Zustandsschätzung von Strömungsfeldern und Quellfindung mittels dynamisch positionierter Unterwasser-Sensorknoten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Edwin Kreuzer
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Mechanik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250508151

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen Strömungsfelder mit unbekannten Quellen, Randwerten und Anfangswerten mit mobilen Sensoren identifiziert werden. Dafür wird eine Simulation des Strö-mungsfeldes mit den Messwerten der mobilen Sensoren kontinuierlich assimiliert und vorhergesagt. Aus der Prädiktion des Strömungsfeldes können wiederum Trajektorien für die mobilen Sensoren berechnet werden, die optimale Messwerte für die Korrektur der Strömungssimulation liefern.Mit einem solchen System können einerseits Wärme- oder Schadstoffquellen im Wasser effizient lokalisiert werden, andererseits soll das System zur Verifizierung strömungsmechanischer Berechnungen eingesetzt werden können. Üblicherweise werden Strömungen und Schadstoffbelastungen in Flüssen, Häfen, Mündungsbereichen und Meeren an mehreren stationären Positionen erfasst, unterstützt von Messungen durch bemannte Schiffe. Durch ein zentral kontrolliertes, mobiles Sensornetzwerk ist eine sehr viel höhere dynamische Auflösung zu erreichen, als es mit einem statischen Sensornetzwerk möglich ist. Globale Datenassimilation in Echtzeit ist dabei unabdingbar, um die Fahrzeuge kontinuierlich mit optimalen Anweisungen versorgen zu können.Der automatisierte Prozess aus Randwerterkennung, Quellenidentifikation und Strömungsmessung sorgt für eine hohe Flexibilität und sehr schnelle Einsatzbereitschaft der selbstorganisierenden Unter-wasserfahrzeuge. Es können komplett unbekannte Strömungsfelder analysiert werden, solange alle im zu untersuchenden Bereich liegenden Positionen aufgrund der Strömungsverhältnisse auch von den Fahrzeugen erreicht werden können.Am Institut für Mechanik und Meerestechnik wurden bereits theoretische Vorarbeiten zur Quelleniden-tifikation und -lokalisierung durchgeführt und diverse Simulationen dazu erstellt. Zudem wurde ein Regler entworfen, der die Trajektorien für das mobile Sensornetzwerk berechnet und eine effiziente Koordination gewährleistet. Weiterhin soll durch die Kooperation mit Partnerinstituten aus den USA und Brasilien theoretische und praktische Teile dieses Projekts bearbeitet werden. Forschungsbedarf besteht vornehmlich im Bereich der Quellenidentifikation und der Randwerterkennung sowie der Dy-namik des Gesamtsystems, weshalb eine praktische Umsetzung im Projekt vorgesehen ist.Zur Verifizierung soll ein Versuchsaufbau entwickelt werden, in dem mobile Unterwasserfahrzeuge mit Temperatursensoren in einem Wassertank eine Wärmequelle identifizieren und lokalisieren, Randwerte erfassen und mittels Datenassimilation aus den so geschätzten Strömungsfeldwerten und Unsi-cherheiten optimale Trajektorien für die Fahrzeuge berechnen. Dadurch sollen die Theorie und die Simulation verifiziert und in einem kontrollierten Umfeld die technischen Möglichkeiten ausgetestet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen