KR101814869B1 - 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터에 관한 것으로, 사용자가 선박 항해에 필요한 조종을 하는 조작판넬이 구비되는 운전석(Cockpit)과, 상기 운전석의 하부에 구비되어 상기 운전석의 조작판넬의 조종신호에 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션을 구현하는 모션 플렛폼으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터는 실 선박 운동방정식에 따라 모션 플렛폼을 통해 모션을 구현함으로서 사용자가 선박 항해에 필요한 조종을 수행시 실제 소형 선박을 조정하는 것 같은 현실감을 느낄 수 있게 하는 장점이 있다.

Description

실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터 {A Small Ship Simulator Applied Equations of Motion for Real Ship }

본 발명은 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 실제 선박 운동방정식을 통하여 생성된 데이터를 모션 플레이트에 적용하여 실제 소형 선박의 움직임을 구현하고, 탑승자들의 안전성과 현실감을 증대 시킨 소형 선박 시뮬레이터에 관한 것이다.

일반적으로, 선박은 해상에서의 안전 운전을 위해 실제와 유사한 환경으로 구현된 모의 조종 훈련 장치인 시뮬레이터를 이용하여 교육생에 대한 운전과 조작방법 등에 대한 훈련을 실시한다.

이러한 선박 항해용 시뮬레이터의 일 예로 등록특허 제10-1155603호인 선박용 자동조타 항해 시뮬레이터, 특허공고 제 93-007743호인 선상조종 시뮬레이터 등이 제안된 바 있다.

상기 등록특허 제10-1155603호의 선박용 자동조타 항해 시뮬레이터는, 시뮬레이션의 종류를 선택하는 시뮬레이션 모드 선택부와, 상기 시뮬레이션 시간설정과 시작/멈춤/종료를 선택할 수 있으며, 상기 시뮬레이션 시간을 표시하는 시뮬레이터연산부와, 상기 시뮬레이션의 통신 환경과 선박의 항해 정보에 대한 초기값을 설정하며, 상기 선박의 항해 경로를 설정하는 환경 설정부와, 상기 시뮬레이션 모드 선택부, 시뮬레이터 연산부 및 환경 설정부를 통해 선택된 정보들을 표시하는 디스플레이부; 및 상기 시뮬레이션 모드 선택부의 모드 선택에 따라 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 특허공고 제 93-007743호의 선상조종 시뮬레이터는 하드디스크, 키보드 및 디지타이져와 프린터등의 출력장치를 갖는 소형컴퓨터에서 그래픽카드를 경유 선장실에 설치된 모니터에 연결하고 조타기와 타각표시기에 설치한 타각센서, 엔진텔레그래프와 엔진속도표시기에 설치한 엔진속도센서 및 7개의 예선/스러스터제어기와 작용력표시기에 설치한 예선스러스터센서를 A/D 신호변환기에 연결하며 A/D 신호변환기는 소형컴퓨터에 연결시킴으로서, 조타기, 타각표시기의 타각센서가 아나로그 타각신호를 감지하여 A/D 신호변환기에 보내고 또 엔진텔레그래프, 엔진속도표시기의 엔진속도센서가 아나로그 엔진속도신호를 감지하여 A/D 신호변환기에 보내며 또 7개의 예선/스러스터제어기, 작용력표시기의 예선, 스러스터센서가 아나로그 예선/스러스터 신호를 감지하여 A/D신호변환기에 보내면 그 신호와 함께 키보드와 디지타이져를 사용하여 입력한 바람, 파도,조류의 자료 및 항만자료를 이용하여 소형컴퓨터에서 실시한 선체운동을 계산하고 선체운용상태를 확인하여 하드디스크에 기록함과 동시 그래픽카드를 경유, 선장실이 2차원 컴퓨터 화면인 모니터에 현재선박의 위치표시 및 각종 계기에 현재 운항상태를 표시하게 하여 선장이 선박상태를 파악하고 환경조건을 고려하여 운항을 계속하여 다음 단계의 시뮬레이션을 실시하거나 정지하여 일단 종료할 수 있게 함을 특징으로 한다.

그런데 이상의 기존의 선박 조종 시뮬레이터는 교육 내용을 디스플레이부 또는 모니터를 통해 표시해주는 단순한 기능만을 수행하여 현실감이 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 최근에는 해양레저 스포츠 인구증가와 관심의 증가 및 해양레저 산업의 성장의 확대로 인한 선박면허에 관한 관심이 높아지고 있음에도 불구하고, 계절에 따라 제한되는 환경적 요인, 선박면허 시험장의 제한된 장소 및 시험장의 개수, 수중에서의 안전성을 고려한 시뮬레이터의 개발은 이루어지지 않고 있는 실정이다.

따라서 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 선박 운동방정식을 적용한 시뮬레이터를 사용자들이 면허시험장에서 실제 소형 선박을 이용한 연습이 아닌 시뮬레이터를 이용하여 사용자들의 접근의 용이성을 높이고, 수중에서의 선박 운항보다 안전성을 갖춘 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터를 제공하는데 목적이 있다.

특히 본 발명은 단순 화면을 통한 시각적인 효과가 아닌 모션 플레이트와 연계되어 소형 선박의 움직임과 파도의 움직임을 사용자가 실제로 느낄 수 있고 기존의 선박면허 시험장의 여러 가지 한계점을 극복하여 해양레저 스포츠산업의 활성화를 이루어낼 수 있는 소형 선박 시뮬레이터를 제공하는데에도 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

사용자가 선박 항해에 필요한 조종을 하는 조작판넬이 구비되는 운전석(Cockpit)과, 상기 운전석의 하부에 구비되어 상기 운전석의 조작판넬의 조종신호에 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션을 구현하는 모션 플렛폼으로 구성되는 것을 특징으로 하는 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터를 제공한다.

이때, 상기 조작판넬의 조종신호는 운영콘솔로 입력되며, 상기 운영콘솔은 상기 조종신호에 설정된 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션데이터를 출력하여 상기 모션 플렛폼을 구동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 운전석(Cockpit)은, 운전석 본체와, 상기 운전석 본체의 중앙에 구비되어 사용자가 직접 앉을 수 있는 좌석과, 상기 좌석의 전방에 구비되어 선박의 방향과 엔진 출력을 조절하기 위한 휠 및 리모콘박스가 구비되는 조작판넬과, 상기 사용자의 운전에 따른 가상 선박의 항해 모션을 디스플레이하는 모니터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 휠 및 리모콘박스의 조종신호는 운영콘솔로 입력되며, 상기 운영콘솔은 상기 조종신호에 따른 선박의 방향 및 속도를 연산하여 가상 선박의 항해 모션 영상 데이터를 모니터로 출력하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 운전석(Cockpit)은, 상기 조작판넬에 구비되는 휠 및 리모콘박스의 조종에 따른 소형 선박의 주행 속도 및 방향을 표시하는 계기판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모션 플렛폼은 6자유도 모션 플랫폼으로, 상기 모션 플랫폼은 베이스 프레임의 상면에는 피스톤을 신장시키는 복수의 액츄에이터가 구비되고, 상기 피스톤의 단부에는 상기 운전석(Cockpit)이 일체로 고정되는 상부프레임(230)이 장착된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터는 실 선박 운동방정식에 따라 모션 플렛폼을 통해 모션을 구현함으로서 사용자가 선박 항해에 필요한 조종을 수행시 실제 소형 선박을 조정하는 것 같은 현실감을 느낄 수 있게 하는 장점이 있다.

또한 본 발명은 모니터의 화면을 통한 시각적인 효과도 함께 모션 플레이트와 연계되어 소형 선박의 움직임과 파도 등의 움직임을 사용자가 실제로 느낄 수 있어 현실감이 증대됨은 물론 해상이 아닌 육상에서의 훈련을 수행할 수 있어 안전한 레저 활동을 지원할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 선박면허 시험장의 여러 가지 한계점을 극복할 수 있어 해양레저 스포츠산업의 활성화도 이루어낼 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터의 운전석(Cockpit)을 도시한 도면이다.
도 4는 선박운동 재현을 위한 6자유도 모션플랫폼을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 모션플렛폼의 적용 사양을 도시한 도표이다.
도 6은 선박 운동방정식 알고리즘을 설명하기 위해 도시한 좌표계이다.

이하 본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시 예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 내지 도 6에 의하면, 본 발명은 사용자들이 면허시험장에서 실제 소형 선박을 이용해 연습하지 않고서도 선박 운동방정식을 적용한 시뮬레이터(1)를 이용해 소형 선박을 연습할 수 있도록 하여 사용자들의 접근 용이성을 높이고, 육상에서 소형 선박의 운항을 연습할 수 있도록 하여 수중에서의 선박 운항보다 안전하게 훈련을 수행할 수 있어 다양한 플랫폼과 연계하여 실제 소형 선박 운전면허시험을 위한 연습 및 취득에 유용하게 사용할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터(1)는 사용자가 조종하는 조작판넬(110)이 구비되는 운전석(Cockpit)(100)과, 상기 운전석(100)의 하부에 구비되어 상기 운전석(100)의 조작판넬(110)의 조종신호에 실 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션을 구현하는 모션 플렛폼(200)으로 구성된다.

이 경우 상기 조작판넬(110)의 조종신호는 운영콘솔(300)로 입력되며, 상기 운영콘솔(300)은 상기 조종신호에 설정된 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션데이터를 출력하여 상기 모션 플렛폼(200)을 구동하여 실제 소형 선박의 항해 모션을 구현한다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

도 3은 시뮬레이터(1)의 운전석(Cockpit)(100)을 도시한 도면으로, 운전석 본체(102)와, 상기 운전석 본체(102)의 중앙에 구비되어 사용자가 직접 앉을 수 있는 좌석(104)과, 상기 좌석의 전방에 구비되어 선박의 방향과 엔진 출력을 조절하기 위한 휠(112) 및 리모콘박스(114)가 구비되는 조작판넬(110)과, 상기 사용자의 운전에 따른 가상 선박의 항해 모션을 디스플레이하는 모니터(120)로 구성된다.

이때, 상기 운전석 본체(102)에는 조작판넬(110)에 구비되는 휠(112) 및 리모콘박스(114)의 조종에 따른 소형 선박의 주행 속도 및 방향을 표시하는 계기판(130)이 구비된다.

즉, 상기 조작판넬(110)에 구비되는 휠(112) 및 리모콘박스(114)를 사용자가 조종하면 조종신호는 운영콘솔(300)로 입력되며, 운영콘솔(300)은 상기 조종신호에 따른 선박의 방향 및 속도를 연산하여 가상 선박의 항해 모션 영상 데이터를 모니터(120)로 출력하여 사용자가 바다에서 항해를 하는 것 같은 시각적인 효과를 유도할 수 있다. 물론 운영콘솔(300)은 계기판(130)으로도 사용자가 조절한 방향 및 속도 데이터를 출력하여 표시함으로서 사용자가 운전하는 방향 및 속도 데이터를 실시간으로 직접 확인할 수 있다.

한편, 상기 운전석(Cockpit)(100)에는 상기 조작판넬(110)과 모니터(120) 및 계기판(130)의 신호 및 데이터의 입출력을 위한 인터페이스(140)가 구비되어 상기 운영콘솔(300)과 통신을 수행함이 바람직하다. 운전석(Cockpit)(100)은 모션 플렛폼(20)의 모션 구현에 따른 모션을 수행하므로 운영콘솔(300)은 상기 운전석(Cockpit)(100)과는 별개의 외부에 설치함이 바람직하다.

한편, 도 4는 모션 플렛폼(200)을 도시한 도면으로 사용자가 실제 소형 선박을 조정하는 것과 같은 현실감을 갖도록 모션을 구현한다. 이와 같은 모션 플렛폼(200)은 6자유도 모션 플랫폼으로서, 6자유도 운동 계산 알고리즘을 통해 계산된 선박의 운동 자세를 6자유도 모션 플랫폼을 통하여 재현함으로써 실제 레저 선박의 움직임을 구현한다. 그리고 각각의 회전축에 대한 상세한 설계 구성은 도 5의 표와 같은 기계적 특성 및 틸팅 성능을 갖춤이 바람직하다.

그리고 모션 플랫폼을 활용한 레저 선박의 움직임을 포착하기 위해 중심축을 기준으로 모션센서(자이로)를 통해 모션에 따라 변화하는 데이터를 분석하고 이를 화면상의 시야각과 연계하여 방향이 전환되도록 구현함이 바람직하다.

이와 같은 모션 플랫폼(200)은 베이스 프레임(210)의 상면에는 피스톤(222)을 신장시키는 복수의 액츄에이터(220)가 구비되고, 상기 피스톤(222)의 단부에는 상부프레임(230)이 장착되는 구조로서 모사가 가능한 자유도 수는 적어도 6자유도 이상이 적용되고, 모션은 롤링, 피칭, 요, 히브, 스웨이 및 서지모션의 적용이 가능해야 한다. 이때, 상기 엑츄에이터는 서보모터 방식을 채용하거나 또는 실린더방식을 채용할 수 있다.

물론 상기 상부프레임(230)에는 상기 운전석(Cockpit)(100)이 일체로 고정됨은 당연하다.

한편, 상기 모션 플렛폼(200)은 운영콘솔(300)에 의해 구동이 제어되는 것으로, 상기 운영콘솔(300)은 상기 조종신호에 설정된 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션데이터를 출력하여 상기 모션 플렛폼(200)을 구동함으로서 사용자가 실제 소형 선박을 조정하는 것과 같은 현실감을 느끼게 된다.

도 6은 선박 운동방정식 알고리즘을 설명하기 위해 도시한 좌표계로, 레저 선박은 대형 선박에 비해 상하방향 운동이 크게 일어나므로 상하동요, 중동요, 횡동요가 모두 묘사될 수 있도록 6자유도 수학모형으로 모델링하였고, 본 발명에 적용되는 선박 운동 방정식은 도 4의 좌표계에 대하여 Newton의 운동 제 2법칙에 기반한 것으로, 아래의 식(1) 내지 (3)과 같이 유도한다.

이때, 위 식들의 우변의 외력은 Coriolis 및 원심력, 동유체력, 중력, 정유체력, 추진력, 제어력, 풍력, 파랑력, 조류력으로 구성되는 것으로, 동유체력은 수평면 및 수직면 동유체력미계수를 이용하여 멱급수 형태로 모델링하고, 정유체력은 레저선박의 상하방향 운동변화가 반영될 수 있도록 모델링하고, 파랑력은 파랑에 대한 충격응답함수와 과거 운동의 상승적분으로 고려하고, 조류력은 상대속도 개념을 적용하여 모델링한다.

좀 더 구체적으로 설명하면 상기 식(1)에서 m, I_x, I_y, I_z는 각각 선박의 질량, x, y, z 방향에 대한 질량관성모멘트를 나타내고, x_G, y_G, z_G는 선박의 무게중심 좌표값을 나타낸다. 속도변수들 위의 'ㆍ'는 시간 변화율, 즉 가속도를 나타낸다. 그리고 우변의 외력 성분들은 운동 방향에 따라서 X_E, Y_E, Z_E, K_E, M_E, N_E으로 표기하고 외력은 발생 원인별로 구분하여 나타낸다.

또한, 상기 식(2)에서 하첨자 I, H, G, B, P, δ, Wind, Wave, Current는 각각 관성력, 동유체력, 중력, 부력, 추진력, 타력, 풍력, 파력, 조류력을 나타낸다. 이때, 상기 하첨자 I로 표현된 성분은 실제로는 관성력항인 Coriolis 및 원심력 항인데, 이는 식(1)의 좌변에서 속도변수들에 대한 시간 변화율항을 제외한 항들이다.

이때, 상기 식(1)은 6개의 비선형 미분방정식으로 구성된 연성 미분방정식 시스템이므로 해를 해석적으로 구할 수 없다. 따라서 Euler 전진법, Runge-Kutta 방법 등을 이용하여 구하게 되는데, 이때 실제로 관성력항인 Coriolis 및 원심력을 우변으로 이동하여 식(2)와 같이 외력으로 취급하는 것이 편리하다.

그리고 식(3)에서 δ는 불규칙파를 구성하는 규칙파들의 랜덤위상을 나타내고, N은 규칙파의 개수, ζ_i,ω_i 는 각각 번째 규칙파의 파진폭과 파주파수를 나타낸다.

물론 이와 같은 선박 운동 방정식은 운영콘솔(300)에서 내부 연산처리되어 모션 플렛폼(200)의 엑츄에이터인 모터 제어를 통해 모션을 구현하게 되며, 그에 따라 사용자는 실제 선박을 조종하는 것 같은 현실감을 느끼게 된다.

이상의 도 1 내지 도 6에 도시된 소형 선박 시뮬레이터(1)는 모션 플렛폼(200)의 상부에 운전석(Cockpit)(100)이 일체로 결합된 상태로서, 사용자가 탑승하여 좌석(104)에 앉아 조작판넬(110)을 조종이 가능하며 모션 플랫폼(200)의 제한 값을 적용하여 제한 값 이상의 데이터 값이 나올 경우 움직임의 제한을 설정하여 사용자의 안전성을 확보할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.

1: 시뮬레이터 100: 운전석(Cockpit)
102: 운전석 본체 104: 좌석
110: 조작판넬 112: 휠
114: 리모콘박스 120: 모니터
130: 계기판 200: 모션 플렛폼
210: 베이스 프레임 220: 액츄에이터
230: 상부프레임 300: 운영콘솔

Claims (6)

1. 사용자가 선박 항해에 필요한 조종을 하는 조작판넬(110)이 구비되는 운전석(Cockpit)(100)과, 상기 운전석(100)의 하부에 구비되어 상기 운전석(100)의 조작판넬(110)의 조종신호에 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션을 구현하는 모션 플랫폼(200)으로 구성되되;
   상기 운전석(Cockpit)(100)은, 운전석 본체(102)와, 상기 운전석 본체(102)의 중앙에 구비되어 사용자가 직접 앉을 수 있는 좌석(104)과, 상기 좌석의 전방에 구비되어 선박의 방향과 엔진 출력을 조절하기 위한 휠(112) 및 리모콘박스(114)가 구비되는 조작판넬(110)과, 상기 사용자의 운전에 따른 가상 선박의 항해 모션을 디스플레이하는 모니터(120)와, 상기 조작판넬(110)에 구비되는 휠(112) 및 리모콘박스(114)의 조종에 따른 소형 선박의 주행 속도 및 방향을 표시하는 계기판(130)으로 구성되고;
   상기 모션 플랫폼(200)은 6자유도 모션 플랫폼으로, 상기 모션 플랫폼(200)은 베이스 프레임(210)의 상면에는 피스톤(222)을 신장시키는 복수의 액츄에이터(220)가 구비되고, 상기 피스톤(222)의 단부에는 상기 운전석(Cockpit)(100)이 일체로 고정되는 상부프레임(230)이 장착된 것을 특징으로 하는 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 조작판넬(110)의 조종신호는 운영콘솔(300)로 입력되며, 상기 운영콘솔(300)은 상기 조종신호에 설정된 선박 운동방정식을 적용하여 실제 소형 선박의 모션데이터를 출력하여 상기 모션 플랫폼(200)을 구동하는 것을 특징으로 하는 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 휠(112) 및 리모콘박스(114)의 조종신호는 운영콘솔(300)로 입력되며, 상기 운영콘솔(300)은 상기 조종신호에 따른 선박의 방향 및 속도를 연산하여 가상 선박의 항해 모션 영상 데이터를 모니터(120)로 출력하는 것을 특징으로 하는 실 선박 운동방정식을 적용한 소형 선박 시뮬레이터.
   
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