbedingungen und herrschendem Schwell günstig, wenn der Flug des Drachens nicht durch zusätzliche Kräfte beeinflusst werden soll.
Nun kann es aber auch erwünscht sein, dass die Schiffsbewegungen durch den Luftwiderstand des Windangriffselements gedämpft werden sollen, während der Drachen stabil fliegt. Hierzu ist das Potentiometer 267 vorgesehen, welches eine Dosierung und Polaritätsumkehr des Ausgangssignals des In- tegrators 266 ermöglicht. Auf diese Weise ist es möglich, den Anteil, mit dem das integrierte Schiffsbewegungssignal auf die Drachenposition in Seilrichtung wirkt, zu dosieren und auch in seiner Polarität umzukehren, so dass es entweder die Bewegungen des Drachen oder aber die Bewegungen des Schiffes bedampfen kann.
Im Hinblick auf Details einzelner Elemente des Ausführungsbeispiels wird auch auf die gleichzeitig eingereichten parallelen Patentanmeldungen derselben Anmelderin verwiesen.
Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden. Andere im Bereich der. Erfindung liegende Konfigurationen ergeben sich aus Kombinationen von Unteransprüchen, welche sich dem Fachmann aufgrund der vor- liegenden Beschreibung erschließen.

Claims

Patentansprüche
1. Positionierungsvorrichtung für ein frei ausfliegendes drachenartiges Windangriffselement (1) mit einem Trag- flächenprofil als ausschließlicher, als Hilfs- oder als Not-Antrieb, das über ein Zugseil (1.1) mit einem Wasserfahrzeug verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winsch (2) vorgesehen ist, welche Mittel aufweist, die bei Unterschreitung einer vorgegebenen ersten Zugkraft und/oder einem bevorstehenden oder eingetretenem Strömungsabriss ein Holen und/oder bei Über- schreiten einer vorgegebenen zweiten Zugkraft und/oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Anströmgeschwindigkeit ein Fieren des Zugseill (1.1) bewirken.
2. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass weitere Mittel vorgesehen sind, welche ein Holen bzw. Fieren erst dann auslösen, wenn das Unterschreiten bzw. Überschreiten oder der Strömungsabriss für eine vorgegebene Zeitdauer - die gegebenenfalls für jede Funktionsrichtung unterschiedlich fest- gelegt sein kann - andauert.
3. Positionierungsvorrichtung naσh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel derart ausgestaltet sind, dass das Ausgangssignal eines Sensors für ei- nen bevorstehenden oder bereits eingetretenen Strömungsabriss einem Wandler zugeführt wird, welcher die Winsch (2) zur Verkürzung des Zugseils (1.1) in der Weise ansteuert, dass die Anströmung des Windangriffselements (1) soweit vergrößert wird, dass der Auftrieb des Windangriffselements (1) ausreichend ist, um dieses mindestens in der Luft zu halten.
4. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die Mittel derart ausgestaltet sind, dass wenn die Anströmung einen vorgegebenen Wert überschreitet, die Länge des Zugseils (1.1) wieder sukzessiv vergrößert wird, bis er im Wesentlichen seine Länge vor der Verkürzung erreicht hat.
5. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winschantrieb (240) eine vorgegebene Drehmoment-Seillängen-Kennlinie aufweist, die sich mit einer vorgegebenen Verzögerungs- zeitkonstante stets im Bereich der aktuell ausgebrachten Seillänge ausbildet, so dass Seilstöße abgefedert werden.
6. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Kennlinie eine Kraftbegrenzung unterhalb der Maximalbelastbarkeit des Seils (1.1) einschließt.
7. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraft/Längen- Verhalten der Winsch (2) eine Bedämpfung von Resonanzvorgängen auf dem Seil (1.1) in Abhängigkeit von der ausgebrachten Seillänge einschließt.
8. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winschgeschwin- digkeit beim Bergen eine Mindestanströmgeschwindigkeit am Windangriffselement (1) erzeugt, die ausreichend zur Aufrechterhaltung seiner Flugfähigkeit unter Belastung durch das Zugseil (1.1) ist.
9. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um das Windangriffselement (1) einzuholen, wenn die Windgeschwindigkeit geringer ist als zur Aufrechterhaltung seiner Flugfähigkeit unter Belastung durch das Zugseil (1.1) erforderlich ist.
10. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um das Windangriffselement (1) einzuholen, wenn eine Kollision mit einem Gegenstand unter Wasser, im Wasser, an Land oder in der Luft innerhalb eines Zeitraums zu befürchten ist, der kleiner oder gleich der Zeit ist, welche für das Einholen des Windangriffselements (1) bei maximaler Winschgeschwindigkeit mindestens erforderlich ist.
11. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um das Windangriffselement (1) vorausschauend einzuholen, wenn navigatorische Einschränkungen das Führen des Windangriffselements (1) verhindern.
12. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls die Mindestanströmgeschwindigkeit nicht unterschritten wurde oder ein Wettersignal empfangen bzw. ermittelt wird, welches eine erhöhte Windgeschwindigkeit bzw. eine die Fahrt in Kursrichtung begünstigende Windrichtung anzeigt , ein Fieren des Seils (1.1) jeweils um einen vorbestimmten zusätzlichen Längenbetrag ausgelöst wird und diese Länge beibehalten wird, wenn bei der ausgebrachten zusätz- liehen Seillänge, der Seilzug nicht abfällt.
13. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einholen und Fieren, insbesondere bei erhöhtem Seegang, in der Weise erfolgt, dass unerwünschte Schiffsbewegungen in Seilrichtung durch in Bezug auf die Seilrichtung phasenversetzten Antrieb herabgesetzt werden, um Seegangsbewegungen in Bezug auf das Windangriffselement (1) zu kompensieren bzw. dass bei entsprechender phasenversetzter Änsteuerung die Seegangsbewegungen des Schiffes (4) auf Kosten der Bewegung des Windangriffselements (1) herabgesetzt werden.
14. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Winsch (2) mit einem Druckmedium angetrieben wird.
15. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Winschantrieb (240) als volumenverstellbare Hydraulikpumpe ausgebildet ist.
16. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Notaggregat vorhanden ist, welches die zum Betrieb der Winsch (2) erforderliche Energie auch bei Ausfall der primären E- nergiequelle sicherstellt.
17. Wasserfahrzeug nach mit einer Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energiegewinnung ein durch die Strömung des Wassers außerhalb des Wasserfahrzeugs, insbesondere über eine Schiffsschraube oder Turbine, ang'e- triebener Generator vorgesehen ist, welcher die erzeug- te elektrische Energie einem Energiespeicher, insbesondere einem Wasserstoffgenerator mit nachgeordnetem Auf- bewahrungsbehältnis zuführt.
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