KR101906073B1

KR101906073B1 - 러더에 작용하는 힘을 결정하는 장치

Info

Publication number: KR101906073B1
Application number: KR1020170129877A
Authority: KR
Inventors: 디르크 레만
Original assignee: 베커 마린 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-10-08
Also published as: EP2876041B1; JP2014073840A; US9440723B2; ES2577602T3; US20140136032A1; ES2659554T3; HK1156583A1; KR20170117998A; DE102010001102A1; DE202010018219U1; US20110112707A1; CN102050221A; EP2319758A1; JP2011098723A; US8676413B2; KR20110050386A; JP5743312B2; SG170719A1; CA2718873C; DE202010018218U1

Abstract

선박용 동적 위치제어 시스템(11) 및/또는 자동 조타장치 시스템(11a)의 스위칭 히스테리시스를 감소시키기 위하여, 프로세싱 유닛(29)과, 러더(10)의 물리량 값을 결정하기 위한 적어도 1개의 측정장치(27, 28), 및 결정된 물리량 값을 프로세싱 유닛(29)에 전송하기 위한 수단을 포함하는, 선박의 러더(10)에 작용하는 힘을 결정하기 위한 장치(12)가 설치되며, 상기 프로세싱 유닛(29)은 결정된 물리량 값에 기초하여 러더(10)에 작용하는 힘을 결정하게 구성된다.

Description

러더에 작용하는 힘을 결정하는 장치{ARRANGEMENT FOR DETERMINING A FORCE ACTING ON A RUDDER}

본 발명은 러더에 작용하는 힘을 결정하는 장치에 관한 것이다.

기본적으로 바다의 많은 선박들은 자동 조타장치 시스템을 가진 것으로 알려져 있다. 이것은 흔히 소프트웨어-기초 및 컴퓨터-구현되는 구성으로서, 항해 중에 사전 정해진 경로로 선박을 유지하는 자동 제어 시스템이다. 상기 자동 조타장치 시스템은 통상적으로 위치 관련 센서 또는 예를 들어 GPS수신기, 회전 나침반 또는 그와 유사한 장치의 다른 타입의 위치 결정장치를 갖는다. 또한, 예를 들어 선박의 지역 측정장치에 의해 결정 및 중계될 수 있는 다른 매개변수를 자동 조타장치 시스템에 이용하게 할 수도 있다. 본원에 기재한 "선박"이라는 용어는 물에서 또는 물 안에서 이동성을 가진(예, 수상 수송수단, 모빌 시추선, 등) 임의적인 운송수단(vehicle)으로 이해된다. 부가로, 상기 자동 조타장치 시스템은 통상적으로 선박 조종 시스템(manoeuvring system)을 제어하게 구성된 제어장치를 포함한다. 수상 수송수단 조종 시스템, 특히 선박에서의 선박 조종 시스템은 특히 선박의 프로펠러 같은 추진 유닛과 조종가능한 러더를 가진 러더 시스템 같은 제어 유닛의 조합체를 포함할 수 있다. 이런 선박 조종 시스템에서, 자동 조타장치 시스템은 흔히 러더를 제어 또는 조종하도록 특별하게 구성되어, 자동 조타장치 시스템에 제공된 매개변수와 사전 정의된 알고리즘에 기초한 선박의 실제 경로를 계산할 수 있다.

또한, 선박용 동적 위치제어(dynamic positioning) 시스템이 종래 기술로 알려져 있다. 상기 동적 위치제어 시스템은 일반적으로 수상 수송수단, 특히 선박의 자동 위치제어(automatic positioning)용 컴퓨터-제어 시스템이다. 동적 위치제어는 선박이 해저 위의 고정점에서 유지되는 경우에 절대적으로 또는 수상 수송수단 또는 잠수 수송수단 같이 이동체에 대해서 상대적으로 실행하여 이룰 수 있다. 이런 동적 위치제어는 시추 플랫폼용 해양 오일 산업 또는 다른 근해 선박에서 흔하게 사용된다. 그런데, 현재 예를 들어 크루즈 유람선 같은 수상 수송수단들의 동적 위치제어 시스템의 설치는 증가하고 있다. 또한, 이들 시스템들은 자동 조타장치 기능(autopilot functions)을 추가로 가질 수 있어서, 선박을 지정한 사전 정해진 경로로 유지시킬 수 있다. 원칙적으로, 선박은 동적 위치제어 시스템과 추가의 분리된 자동 조타장치 시스템도 가질 수 있다. 그러한 동적 위치제어 시스템은 통상적으로 특히 위치 관련 센서 또는 GPS수신기, 회전 나침반 또는 그 유사한 장치의 다른 타입의 위치 결정장치를 포함한다. 상기 장치들은 선박 위치 데이터를 동적 위치제어 시스템으로 전송한다. 다른 장치들로는 예를 들어 배의 롤링 또는 피칭을 결정할 수 있는 수단으로 동작 센서가 있다. 자동 조타장치 시스템과 마찬가지로, 동적 위치제어 시스템에 제공된 매개변수와 그 안에 저장된 알고리즘에 기초하여 선박 조종 시스템을 제어하게 구성된 제어장치를 포함한다. 이 경우, 선박 조종 시스템의 제어는 일반적으로 사전 정해진 위치를 유지하는 방식으로 이루어진다. 러더 시스템과 추진 유닛 모두를 포함하는 선박 조종 시스템의 경우에, 동적 위치제어 시스템이 흔히 양쪽 서브시스템을 제어할 수 있다. 선박의 동적 위치제어 시스템과 자동 조타장치 시스템 모두는 선박용 자동 제어 시스템의 일반적인 용어에 포함될 수 있는 것이다.

또한, 동적 위치제어 시스템은 통상적으로 선박의 물리량 또는 선박에 작용하는 물리량의 측정 데이터를 결정하기 위한 적어도 1개의 측정장치를 추가로 포함한다. 또한 자동 조타장치 시스템도 이런 측정장치를 포함할 수 있다. 이런 경우, 예를 들어 풍력 센서로 구성된 측정장치의 도움으로 선박에 작용하는 바람의 세기를 결정하는 것은 알려져 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 적절한 윈드 장치(wind device)로 파도 세기(swell)를 결정하는 것도 알려져 있다. 이런 면에서, 적어도 1개의 측정장치와 선박 위치 데이터를 결정하기 위한 수단은, 선박의 위치와 선박의 위치에 영향을 미치는(미칠 수 있는) 어떤 환경 영향력의 작용 범위 및 방향과 관련하여 컴퓨터 같은 중앙 제어장치에 정보를 제공한다. 예정 경로에 대한 정보 및 매개변수에 기초하여, 제어장치에 포함된 자동 조타장치 시스템 및/또는 동적 위치제어 시스템의 프로세싱 유닛은 1개 이상의 사전 정해진 알고리즘에 기초하여 필요한 제어 매개변수를 계산하고, 그 기초에서 상기 제어장치는 제어신호를 수상 수송수단 또는 선박의 조종 시스템에 중계하여, 영향을 미친다. 이런 수단에 의해, 선박의 예정 경로를 유지할 수 있거나 또는 사전 정해진 위치에 도달 또는 유지할 수 있다.

선박 조종 시스템은 예를 들어 러더 시스템과 추진 유닛, 특히 추진 프로펠러를 포함할 수 있다. 일반적으로, 러더 시스템은 차례로 러더와 러더 조종 장치, 특히 스티어링 엔진을 포함한다. 상기 조종 장치와 상기 추진 유닛을 제어하여, 선박의 또는 선박 조종 시스템의 러더 각도와 추력을 변경하여, 선박의 항해 방향과 속도에 영향을 미친다.

*지금은 주어진 시간에, 선박의 경로 또는 위치가 현재 선박 위치와 측정 데이터에 기초하여 변경되어야 하고, 선박 조종 시스템이 제어되고, 그리고 구동력(추력) 및/또는 러더 각도가 변경되는 공지된 자동 조타장치 시스템 또는 동적 위치제어 시스템에 의해 결정되지만, 빈번하게 최적의 수준으로 결정되지 않는다. 그 결과, 선박의 경로가 빈번하게 예정 경로를 지나서 변경되거나 또는 예정 위치에 바로 도달하지 않아 선박이 반대방향으로 다시 조종되어야 한다. 실질적으로, 이런 일은 비교적 짧은 시간에 러더 각도의 빈번한 제어 또는 조종과 추진 프로펠러의 실행으로 연속적인 변화를 초래할 수 있는 결과로 나타난다. 이 프로세스는 "스위칭 히스테리시스(switching hystersis)"로서 지명되며, 선박 조종 시스템은 과도한 응력을 받거나 또는 예정 경로 또는 예정 위치가 지연(delay)되어 설정되는 결과 만이 초래 된다. 다시 말하면, 선박 조종 시스템의 마모 증가 또는 마멸 증가를 초래할 수 있고 그리고 선박에 의해 취해진 경로가 빈번하게 최적하지 않은 결과를 초래할 수 있다. 또한, 자동 조타장치 시스템의 경우에는 선박을 추진시키는데 필요한 추진 에너지가 빈번한 러더 편향으로 인하여 증가된다.

본 발명의 목적은 스위칭 히스테리시스를 감소시키는 방식으로 선박의 자동 조타장치 시스템 및/또는 동적 위치제어 시스템을 개량하는 것이다. 이런 목적은 수상 수송수단, 특히 선박의 러더, 특히 스페이드 러더에 작용하는 힘, 특히 양력 및/또는 저항력을 결정하는 장치로 해결되고, 상기 장치는 프로세싱 유닛과, 러더의 물리량의 값을 결정하기 위한 적어도 1개의 측정장치, 및 프로세싱 유닛으로 결정된 물리량의 값을 전송하는 수단을 포함하고, 상기 프로세싱 유닛은 결정된 물리량의 값에 기초하여 러더에 작용하는 힘을 결정하도록 구성된다.

러더에 작용하는 힘과 관련한 물리량의 값을 측정하여, 임의 시간에 러더에 작용하는 힘을 결정할 수 있다. 러더에서의 물리량 값의 측정은 여러 회수 또는 사전 정해진 가능한 반복 발생하는 간격으로 편리하게 실행된다. 특히, 선박 항해 중에 또는 사전 정해진 위치로 선박을 유지하는 동안에 측정을 실행하는 것이 편리하다. 본원의 장치에 의해서, 러더에 작용하는 힘 같은 특정 러더 양이 결정되어 동적 위치제어 시스템 또는 자동 조타장치 시스템으로 중계되고, 상기 시스템은 사전 정해진 알고리즘에 기초한 다른 매개변수와 함께 상기 러더 양을 평가하고 그리고 그 결과로 러더 각도의 최적한 변화 크기 또는 파워 증가 또는 감소의 적정 수준을 바람직하게 결정할 수 있어서 스위칭 히스테리시스가 피해지거나 또는 적어도 감소된다.

상기 "물리량(physical quantity)"이라는 용어는 원칙적으로 러더 또는 러더 시스템의 임의적인 양으로 결정될 수 있는 성질이라 할 수 있다. 물리량은 적어도 1개의 측정장치에 의해 직접 측정되거나(측정된 양) 또는 측정장치에 의해 측정된 측정 양으로부터 빼거나(deduced) 해서 계산된다. 상기 계산은 편리하게 프로세싱 유닛으로 할 수도 있다. 그러나, 상기 측정장치를 측정된 양에 기초하여 물리량을 결정하거나 계산하도록 구성할 수도 있다. 상기 프로세싱 유닛은 예를 들어 적절한 컴퓨터 또는 그 유사 장치가 될 수 있으며, 그리고 선택적으로 동적 위치제어 시스템의 일부분일 수도 있다. 임의 경우에서, 이런 양은 "물리-기술 량" 또는 "기술량(technical quantities)"을 의미한다. 또한 상기 용어도 본 발명에 포함된다.

측정장치로부터 결정 또는 측정된 양을 프로세싱 유닛에 중계하는 수단은 임의적인 적합한 수단을 포함할 수 있다. 특히, 이런 수단은 케이블-바운드(cable-bound) 또는 무선 데이터를 전송할 수 있는 것이다. 측정장치는 편리하게 러더에 직접 제공되고, 상기 프로세싱 유닛은 통상적으로 선박 갑판에서 러더 시스템의 외측에 배치된다. 이런 면에서, 예를 들어 케이블은 러더로부터 프로세싱 유닛으로 이어지고 그리고 측정장치에는 대응하는 수신기가 제공되고 그리고 프로세싱 유닛에는 대응하는 수신기가 제공된다. 유사하게, 적절한 전송기와 수신기가 무선 전송의 경우에 편리하게 제공된다.

프로세싱 유닛은 차례로 러더에 작용하는 힘을 1개 이상의 결정된 물리량 값에 기초하여 결정 또는 계산할 수 있는 적절한 알고리즘을 포함한다. 원칙적으로, 이 힘은 러더에 작용하는 적절한 힘일 수 있다. 바람직하게, 러더의 양력 및/또는 러더의 저항력이 본 발명에 따라서 결정된다. 본원에서, 양력은 특히 러더의 동적 부력(the force of the dynamic buoyancy)을 포함한다. 일반적으로, 그런 힘은 특정 형상 또는 위치를 가진 몸체(러더)가 유체(물)에 대해 이동할 때 상승한다. 상기 몸체에 유체 또는 액체에 의해 발휘되는 힘은 일반적으로 2개의 성분으로 분석된다. 즉, 선박의 종축에 대해 또는 유체 흐름 방향에 대해 횡방향으로 작용하는 동적 부력과, 선박의 길이방향 또는 유체 흐름 방향을 따라 작용하는 마찰 저항(저항력)으로 분석된다. 해양 공학 분야에서, 러더의 "양력"과 "저항력" 용어는 흔히 이들의 영어 용어인 "리프트" 와 "드래그"로 지명되기도 한다. 특히, 양력의 크기는 러더 작용에서 중대한 것이다. 상기 양력은 또한 때때로 러더의 "측력(lateral force)"으로 지명되기도 한다.

만일 러더의 부력 또는 저항력의 실제 크기를 각 경우에서 알게 되면, 선박의 러더 시스템 또는 구동 시스템이 자동 조타장치 시스템 또는 동적 위치제어 시스템에 의해 상기 사실에 기초하여 보다 정확하게 제어되어 예정 경로 또는 예정 위치를 달성할 것이다. 도5는 부력과 저항력 사이의 관계를 개략적으로 나타낸 것이며, 여기서 U₀는 선박의 추진 프로펠러(여기에는 도시하지 않음)의 프로펠러 흐름을 나타내고 그리고 '10'은 이러한 흐름 범위 내에 배치된 러더를 나타낸다. 상기 러더는 선박의 길이방향(18) 또는 흐름방향(U₀)에 대해 각도(α)로 비틀렸다. 통상적으로 선박의 길이방향(18)과 유체의 흐름방향은 동일하다. 화살표(20)는 유체 흐름방향 또는 선박 길이방향(18)에 대해 수직하여 이어진 합성 양력을 나타내고, 저항력은 화살표(21)로 나타내었고 선박 길이방향(18)으로 이어졌다. 화살표(20, 21)는 벡터로서 나타내었고 각각의 힘의 크기와 방향을 모두 가리킨다. 화살표(22)는 2개의 상술한 힘의 합력을 가리킨다. 도5에 나타낸 관계는 이들이 대체로 러더를 조종만 하고 통상적으로 추진 유닛에는 작용하지 않기 때문에 선박의 자동 조타장치 시스템에서 특히 중요하여, 따라서 러더의 양력 수준이 기본적으로 러더 각도와 대응하는 제어를 계산하는데 중요함을 나타낸 것이다. 본 발명에 따라서, 자동 조타장치 시스템은 선박의 필요한 추진 에너지를 상당히 절감할 수 있는 결과를 초래하는 대체로 더 적고 그리고 더 작은 러더 편향(fewer and smaller rudder deflections)으로 관리할 수 있다.

본 발명에 따르는 장치의 양호한 실시예는 첨부된 청구범위의 종속 청구항에서 특정되었다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 물리량은 굽힘응력 및/또는 토오크 이다. 선택적으로 굽힘응력에 대해, 러더에 작용하고 그리고 러더의 굽힘응력을 야기하는 굽힘 모멘트도 결정될 수 있다. 양력과 저항력은 모두 굽힘응력에 기초한 계산에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 이것은 또한 러더에 작용하는 비틀림 힘, 즉 토오크에 기초하여서도 할 수 있다. 러더에 작용하는 힘의 계산에서 가능한 최고로 정확한 값을 구하기 위해서는 굽힘응력과 토오크 모두를 결정하는 것이 특히 바람직하다. 상기 굽힘응력은 이들의 클램핑 타입의 결과로서 스페이드 러더의 경우에 특히 유리하게 결정될 수 있다.

특히 편리하게, 적어도 1개의 측정장치가 러더의 러더 트렁크 및/또는 러더 스톡에 작용하는 굽힘응력 및/또는 러더의 러더 스톡에 작용하는 토오크를 결정하게 구성된다. 러더 트렁크는 특히 스페이드 러더에 사용되고 그리고 선체로부터 러더 쪽으로 안내되는 중공 지지부로 구성되고, 러더 스톡이 그 안에 배치되어 장착된다. 이런 목적을 위해, 바람직하게, 적어도 1개의 측정장치가 러더 트렁크에, 특히 러더 트렁크의 내부 케이싱에 배치되고, 그리고/또는 러더 스톡에, 특히 러더 스톡의 외부 케이싱에 배치된다. 스페이드 러더의 러더 트렁크는 러더에 작용하는 굽힘응력을 흡수하여 선체 쪽으로 이동시키는 방식으로 설계된다. 이런 면에서, 굽힘응력의 측정은 특히 편리한 것이다. 또한, 러더 스톡에서의 토오크 측정도 이것이 러더의 회전축을 형성하므로 편리한 것이다.

특히 바람직하게, 적어도 1개의 측정장치가 선체를 향하는 러더 스톡 및/또는 러더 트렁크의 상부영역에 배치된다. 상기 측정장치는 바람직하게 상부 절반 부분, 특히 바람직하게는 러더 스톡 또는 러더 트렁크의 상부 삼분지 일 부분에 배치된다. 이것은 특히 굽힘동작이 흔히 이 영역에서 최대이고 그리고 상술한 영역이 측정장치를 부착하는데 가장 용이하게 접근할 수 있기 때문에 유리하다. 특히, 이 영역은 흔히 선택적으로 케이블 또는 그와 같은 것들이 비교적 간단한 방식으로 설치될 수 있게 선체의 내측에 위치하게 된다.

특히 높은 과잉의 측정 값을 구하기 위해 또는 2개의 물리량, 특히 굽힘응력과 토오크 모두를 결정하기 위해, 편리하게 2개의 측정장치를 러더 트렁크 및/또는 러더 스톡에 바람직하게 설치한다. 또한, 이 실시예에서, 2개의 측정장치는 원통형 러더 트렁크 또는 러더 스톡의 원주부에 대해 서로 80도 내지 100도로, 특히 대략 90도로 상호 오프셋 배치된다. 서로에 대한 2개 측정장치의 이러한 오프셋 배치는 특히 횡단면으로 보았을 때에 확인할 수 있다. 이 경우에 이점은 러더의 양력과 저항력이 서로 대체로 수직적으로 작용하여, 각 경우에 1개 측정장치가 상기 힘 중의 하나를 개별적으로 결정하기 위한 기초를 형성한 물리량을 결정하도록 제공될 수 있는 것이다. 원칙적으로, 측정을 러더 스톡에서만 또는 러더 트렁크에서만 하게 구성할 수도 있다.

원칙적으로, 측정장치는 종래 기술로부터 알려진 적절한 측정수단을 포함할 수 있다. 특히, 바람직하게, 적어도 1개의 측정장치는 변형 게이지 스트립, 광학 측정수단 및/또는 진동 주파수를 측정하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 수단에 의해, 신뢰할 수 있는 측정 결과가 물리량의 값에 기초하여 간단하고 경제적인 비용을 소비하는 방식으로 구해질 수 있다.

본 발명의 기본을 형성하는 목적은 수상 수송수단, 특히 선박의 러더, 특히 스페이드 러더에 작용하는 힘을 결정하기 위한 방법에 의해 추가로 해결되었고, 러더의 물리량, 특히 토오크 및/또는 굽힘응력의 값은 적어도 1개의 측정장치에 의해 결정되고, 적어도 1개의 결정된 값은 프로세싱 유닛으로 전송되고, 그리고 러더에 작용하는 힘, 특히 양력 및/또는 저항력은 결정된 적어도 1개의 값에 기초하여 프로세싱 유닛에 의해 결정된다. 토오크의 측정은 바람직하게 러더의 러더 트렁크에서 실행되고 그리고 굽힘응력의 측정은 러더의 러더 스톡에서 그리고/또는 러더 트렁크에서 실행된다. 특히, 상기 방법은 본 발명에 따르는 상술한 장치를 사용하여 실행될 수 있다.

편리하게, 2개 측정장치의 각각이 러더 트렁크 및/또는 러더 스톡에 설치되고, 그리고 러더의 양력은 1개 측정장치의 측정된 값에 기초하여 결정되고, 그리고 러더의 저항력은 나머지 측정장치의 측정 값에 기초하여 결정된다.

본 발명의 기본을 형성하는 목적은, 러더, 특히 스페이드 러더와, 러더를 조종하기 위한 조종 수단, 특히 스티어링 엔진과, 추진 유닛, 특히 추진 프로펠러를 포함하는 수상 수송수단, 특히 선박의 자동 위치제어를 위한 동적 위치제어 시스템에 의해 추가로 해결되었다. 상기 동적 위치제어 시스템은, 조종 수단 및/또는 추진 프로펠러를 제어하기 위한 제어장치와, 선박 위치 데이터를 결정하기 위한 수단 및 적어도 1개의 측정장치를 포함하여 선박에 작용하는 물리량 또는 선박의 물리량의 측정 데이터를 결정한다. 제어장치는 선박 위치 데이터와 측정 데이터에 기초하여 조종 수단 및/또는 추진 프로펠러를 제어하게 구성된다. 또한, 본 발명에 따라서, 적어도 1개의 측정장치는 러더의 물리량의 러더 측정 데이터를 결정하게 구성되고 그리고 그 일 부분인 제어장치는 조종 수단 및/또는 추진 프로펠러의 제어에 대한 러더 측정 데이터를 고려하여 구성된다.

본 발명의 기본을 형성하는 목적은 러더, 특히 스페이드 러더와 조종수단, 특히 상기 러더를 조종하기 위한 스티어링 엔진을 포함하는 수상 수송수단, 특히 선박의 자동 경로 제어를 위한 자동 조타장치 시스템에 의해 추가로 해결되었다. 상기 자동 조타장치 시스템은 조종 수단을 제어하기 위한 제어장치와, 선박 위치 데이터를 제어장치로 전송하게 구성된 선박 위치 데이터를 결정하기 위한 수단, 및 적어도 1개의 측정장치를 포함하여 선박에 작용하는 물리량의 측정 데이터를 결정한다. 적어도 1개의 측정장치는 결정된 측정 데이터를 제어장치로 전송하도록 구성된다. 상기 제어장치는 선박 위치 데이터와 측정 데이터에 기초하여 조종수단을 제어하게 구성된다. 또한, 본 발명에 따라서, 적어도 1개의 측정장치는 러더의 물리량의 러더 측정 데이터를 결정하도록 구성되고 그리고 제어장치는 조종수단의 제어동작에 대한 러더 측정 데이터를 고려하여 구성된다.

양쪽 시스템에서, 선박 위치 데이터를 결정하기 위한 수단은 데이터를 제어장치로 전송한다. 유사하게, 적어도 1개의 측정장치의 측정 데이터는 제어장치로 전송된다. 상기 측정된 데이터는 러더의 물리량의 측정된 값 또는 측정장치의 실제 측정된 값에 기초하여 결정된 또는 계산된 값이다. 본 발명에 따라서, 종래 기술로부터 알려진 측정 데이터를 사용하는 대신에, 이제는 러더에 작용하는 물리량의 러더 측정 데이터를 처음으로 사용한다. 또한, 이들 러더 측정 데이터는 제어장치로 전송되고 그리고 다시 말하면, 특히 러더 측정 데이터에 기초하여 선박의 자동 위치제어 또는 자동 경로 제어를 결정하는데 사용되고, 조종 수단 및/또는 추진 프로펠러는 조종 수단 및/또는 추진 프로펠러에 의해 제어된다. 따라서, 선박조종 시스템의 대체로 더욱 정확한 제어가 본 발명에 따르는 시스템에 의해 달성될 수 있어서, 스위칭 히스테리시스를 상당히 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르는 시스템에서, 러더에 대한 독점적인 측정 데이터가 선박의 위치설정 및 제어용으로 처음 사용되었다.

러더의 물리량은 바람직하게 굽힘응력 및/또는 토오크 이다.

부가로, 제어장치 또는 선택적으로 분리된 프로세싱 유닛도 러더의 물리량의 결정된 값에 기초하여 러더에 작용하는 힘, 특히 양력 및/또는 저항력을 결정하도록 구성된다. 이때, 러더에 작용하는 힘은 위치설정 또는 경로 제어를 위해 그리고 특히 선박 조종 시스템을 제어하는데 사용된다.

본 발명에 따르는 장치의 상술한 실시예 중의 한 실시예에 의거, 2개 시스템 중의 적어도 1개의 측정장치는 러더에 작용하는 힘을 결정하도록 구성된다. 특히, 본 발명에 따르는 전체적인 상술한 장치는 동적 위치제어 시스템 또는 자동 조타장치 시스템의 일부분일 수 있고, 여기서 본 발명에 따르는 장치로부터의 프로세싱 유닛의 기능은 각 시스템의 제어장치가 인계받을 수 있다. 선택적으로, 상기 프로세싱 유닛은 2개 시스템 중의 하나에 분리하여 제공될 수도 있다.

시스템의 양호한 실시예에서, 추가 측정장치가 선박의 추진력, 특히 추력에 대한 선박 추진 측정 데이터를 결정하게 구성되어 제공된다. 상기 측정장치는 양호하게 선박의 추진 프로펠러의 구동축 상에 설치된다. 또한, 제어장치는 조종 수단 및/또는 추진 프로펠러의 제어동작에 대한 선박 추진 측정 데이터를 고려하여 구성된다. 따라서, 이 실시예에서, 러더 측정 데이터에 더하여, 선박 추진 측정 데이터가 선박 조종 시스템을 제어하는데 사용되거나 또는 상기 제어의 기본을 형성하는 알고리즘에 포함된다. 이런 구성은 선박의 추력이 러더의 저항력에 대하여 정확하게 작용하거나 또는 러더의 저항력에 의해 감소되기 때문에 특히 편리한 것이다. 이런 면에서, 선박 추진 측정 데이터의 추가 제공으로, 선박 조종 시스템에 대한 광대한 정보를 얻을 수 있다. 특히, 이들 데이터에 기초하여, 제어장치는 순 선박 조종력(net manoeuvring force)을 결정하거나 계산할 수 있고 그리고 선박 조종 시스템을 제어하는 공정에 이것을 사용할 수 있다. 이들 각각의 힘 사이의 관계를 도6에 도형으로 나타내었다. 도6의 도형은 도5의 도형을 기초로 하고, 여기서 저항력(21)에 대항하여 작용하는 추력(23)은 벡터 화살표로 추가하여 나타내었다. 순 선박 조종력(24)은 순 추력(23b)(=추력-저항력)과 부력(20)으로부터 결정될 수 있다. 도5에 도시한 관계는 이들이 흔히 러더와 추진 유닛을 제어하기 위해 구성되었기 때문에 동적 위치제어 시스템에 특히 관련된다.

본 발명의 기본을 형성하는 목적은 다음의 단계를 포함하는 수상 수송수단, 특히 선박의 동적 위치제어 및 자동 경로제어를 위한 방법에 의해 추가로 해결되었다.

a)선박의 러더, 특히 스페이드 러더의 적어도 하나의 물리량, 특히 토오크 또는 굽힘응력의 값을 결정하는 단계,

b)러더의 물리량의 결정된 값에 기초하여 러더에 작용하는 힘, 특히 양력 및/또는 저항력을 결정하는 단계,

c)상기 b)단계에서 결정된 힘과 선택적으로 추가하여 선박 위치 데이터 및/또는 선박 측정 데이터에 기초하여 선박의 러더를 조종하기 위한 조종수단, 특히 스티어링 엔진 및/또는 추진 유닛을 제어하는 단계, 및 선택적으로,

d) a)단계 내지 c)단계를 반복하는 단계.

이 경우 선박 측정 데이터는 선박에 작용하는 예를 들어, 풍력, 파도 힘 등의 다른 물리량에 관한 측정 데이터이다. 편리하게, 각 프로세스 단계는 선박이 항해하는 동안에 계속하여 반복된다. 따라서, 러더에 작용하는 힘은 선박의 최적한 위치설정 또는 경로 정렬과 관련하여 고 품질의 결과를 초래하는, 각각의 방식으로 반복하여 결정된다. 특히, 상기 방법은 본 발명에 따른 상술한 동적 위치제어 시스템 또는 자동 조타장치 시스템으로 실시될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 양호한 실시예에서, 선박의 추진력, 특히 추력이 추가로 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 편리하게 양력과 저항력 모두를 결정하고 그리고 상술한 3개 힘에 기초하여 선박의 선박 조종력 또는 순 선박 조종력을 결정하며, 여기서 c)단계에서의 제어동작은 선박 조종력에 기초하여 실시된다. 이러한 수단에 의해, 스위칭 히스테리시스가 더욱 감소될 수 있다.

본 발명의 기본을 형성하는 목적은 러더 트렁크와 러더 스톡을 포함한 수상 수송수단, 특히 선박의 러더, 특히 스페이드 러더로 추가로 해결되고, 여기서 적어도 1개의 측정장치는 러더의 물리량, 특히 러더 트렁크 및/또는 러더 스톡에서의 굽힘응력 및/또는 러더 스톡에서의 토오크를 결정하게 구성된 러더 트렁크 및/또는 러더 스톡에 설치된다. 상기 러더는 부가로 적어도 1개의 측정장치의 결정된 값을 데이터 프로세싱 유닛으로 전송하기 위한 수단을 포함한다. 데이터 프로세싱 유닛은 특히 컴퓨터일 수 있고 그리고 러더의 측정장치가 그런 시스템에 연결될 수 있도록 동적 위치제어 시스템 또는 자동 조타장치 시스템을 포함할 수 있다. 상기 물리량의 값은 직접 측정될 수 있고 또는 이들이 측정장치에 의해 측정된 데이터 또는 선택적으로 추가 프로세싱 또는 데이터 프로세싱 유닛에 기초하여 결정될 수 있다. 이런 러더로, 러더 힘 또는 러더 동작에 대한 추가 정보가 상술한 시스템으로 전송되어 선박 조종 시스템의 제어가 더욱 정확하게 되어, 스위칭 히스테리시스를 감소 시킬 수 있다.

끝으로, 본 발명의 기본을 형성하는 목적은 컴퓨터-리드어블(readable) 저장 매체 또는 이런 컴퓨터 리드어블 저장 매체 자체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 의해 해결될 수 있으며, 여기서 프로그램은 저장 매체에 저장되고, 상기 저장 매체는 컴퓨터의 메모리에 로드된 후, 본 발명에 따르는 장치 또는 본 발명에 따르는 동적 위치제어 시스템 또는 본 발명에 따르는 자동 조타장치 시스템과 협력하여, 본 발명에 따르는 상술한 방법 중의 하나를 컴퓨터가 실행할 수 있다.

도1은 토오크 및 굽힘응력을 결정하기 위한 측정장치를 가진 부분 절취된 러더의 측면도,
도2는 토오크와 굽힘응력용 측정장치를 가진 러더의 러더 트렁크와 러더 스톡의 부분 영역의 단면도,
도3은 동적 위치제어 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도4는 자동 조타장치 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도5는 부력과 저항력 사이의 관계를 설명하는 힘 벡터 다이어그램,
도6은 추가로 표시된 순 선박 조종력과 추력을 가진 도5로부터의 힘 벡터 다이어그램이다.

본 발명을 첨부 도면을 참고로 다양한 예를 들어 설명한다.

도1은 러더 트렁크(30)와, 러더 스톡(40) 및 관절 핀(articulated fin)(51)을 가진 러더 블레이드(50)를 포함하는 러더(10)의 단면도 이다. 트렁크(30)와, 스톡(40) 및 러더 블레이드(50)의 일부 영역은 단면으로 나타내었다. 그 상부 영역에서, 러더 트렁크(30)는 선체(26)에 견고하게 연결된다. 러더 트렁크(30)는 러더 스톡(40)을 수용하는 내부 홀(25)을 부가로 갖는다. 러더 트렁크(30)는 러더 트렁크(30)의 자유 단부(30a)를 수용하는 러더 블레이드(50)의 원통형 절결부(35) 안으로 양호하게 삽입된다. 절결부(35)는 러더 블레이드(50)의 측면 선체 외판(36, 37)에 의해 범위가 정해진다. 러더 스톡(40)은 러더 트렁크(30)로부터 돌출되고 러더 블레이드(50) 쪽으로 튀어나온 단부 영역(40a)으로 러더 블레이드(50)에 연결된다. 부가로, 베어링(70, 71)이 러더 트렁크(30)에 러더 스톡(40)을 장착하기 위해 또는 러더 블레이드(50)에 러더 트렁크(30)를 장착하기 위해 제공된다. 측정장치(28)는 선체(26) 내에 배치되지만 아직은 러더 블레이드(50)에 있지 않은 러더 스톡(40)의 상부 영역에서 러더 스톡(40)의 표면에 제공된다. 측정장치(28)는 러더 스톡(40)의 표면에 견고하게 장착된다. 이런 측정장치(28)는 변형 게이지 스트립을 포함한다. 다른 측정장치(27)는 상기 측정장치(28) 근방으로 러더 트렁크(30)의 상부 영역에서 러더 트렁크(30)의 내부 케이싱 또는 내측부 상에 배치된다. 측정장치(27, 28)의 이러한 배열은 선체(26) 내부에 그대로 배치되어 비교적 용이한 접근성이 있으며, 따라서 케이블 같은 것들이 측정장치로 비교적 곤란하지 않은 방법으로 안내될 수 있는 이점을 갖는다. 또한, 측정장치(27, 28)는 최상의 측정 결과가 이곳에서 달성될 수 있도록 러더 스톡(40) 또는 러더 트렁크(30)의 최대 굽힘 영역에 배치된다. 원칙적으로, 상기 측정장치(27)는 또한 러더 트렁크(30)의 외부 케이싱에도 배치될 수 있다. 또한, 측정장치(27)는 변형 게이지 스트립을 포함한다. 측정장치(28)가 러더 스톡(40)에서 토오크를 측정하거나 결정하도록 구성되는 반면에 러더 트렁크(30)에서 차단되는 굽힘응력은 측정장치(27)에 의해 결정될 수 있다. 측정된 또는 결정된 값은 양쪽 측정장치(27, 28)로부터 프로세싱 유닛(도시하지 않음)으로 전송된다. 이런 목적으로, 데이터의 무선 송신을 하기에 적절한 전송 또는 전달 수단(여기에 도시하지 않음)이 각 측정장치(27, 28)에 제공된다.

도2는 그곳에 장착된 러더의 러더 스톡(40)의 트렁크(30)의 일부 영역을 도시한 것이다. 상기 도면에서는 또한 러더 스톡(40)의 토오크 및/또는 굽힘응력을 결정하기 위한 측정장치(28)가 러더 스톡의 표면에 설치된다. 다른 측정장치는 설치되지 않는다. 따라서, 도2에 따른 실시예에서, 러더에 작용하는 힘의 결정은 통상적으로 토오크 또는 굽힘응력을 결정하게 구성된 러더 스톡(40)에 제공된 측정장치에 의해서만 이루어진다. 또한, 측정장치(28)는 프로세싱 유닛(여기에 도시하지 않음)으로 데이터를 전송하기 위한 전달 또는 전송 수단도 갖는다.

도3은 동적 위치제어 시스템(11)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 시스템(11)은 러더에 작용하는 힘을 결정하기 위한 장치(12)를 포함한다. 측정장치(27,28)는 러더 상의 굽힘응력 또는 토오크를 결정한다. 측정된 또는 결정된 데이터는 측정장치(27, 28)로부터 선박의 갑판(여기서는 도시하지 않음)에 배치된 프로세싱 유닛(29)으로 전송된다. 굽힘응력과 토오크의 결정된 값에 기초하여, 프로세싱 유닛(29)은 러더(10)의 양력(20) 및/또는 저항력(21)을 계산하여, 이 힘의 값을 동적 위치제어 시스템(11)의 제어장치(13)로 전송한다. 원칙적으로, 프로세싱 유닛(29)은 또한 초기에 측정된 값의 기초하여 이전 단계에서의 토오크 또는 굽힘응력을 결정할 수 있다. 다음, 제어장치(13)는 GPS 수신기로 구성된 수단으로부터 선박 위치 데이터를 수신하여 선박 위치 데이터(14)와 선박 주변의 바람의 세기에 대한 풍력 측정장치(15)로부터의 데이터를 결정한다. 선택적으로, 이곳에선 선박 위치 데이터를 결정하기 위한 추가 측정장치 또는 수단이 제어장치(13)에 연결될 수 있다. 제어장치(13)로 전송되는 값 또는 매개변수에 기초하여, 제어장치(13)는 제어장치(13)에 저장되었거나 사전에 정해진 알고리즘에 기초하여 제어장치(13)에도 저장된 소망 위치를 달성하거나 유지하는 최적의 러더 각도 또는 추진력을 계산한다. 이런 계산 단계에서, 양력(20) 및/또는 저항력(21)이 또한 본 발명에 따라 고려될 수 있다. 결정된 러더 각도 또는 결정된 파워 수준에 기초하여, 제어장치(13)는 선박의 추력을 증가 또는 감소시키기 위해 선박 추진 유닛(17) 및/또는 러더 각도를 조종하기 위한 조종장치(16)를 제어한다. 상술한 공정은 선박이 소망 위치에 계속하여 남아 있게 보장하도록 선박을 운전하는 동안에 지속적으로 반복된다.

도4는 자동 조타장치 시스템(11a)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 도면 또는 자동 조타장치 시스템(11a)는 도3에 도시된 동적 위치제어 시스템(11)에 대체로 대응한다. 동적 위치제어 시스템(11)과 다르게, 자동 조타장치 시스템(11a)의 제어장치(13)는 오직 러더 각도를 조종하지만 워터 추진 유닛은 조종하지 않는 조종수단(16)을 제어한다. 또한, 그런 매개변수가 선박이 항해하는 중에 경로 제어를 위한 부수적인 역할을 하므로, 바람 측정장치 또는 그 유사한 장치가 제공되지 않는다.

10: 러더
11: 동적 위치제어 시스템(dynamic positioning system)
11a: 자동 조타장치 시스템(autopilot system) 12: 장치(arrangement)
13: 제어장치 14: 선박위치 데이터 결정수단
15: 바람 측정장치 16: 러더 조종장치 17: 선박 추진 유닛
18: 선박 길이방향 20: 양력 21: 저항력
22: 합력 23: 추력(thrust) 23b: 순(net) 추력
24: 순 선박 조종력(net manoeuvring force) 25: 내부 홀
26: 선체 27: 측정장치/트렁크 28: 측정장치/스톡
29: 프로세싱 유닛 30: 러더 트렁크 30a: 하부 러더 트렁크 단부
35: 절결부 36: 선체 외판(planking) 37: 선체 외판
40: 러더 스톡 50: 러더 블레이드 51: 핀(fin)
70: 베어링 71: 베어링
U₀: 프로펠러 흐름 α: 러더 각도

Claims

추진 유닛(17) 뒤의 흐름 방향으로 배치되는 러더(10),
상기 러더(10)를 조종하기 위한 조종 수단(16),
추진 유닛(17),
제어 장치(13),
선박 위치 데이터(14)를 상기 제어장치(13)에 전송하게 구성된 선박 위치 데이터(14)를 결정하기 위한 수단(14), 및
선박에 작용하는 물리량의 측정 데이터를 결정하기 위한 적어도 1개의 측정장치(27, 28)를 포함하는
자동 위치 조정 과정에서 러더의 변형 횟수 및 크기를 감소하게 하기 위하여 스위칭 히스테리시스를 감소하기 위한 선박(Ship)의 자동 위치 조정용 동적 제어 시스템(11)으로서,
적어도 1개의 측정장치(27, 28)는 상기 결정된 측정 데이터를 제어장치(13)로 전송하게 구성되고,
상기 제어장치(13)는 선박 위치 데이터(14)와 측정 데이터에 기초하여 조종 수단(16) 또는 추진 유닛(17)을 제어하게 구성되며,
적어도 1개의 측정장치(27, 28)는 상기 러더(10)상에 직접적으로 제공되고 러더(10)의 물리량의 러더 측정 데이터를 결정하게 구성되며,
상기 측정장치(27, 28)는 상기 러더(10)의 러더스톡(40) 또는 러더트렁크(30)상에 작용하는 굽힘응력 또는 상기 러더(10)의 러더스톡(40)상에 작용하는 토오크를 결정하도록 구성되고,
상기 제어장치(13)는 상기 러더(10)의 물리량의 러더 측정 데이터에 기초하여 상기 러더(10)에 작용하는 양력(20) 또는 저항력(21)을 결정하게 구성되며,
상기 제어장치(13)는, 스위칭 히스테리시스가 감소하도록 상기 러더의 러더 각도(α)의 변화 크기 또는 추진 유닛(17)의 파워 증가 또는 감소의 수준을 결정할 수 있도록 조종 수단(16) 및 추진 유닛(17) 중 적어도 하나를 제어하는 것과 관련하여, 양력(20) 및 저항력(21)중 적어도 하나를 고려하도록 구성된,
동적 위치 제어 시스템(11).
러더(10),
상기 러더(10)를 조종하기 위한 조종 수단(16),
제어장치(13),
선박 위치 데이터(14)를 상기 제어장치(13)에 전송하게 구성된 선박 위치 데이터(14)를 결정하기 위한 수단(14), 및
선박에 작용하는 물리량의 측정 데이터를 결정하기 위한 적어도 1개의 측정장치(27, 28)를 포함하는
자동 경로 제어 과정에서 러더의 변형 횟수와 규모를 감소시키기 위해 스위칭 히스테리시스를 감소시키기 위한 선박(Ship)의 자동 경로 조정용 조타 장치 시스템(11a)으로서,
적어도 1개의 측정장치(27, 28)는 상기 결정된 측정 데이터를 제어장치(13)로 전송하게 구성되고,
상기 제어장치(13)는 선박 위치 데이터(14)와 측정 데이터를 기반으로 조종 수단(16)을 조종하도록 구성되며,
적어도 하나의 측정장치(27, 28)는 상기 러더(10)상에 직접적으로 제공되고 상기 러더(10)의 러더트렁크(30) 또는 러더스톡(40)상에 작용하는 굽힘응력 또는 상기 러더(10)의 러더스톡(40)상에 작용하는 토오크 중 적어도 하나의 상기 러더(10)의 물리량의 러더 측정 데이타를 결정하도록 구성되며,
상기 제어장치(13)는 스위칭 히스테레시스가 감소하도록 러더의 러더 각도(α)의 변화 크기 또는 선박의 추진 유닛(17)의 파워 증가 또는 감소의 수준을 결정할 수 있도록 조종 수단(16)의 제어와 관련하여 상기 러더 측정 데이터를 고려하도록 구성되고,
상기 러더는 상기 추진 유닛(17) 뒤의 흐름 방향에 배치되는,
조타 장치 시스템(11a).
제2항에 있어서,
상기 제어장치(13)는 러더(10)의 물리량의 상기 러더 측정 데이터를 기초하여 상기 러더(10)에 작용하는 양력(20) 및 저항력(21) 중 어느 하나를 결정하게 구성된, 조타 장치 시스템(11a).
제1항에 있어서,
선박의 추력(23)과 관련하여 선박 추진 측정 데이터를 결정하게 구성되고 상기 추진 유닛(17)상에 제공되는 추가 측정장치가 제공되며,
상기 제어장치(13)는 조종 수단(16) 및 추진 유닛(17) 중 적어도 하나를 제어하는 것과 관련하여 선박 추진 측정 데이터를 고려하도록 구성된, 동적 위치 제어 시스템(11).
a) 러더(10)의 러더스톡(40)상에 작용하는 토오크 및 선박의 러더의 러더스톡(40) 또는 러더트렁크(30)상에 작용하는 굽힘 응력 중 적어도 하나의 값을 결정하는 단계,
b) 상기 러더(10)의 토오크 및 굽힘 응력 중 적어도 하나의 결정된 값에 기초하여 러더에 작용하는 힘을 결정하는 단계, 및
c) 스위칭 히스테레시스가 감소하도록 상기 러더의 러더 각도(α)의 변화 크기 또는 추진 유닛(17)의 파워 증가 또는 감소의 수준을 결정함으로써 b)단계에서 결정된 힘에 기초하여 선박의 러더(10) 및 추력 유닛(17) 중 적어도 하나를 조종하기 위한 조종 수단(16)을 제어하는 단계를 포함하는
자동 조타 과정에서 러더의 변형 횟수와 규모를 감소시키기 위하여, 스위칭 히스테레시스를 감소시키기 위한, 선박(Ship)의 동적 위치 제어 및 자동 경로 제어 중 적어도 하나를 위한 방법으로서,
상기 러더(10)는 상기 추진 유닛(17) 뒤의 흐름 방향에 배치되고,
상기 적어도 하나의 측정장치(27, 28)는 러더(10)상에 직접적으로 제공되며,
선박의 추력(23)이 결정되고,
양력(20)과 저항력(21)이 b)단계에서 결정되며,
선박 조종력(24)이 상기 힘들에 기초하여 결정되고,
c)단계의 제어는 결정된 선박 조종력(24)에 기초하여 실행되는,
방법.
삭제
제5항에 있어서, 상기 러더(10)에 작용하는 힘은 선박이 운전되는 중에 계속하여 결정되는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 방법은 c)단계에서, 추가로 선박 위치 데이타(14) 및 선박 측정 데이타의 적어도 하나에 기초하여 선박의 상기 러더(10) 및 추력 유닛(17)의 적어도 하나를 조정하는 조정 수단(16)을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 a)에서 c) 단계는 반복되는, 방법.