KR101205352B1 - 러더 장착 선박의 위치 제어 방법 및 위치 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

선박에서 러더(rudder)는, 독립된 추력 장치가 아니기 때문에, 러더를 독립된 요소로서 추력 분배에 포함하고 추력을 분담시킬 경우에는, 전체 시스템에 불량이 발생할 수 있다. 또한, 러더는 프로펠러의 후류(後流)를 받아서 추력을 발생하고, 러더 추력의 크기는 프로펠러 후류의 세기(프로펠러 피치 각도(pitch angle)나 회전수의 크기)에 의존하기 때문에, 프로펠러의 역회전 상태에서는 힘을 발생할 수 없다는 문제가 있다. 이에 본 발명에서는, 러더의 추력 성분을 추력 분배에 포함시키지 않고 단독으로 러더의 타각(러더 각도)을 제어하여 방향제어를 수행함으로써, 러더 장착 선박의 위치 제어 능력을 향상시킬 수 있는 방안을 마련하고자 한다. 본 발명에 의하면, 러더의 추력 성분을 추력 분배에 포함시키지 않고 단독으로 러더의 타각을 제어하여 선박의 방향제어를 수행함으로써, 신뢰성 있는 위치 제어 기법을 구현할 수 있다.
러더(rudder), 스러스터(thruster), 타각, 위치제어

Description

러더 장착 선박의 위치 제어 방법 및 위치 제어 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING POSITION OF RUDDER EQUIPPED SHIP}
본 발명은 러더(rudder) 장착 선박의 위치 제어 기술에 관한 것으로, 특히 대부분 정지된 상태로 특수작업을 수행하는 러더 장착 선박의 위치 제어 능력을 향상시키는데 적합한 러더 장착 선박의 위치 제어 방법 및 위치 제어 시스템에 관한 것이다.
드릴쉽(drill-ship)과 같이, 해상에서 해저굴착 등의 특수작업을 하는 선박은, 작업 중의 위치 제어 성능이 작업성에 결정적인 영향을 끼치기 때문에, 복수의 아지무스(Azimuth) 추진기를 장착하여 충분한 위치 제어 성능을 얻을 필요가 있다.
이때, FPSO(Floating Production Storage Off-loading) 등으로부터 저장된 석유나 가스를 육상 기지까지 수송하는 셔틀 탱크(shuttle tank) 등은, 프로펠러(propeller), 러더(rudder), 선수/선미 사이드 스러스터(bow/stern side thruster) 등의 통상의 조종장치만으로 위치를 제어하여야 한다. 최근에는, 하역효율의 향상 및 안전성을 고려하여, 셔틀 탱크 등에도 위치제어 성능이 매우 중요 하게 고려되고 있다.
현재, 특수선박 중 러더를 장착한 선박의 경우, 러더에도 추력을 분담시키고 있다. 즉, 추력을 발생하는 독립된 요소로서 러더도 함께 추력 분배 시에 고려하고 있다.
도 1은 러더를 장착한 특수선박에서 러더를 추력 분배에 포함시킨 상태로 선박의 위치 제어를 적용하는 예시도이다.
도 1에 예시한 바와 같이, 종래의 러더 장착 선박(10)은, 프로펠러(12a, 12b), 러더(14a, 14b), 선수/선미 사이드 스러스터(16a, 16b)를 포함한다.
프로펠러(12a, 12b)는 선박(10)의 전방 추력(FX : X방향 힘)을 담당하며, 러더(14a, 14b) 및 선수/선미 사이드 스러스터(16a, 16b)는 선박(10)의 측방 추력(FY : Y방향 힘) 및 회전 모멘트(FN)를 담당한다. 도 1에서 선박(10)에 대한 각각의 추력 성분은 다음 [표 1]과 같다.
Figure 112008059567611-pat00001
종래의 러더 장착 선박(10)에서는, 선박(10)의 전/후/좌/우 위치 및 선수방향을 제어하기 위해서 요구되는 제어력을 만족시키면서, 평가함수(J)가 최소화되게끔 모든 요소의 추력을 분배한다. 이를 수식으로 나타내면 다음 [수학식 1]과 같다.
Figure 112008059567611-pat00002
여기서, FX, FY, FN는 각각 요구되는 X방향의 힘, Y방향의 힘, 회전 모멘트를 나타내며, J가 최종 요구되는 평가함수를 의미한다. 여기서, 평가함수(J)는 [수학식 1]과 같이, 각각의 추력 제곱의 합, 즉 프로펠러의 X방향 힘의 제곱의 합, 러더의 Y방향 힘의 제곱의 합, 사이드 스러스터의 Y방향 힘의 제곱의 합을 모두 합한 값을 의미한다.
이와 같이, 종래의 러더 장착 선박(10)에서는, 러더(14a, 14b)를 추력을 발생하는 독립된 요소로 추력 분배시에 고려하고, 러더(14a, 14b)에도 추력을 분담시키고 있다.
선박에서 러더는, 독립된 추력 장치가 아니기 때문에, 러더를 독립된 요소로서 추력 분배에 포함하고 추력을 분담시킬 경우에는, 전체 시스템에 불량이 발생할 수 있다.
또한, 러더는 프로펠러의 후류(後流)를 받아서 추력을 발생하고, 러더 추력의 크기는 프로펠러 후류의 세기(프로펠러 피치 각도(pitch angle)나 회전수의 크기)에 의존하기 때문에, 프로펠러의 역회전 상태에서는 힘을 발생할 수 없다는 문제가 있다.
이에 본 발명은, 러더의 추력 성분을 추력 분배에 포함시키지 않고 단독으로 러더의 타각(러더 각도)을 제어하여 방향제어를 수행함으로써, 러더 장착 선박의 위치 제어 능력을 향상시킬 수 있는 방안을 마련하고자 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 일 관점에 따르면, 선박의 프로펠러 및 사이드 스러스터(side thruster)에 대한 추력 분배를 적용하여 상기 선박의 위치 및 선수 방향을 제어하는 과정과, 상기 선박의 러더(rudder)의 타각을 단독으로 제어하여 선수 방향 제어를 보조하는 과정을 포함하는 러더 장착 선박의 위치 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 러더의 추력 성분을 추력 분배에 포함시키지 않고 단독으로 러더의 타각을 제어하여 선박의 방향제어를 수행함으로써, 신뢰성 있는 위치 제어 기법을 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 러더(rudder) 장착 선박에서의 위치 제어를 설명하는 예시도이다. 본 실시예에서는 러더를 추력 분배에 포함시키지 않은 상태로 선박의 위치 제어를 적용하는 것을 특징으로 한다.
도 2에 예시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 러더 장착 선박(100)은, 프로펠 러(102a, 102b), 러더(104a, 104b), 선수/선미 사이드 스러스터(side thruster)(106a, 106b)를 포함한다.
프로펠러(102a, 102b)는 선박(100)의 전방 추력(FX : X방향 힘)을 담당하며, 러더(104a, 104b) 및 선수/선미 사이드 스러스터(106a, 106b)는 선박(100)의 측방 추력(FY : Y방향 힘) 및 회전 모멘트(FN)를 담당한다. 도 2에서 선박(100)에 대한 각각의 추력 성분은 다음 [표 2]와 같다.
Figure 112008059567611-pat00003
본 발명에 따른 러더 장착 선박(100)에서는, 선박(100)의 전/후/좌/우 위치 및 선수방향을 제어하기 위해서 요구되는 제어력을 만족시키면서, 평가함수(J)가 최소화되게끔 추력을 선택적으로 분배한다. 이때, 본 실시예에서는, 선박(100)의 위치제어를 위해 러더(104a, 104b)의 추력 성분을 배제한 상태에서 추력 분배를 수행하고, 추후 러더(104a, 104b)의 타각을 단독 적용하는 것을 특징으로 한다.
이를 수식으로 나타내면 다음 [수학식 2]와 같다.
Figure 112008059567611-pat00004
여기서, FX, FY, FN는각각 요구되는 X방향의 힘, Y방향의 힘, 회전 모멘트를 나타내며, J가 최종 요구되는 평가함수를 의미한다. 또한, δ는 러더의 타각(러더 각도), ψ는 선박(100)의 현재 선수방향 각도, ψtarget는 선박(100)의 목표 선수방향 각도, KP는 현재 선수방향 각도(ψ)와 목표 선수방향 각도(ψtarget)의 차이에 곱하는 이득(gain) 상수, KD는 선수방향 각도(ψ)의 변화율(각속도)에 곱하는 이득 상수를 각각 나타낸다. 즉, 선수각의 차이(ψ-ψtarget)와 선수각의 변화율(dψ/dt)에 따라 러더의 타각을 구할 수 있다.
[수학식 2]에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 따른 러더 장착 선박(100)에서는, 러더(104a, 104b)의 추력 성분을 추력 분배에 포함시키지 않고, 단독으로 러더(104a, 104b)의 타각을 제어하여 방향제어를 행하는 보조적인 역할을 사용하는 것을 특징으로 한다. 즉, [수학식 2]와 같이, 각각의 추력 제곱의 합을 의미하는 평가함수(J)는, 프로펠러의 X방향 힘의 제곱의 합과, 사이드 스러스터의 Y방향 힘의 제곱의 합을 더한 값을 의미한다.
추력 분배시, 프로펠러(102a, 102b)와 사이드 스러스터(106a, 106b)만을 고 려하여 전/후/좌/우 위치 및 방향을 제어하기 위해서 요구되는 X방향 힘(FX), Y방향 힘(FY), 회전 모멘트(FN)를 가급적 만족하게끔 하고, 프로펠러(102a, 102b)가 정회전할 때에는 러더(104a, 104b)에 의한 추가적인 방향 제어 효과를 얻는다. 본 실시예에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어 과정에 대해서는 도 4에서 보다 상세히 기술하기로 한다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어 방법을 구현하기 위한 시스템 블록도로서, 제어부(300), 프로펠러 구동부(302), 사이드 스러스터 구동부(304), 러더 구동부(306), 센서부(308)를 포함한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(300)는 선박(100)의 위치 제어를 수행하기 위한 메인 프로세서로서, 상술한 바와 같이, 선박(100)의 X방향 힘(FX), Y방향 힘(FY), 회전 모멘트(FN)를 연산한 후, 연산 결과에 만족하면서 평가함수(J)가 최소화되게끔 프로펠러(102a, 102b)에 대한 추력, 사이드 스러스터(106a, 106b)에 대한 추력을 분배하여 선박(100)의 위치 제어를 수행한다. 이때, 제어부(300)는 위치 제어를 위한 추력 분배를 적용함에 있어서, 러더의 추력 성분은 제외한 상태로 추력을 분배하고, 러더는 단독으로 고려하여 선수 방향 제어를 보조적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
프로펠러 구동부(302) 및 사이드 스러스터 구동부(304)는 상기 제어부(300)의 제어, 예컨대 추력 분배에 따른 위치 제어 신호에 의거하여 프로펠러(102a, 102b) 및 사이드 스러스터(106a, 106b)를 구동시키는 역할을 한다.
러더 구동부(306)는 제어부(300)의 제어, 예컨대 러더 타각(δ) 제어 신호에 의거하여 러더(104a, 104b)를 구동시키는 역할을 한다.
센서부(308)는 선박(100)의 위치(X, Y) 및 선수각(ψ)을 계측하는 역할을 한다.
이하, 상술한 구성과 함께, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어 방법을 첨부한 도 4의 흐름도를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제어부(300)는 센서부(308)에서 계측한 선박(100)의 위치(X, Y) 및 선수각(ψ)을 이용하여 요구되는 X방향 힘(FX), Y방향 힘(FY), 회전 모멘트(FN)를 연산한다(S400). 다음 [수학식 3]은 요구되는 X방향 힘(FX), Y방향 힘(FY), 회전 모멘트(FN)를 연산하는 방법의 한 예이다.
Figure 112008059567611-pat00005
[수학식 3]에서 X, Y, ψ는 각각 선박의 현재 X위치, Y위치, 선수각도이며, Xtarget, Ytarget, ψtarget는 각각 선박의 목표하는 X위치, Y위치, 선수각도이다. KPX, KPY, KPψ는 각각 X위치, Y위치, 선수방향 각도에 대해 목표값과 현재값의 차이에 곱하는 이득상수이다. KDX, KDY, KDψ는 각각 X방향 속도, Y방향 속도, 선수방향 각속도에 곱하는 이득상수이다. KDDX, KDDY, KDDψ는 각각 X방향 가속도, Y방향 가속도, 선수방향 각가속도에 곱하는 이득상수이다.
이후, 제어부(300)는 단계(S402)로 진행하여, 상기 연산 결과(FX, FY, FN)에 만족하면서 평가함수(J)가 최소화되게끔 프로펠러(102a, 102b)의 추력 및 사이드 스러스터(106a, 106b)의 추력을 분배한다. 상기 [표 2] 및 [수학식 2]에서 설명한 바와 같이, X 방향 힘(FX)은 프로펠러(102a, 102b)의 X 방향 힘의 합(Σ(FXP))으로, Y방향 힘(FY)은 사이드 스러스터(106a, 106b)의 Y방향 힘의 합(Σ(FYS))으로 충당해야 한다. 회전 모멘트(FN)는 프로펠러(102a, 102b)에 의한 모멘트의 합(Σ(y*FXP))과 사이드 스러스터(106a, 106b)에 의한 모멘트의 합(Σ(x*FXS))으로 충당해야 한다. 평가함수(J)는 상기 [수학식 2]에 언급한 바와 같이,
Figure 112008059567611-pat00006
을 이용한다.
이와 같이 프로펠러(102a, 102b) 및 사이드 스러스터(106a, 106b)에 대한 추력이 분배되면, 제어부(300)는 프로펠러 구동부(302)와 사이드 스러스터 구동부(304)를 제어하여 프로펠러와 사이드 스러스터를 구동시킨다(S404).
동시에, 제어부(300)는 본 실시예에 따라 러더(104a, 104b)의 타각(δ)을 결정한다(S406). 이러한 러더(104a, 104b)의 타각(δ)은, 상기 [수학식 2]에서 언급 한 바와 같이, KP?(ψ-ψtarget ) + KD?(dψ/dt) 로 표현될 수 있다. 이때, 상기 (ψ-ψtarget)는 선수각의 차이, (dψ/dt)는 선수방향 각도(ψ)의 변화율(각속도)이다.
러더(104a, 104b)의 타각(δ)이 결정되면, 제어부(300)는 결정된 타각(δ)에 의거하여 러더 구동부(306)를 제어함으로써 타각을 조종한다(S408).
이상과 같이, 본 발명은, 프로펠러의 추력 및 사이드 스러스터의 추력을 분배하여 선박의 위치 및 선수방향 제어를 수행하고, 러더의 타각을 결정하여 선박의 선수방향 제어를 보조함으로써, 프로펠러의 추력과 사이드 스러스터의 추력, 그리고 러더의 추력을 모두 분배하여 위치 제어를 수행하는 종래 위치 제어 기술에 비해, 러더 장착 선박의 위치 제어 능력을 향상시킬 수 있는 방안을 구현한 것이다.
한편, 도 5a 및 도 5b는, 이와 같은 종래의 러더 장착 선박의 위치 제어 방법과, 본 실시예에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어 방법에 대한 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 공히, 두 개의 프로펠러와, 두 개의 사이드 스러스터, 그리고 두 개의 러더가 각각 장착된 선박을 적용한 시뮬레이션 결과이며, 시뮬레이션 수행시의 환경 조건도 종래와 본 발명 모두 동일하게 설정하였다.
예컨대, 환경 조건은 다음과 같다.
1. 바람(Wind : Vwind=13m/s , Dir. =20deg.)
2. 조류(Current : Vcurrent=1.6kts , Dir. =20deg.)
3. 파고(Wave : Hs=4.7m, TP=10s , Dir. =20deg.)
도 5a와 같이, 러더의 추력 성분을 추력 분배에 포함시킨 후 한 번의 위치 제어를 수행한 경우에는, 바람, 조류, 파고 등의 환경 조건에 민감하게 반응하여 위치 제어가 용이하지 않음을 알 수 있다.
반면, 도 5b와 같이, 러더의 추력 성분을 배제시킨 상태로 프로펠러와 사이드 스러스터에 대한 추력 분배를 적용하고, 러더의 타각을 단독으로 제어한 경우에는, 바람, 조류, 파고 등의 환경 조건에 강인하여 선박의 위치 제어 능력이 향상됨을 알 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주 내에서 당업자로부터 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 종래 러더 장착 선박의 위치 제어를 설명하는 예시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어를 설명하는 예시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 러더 장착 선박의 위치 제어를 구현하기 위한 기능 블록도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어 과정을 나타낸 흐름도.
도 5a는 종래의 러더 장착 선박의 위치 제어 시뮬레이션 결과 그래프,
도 5b는 본 발명에 따른 러더 장착 선박의 위치 제어 시뮬레이션 결과 그래프.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 러더(rudder) 장착 선박의 위치 제어에 있어, 프로펠러의 X방향 힘의 합과 사이드 스러스터(side thruster)의 Y방향 힘의 합을 각각 연산하는 과정과,
    상기 프로펠러에 의한 회전 모멘트와 사이드 스러스터에 의한 회전 모멘트를 합산하는 과정과,
    상기 X방향 힘의 합이 상기 러더 장착 선박의 위치 제어에 필요한 X방향의 힘에 대응되고, 상기 Y방향 힘의 합이 상기 러더 장착 선박의 위치 제어에 필요한 Y방향의 힘에 대응되고, 상기 회전 모멘트의 합이 상기 러더 장착 선박의 위치 제어에 필요한 회전 모멘트에 각각 대응되도록, 상기 프로펠러의 추력 및 상기 사이드 스러스터의 추력을 분배하는 과정과,
    상기 선박의 러더의 타각을 단독으로 제어하여 상기 선박의 선수방향 제어를 보조하는 과정을 포함하되,
    상기 러더의 타각은, 상기 선박의 선수각의 차이(ψ-ψtarget )와 선수각의 변화율(dψ/dt )에 따라 구해지는 것을 특징으로 하는 러더 장착 선박의 위치 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 러더의 타각은 수학식 KP?(ψ-ψtarget ) + KD?(dψ/dt) 로 표현되며, 상기 ψ는 상기 선박의 현재 선수방향 각도, 상기 ψtarget는 상기 선박의 목표 선수방향 각도, 상기 KP는 상기 현재 선수방향 각도(ψ)와 목표 선수방향 각도(ψtarget)의 차이에 곱하는 이득 상수, 상기 KD는 상기 선수방향 각도(ψ)의 변화율(각속도)에 곱하는 이득 상수를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 러더 장착 선박의 위치 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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