KR101034329B1 - 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

선박 및 해양 구조물의 위치 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로 특히, 선박 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 선박 및 해양 구조물이 목표로 하는 특정한 위치를 선박이나 해양구조물에 설치되어 있는 GPS나, DGPS(Differential GPS)로부터 정보를 얻어서 위치제어를 함으로써 선박이나 해양 구조물이 안정적인 작업을 할 수 있도록 할 수 있게 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 선박의 환경 외력 및 위치 정보를 입력받는 DGPS;
선박의 방위를 표시하는 GYRO;
선박의 속도 및 가속도 정보를 예측하기 위한 풍력계;
상기 DGPS, GYRO, 풍력계로부터 환경 외력, 위치 정보, 속도 및 가속도 정보를 입력받아 환경 외력, 선박의 운동 정보를 분석하여 추력정보를 출력하는 위치정보 프로그램을 내장한 PC; 및
상기 PC로부터의 상기 추력정보를 전기적인 신호로서 트러스터, 프로펠러 및 러더에 전달하는 PLC(Programmable Logic Controller)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
선박, 위치 제어, 환경 외력, 추력, PLC,

Description

선박 및 해양 구조물의 위치 제어 시스템 및 방법{Position Control System and Method for Ships and Sea Structure}
본 발명은 선박 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로 특히, 선박 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 선박 및 해양 구조물은 본연의 작업을 수행하기 위하여 목표로 하는 위치를 유지해야 하는 경우가 있다. 본 발명은 선박 및 해양 구조물이 위치를 유지하려고 하는 경우에 선박에 구비되어 있는 GYRO, 러더(Rudder), 프로펠러, GPS를 이용하여 선박의 자세 제어를 실현하는 선박의 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
선박의 안정 적인 자세 유지는 작업의 안정성 및 승선감을 유지하는데 있다.
그런데 종래에 선박의 운항에서는 추력발생기로서 트러스터(thruster), 프로펠러(propeller), 및 방향키로서 러더(rudder) 등을 선장이나 도선사가 운전하여 목표로 하는 자세를 유지하였다.
따라서 종래에는 선반의 자세 유지는 선장이나 도선사의 경험에 유지할 수 밖에 없었다.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 선박 및 해양 구조물이 목표로 하는 특정한 위치를 선박이나 해양구조물에 설치되어 있는 GPS나, DGPS(Differential GPS)로부터 정보를 얻어서 위치제어를 함으로써 선박이나 해양 구조물이 안정적인 작업을 할 수 있도록 할 수 있게 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상기 목적을 달성하기 위해, 선박의 환경 외력 및 위치 정보를 입력 받는 DGPS;
선박의 방위를 표시하는 GYRO;
선박의 속도 및 가속도 정보를 예측하기 위한 풍력계;
상기 DGPS, GYRO, 풍력계로부터 환경 외력, 위치 정보, 속도 및 가속도 정보를 입력 받아 환경 외력, 선박의 운동 정보를 분석하여 추력정보를 출력하는 위치정보 프로그램을 내장한 PC; 및
상기 PC로부터의 상기 추력정보를 전기적인 신호로서 트러스터, 프로펠러 및 러더에 전달하는 PLC(Programmable Logic Controller)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 DGPS, GYRO, 풍력계, PC 및 PLC(Programmable Logic Controller)를 포함하여 선박 및 해양 구조물의 위치를 제어하는 방법에 있어서,
상기 PLC가,
DGPS, GRRO, 풍력계, 이동 기준 장치, 트러스터, 러더 및 프로펠러와 통신하는 단계;
상기 DGPS와 GYRO, 및 상기 풍력계로부터의 고 주파수를 낮은 주파수로 필터링하는 단계;
상기 DGPS와 GYRO 및 상기 풍력계로필터링된 신호를 기초로 선박의 추력 총합을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 추력을 트러스터, 러더 및 프로펠러에 분배하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 의하면 선박 및 해양 구조물의 위치 제어를 자동으로 실현함으로써 선장, 도선사 등 고 비용의 인력을 투입하지 않고, 장시간 작업이 가능하며 작업시, 리스크를 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조로 하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 방법을 구현하는 시스템을 도시한 블록도로서, 도시한 바와 같이, 풍력계(10), DGPS(20), GYRO(30), 위치 제어 PC(40), 프로펠러(50), 사이드 트러스터(60), 러더(70)로 이루어진다. 도면에서 풍력계(10), DGPS(20) 및 Gyro(30)로부터의 정보를 위치제어 PC(40)를 이용하여 프로펠러(50), 사이드 트러스터(60) 및 러더(70)에 명령을 전달한다.
도 2는 본 발명의 선박의 위치 제어 알고리즘을 개념도를 도시한 도면이다.
도면에 도시한 바와 같이, 환경 외력을 고려하여 선박의 측정 위치 및 측정 바람을 기초로 제어기(80)를 통해 추력 분배를 위한 제어 명령이 사이드 트러스터(60), 프 로펠러(50) 및 러더(70)에 전달된다. 상기 제어기(80)는 PLC(Programmable Logic Controller)로 실시될 수 있다.
도 3은 본 발명의 선박의 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 방법에 대한 구체적인 흐름도를 도시한다.
먼저 단계 S100은 장치들과의 통신을 담당하는 단계로서, DGPS 및 GYRO(20,30)으로부터 수평면 좌표 헤딩 각도가 입력되고(S110), 풍력계(90)로부터 풍향 및 풍속이 입력되고(S120), MRU(Motion Reference Unit)(100)로부터 자세가 입력되고(S130), 트러스터(60)로부터 피치(pitch)가 입력되고(S140), 러더(70)로부터 러더 각도가 입력되고(S150), 프로펠러(50)로부터 RPM(Revolution Per Minute)가 입력된다(S160). 상기 MRU(100), 트러스터(60), 러더(70) 및 프로펠러(50)로부터 입력된 자세, 피치, 러더 각도 및 RPM은 오퍼레이터가 모니터링하고, 프로그램에서 사용한다(S170).
이어서 단계 S200에서는 필터링이 수행되는데, 제어가 가능한 신호로 변경하고, 실측값으로 보정을 수행한다. 지속적인 실측값으로 환경, 조력 등에 대한 보정을 수행하는데(S210), 상기 단계 S110에서 수평면 좌표 헤딩 각도는 주파수가 높으므로 낮은 주파수를 가진 즉, 제어가 가능한 수평면 좌표 헤딩 각도로 필터링되고(S220), 상기 단계 S12O으로부터의 풍향 및 풍속은 주파수가 높으므로 낮은 주파수를 가진 즉, 제어가 가능한 풍향 및 풍속으로 필터링된다(S220). 여기서 필터링에는 로우 패스 필터로서 칼만 필터(Kalman Filter)가 사용된다.
다음으로 단계 S300에서 자동으로 추력 총합을 계산하는 즉, 제어 단계가 수 행되는데, 현재 위치와 목적 위치의 차이를 제어하고(S310), 풍속정보를 기준으로 환경 외력을 예측하고 반대 추력을 낸다(S320). 이어서 수동 입력한 즉, 직접 입력한 값에 대해 추력 총합을 계산하여 수동 명령이 입력되어(S330), 추력 총합이 계산된다(S340).
이어서 단계 S400에서는 계산된 추력을 장치에 분배하는 단계가 수행되는데, 즉, 단계 S410에서 추력 분배가 수행되는바, 트러스터로 추력이 분배되고(S420), 러더로 추력이 분배되고(S430), 프로펠러로 추력이 분배된다(S440). 이어서 다시 장치들과의 통신이 수행되는데(S500), 위의 과정이 순환적인 방식으로 계속적으로 수행되어 위치 제어를 수행한다.
도 4는 도 3에 대응하는 도면으로서, 각 과정을 수식으로 나타낸 도면이다. DGPS, GYRO(20, 30)로부터 수평면 좌표
Figure 112008088765040-pat00001
가 모션 필터(300)로 입력되어
Figure 112008088765040-pat00002
가 계산되고, 윈드 필터(400)로 풍향
Figure 112008088765040-pat00003
, 풍속
Figure 112008088765040-pat00004
가 입력되어 풍향의 저주파 성분
Figure 112008088765040-pat00005
,풍속의 저주파 성분
Figure 112008088765040-pat00006
가 계산되어 저 주파수가 추출되어 예측이 수행된다(여기서
Figure 112008088765040-pat00007
는 경도, 위도 및 선수각이고,
Figure 112008088765040-pat00008
는 바람 입사각이고,
Figure 112008088765040-pat00009
는 풍속이고,
Figure 112008088765040-pat00010
는 바람입사각의 저주파 성분이고,
Figure 112008088765040-pat00011
는 풍속의 저주파 성분이고, 또한
Figure 112008088765040-pat00012
는 경도의 저주파 성분, 위도의 저주파 성분 및 선수각의 저주파 성분이고,
Figure 112008088765040-pat00013
는 종방향속도의 저주 파 성분, 횡방향 속도의 저주파 성분, 각속도의 저주파성분이다).
이어서 시간이 갱신되고, 측정이 갱신되어 보정이 수행되는데, 다음 수식에 의한다.
Figure 112008088765040-pat00014
Figure 112008088765040-pat00015
(여기서, A,B는 시스템 행렬이고, K는 칼만 게인 행렬이고, H는 계측 행렬이고, x는 상태 방정식의 상태변수(Kalman Filter)이고, z는 계측변수이다.)
이어서 현재위치에서 가고자 하는 위치로의 반대방향으로의 궤환 제어가 실행되는데, 다음 수식에 의한다.
Figure 112008088765040-pat00016
(여기서,
Figure 112008088765040-pat00017
는 궤한 추력 명령이고,
Figure 112008088765040-pat00018
는 궤환 제어 이득이다.)
여기서 배의 상태는 다음식
Figure 112008088765040-pat00019
으로 표현된다. 한편, 순방향 제어시는
Figure 112008088765040-pat00020
가 성립하는데(
Figure 112008088765040-pat00021
는 순방향 추력 명령이다.), 환경 부하
Figure 112008088765040-pat00022
는
Figure 112008088765040-pat00023
로 구해진다(여기서,
Figure 112008088765040-pat00024
는 풍력이고,
Figure 112008088765040-pat00025
는 조류력이고,
Figure 112008088765040-pat00026
는 파도에 의한 횡 표류력이다.). 또한 풍력은
Figure 112008088765040-pat00027
로 정해진다(여기서
Figure 112008088765040-pat00028
는 공기밀도이고,
Figure 112008088765040-pat00029
는 풍력 계수이고,
Figure 112008088765040-pat00030
는 풍속이고, A는 투영 면적이다.). 한편, 조류력은
Figure 112008088765040-pat00031
로 구해진다(여기서 는
Figure 112008088765040-pat00032
해수밀도,
Figure 112008088765040-pat00033
는 조류계수이고,
Figure 112008088765040-pat00034
는 조류 속도이다.).
또한, 파도에 의한 횡 표류력은
Figure 112008088765040-pat00035
로 주어진다(여기서
Figure 112008088765040-pat00036
는 웨이브 스펙트럼이고,
Figure 112008088765040-pat00037
는 전달함수이다.)
이어서 추력 분배가 수행되는데,
Figure 112008088765040-pat00038
이다. 추력 명령 매트릭스는
Figure 112008088765040-pat00039
로 주어진다(여기서
Figure 112008088765040-pat00040
는 추력 분배 매트릭스 이고,
Figure 112008088765040-pat00041
는 추력 결과 매트릭스이고, 한편, X는 수평면 종방향 힘이고, Y는 수평면 횡방향 힘이고, N은 수평면 모멘트이다.). 이러한 추력 분배 명령은 상기 MRU(100), 트러스터(60), 러더(70) 및 프로펠러(50)로 명령된다.
도 4에서 상기 단계 S100의 메인 프로그램의 통신, 단계S200의 칼만 필터에 의한 필터링, S300의 제어 그리고 S400의 추력 분배가 순환적으로 반복되어 위치 유지를 수행하게 된다.
지금까지 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형 실시될 수 있으며, 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 영역에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 방법을 구현하는 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 선박의 위치 제어 알고리즘을 개념도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 선박의 및 해양 구조물의 자제 제어를 위한 위치 제어 방법에 대한 구체적인 흐름도를 도시한다.
도 4는 도 3에 대응하는 도면으로서, 각 과정을 수식으로 나타낸 도면이다
*도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10; 풍력계 20;DGPS
30; GYRO 40;위치 제어 PC
50; 프로펠러 60;사이드 트러스터
70; 러더

Claims (7)

  1. 삭제
  2. DGPS, GYRO, 풍력계, PC 및 PLC(Programmable Logic Controller)를 포함하여 선박 및 해양 구조물의 위치를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 PLC가,
    DGPS, GRRO, 풍력계, 이동 기준 장치, 트러스터, 러더 및 프로펠러와 통신하는 통신 단계;
    상기 DGPS와 GYRO, 및 상기 풍력계로부터의 고 주파수를 낮은 주파수로 필터링하는 필터링 단계;
    상기 DGPS와 GYRO 및 상기 풍력계로 필터링된 신호를 기초로 선박의 추력 총합을 계산하는 제어 단계; 및
    상기 계산된 추력을 트러스터, 러더 및 프로펠러에 분배하는 분배 단계를 포함하고;
    상기 제어 단계에서, 궤환 제어가 다음 식,
    Figure 712010005068774-pat00071
    (여기서,
    Figure 712010005068774-pat00072
    는 궤한 추력 명령이고,
    Figure 712010005068774-pat00073
    는 궤환 제어 이득이다.)에 의해 수행되고, 배의 상태는 다음 식,
    Figure 712010005068774-pat00074
    (여기서,
    Figure 712010005068774-pat00075
    는 각기 경도의 저주파 성분, 위도의 저주파 성분 및 선수각의 저주파 성분이고, 한편,
    Figure 712010005068774-pat00076
    는 각기 종방향속도의 저주파 성분, 횡방향 속도의 저주파 성분, 각속도의 저주파성분이다.)에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터링 단계에는 칼만 필터(Kalman Filter)가 사용되는 것을 특징으로 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 통신 단계에서 상기 DGPS 및 GYRO로부터 수평면 좌표 헤딩 각도가 입력되고, 상기 풍력계로부터 풍향 및 풍속이 입력되고, 상기 입력된 수평면 좌표 헤딩 각도 및 풍향 풍속을 로우 패스 필터링을 통해 제어가 가능한 형태로 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어가 가능한 형태로 필터링하는 단계에서의 필터링된 헤딩 각도를 기초로 현재 위치와 목적 위치의 차이를 제어하고, 상기 필터링된 풍력 정보를 기준으로 환경 외력을 예측하고 반대 추력을 내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어 단계에서, 순방향 제어가 다음식
    Figure 112008088765040-pat00048
    에 의해 수행되는데(
    Figure 112008088765040-pat00049
    는 순방향 추력 명령이고,
    Figure 112008088765040-pat00050
    환경 부하이다.), 여기서 환경 부하
    Figure 112008088765040-pat00051
    는
    Figure 112008088765040-pat00052
    (여기서,
    Figure 112008088765040-pat00053
    는 풍력이고,
    Figure 112008088765040-pat00054
    는 조류력이고,
    Figure 112008088765040-pat00055
    는 파도에 의한 횡 표류력이다.)로 구해지며, 또한 풍력은
    Figure 112008088765040-pat00056
    로 정해지며(여기서
    Figure 112008088765040-pat00057
    는 공기밀도이고,
    Figure 112008088765040-pat00058
    는 풍력 계수이고,
    Figure 112008088765040-pat00059
    는 풍속이고, A는 투영 면적이다.), 한편, 조류력은
    Figure 112008088765040-pat00060
    로 구해지고(여기서
    Figure 112008088765040-pat00061
    는 해수밀도,
    Figure 112008088765040-pat00062
    는 조류계수이고,
    Figure 112008088765040-pat00063
    는 조류 속도이다.), 파도에 의한 횡 표류력 은
    Figure 112008088765040-pat00064
    로 주어지는(여기서
    Figure 112008088765040-pat00065
    는 웨이브 스펙트럼이고,
    Figure 112008088765040-pat00066
    는 전달함수이다.) 것을 특징으로 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 방법.
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