Physik | Technik
Georg Niggli, 2004 | Uetikon am See, ZH
Autonome Fahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung. Auch auf Gewässern bieten sie vielfältige Einsatzmöglichkeiten an, darunter ist beispielsweise die Überwachung der Wasserqualität. Segelboote erweisen sich aufgrund ihrer Emissionsfreiheit und ihres geringen Energiebedarfs als besonders geeignet für solche Einsatzzwecke. Bisher werden autonome Segelboote fast ausschliesslich für den maritimen Einsatz entwickelt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und der Bau eines vollständig autonomen Segelboots beschrieben, das für den Einsatz auf Binnengewässern vorgesehen ist. Das 2,2 Meter lange Boot hat einen Rumpf aus glasfaserverstärktem Kunststoff und ist mit einem Hartsegel mit Sailwing ausgestattet. Das selbstentwickelte einfache Navigations- und Steuerprogramm läuft auf einem leistungsschwachen ESP32 der auf einer eigenen Platine verbaut ist. Die Energieversorgung wird durch ein kleines Solarpanel in Kombination mit einem selbst gebauten Akkumulator sichergestellt.
Fragestellung
Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein autonomes Segelboot zu entwerfen, zu konstruieren und zu bauen. Dabei soll günstiges und einfach zu verarbeitendes Konstruktionsmaterial verwendet werden. Die Navigation und Steuerung soll selbst entworfen werden und die dafür notwendigen Programme selbst entwickelt werden.
Methodik
Auf Basis einer Analyse gängiger Segelbootformen wurde ein einrumpfiges Kielboot mit Festsegel gewählt. Diese Konfiguration gewährleistet maximale Eigenstabilität und erlaubt eine einfache Segelführung – ein zentraler Vorteil für autonome Systeme.
Die Konstruktion erfolgte vollständig CAD-gestützt in Autodesk Fusion 360. Die Materialwahl orientierte sich an funktionalen, ökonomischen und fertigungstechnischen Kriterien: Tannen-Leimholz als Skelettmaterial, Balsaholz für die Beplankung, verstärkt durch Epoxidharz mit Glasfaser. 3D-Druck kam für komplexe Einzelteile wie den Bugspitz und mechanische Schnittstellen zum Einsatz.
Die Elektronik wurde zunächst mit Breakout-Boards prototypisiert und anschliessend auf einer eigens entwickelten Platine zusammengeführt. Zentral ist ein ESP32-Mikrocontroller, der Sensorik (GPS, Magnetometer, Windrichtung) und Aktuatoren (Ruder, Segel) ansteuert. Die Energieversorgung erfolgt über ein 22 W Solarpanel und eine Li-Ion-Batterie mit intelligentem Lade-IC inklusive PowerPath-Management.
Die autonome Navigation basiert auf einem eigenentwickelten, vektorbasierten Steueralgorithmus in C++, Kursberechnung und Kursregelung erfolgen lokal auf dem Mikrocontroller.
Ergebnisse
Das Segelboot wurde unter Bedingungen bei Windstärke 2 (ca. 6–11 km/h Wind) getestet. Es zeigte eine gute Wasserlage mit nur minimaler Krängung.
Mechanische Schwächen zeigten sich bei der Befestigung des Segels am Bootskörper, die während des Tests brach. Auch einige 3D-gedruckte Teile versagten nach dem Test beim Herausheben des Bootes aus dem Wasser.
Durch geringe Winkeländerungen am Sailflap konnte das Boot Fahrt aufnehmen.
Beim Test der autonomen Navigation wurde dem Boot ein Ziel gegeben, das gegen den Wind lag. Das Boot wich auf einen segelbaren Kurs aus.
Die Kommunikation über BLE funktionierte im Bereich von 40–50 m. Ab etwa 30 m Entfernung nahm der Empfang jedoch deutlich ab. Alle Sensoren lieferten die erwarteten Werte.
Diskussion
Beim nächsten Bootsbau würden grossformatige 3D-gedruckte Rumpfteile anstelle von Balsaholz verwendet, um Passgenauigkeit zu erhöhen und die aufwendige Nachbearbeitung mit Glasfaser-Epoxid zu verringern. Das Ruder soll künftig unter Wasser am Heck angebracht und über eine vertikale Welle von innen mit einem einfachen Servomotor gesteuert werden. Wie der Kiel würde es 3D-gedruckt und mit Glasfaser verstärkt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Grundkonzept funktioniert. Sowohl das Sailflap als auch der Kiel erfüllten ihren Zweck. Schwächen traten bei der Mastbefestigung auf, die aus Holz gefertigt wurde – eine Konstruktion aus Stahl wäre hier stabiler. Auch die mechanischen Teile aus PETG zeigten sich teils zu schwach und müssten stabiler gefertigt werden. Die Bordelektronik arbeitete zuverlässig, während die Software sich durch Ihre Einfachheit auszeichnet, könnten andere Algorithmen deutlich bessere Ergebnisse erzielen.
Schlussfolgerungen
Autonome Segelboote haben ein riesiges Potenzial, die Überwachung unserer Gewässer zu intensivieren. Sie haben Anwendung in der Meeresforschung oder Kartografierung wie auch in der Verteidigung und werden seit kurzem auch eingesetzt, um Daten langfristig und kostengünstig in entlegenen Regionen zu sammeln.
Würdigung durch den Experten
Leon Hinderling
Diese Arbeit widmet sich dem anspruchsvollen Thema des autonomen Segelns – einem Forschungsfeld mit grossem Potenzial. Georg Niggli hat mit tiefem physikalischem Verständnis und seiner Leidenschaft für das Segeln ein elegantes Ergebnis erzielt. Die Arbeit überzeugt sowohl inhaltlich als auch formal mit schlüssigen Darstellungen, klaren Erklärungen und einer fundierten Auseinandersetzung mit aktueller Literatur sowie der schweizerischen Gesetzeslage. Der hohe Aufwand spiegelt sich in einer professionellen Arbeit mit grossem Erweiterungspotenzial wider.
Prädikat:
hervorragend
Sonderpreis «Mostratec» gestiftet von der SJf-Trägerschaft
Kantonschule Uetikon am See
Lehrerin: Dr. Carola Ebenhoch