Bewegungsreferenzeinheiten (MRU)
Ein Inertialsensor, der Rollen, Stampfen und Hubbewegung eines Schiffs misst: wie er die Hubbewegung ermittelt, wie genau er ist, wo er montiert wird und wie die aktive Seegangskompensation ihn nutzt.
- Eine Bewegungsreferenzeinheit (MRU) ist ein Inertialsensor, der die Bewegungen eines Schiffs misst: Rollen, Stampfen und Hubbewegung, bei den meisten Geräten auch horizontale Bewegungen und Drehraten.
- Die Hubbewegung misst sie nicht direkt. Sie integriert die vertikale Beschleunigung zweimal und filtert die Drift heraus. Die Genauigkeit der Hubbewegung in Echtzeit beträgt typischerweise 5 cm oder 5 % der Hubamplitude, je nachdem, welcher Wert größer ist. Für die verzögert ausgegebene Hubbewegung, die erst einige Minuten später vorliegt, sind es bei Geräten der mittleren Klasse 2 cm oder 2 %.
- Rollen und Stampfen werden typischerweise mit einer Genauigkeit von 0.01 bis 0.03° RMS und Ausgaberaten von bis zu 200 Hz erfasst.
- Die MRU misst die Bewegung an ihrem Montageort. Für die aktive Seegangskompensation eines Krans wird die Bewegung an der Kranspitze benötigt. Der Regler überträgt sie daher über den eingemessenen Hebelarm. Ein passiver Seegangskompensator benötigt keine MRU.
Eine Bewegungsreferenzeinheit ist ein kompakter Inertialsensor, der fest am Schiffsrumpf montiert wird, oft nahe dem Drehzentrum des Schiffs. Sie meldet die Schiffsbewegung viele Male pro Sekunde. Dynamische Positionierung, Vermessungssonare, Hubschrauberdecks sowie bewegungskompensierte Krane und Gangways nutzen ihre Daten. Bei Offshore-Hebevorgängen liefert sie die Eingangsdaten für die aktive Seegangskompensation.
Was eine MRU misst
Im Inneren befinden sich drei Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren, jeweils einer pro Achse. Die Drehratensensoren messen, wie schnell sich das Schiff dreht. Die Beschleunigungssensoren messen die lineare Beschleunigung und die Richtung der Schwerkraft, wodurch die Winkel nicht wegdriften. Ein Prozessor kombiniert beide Messungen und gibt Folgendes aus:
- Winkel: Rollen und Stampfen, bezogen auf die Schwerkraft.
- Hubbewegung: vertikale Auslenkung gegenüber der mittleren Position des Messpunkts sowie vertikale Geschwindigkeit und Beschleunigung.
- Drehraten und Beschleunigungen auf allen drei Achsen, die ein Regler direkt nutzt. Ein DP-System verwendet Rollen und Stampfen, um seine Positionsreferenzen zu korrigieren.
Eine MRU kennt die Position des Schiffs nicht. Die Hubbewegung wird gegenüber einem mittleren Niveau gemessen, nicht als absolute Höhe. Bei vielen Geräten wird Gieren nur als Drehrate ausgegeben; der geografische Kurs stammt von einem Kreiselkompass oder einem GNSS-Kompass. Geräte mit zusätzlicher GNSS-Positionsbestimmung werden als Inertialnavigationssysteme angeboten.
Die sechs Bewegungen
Ein Schiff bewegt sich auf sechs Arten. Es verschiebt sich entlang drei Achsen und dreht sich um dieselben drei Achsen:
| Bewegung | Achse | Ursache bei Seegang |
|---|---|---|
| Längsbewegung | Entlang X, vor und zurück | Wellen von vorn oder achtern; langsame Drift |
| Querbewegung | Entlang Y, seitwärts | Wellen von der Seite; langsame Drift |
| Hubbewegung | Entlang Z, auf und ab | Jede Welle; diese Bewegung reduziert ein Seegangskompensator |
| Rollen | Um X | Wellen von der Seite; schwach gedämpft, daher kann die Bewegung nahe der Rollperiode anwachsen |
| Stampfen | Um Y | Wellen von vorn und achtern |
| Gieren | Um Z | Schräg einlaufende Wellen; begrenzt durch das DP-System oder den Autopiloten |
Wie ein bestimmtes Schiff auf jede Wellenperiode reagiert, beschreibt sein Response Amplitude Operator (RAO); siehe Schiffsbewegungen und RAOs.
Wie eine MRU die Hubbewegung ermittelt
Eine MRU hat keinen Höhensensor. Sie misst die Beschleunigung entlang ihrer eigenen Achsen und ermittelt anhand von Rollen und Stampfen die vertikale Komponente a_z, entfernt die Erdbeschleunigung und integriert zweimal:
Ein Messfehler wächst durch diese doppelte Integration schnell an: Schon 0.001 m/s² führt in einer Minute zu 1.8 m scheinbarer Hubbewegung (\tfrac{1}{2} b t^2). Deshalb filtert der Prozessor für die Hubbewegung das Ergebnis mit einem Hochpass. Er erhält die Bewegung im Frequenzbereich der Wellen und entfernt die langsame Drift. Der Filter hat einen Nachteil: Nahe seiner Grenzfrequenz, bei langperiodischer Dünung, fällt die Amplitude der Hubbewegung in Echtzeit zu klein aus und das Signal eilt der tatsächlichen Bewegung voraus. Für einen Regler führen beide Effekte zu Restbewegung.
Deshalb liefern die meisten MRUs zwei Ausgaben für die Hubbewegung:
| Ausgabe | Wie sie entsteht | Verwendung |
|---|---|---|
| Hubbewegung in Echtzeit | Nur aus vergangenen Daten gefiltert und daher sofort verfügbar | Regelung: aktive Seegangskompensation und bewegungskompensierte Gangways; Überwachung der Bewegungen von Hubschrauberdecks |
| Verzögert ausgegebene Hubbewegung | Aus Daten vor und nach dem jeweiligen Zeitpunkt gefiltert; dadurch genauer, aber erst einige Minuten später verfügbar | Nachträgliche Verarbeitung von Vermessungsdaten und Überprüfung der Echtzeitausgabe |
Ein Regler kann nur die Hubbewegung in Echtzeit nutzen. Er benötigt die Geschwindigkeit ebenso wie die Position: Ein aktiver Kompensator bewegt seine Winde oder seinen Zylinder entgegen der Hubgeschwindigkeit, und eine Vorhersage über den Messzeitpunkt hinaus gleicht die Verzögerung des Aktuators aus.
Typische Genauigkeit
Datenblätter mehrerer Hersteller nennen ähnliche Werte für aktuelle Geräte der mittleren und oberen Klasse:
| Ausgabe | Typische Spezifikation | Worauf zu achten ist |
|---|---|---|
| Rollen und Stampfen | 0.01 bis 0.03° RMS | Statischer oder dynamischer Wert; sie können sich um ein Mehrfaches unterscheiden |
| Hubbewegung in Echtzeit | 5 cm oder 5 % der Amplitude, je nachdem, welcher Wert größer ist | Die geltenden Wellenperioden und das Verhalten bei langperiodischer Dünung |
| Verzögert ausgegebene Hubbewegung | 2 cm oder 2 %, je nachdem, welcher Wert größer ist | Die Verzögerung, die eine Nutzung für die Regelung ausschließt |
| Ausgaberate | Bis zu 200 Hz | Die Latenz steht oft nicht im Datenblatt: Nach der Verzögerung von der Messung bis zur Ausgabe fragen |
Aus öffentlich zugänglichen Datenblättern, 2020 bis 2025. Geräte der oberen Klasse erreichen etwa 0.008° und 1 cm oder 1 % bei verzögert ausgegebener Hubbewegung. Dies sind typische Werte; maßgeblich sind das Datenblatt und die Prüfbedingungen des ausgewählten Geräts.
Bei einem Hebevorgang ist der Eigenfehler des Sensors (5 %, also etwa 10 cm bei 2 m Hubbewegung) selten der größte Fehler. Größere Fehler entstehen meist außerhalb des Sensors: durch einen falschen Hebelarm, eine falsch ausgerichtete Montage oder ein Signal, das für den falschen Punkt ausgewertet wird.
Montage und Hebelarm
Die MRU meldet die Bewegung ihres Montagepunkts. Eine 30 m entfernte Kranspitze bewegt sich wegen des zusätzlichen Anteils aus der Drehung deutlich stärker: Bei einem Grad Stampfen mit angehobenem Bug steigt ein 30 m weiter vorn liegender Punkt um
Der Regler überträgt daher die Bewegung vom Sensor O auf die Kranspitze P. Dazu nutzt er die Drehrate des Schiffs \boldsymbol{\omega} und den Hebelarm \mathbf{r}_{OP} zwischen beiden:
Dies gilt für einen fest mit dem Rumpf verbundenen Punkt. Während der Kran schwenkt oder wippt, bewegt sich die Spitze auch relativ zum Rumpf. Der Regler addiert diese Geschwindigkeit anhand der kraneigenen Winkelsensoren. Ein Seegangskompensator nutzt die vertikale Komponente, v_{P,z}. Viele MRUs können aus denselben Versatzwerten auch die Bewegung an konfigurierten entfernten Punkten ausgeben. In beiden Fällen bestimmt die Installation die Genauigkeit:
- Montieren nahe dem Drehzentrum, an einer steifen Struktur und fern von Motoren und anderen Vibrationsquellen.
- Ausrichten an den Schiffsachsen und jeden Montageversatz dokumentieren: Ein falsch ausgerichteter Sensor meldet Rollen und Stampfen um die falschen Achsen und überträgt die Bewegung auf den falschen Punkt.
- Versatzwerte einmessen von der MRU zu jedem Punkt, für den Bewegungsdaten benötigt werden, und Vorzeichen sowie Einheiten mit dem Koordinatensystem des Reglers abgleichen.
- Für Störungen vorsorgen: eine zweite MRU und eine festgelegte Reaktion auf ein ausgefallenes oder unplausibles Signal, bereits vor dem Hebevorgang und nicht erst währenddessen.
MRUs in der Seegangskompensation
Die aktive Seegangskompensation, etwa an einem Kran, erhält ihre Eingangsdaten von der MRU. Der Regler übernimmt die Bewegung in Echtzeit, überträgt sie auf die Kranspitze, sagt sie zur Überbrückung der Aktuatorverzögerung voraus und steuert Winde oder Zylinder gegen die Bewegung. Wie ruhig die Last hängt, hängt von der gesamten Kette ab: Genauigkeit und Latenz der MRU, Vorhersage sowie Geschwindigkeit und Kraft des Aktuators. Der Sensor allein hält den Haken nicht ruhig.
Ein passiver Seegangskompensator benötigt keine MRU. Seine Gasfeder reagiert unmittelbar auf die Last und entkoppelt sie ohne Bewegungsmessung von der Hubbewegung der Kranspitze. ANTARES, unsere adaptiv-passive Einheit, ergänzt eine automatische Dämpfungsregelung mit eigenen Sensoren, während die Lastabstützung passiv bleibt. VEGA, unser in Entwicklung befindlicher aktiver Inline-Kompensator, verbindet eine MRU-geführte aktive Zylinderregelung mit automatischer Dämpfungsregelung. Der Vergleich zwischen aktiver und passiver Seegangskompensation erläutert, wann welches Konzept geeignet ist.
IMU, VRU oder MRU
Die Bezeichnungen überschneiden sich je nach Hersteller, beschreiben aber, wie weit das Gerät die Messdaten verarbeitet:
| Bezeichnung | Was es liefert | Typische Verwendung |
|---|---|---|
| IMUInertialmesseinheit | Rohdaten zu Beschleunigung und Drehrate auf drei Achsen | Der Sensor in den anderen Geräten; seine Ausgabe muss verarbeitet werden |
| VRUVertikalreferenzeinheit | Rollen und Stampfen, manchmal auch Hubbewegung | Lageinformation für Antennen, Sensoren und einfachere Bewegungsüberwachung |
| AHRSLage- und Kursreferenzsystem | Rollen, Stampfen und Kurs; keine Hubbewegung | Lage und Kurs, wenn keine Hubbewegung benötigt wird |
| MRUBewegungsreferenzeinheit | Rollen, Stampfen und verarbeitete Hubbewegung, meist auch Längs- und Querbewegung sowie Drehraten auf allen drei Achsen | DP, Vermessung sowie bewegungskompensierte Krane und Gangways |
| INSInertialnavigationssystem | Die Ausgaben einer MRU plus Position und geografischer Kurs, mit GNSS | Navigation und Positionsbestimmung bei Vermessungen |
Für die aktive Kompensation ist die Bezeichnung weniger wichtig als die Ausgaben: Hubbewegung und Hubgeschwindigkeit in Echtzeit am benötigten Punkt, mit angegebener Latenz.
Häufig gestellte Fragen
Was ist eine Bewegungsreferenzeinheit (MRU)?
Ein fest an einem Schiff montierter Inertialsensor, der dessen Bewegung misst: Rollen, Stampfen und Hubbewegung, bei den meisten Geräten auch horizontale Bewegungen und Drehraten. Er kombiniert drei Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren mit einem Prozessor und gibt Daten mit bis zu 200 Hz aus. Dynamische Positionierung, Vermessung und aktive Seegangskompensation nutzen sein Signal.
Wie misst eine MRU die Hubbewegung?
Sie misst die Beschleunigung entlang ihrer eigenen Achsen, ermittelt mit Rollen und Stampfen die vertikale Komponente, entfernt die Erdbeschleunigung, integriert zweimal und filtert das Ergebnis mit einem Hochpass, um Drift zu entfernen. Die Hubbewegung in Echtzeit steht sofort zur Verfügung und dient der Regelung. Für die verzögert ausgegebene Hubbewegung werden auch Daten nach dem jeweiligen Zeitpunkt genutzt; sie ist daher genauer, liegt aber erst einige Minuten später vor und eignet sich für die Verarbeitung von Vermessungsdaten.
Wie genau ist eine MRU?
Typische Datenblattwerte: Rollen und Stampfen 0.01 bis 0.03° RMS, Hubbewegung in Echtzeit 5 cm oder 5 % der Hubamplitude (je nachdem, welcher Wert größer ist), verzögert ausgegebene Hubbewegung 2 cm oder 2 % bei Geräten der mittleren Klasse. Geräte der oberen Klasse erreichen etwa 0.008° und 1 cm oder 1 %. Prüfen Sie, ob der Wert statisch oder dynamisch gilt, für welche Wellenperioden er gilt und welche Latenz vorliegt.
Was unterscheidet IMU, VRU und MRU?
Eine IMU liefert Rohdaten zu Beschleunigung und Drehrate. Eine VRU verarbeitet sie zu Rollen und Stampfen, manchmal auch zur Hubbewegung. Ein AHRS ergänzt den Kurs, jedoch keine Hubbewegung. Eine MRU ergänzt die verarbeitete Hubbewegung, meist auch Längs- und Querbewegung sowie Drehraten auf allen drei Achsen. Ein INS ergänzt GNSS-Position und geografischen Kurs.
Wo sollte eine MRU montiert werden?
Nahe dem Drehzentrum des Schiffs, an einer steifen Struktur fern von Vibrationen und ausgerichtet an den Schiffsachsen. Messen Sie die Versatzwerte zu jedem Punkt ein, für den Bewegungsdaten benötigt werden: Der Regler überträgt die Bewegung über diesen Hebelarm auf die Kranspitze, und 1° Stampfen bewegt einen 30 m entfernten Punkt um etwa 0.52 m.
Benötigt die passive Seegangskompensation eine MRU?
Nein. Die Gasfeder eines passiven Seegangskompensators reagiert ohne Bewegungsmessung unmittelbar auf die Last. Die aktive Seegangskompensation benötigt eine MRU, weil ihr Regler Winde oder Zylinder gegen die gemessene Bewegung steuert.
Grundlagen und Quellen
- Öffentlich zugängliche Datenblätter für Bewegungsreferenzeinheiten mehrerer Hersteller, 2020 bis 2025: Genauigkeit bei Rollen, Stampfen und Hubbewegung, verzögert ausgegebene Hubbewegung, Ausgaberaten und entfernte Messpunkte.
- Kinematik starrer Körper für die Übertragung über den Hebelarm, \mathbf{v}_P = \mathbf{v}_O + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}_{OP}.
- Artikel von Norwegian Dynamics im Knowledge Hub über aktive Seegangskompensation und Schiffsbewegungen.
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