KR100814481B1 - 선박용 디지털 컴퍼스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 디지털 컴퍼스에 관한 것으로, 스텝모터를 이용한 새로운 형태의 회전식 디지털 컴퍼스 장치를 구축함과 더불어 자동으로 자차계수를 갱신할 수 있는 이론식과 알고리듬을 개발함으로써, 선박을 선회시키는 대신 자기 센서를 회전시켜서 고정된 방위에서의 자차계수를 획득한 후, 항해 중 자차계수가 자동으로 갱신되는 칼만 필터(Kalman filter) 개념의 선박용 디지털 컴퍼스에 관한 것이다.

프럭스-게이트 센서, 선박, 디지털 컴퍼스, 전자 컴퍼스, 스텝모터

Description

선박용 디지털 컴퍼스{Ship's Digital Compass}

도 1은 X-Y 좌표에 나타낸 지구자기 성분을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 컴퍼스의 전체구성도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 컴퍼스의 사용상태도.

도 4는 각 스텝마다 측정한 X축과 Y축 지구자기 요소를 X축과 Y축에 각각 대응하여 표시한 그래프.

도 5는 X축과 Y축 지구자기 요소를 이용하여 방위를 계산한 그래프.

도 6은 도 5의 나침방위

와 자침방위

사이의 차이는 나타낸 그래프.

도 7은 항해 중 획득한 데이터를 이용하여 계산한 침로를 나타낸 그래프.

도 8은 도 7의 침로계산에 적용된 자차를 나타낸 그래프.

도 9는 t=0에서의 자차계수

와 t=1이후 실시간으로 갱신한 자차계수

사이의 차를 나타낸 그래프.

도 10 내지 12는 1024시부터 1042시까지의 실시간 항해 데이터에 대해서, 위 의 도 7 내지 9까지와 동일한 방법을 적용하여 계산한 결과들을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:컴퍼스부 2:상부보호체 3:하부보호체

4:스텝모터 5:지지튜브 6:신호 및 제어유닛

7:테이블설치대 8:신호선 9:볼베어링

10:삼각지지대 11:노트북 컴퓨터 21:상부덮개

22:하부덮개 23:서포팅스크루 31:상부패널

32:하부패널 33:중앙패널 34:서포팅스크루

51:접속핀 81:케이블홀더

본 발명은 선박용 디지털 컴퍼스에 관한 것으로, 스텝모터를 이용한 새로운 형태의 회전식 디지털 컴퍼스 장치를 구축함과 더불어 자동으로 자차계수를 갱신할 수 있는 이론식과 알고리듬을 개발함으로써, 선박을 선회시키는 대신 자기 센서를 회전시켜서 고정된 방위에서의 자차계수를 획득한 후, 항해 중 자차계수가 자동으로 갱신되는 칼만 필터(Kalman filter) 개념의 선박용 디지털 컴퍼스에 관한 것이다.

최근 선박 항해장비의 첨단화로 아날로그(analog) 장비가 점차 디지털(digital) 장비로 바뀌고 있다.

특히, 오랜 기간 동안 방위측정 장비로 사용되고 있는 자기 컴퍼스(Magnetic Compass)는 점차 디지털 장치로 대체되고 있는 실정이다.

개정된 SOLAS 2000 규정에 의하면 자기 컴퍼스에 자차수정을 충분히 행한 후, 선수 방위신호를 전기신호로 전달하는 선수방위전달장치(Transmitting Magnetic Heading Devices)의 장착이 권고 되고 있으며, 2002년 7월부터 건조되는 선박은 자기 컴퍼스를 대신하여 전자 컴퍼스(Electronic Compass)가 제2차 방위 측정 장치로 설치될 수 있도록 규정하고 있다.

또한, 이러한 시대적 요구에 따라서 한국, 영국, 일본, 노르웨이, 미국 등 전 세계적으로 유명한 항해장비 생산업체에서 전자 컴퍼스를 개발하여 시판하고 있다.

그러나 전자 컴퍼스 역시 기존 자기 컴퍼스와 마찬가지로 지구자기의 방향성분을 이용하여 방위를 획득하기 때문에 선체자기(ship's magnetism)가 지구자기에 미치는 자차(Deviation)와 지구상의 위치에 따라서 지구자기 성분이 변하는 편차(Variation)를 보정해야 정확한 방위를 측정할 수 있다.

여기서, 편차는 지구상의 선박 위치를 알고 있으면 다양한 방법으로 정밀 측정이 가능하다.

그러나 자차는 선박의 연철(soft iron) 성분이 선박의 선수방위 변화나, 화물의 적하와 양하, 항해환경의 변화, 시간경과 등에 따라서 수시로 변하기 때문에 측정이 어렵고 번거롭다.

기존 자기 컴퍼스의 경우에는 선박을 360°선회시켜서 그때 발생하는 강철(hard iron) 성분과 연철 성분에 의한 선체자기의 변화를 측정하여 자차를 구하는 선회방법(swinging method)이 일반적으로 적용되고 있다.

이러한 선회방법은 선박을 정선시킨 후 선회시켜야 하고, 선회에 필요한 안전하고 넓은 해역이 필요하며, 자차 측정에 시간이 소요되고, 환경변화에 따라서 수시로 자차를 수정해야하는 등, 많은 문제점을 갖고 있다.

그럼에도 아직까지 이러한 선회방법 이외에 자차를 측정하기 위한 다른 대안이 없는 실정이다.

현재, 전자 컴퍼스는 기존 자기 컴퍼스와 비교하여 정밀도, 가격, 내구성 등에서 매우 우수하나, 전자 컴퍼스 역시 자기 컴퍼스와 마찬가지로 선회방법 이외에는 자차측정에 대한 대안이 없기 때문에 기존 자기 컴퍼스를 대체하지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은, 스텝모터를 이용한 새로운 형태의 회전식 디지털 컴퍼스 장치를 구축함과 더불어 자동으로 자차계수를 갱신할 수 있는 이론식과 알고리듬을 개발함으로써, 선박을 선회시키는 대신 자기 센서를 회전시켜서 고정된 방위에서의 자차계수를 획득한 후, 항해 중 자차계수가 자동으로 갱신되는 칼만 필터(Kalman filter) 개념의 선박용 디지털 컴퍼스를 구현함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상부덮개와, 상기 상부덮개의 하향으로 일정 간격을 두고 설치되는 하부덮개와, 상기 상, 하부덮개가 일정간격을 유지할 수 있도록 상, 하부덮개의 가장자리의 네 귀퉁이에 연결 설치되는 서포팅스크루로 이루어지는 상부보호체와; 상기 상부보호체의 내부에 설치되어 회전되면서 고정된 방위에서의 자차계수를 획득하는 것으로서, 지구자기를 측정하는 3축 프럭스-게이트 센서와, 경사센서와, 소형 마이크로프로센서와 신호처리장치로 구성되는 컴퍼스부와; 상기 상부보호체의 하측에 설치되는 것으로서, 상부패널과 상기 상부패널과 일정 간격을 두고 하향으로 설치되는 하부패널과 상기 상, 하부패널이 일정간격을 유지할 수 있도록 상, 하부패널의 내부 가장자리 네 귀퉁이에 설치되는 서포팅스크루 및 상기 하부패널의 상측으로 일정간격을 두고 설치되는 중앙패널로 이루어지는 하부보호체와; 상기 컴퍼스부와 신호선에 의해 연결되는 것으로서, 하부보호체의 하부패널의 상면에 설치되는 신호 및 제어유닛과; 상기 중앙패널의 상면에 설치되면서 신호선에 의해 상기 컴퍼스부, 신호 및 제어유닛과 연결되는 한편, 상기 컴퍼스부와 연결되어 회전작동에 의해 상기 컴퍼스부를 일정방향으로 회전시키는 스텝모터와; 상, 하단이 접속핀에 의해 컴퍼스부 및 스텝모터와 연결되는 지지튜브와; 상기 컴퍼스부, 스텝모터, 신호 및 제어유닛의 신호선을 지지하기 위해 상기 상부패널 및 중앙패널의 일측에 설치되어 케이블홀더를; 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부보호체 아래에는 볼베어링이 설치하여 컴퍼스부의 회전이 부드럽게 이루어지게 함을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부패널의 아래에는, 삼각지지대와 결합할 수 있는 테이블설치대를 설치하여 선체로부터 컴퍼스부가 1m~2m 이격될 수 있도록 하며, 상기 컴퍼스부와 노트북을 연결하여 컴퍼스부에서 얻어진 데이터를 저장할 수 있게 함을 특징으로 한다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.

1. 이론 개발

1.1 자기외란 보정 개념

도 1은 X-Y 좌표에 나타낸 지구자기 성분을 나타낸다.

X축의 지구자기 성분을 Hx로 두고, Y축의 지구자기 성분을 Hy, Z축의 지구자기 성분을 Hz로 두면, Hx와 Hy의 비례관계로 지구자기의 북쪽 Hnorth를 계산할 수 있다.

따라서, 지구자기를 이용한 방위측정 장비는 자기외란(magnetic disturbance)의 영향이 배제된 Hx와 Hy를 정밀하게 측정하는 것이 중요하다.

도 1의 좌표계에서 Hx, Hy, Hz에 자기외란이 가해지는 경우 이를 보정하기 위한 공식은 다음 수식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

여기서,

번째 측정한 지구자기 벡터,

번째 측정한 각 Hx, Hy, Hz의 성분 벡터,

의 보정 변수,

번째 측정시 자기센서 자세에 대한

의 직교회전 매트릭스,

번째 측정한 지구자기장 벡터의 참값,

번째 측정시의 측정잡음 벡터.

위의 식(1)에서 최종 목표는 지구자기장 벡터 참값

를 정밀하게 측정하는 것인데, 칼만 필터 이론에 의하면 대단히 복잡한 매트릭스 변환 알고리듬이 요구되기 때문에 계산량이 방대하여 하드웨어 구성이 복잡해지는 문제점이 발생한다.

그래서 포아송(poisson) 방정식으로부터 유도되는 자차계수를 이용한

측정방법을 제안하였다.

이 방법은 기존 자차측정시의 선회방법과 달리 자기센서를 선회시켜서 일정한 선수 방위에서의 자차를 측정한 후, 이를 지속적으로 갱신할 수 있기 때문에 선박선회에 따른 다양한 문제점들을 극복할 수 있다.

1.2 t=0에서의 자차계수

우선, 선박이 정박 중이거나 항해 중 일정한 침로를 유지하고 있을 경우, 짧은 시간(여기서 짧은 시간의 의미를 t=0로 표시함)에 자기센서를

의 스텝(step)으로 360°회전시키고 이를

회 반복하여

을 측정한다.

그리고

회 측정 시

의 스텝에서 발생하는 자기센서의 롤링(rolling) 과 피칭(pitching)

을 동시에 측정하여 자기센서의 자세변화가 보정된

와

을 다음 식(2)으로 구한다.

(2)

여기서,i=1,2,

(

:360°에 대한 스텝 수),j=1,2,

(

:반복측정 횟수 ),

의 스텝에 대해서

회 반복시의 핏칭,

의 스텝에 대해서

회 반복시의 롤링.

위의 식(2)의 결과를 다음 식(3)과 같이

의 스텝에 대한

회 평균값을 구하여 위의 식(1)의 측정잡음

을 최소화 시키고,

(3)

의 스텝에 대한 t=0에서의 나침방위

을 다음 식(4)으로 구한다.

(4)

다음에는 위의 식(3)의

와

에 각각 가해진 자기외란의 크기

와 자기외란의 편이

을 다음 식(5)과 식(6)으로 구한다.

(5)

(6)

그리고

등을 다음 식(7)과 같이

와

에 적용하여

의 스텝에 대한 t=0에서의 자침방위

을 구한다.

(7)

다음에는 위의 식(4)의 나침방위

와 위의 식(7)의 자침방위

사이의 차로 구해지는 자차

을 다음 식(8)으로 계산한다.

(8)

위의 식(8)의

을 다음 식(9)의 포아송 공식에 의해 유도되는 자차실용공식에 적용하여

의 스텝에 대한 t=0에서의 자차계수

(또는 그 이상)의 계수를 구한다.

(9)

위에서 구한

는 실시간 자차계수 갱신에 적용하기 위하여

스텝의

위치에 다음 식(10)과 같이 저장한다.

(10)

1.3 t=1에서의 실시간 자차계수 갱신

선박의 선수방위나 선박의 위치, 화물의 적하와 양화, 해양환경 등 선체자기 에 영향을 주는 변화가 발생하는 경우, t=0에서 획득한 자차계수

는 t=1 이후부터 실시간으로 검출하여 새로 갱신해야한다.

t=1에서 실시간으로 측정한 X축의 지구자기 성분을

로 두고, Y축의 지구자기 성분을

로 둔다.

먼저, 위의 식(2)과 마찬가지로 t=1에서의 선박의 롤링과 핏칭에 의한 자기센서의 자세변화를 다음 식(11)과 같이 적용하여

와

을 구한다.

(11)

그리고 t=1에서의 나침로

을 다음 식(12)으로 구한다.

(12)

그리고 앞의 식(9)에서 구한 t=0에서의 자차계수

을 이용하여 t=1에서의 나침로

에 대한 자차

을 구한다. 여기서

는 t=0에서의 자차계수를 이용한 t=1에서의 자차를 의미한다.

(13)

자차계수의 갱신을 위하여 위의 식(12)와 식(13)에서 구한

와

을 다음 식(14)와 식(15)와 같이 t=0에서 구한 나침방위

와 나침로

의 차이가 최소가 되는 위의 식(10)에서

위치의

와

과의 값으로 교체한다.

(14)

(15)

위의

와

을 이용하여 t=1에서 갱신된 자차계수

을 다음 식(16)으로 구한다.

(16)

t=0에서의 자차계수

와 t=1에서 갱신된 자차계수

사이의 변화 값은 다음 식(17)으로 구할 수 있다.

(17)

다음에는 t=1에서 갱신된 자차계수

을 이용하여 t=1에서의 자차

을 다음 식(18)으로 구한 후,

(18)

t=1에서의 자침로

을 다음 식(19)으로 구하고,

(19)

다음 식(20)과 같이 t=1 위치에서의 편차

을 보정하여 진침로

을 구한다.

(20)

위의 식(11)∼식(20)이 t=1에서 획득한 나침로

에 자차계수

을 적용하여 진침로

을 계산하는 과정이다. t=2 이후부터의 나침로

획득과, 자차계수

의 계산 및 진침로

의 획득은 위의 식(11)∼식(20)을 반복하여 행한다.

2. 선박용 디지털 컴퍼스

2.1 선박용 디지털 컴퍼스의 구성

위에서 기술한 t=0에서의 자차계수 획득과 t=1 이후부터의 진방위 계산 과정 을 적용하기 위하여 본 발명의 디지털 컴퍼스는 다음과 같이 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 선박용 디지털 컴퍼스는, 상부에 설치되는 상부보호체(2)와, 상기 상부보호체(2)의 하부에 설치되는 하부보호체(3)와, 상기 상부보호체(2) 내부에 설치되는 컴퍼스부(1)와, 상기 하부보호체(3) 내부에 설치되는 스텝모터(4)로 이루어진다.

상기 상부보호체(2)는, 사각 형태로 위쪽에 설치되는 상부덮개(21)와, 상기 상부덮개(21)와 동일한 사각 형태로 형성되며 상기 상부덮개(21)의 하향으로 일정간격을 두고 설치되는 하부덮개(22)와, 상기 상, 하부덮개(21, 22)가 일정 간격을 유지할 수 있도록 상, 하부덮개(21, 22)의 내부 가장자리의 네 귀퉁이에 연결 설치되는 서포팅스크루(23)로 구성된다.

상기 컴퍼스부(1)는, 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 두께 0.1cm의 에폭시 수지로 제작된 상부덮개(21)와 하부덮개(22) 사이에 장착되며, 지구자기를 측정하는 센서와 신호처리 장치 등으로 구성된다.

여기서, 상기 컴퍼스부(1)에는 일반적인 3축 프럭스-게이트 센서를 내장하고 있으며, 롤링과 핏칭을 보정하기 위한 경사센서와 미국 PNI사의 소형 마이크로프로센서 PNI-11096 등을 내장시켜 지구자기 요소의 획득과 센서 경사의 보정 및 디지털 신호처리 등을 할 수 있도록 한다.

한편, 상기 컴퍼스부(1)의 지구자기를 측정하는 센서와 신호처리장치는 일반적인 구성이므로 상세한 구성설명은 생략한다.

그리고 상기 컴퍼스부(1)는 아래에 설치된 스텝모터(4)에 의해 회전되며, 상기 컴퍼스부(1)의 회전이 부드럽도록 하부덮개(22)의 아래에는 볼베어링(5)이 설치된다.

상기 하부보호체(3)는, 상부보호체(2)의 아래에 설치되며 상기 볼베어링(5)의 바로 아래에 설치되는 상부패널(31)과, 상기 상부패널(31)과 일정 간격을 두고 하향으로 설치되는 하부패널(32)과, 상기 상, 하부패널(31, 32)이 일정간격을 유지할 수 있도록 상, 하부패널(31, 32)의 내부 가장자리 네 귀퉁이에 설치되는 서포팅스크루(34)로 구성된다.

상기 상부패널(31)은, 하부덮개(22) 보다는 큰 사각 형태로 상부보호체(2)의 바로 아래(볼베어링(5)의 아래)에 설치되며 컴퍼스부(1) 부분을 지지할 수 있도록 가벼우면서 튼튼한 두께 0.5cm의 합성목재 패널(Panel)로 제작된다.

또한, 상부패널(31)의 일측에는 컴퍼스부(1)의 신호선(8) 들이 꼬이지 않고 자유롭게 회전하면서 신축될 수 있도록 신호선(8)을 지지하는 케이블홀더(81)가 설치된다.

상기 하부패널(32)은, 상부패널(31)과 동일한 사각형태로 상부패널(31)에서 부터 하향으로 일정간격 떨어져 대향 설치되며, 상면에는 상기 컴퍼스부(1) 및 스텝모터(4)와 신호선(8)에 의해 전기적으로 연결되는 신호 및 제어유닛(6)이 설치된다.

한편, 상기 하부패널(32)의 조금 위쪽에는 상기 신호 및 제어유닛(6)이 설치될 수 있는 공간을 두고 중앙패널(33)이 설치되며, 이 중앙패널(33)의 상면에는 스텝모터(4)가 설치된다.

상기 중앙패널(33)은, 두께 0.5cm의 합성목재 패널로 제작하고, 일측에 케이블홀더(81)를 설치하여 각종 신호선(8) 들이 신호 및 제어유닛(6)에 접속되도록 한다.

상기 스텝모터(4)는, 압력으로서 펄스 신호를 가함으로써 펄스 수에 비례한 각도만큼 회전하는 모터로서, 컴퍼스부(1)와 연결되어 컴퍼스부(1)를 시계회전방향 및 시계회전방향의 반대방향으로 자유로이 회전할 수 있다.

상기 스텝모터(4)와 컴퍼스부(1)의 사이에는 지지튜브(5)를 설치한 다음 이 지지튜브(5) 상, 하 양쪽 끝을 상하 신축이 가능하도록 접속핀(51)을 사용하여 스텝모터(4) 및 컴퍼스부(1)와 연결한다.

또한, 하부패널(32)의 아래에는 삼각지지대(10)와 결합할 수 있는 테이블설치대(7)를 설치하여 선체로부터 디지털 컴퍼스가 1m∼2m 이격 될 수 있도록 한다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 디지털 컴퍼스는 도 3과 같이 후 갑판에 설치되어 선박의 위치정보 등의 데이터를 얻으며, 이때 얻어진 모든 데이터는 분석을 위하여 디지털부(1)와 연결된 노트북 컴퓨터(11)에 저장된다.

3. 실험 및 결과

3.1 t=0에서의 자차획득 결과

t=0에서의 측정실험은 일정일자(0900시경) 실습선이 부두에 정박해 있을 때 하였다.

실습선의 위치는 위도

, 경도

이고, 해도에서 구한 편차는

이다.

이때, 기상은 약간 흐린 날씨에 간간이 비가 내렸으며, 기온은 영상 7°로서 추웠으며 약간의 바람이 불었다.

먼저, 도 3과 같이 컴퍼스부(1)와 연결된 스텝모터(4)를 작동시켜 실습선 후갑판에 컴퍼스부(1)를 0.1°스텝으로 20회 이상 반복하여 360°회전시키면서 각 스텝에 대한 X축, Y축, Z축 등의 지구자기 요소를 측정하였다.

측정한 지구자기 요소는

에 분포하였다.

도 4는 각 스텝마다 측정한 X축과 Y축 지구자기 요소를 그래프의 x축과 y축 에 각각 대응하여 표시한 것으로서, 도 4의 경우 자기외란이 없고, 자기센서가 360°회전할 때 X-Y 수평면에 정렬되는 이상적인 경우, 그래프는 반경이 일정한 원으로 나타나게 된다.

도 4의 A는 어떠한 보정도 가하지 않은 원시 데이터를 나타내고, B는 센서의 자세변화를 보정한 결과이며, C는 자기외란의 크기와 자기외란의 편이를 적용하여 보정한 결과이다.

원시 데이터에 보정을 가함으로써 점차 반경이 일정한 원의 형태로 나타남을 알 수 있다.

한편, 도 4의 우측 아래부분에 데이터의 불규칙이 나타나는데, 이것은 스텝 모터(4)가 X-Y 평면에 대해서 균일하게 회전하지 못한 결과이다.

이러한 불규칙이 발생하더라도 컴퍼스부(1)의 경사센서를 이용하여 데이터를 보정하였고, 이 연구에서 제안한 방법은 X축과 Y축 지구자기 요소의 비례 관계를 이용하기 때문에 실험 결과에는 영향을 미치지 않는다.

도 5는 X축과 Y축 지구자기 요소를 이용하여 방위를 계산한 것으로서, 도 5의 그래프 A는 자기센서의 자세변화를 보정한 데이터를 이용하여 위의 식(4)으로 나침방위

을 계산한 결과이고, 그래프 B는 외란의 크기와 편이를 보정하여 위의 식(7)으로 계산한 자침방위

을 나타낸다.

도 5의 x축은 스텝

을 나타내고, y축은 0°부터 360°까지의 방위를 나타낸다.

도 5에서, 개발한 디지털 컴퍼스가 성공적으로 구축된 결과 360° 회전하면서 지구자기 요소를 획득함을 알 수 있고, 방위계산이 가능함을 알 수 있다.

도 5의 나침방위

와 자침방위

사이의 차이는 도 6의 그래프 A에에 나타냈다.

도 6의 그래프 A는 도 5의 나침방위(그래프 A)와 자침방위(그래프 B)사이의 차이로 계산한 자차

(위의 식(8))을 나타내고, 그래프 B는 위의 식(9)에서 구한 t=0에서의 자차계수

의 정밀도를 임시 확인하기 위하여 다음 식(21)과 같이 합성 자차

를 구한 것이다.

자차계수

가 이상적으로 구해졌다면

와

사이의 차이는 영(0)이 된다.

(21)

도 6의 그래프 C에

와

사이의 차이를 나타냈는데,

도 이내로 형성되어 t=0에서 구한 자차계수

가 정확하게 분석되었음을 알 수 있다.

위의 도 4부터 도 6까지를 통하여 t=0에서의 지구자기 요소 측정과 자차의 분석 및 합성 등에 관한 이론과 방법이 유효함을 알 수 있다.

3.2 항해 중 t=1 이후의 자차계수 갱신 결과

t=0에서의 실험 조건과 동일자(시간 1000시부터)에, 부두에서 일정거리까지 항해하는 기간 중 t=1 이후부터의 실시간 자차계수 갱신실험을 하였다.

노트북 컴퓨터(11)에 데이터를 저장하였고, 데이터가 방대하여 약 20분 간격으로 데이터를 분할 저장하였다.

도 7은 항해 중 획득한 데이터를 이용하여 계산한 침로를 나타내는 것으로서, x축은 시간을 나타내고, y축은 방위를 나타낸다.

그래프 A는 위의 식(12)으로 계산한 나침로

을 나타내고, 그래프 B는 위의 식(20)으로 계산한 진침로

`을 나타낸다.

그리고 G1005, G1010, G1015, G1020 등으로 나타낸 점들은 각각 1005시, 1010시, 1015시. 1020시에 측정한 자이로컴퍼스 침로를 나타낸다.

도 7 계산에 적용된 자차는 도 8에 나타냈다.

우선, 도 7에서 각 시각마다 자차가 실시간으로 갱신된 결과 나침로

로부터 진침로

가 획득 가능함을 알 수 있고, 획득한 진침로

가 자이로컴퍼스 침로와 동일한 값을 나타내어 제안한 자차갱신 방법이 유효함을 알 수 있다.

여기서, 자이로컴퍼스 침로는 지정된 시간마다 선교에서 기록한 것이다.

자동으로 자이로컴퍼스 침로를 저장하려면 항해에 사용되는 자이로컴퍼스에 별도의 인터페이스를 부착해야하는데, 이러한 경우 실습선 안전운항에 지장을 초래할 우려가 있어서 이 실험에서는 참고용으로 자이로컴퍼스 침로를 수작업으로 기록하였다.

도 8은 도 7의 침로계산에 적용된 자차를 나타낸다.

도 8의 그래프 A는 t=0에서의 자차계수

(식(9))를 이용하여 각 시각마다의 나침로

에 대한 자차

을 구한 것이고, 그래프 B는 t=1이후의 각 시각마다 갱신한 자차계수

(식(16))을 이용하여 각 시각 마다의 나침로

에 대한 자차

을 구한 것이다.

그래프 C는

과

사이의 차를 나타낸다.

일단, 도 8로부터 1000시부터 1025분까지의 짧은 시간에서는 자차계수의 변화가 작게 나타나서 t=0에서 획득한 자차계수

을 이용한 자차와 t=1이후의 실시간 갱신된 자차계수

을 이용한 자차 사이의 변화가 크지 않음을 알 수 있다.

자차계수 변동은 다음 도 9에 상세히 기술한다.

한편, 도 7의 선박 침로를 보면 1000시부터 1025시까지 330도 -> 210도 -> 330도 등으로 변하였는데, 이에 따라서 도 8의 자차 역시 +2.8도 -> -2.1도 -> +2.8도 등으로 선박의 침로 변화에 따라서 자차가 변하고 있다.

그 결과 도 7과 같이 자차를 적용하여 획득한 진침로

와 자이로컴퍼스 침로 사이의 오차가 영(0)으로 나타났다. 이러한 실험결과는 이 연구에서 제안한 자차획득과 갱신방법이 유효함을 나타낸다.

도 9는 t=0에서의 자차계수

와 t=1이후 실시간으로 갱신한 자차 계수

사이의 차를 나타낸다.

각 그래프에 표시한 A부터 I까지의 기호는 위의 식(17)의

부터

까지를 나타낸다.

여기서, 자차계수는 선행 연구결과에 상세히 기술한 바와 같이, 자차계수의 크기는 상선의 경우 일반적으로 A, B, C 정도가 크고 D 이후부터는 작기 때문에 자기 컴퍼스의 자차수정에 A, B, C, D, E(또는 A, B, C)만 적용한다.

도 9의 결과에서도 자차계수 값의 절대크기 순서로 A, B, C, D 등이 나타나고 있다.

도 9에서, 시간경과에 따라서 t=1 이후의 자차계수들이 점차 갱신되어 자차계수 갱신이 시작된 후 5∼10분 정도 경과되면 t=1 이후의 자차계수

들이 점차 일정한 값으로 수렴함을 알 수 있다.

즉, 다양한 선박의 침로변화에 따라서 나타나는 자차계수들의 변화가 검출되었고, 그 결과 자차계수 갱신이 유효하게 적용되었음을 알 수 있다.

따라서, 이 실험에서 제안한 방법이 유효함을 알 수 있다.

다음의 도 10 내지 12까지는 1024시부터 1042시까지의 실시간 항해 데이터에 대해서, 위의 도 7 내지 9까지와 동일한 방법을 적용하여 계산한 결과들이다.

도 10의 그래프 A는 각 시각마다의 나침로

을 나타내고, 그래프 B는 각 시각마다의 진침로

을 나타내며, G1025, G1030, G1035, G1040 등은 1025시, 1030시, 1035시, 1040시에 대한 자이로컴퍼스 침로이다.

위의 도 7과 마찬가지로 진침로

와 자이로컴퍼스 침로 사이에 오차가 없다.

도 11의 그래프 A는 t=0에서의 자차계수

(식(9))를 이용하여 각 시각마다의 나침로

에 대한 자차

을 구한 것이고, 그래프 B는 1024시 이후의 각 시각마다 갱신한 자차계수

(식(16))을 이용하여 각 시각마다의 나침로

에 대한 자차

을 구한 것이다.

그래프 C는

과

사이의 차를 나타낸다.

위의 도 10의 선박 침로를 보면 1024시부터 1042시까지 330도 -> 240도 -> 200도 등으로 변하였는데, 이에 따라서 도 11의 자차 역시 +2.8도 -> 0 -> -2.1도 등으로 선박의 침로 변화에 따라서 자차가 변하고 있다.

그 결과 도 10과 같이 자차를 적용하여 획득한 진침로

와 자이로컴퍼스 침로 사이의 오차가 영(0)으로 나타났다.

도 12는 도 9와 마찬가지로 t=0에서의 자차계수

와 t=1(1024시)이 후 실시간으로 갱신한 자차계수

사이의 차를 나타낸다.

도 9와 마찬가지로 다양한 선박의 침로변화에 따라서 나타나는 자차계수들의 변화를 검출하고, 그 결과 자차계수 갱신이 유효하게 적용되었음을 알 수 있다.

4. 결론

이상과 같이 본 발명의 선박용 디지털 컴퍼스는 기존 자차수정 방법으로 적용되는 선박 선회방법의 문제점을 해결하기 위하여 스텝모터가 장착된 디지털 컴퍼스 장치를 설계 및 제작하고 새로운 자차수정 이론을 개발함으로써, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

(1) 포아송(poisson) 공식에 기초한 자차계수의 분석과 합성을 이용하여 새로운 자차수정 방법을 제안하고, 제안한 방법의 유효성을 실선 실험을 통하여 확인할 수 있다.

(2) 제안한 자차수정 방법은 칼만필터(kalman filter) 개념을 기반으로 과거 자차계수에 현재의 나침로를 적용하여 자차계수를 갱신하는 방법으로, 약 5∼10분 시간경과 후에 자차계수가 일정한 값으로 수렴되는 안정된 특성을 나타냈다.

(3) 스텝모터를 이용하여 디지털 컴퍼스를 회전시키는 새로운 전자 컴퍼스를 설계하고 제작하였다.

(4) 실선실험 결과, 디지털 컴퍼스를 이용하여 획득한 진침로는 자이로컴퍼스 침로와의 차이를 확인할 수 없을 정도로 정밀한 방위계산이 가능하다.

이상에서 살핀 바와 같이 본 발명의 선박용 디지털 컴퍼스는 스텝모터를 이용한 새로운 형태의 회전식 디지털 컴퍼스 장치를 구축함과 더불어 자동으로 자차계수를 갱신할 수 있는 이론식과 알고리듬을 개발함으로써, 선박을 선회시키는 대신 자기 센서를 회전시켜서 고정된 방위에서의 자차계수를 획득한 후, 항해 중 자차계수가 자동으로 갱신되는 칼만 필터(Kalman filter) 개념의 선박용 디지털 컴퍼스를 구현할 수 있다.

Claims (3)

1. 상부덮개와, 상기 상부덮개의 하향으로 일정 간격을 두고 설치되는 하부덮개와, 상기 상, 하부덮개가 일정간격을 유지할 수 있도록 상, 하부덮개의 가장자리의 네 귀퉁이에 연결 설치되는 서포팅스크루로 이루어지는 상부보호체와;

   상기 상부보호체의 내부에 설치되어 회전되면서 고정된 방위에서의 자차계수를 획득하는 것으로서, 지구자기를 측정하는 3축 프럭스-게이트 센서와, 경사센서와, 소형 마이크로프로센서와 신호처리장치로 구성되는 컴퍼스부와;

   상기 상부보호체의 하측에 설치되는 것으로서, 상부패널과 상기 상부패널과 일정 간격을 두고 하향으로 설치되는 하부패널과 상기 상, 하부패널이 일정간격을 유지할 수 있도록 상, 하부패널의 내부 가장자리 네 귀퉁이에 설치되는 서포팅스크루 및 상기 하부패널의 상측으로 일정간격을 두고 설치되는 중앙패널로 이루어지는 하부보호체와;

   상기 컴퍼스부와 신호선에 의해 연결되는 것으로서, 하부보호체의 하부패널의 상면에 설치되는 신호 및 제어유닛과;

   상기 중앙패널의 상면에 설치되면서 신호선에 의해 상기 컴퍼스부, 신호 및 제어유닛과 연결되는 한편, 상기 컴퍼스부와 연결되어 회전작동에 의해 상기 컴퍼스부를 일정방향으로 회전시키는 스텝모터와;

   상, 하단이 접속핀에 의해 컴퍼스부 및 스텝모터와 연결되는 지지튜브와;

   상기 컴퍼스부, 스텝모터, 신호 및 제어유닛의 신호선을 지지하기 위해 상기 상부패널 및 중앙패널의 일측에 설치되어 케이블홀더를; 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선박용 디지털 컴퍼스.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부보호체 아래에는 볼베어링이 설치하여 컴퍼스부의 회전이 부드럽게 이루어지게 함을 특징으로 하는 선박용 디지털 컴퍼스.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 하부패널의 아래에는,

   삼각지지대와 결합할 수 있는 테이블설치대를 설치하여 선체로부터 컴퍼스부가 1m~2m 이격될 수 있도록 하며, 상기 컴퍼스부와 노트북을 연결하여 컴퍼스부에서 얻어진 데이터를 저장할 수 있게 함을 특징으로 하는 선박용 디지털 컴퍼스.

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