KR101947287B1 - 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법 - Google Patents

자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활주선의 킬(KEEL)과 좌현 및 우현 측의 차인(CHINE)에 마련된 용량식 파고계를 통해 킬과 차인 각각의 침수 길이를 획득하고, 자이로센서를 통해 활주선의 종동요각을 획득한 후 이를 시간 단위로 적분함으로써, 파도 중에서 자유항주하는 활주선에 입사되는 입사파 변위를 효과적으로 정도 높게 추정할 수 있는 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING THE ENCOUNTER WAVE OF A FREE RUNNING-HARD-CHINE PALNING BOAT}
본 발명은 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 활주선의 킬(KEEL)과 좌현 및 우현 측의 차인(CHINE)에 마련된 용량식 파고계를 통해 킬과 차인 각각의 침수 길이를 획득하고, 자이로센서를 통해 활주선의 종동요각을 획득한 후 이를 시간 단위로 적분함으로써, 파도 중에서 자유항주하는 활주선에 입사되는 입사파 변위를 효과적으로 정도 높게 추정할 수 있는 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 활주선(PLANING BOAT)은 고속 운항 시 선체에 발생하는 유체 동역학적인 압력(HYDRODYNAMIC PRESSURE)을 이용하여 선박의 중량을 지지하게 되는데, 이때 일반 배수량형 선박에 비해 운동 변위가 현저히 큰 바, 이는 활주선의 유체성능과 밀접한 연관이 있다. 따라서, 활주선의 설계 단계에서의 모형선 시험이나, 혹은 실선 건조 후 초기 시운전을 수행할 경우 활주선의 성능 평가를 위하여 각 시험 조건 별 항주 자세를 계측하게 된다. 이때 자세 계측은 보통 선내에 탑재된 자이로(GYROSCOPE) 장치, 가속도계(ACCELEROMETER) 혹은 GPS 등을 활용하게 된다.
한편, 하드차인 활주선은 고속 항주 시 마찰저항 감소를 위하여 선체 중량의 상당한 비중을 선저면의 양력으로 부상시킨다. 이때 선저면의 양력을 효과적으로 발생시키기 위하여 일반적으로 킬을 중심으로 선저면 형태를 v형의 편평한 형태로 형성시키게 된다. 이를 통해 좌우측 차인 및 선미 트랜섬에서 유동박리가 발생하여 침수면적 감소에 유리하게 된다.
활주선의 전진 시에는 보통 절곡선(knuckle line)에 해당하는 킬과 차인이 수면과 한 점에서 만나게 된다. 따라서, 정수 중에서 전진하는 경우 킬과 차인의 침수 길이를 이용하여 연직방향 변위 등 항주자세를 기하학적으로 환산할 수 있다.
하지만, 해상에서 운용되는 활주선은 정수가 아닌 크고 작은 파도를 조우하게 되며 파도의 높이에 따라 활주선의 동요 진폭이 시시각각 변하게 된다. 따라서, 유사한 환경에서의 대상 활주선의 시운전에서 운동성능을 분석하거나 혹은 운용 중에 안전한 운항을 유지하고 사고를 대비하기 위해서는 입사파의 모니터링이 필요하다.
종래에는 이를 위하여 해당 해역의 파도를 부이나 레이더 등으로 계측한 결과를 활용하였는데, 부이나 레이더는 특정 지점이나 국한된 영역에서의 파 계측만 가능하고, 실시간 정보가 아닌 통계적 분석 결과를 일정 시간이 지난 후에 제공하는 방식이기 때문에 실시간 활주선의 운동과 매칭하기 어렵다는 문제점이 발생하게 된다.
특히, 단순히 대상 활주선 상에 파고계를 장착한 후 주변의 파도를 계측하는 경우에는 활주선의 운동성이 포함된 상대파고만 계측할 수 있다는 문제점이 있다.
이에 본 발명자는, 상술한 종래의 활주선의 입사파를 모니터링하는 과정에서 발생되는 한계점 및 문제점을 해결하기 위하여, 활주선의 킬(KEEL)과 좌현 및 우현 측의 차인(CHINE)에 마련된 용량식 파고계를 통해 킬과 차인 각각의 침수 길이를 획득하고, 자이로센서를 통해 활주선의 종동요각을 획득한 후 이를 시간 단위로 적분함으로써, 파도 중에서 자유항주하는 활주선에 입사되는 입사파 변위를 효과적으로 정도 높게 추정할 수 있는 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국등록특허 제10-1346189호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 활주선의 킬(KEEL)과 좌현 및 우현 측의 차인(CHINE)에 마련된 용량식 파고계를 통해 킬과 차인 각각의 침수 길이를 획득하고, 자이로센서를 통해 활주선의 종동요각을 획득한 후 이를 시간 단위로 적분함으로써, 파도 중에서 자유항주하는 활주선에 입사되는 입사파 변위를 효과적으로 정도 높게 추정할 수 있는 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템은 활주선의 킬(KEEL)에 마련되는 킬 파고계, 상기 활주선의 좌현 및 우현 차인(CHINE)에 각각 마련되는 차인 파고계, 상기 활주선의 종동요를 계측하는 자이로센서 및 상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계의 수중 침수에 따라 발생되는 정전 용량 변화값과, 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각을 토대로 생성된 출력값을 이용하여 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 산출부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 킬 파고계, 상기 차인 파고계 및 상기 자이로센서 각각에 전원을 입력하는 전원 입력부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계는 각각 상기 활주선의 킬 및 양측 차인과 상응하는 길이의 와이어 형태로 형성되는 용량식 파고계(CAPACITANCE TYPE WAVE HEIGHT AMPLIFIER)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 아날로그 신호에 해당하는 상기 출력값을 증폭하는 앰프(AMPLIFIER) 및 상기 앰프에 의해 증폭된 상기 출력값을 디지털 신호로 변환하는 에이디 변환기(AD CONVERTER)를 포함하며, 상기 산출부는 상기 출력값을 상기 활주선 내에 마련된 관리자 단말에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 하기의 수학식 1에 근거하여 상기 킬 파고계가 수면에 대하여 침수된 킬 파고계의 침수 길이를 산출하고, 하기의 수학식 2에 근거하여 상기 차인 파고계가 수면에 대하여 침수된 차인 파고계의 침수 길이를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
LK = LCG + T0 - VCG(1 - cosτ)/ sinτ
(여기에서, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, LCG는 상기 활주선의 후미에서 상기 활주선의 무게중심(CG)까지의 거리이며, T0는 정적 부양상태에서의 초기 흘수, 즉 킬부터 수면까지의 거리이고, VCG는 상기 활주선의 킬에서 무게중심(CG)까지의 거리이며, τ는 종동요각, 즉 상기 활주선의 킬이 수면과 이루는 각도이다)
[수학식 2]
LC = LK - (Btanβ)/(πtanτ0)
(여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이며, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이고, β는 상기 활주선의 선저경사각이며, τ0는 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각이다)
일 실시예에서, 상기 산출부는 하기의 수학식 3에 근거하여 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
[LC + △LC] = LK - (Btanβ)/(πtan(τ0 + τω)
(여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, △LC는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 차인 파고계의 침수 길이의 변화량이며, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이며, β는 상기 활주선의 선저경사각이고, τ0 + τω 는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각이고, 상기 τω는 상기 활주선의 입사파 기울기이다)
일 실시예에서, 상기 산출부는 하기의 수학식 4에 근거하여 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 활주선의 입사파 변위인 시계열을 산출할 수 있다.
[수학식 4]
ηe = ∫τωdt
(여기에서, ηe 는 상기 시계열이고, τω는 입사파 기울기이다)
본 발명의 다른 실시예에 따른 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법은 활주선의 킬(KEEL)에 마련되는 킬 파고계와 상기 활주선의 좌현 및 우현 차인(CHINE)에 각각 마련되는 차인 파고계로부터 발생되는 상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계의 수중 침수에 따른 정전 용량 변화값과, 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각을 토대로 출력값을 생성하는 단계 및 생성된 상기 출력값을 이용하여 산출부에서 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 전원 입력부를 통해 상기 킬 파고계, 상기 차인 파고계 및 상기 자이로센서 각각에 전원을 입력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는 앰프(AMPLIFIER)를 통해 아날로그 신호에 해당하는 상기 출력값을 증폭하는 단계, 에이디 변환기(AD CONVERTER)를 통해 상기 앰프에 의해 증폭된 출력값을 디지털 신호로 변환하는 단계 및 상기 산출부를 통해 상기 출력값을 상기 활주선 내에 마련된 관리자 단말에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는 상기 산출부에서, 하기의 수학식 1에 근거하여 상기 킬 파고계가 수면에 대하여 침수된 킬 파고계의 침수 길이를 산출하고, 하기의 수학식 2에 근거하여 상기 차인 파고계가 수면에 대하여 침수된 차인 파고계의 침수 길이를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
LK = LCG + T0 - VCG(1 - cosτ)/ sinτ
(여기에서, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, LCG는 상기 활주선의 후미에서 상기 활주선의 무게중심(CG)까지의 거리이며, T0는 정적 부양상태에서의 초기 흘수, 즉 킬부터 수면까지의 거리이고, VCG는 상기 활주선의 킬에서 무게중심(CG)까지의 거리이며, τ는 종동요각, 즉 상기 활주선의 킬이 수면과 이루는 각도이다)
[수학식 2]
LC = LK - (Btanβ)/(πtanτ0)
(여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이며, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이고, β는 상기 활주선의 선저경사각이며, τ0는 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각이다)
일 실시예에서, 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는 상기 산출부에서, 하기의 수학식 3에 근거하여 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 3]
[LC + △LC] = LK - (Btanβ)/(πtan(τ0 + τω)
(여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, △LC는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 차인 파고계의 침수 길이의 변화량이며, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이며, β는 상기 활주선의 선저경사각이고, τ0 + τω 는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각이고, 상기 τω는 상기 활주선의 입사파 기울기이다)
일 실시예에서, 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는 상기 산출부에서, 하기의 수학식 4에 근거하여 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 활주선의 입사파 변위인 시계열을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 4]
ηe = ∫τωdt
(여기에서, ηe 는 상기 시계열이고, τω는 입사파 기울기이다)
본 발명의 일 측면에 따르면, 활주선의 킬(KEEL)과 좌현 및 우현 측의 차인(CHINE)에 마련된 용량식 파고계를 통해, 킬과 차인 각각의 침수 길이를 획득하고 탑재된 자이로센서를 통해 활주선의 종동요각을 획득한 후 이를 시간 단위로 적분함으로써, 파도 중에서 자유항주하는 활주선에 입사되는 파 변위를 효과적으로 정도 높게 추정할 수 있는 이점을 가진다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면 대상 활주선이 선체 길이방향으로 선저경사각이 변화하는 임의의 비주상체 선형이라도, 킬과 차인의 기하학적 정보를 이용하여 수식을 확장하는 경우 발명의 적용이 가능한 이점을 가진다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면 대상 활주선의 선속 및 파 입사방향의 계측이 가능한 경우, 본 발명을 통해 계측된 입사파의 2차적 해석을 통해 해당 해역의 파고는 물론, 파 모달주기 및 에너지 스펙트럼 등의 보다 근본적인 해상상태를 정도 높게 추정할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 정수 중 직진하는 하드차인 활주선에 대한 킬 침수길이, 차인 침수길이, 선저경사각 및 종동요각을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 파도 중 자유항주하는 하드차인 활주선에 대한 킬 침수길이 및 차인 침수길이의 변경 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템(100)을 통해 입사파 변위를 계측하기 위한 과정을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템(100)은 크게 킬 파고계(110), 차인 파고계(120), 자이로센서(130) 및 산출부(140)를 포함하여 구성될 수 있으며, 일 실시예에서는 추가적으로 전원 입력부(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
킬 파고계(110)는 고속으로 항주하는 활주선의 킬(KEEL)에 부착 혹은 마련되어 킬이 해수면으로부터 침수될 경우 침수 길이를 계측하는 역할을 할 수 있다.
보다 구체적으로, 킬 파고계(110)는 활주선의 선저면 중에서 최하측에 위치하는 킬에 부착되며, 이때 킬 파고계(110)는 활주선의 킬과 상응하는 형태로 활주선의 길이 방향을 따라 길다란 와이어 형태로 형성되는 용량식 파고계(CAPACITANCE TYPE WAVE HEIGHT AMPLIFIER)일 수 있다. 이러한 킬 파고계(110)는 축선이 도체로 이루어진 절연 피복이 해수에 잠길 경우 도체와 물 사이에 콘덴서(CONDENSER)가 형성되고, 킬 파고계(110)가 잠김으로써 형성되는 침수길이가 길어질수록 콘덴서 부분의 정전 용량이 비례하여 증가하게 된다.
따라서, 활주선의 연직방향 변위가 발생되지 않는 경우에는 활주선의 선미측 피치(PITCH)가 발생되지 않기 때문에 킬 파고계(110)의 모든 면이 수중에 침수된 상태를 유지하게 되며, 이는 킬 파고계(110)의 정전용량이 변화없이 유지되는 것을 의미할 수 있다.
만약, 파도에 의해 활주선의 선미측 피치가 발생되어 활주선의 연직방향 변위가 발생될 경우에는 킬 파고계(110)의 적어도 일부분이 해수면 밖으로 노출되게 된다. 이 경우, 용량형 파고계에 해당하는 킬 파고계(110)의 정전 용량 발생이 감지됨으로써 활주선의 연직방향 변위 변화를 감지하게 된다.
한편, 이러한 킬 파고계(110)는 전원 입력부(150)로부터 전원을 입력받아 구동될 수 있으며, 킬 파고계(110)는 종래의 공지된 용량식 파고계가 적용될 수 있다.
차인 파고계(120)는 활주선의 좌현 및 우현 차인(CHINE)에 각각 마련되어 좌현 차인 및 우현 차인이 해수면으로부터 침수될 경우 침수 길이를 계측하는 역할을 할 수 있다.
보다 구체적으로, 차인 파고계(120)는 활주선의 좌현 차인 및 우현 차인에 각각 마련될 수 있다. 차인 파고계(120)는 킬 파고계(110)와 마찬가지로 활주선의 좌현 및 우현 차인과 상응하는 형태로 활주선의 길이 방향을 따라 길다란 와이어 형태로 형성되는 용량식 파고계일 수 있다.
이러한 차인 파고계(120)는 축선이 도체로 이루어진 절연 피복이 해수에 잠길 경우 도체와 물 사이에 콘덴서가 형성되고, 킬 파고계(110)와 마찬가지로 차인 파고계(120)가 잠김으로써 형성되는 침수길이가 길어질수록 콘덴서 부분의 정전 용량이 비례하여 증가하게 된다.
이때, 활주선을 비롯한 선박은 파도에 의한 횡동요(ROLL)이 발생될 수 있는데, 이는 활주선이 선미 및 후미 방향 외에 좌우측 방향으로 요동치는 것을 의미하게 된다. 즉, 활주선이 좌우측 방향으로 요동칠 경우 좌현 차인 및 우현 차인 각각의 침수 길이는 서로 상이할 수 있다.
이러한 차인 파고계(120) 또한 전원 입력부(150)로부터 전원을 입력받아 구동될 수 있으며, 차인 파고계(120)는 종래의 공지된 용량식 파고계가 적용될 수 있다.
한편, 이러한 차인 파고계(120)를 통해 계측되는 차인 길이는 활주선이 정수 중에서 직진 항주하는지, 파도 중에서 자유 항주하는지에 따라 실시간으로 변경될 수 있는데, 이는 후술되는 도 2 및 도 3을 통해 살펴보기로 한다.
자이로센서(130)는 좌표평면계 상의 X축, Y축 및 Z축의 변화값을 기준으로 자유항주하는 하드차인 활주선의 실시간 종동요각의 변화량을 계측한 후 계측값을 후술되는 산출부(140)에 전송하게 된다.
이러한 자이로센서(130) 또한 전원 입력부(150)로부터 전원을 입력받아 구동될 수 있으며, 자이로센서(130)는 종래의 공지된 자이로센서가 적용될 수 있다.
산출부(140)는 킬 파고계(110) 및 차인 파고계(120) 각각의 수중 침수에 따라 발생되는 정전 용량 변화값과, 자이로센서(130)를 통해 계측되는 활주선의 종동요각을 토대로 생성된 출력값을 이용하여 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 역할을 할 수 있다.
이를 위하여, 산출부(140)는 아날로그 신호에 해당하는 출력값을 증폭하는 앰프(AMPLIFIER, 141) 및 앰프(131)에 의해 증폭된 아날로그 신호에 해당하는 출력값을 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기(AD CONVERTER, 142)를 포함하여 구성될 수 있으며, AD 변환기(142)를 통해 변환된 출력값은 활주선 내에 탑재되는 관리자 단말(1)에 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 산출부(140)에서는 킬 파고계(110)가 수면으로부터 침수된 침수 길이를 산출하되, 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출하게 된다.
[수학식 1]
LK = LCG + T0 - VCG(1 - cosτ)/ sinτ
(여기에서, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, LCG는 상기 활주선의 후미에서 상기 활주선의 무게중심(CG)까지의 거리이며, T0는 정적 부양상태에서의 초기 흘수, 즉 킬부터 수면까지의 거리이고, VCG는 상기 활주선의 킬에서 무게중심(CG)까지의 거리이며, τ는 종동요각, 즉 상기 활주선의 킬이 수면과 이루는 각도이다)
또한, 산출부(140)에서는 차인 파고계(120)가 수면으로부터 침수된 침수 길이를 산출하되, 하기의 [수학식 2]에 근거하여 산출하게 된다.
[수학식 2]
LC = LK - (Btanβ)/(πtanτ0)
(여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이며, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이고, β는 상기 활주선의 선저경사각이며, τ0는 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각이다)
이와 관련하여, 도 2 내지 도 4를 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 정수 중 직진하는 하드차인 활주선에 대한 킬 침수길이, 차인 침수길이, 선저경사각 및 종동요각을 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 파도 중 자유항주하는 하드차인 활주선에 대한 킬 침수길이 및 차인 침수길이의 변경 상태를 도시한 도면이다.
도 2를 살펴보면, 활주선이 정수 중 고속으로 직진(활주)하는 경우에는 활주선이 횡동요(ROLL) 없이 직선으로 이동하게 되지만, 도 3을 살펴보면 활주선이 파도 중 자유항주하는 경우에는 활주선의 선수부측 선미측이 파도에 의해 상승 및 하강을 반복하게 된다. 이때는 활주선의 피치값이 반복하여 변화하게 되면서 무게중심 또한 함께 변화하게 되고, 킬 파고계(110)와 해수면은 종동요각(τ)만큼의 각도를 이루게 된다.
따라서, 산출부(140)에서는 상기의 수학식 1 및 수학식 2를 통해 활주선에 대한 킬 파고계(110)의 킬 침수길이(LK) 및 자이로센서(130)를 통해 계측되는 종동요각(τ0)을 이용하여 차인 파고계(120)의 침수길이(LC)를 산출하게 된다.
한편, 상기의 수학식 1 및 2에서 활주선이 중수 중 직진하는 경우에는 계산상의 차인 침수길이와 실제 차인 침수갈이가 동일하게 나타날 수 있다.
하지만, 도 3 및 도 4와 같이 파도 중에 자유항주하는 경우에는 킬 침수길이 및 차인 침수길이는 물론, 종동요각이 변경될 수 있다.
따라서, 산출부(140)에서는 이러한 변경되는 킬 침수길이, 차인 침수길이와, 자이로센서(130)를 통해 실시간으로 계측되는 종동요각을 이용하여, 파도 중에 자유항주 중인 활주선의 상대적인 종동요각을 산출할 수 있는데, 이는 하기의 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
[LC + △LC] = LK - (Btanβ)/(πtan(τ0 + τω)
(여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, △LC는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 차인 파고계의 침수 길이의 변화량이며, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이며, β는 상기 활주선의 선저경사각이고, τ0 + τω 는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각이고, 상기 τω는 상기 활주선의 입사파 기울기이다)
한편, 상기의 [수학식 3]에 있어서, τ0 + τω은 자이로센서(130)를 통해 계측된 활주선의 실제 종동요각(τ0)과 파 기울기영향, 즉 차인 파고계(120)의 침수 길이 변화량인 △LC에 의하여 증감된 종동요각인 τ0의 합을 의미할 수 있다.
결과적으로, 산출부(140)에서는 자이로센서(130)를 통해 파도 중에 자유항주하는 활주선의 실제 종동요각을 계측한 후, 킬 침수길이 및 차인 침수길이를 상기 [수학식 2]에 적용함으로써 τ0 + τω을 도출하게 된다.
또한, 산출부(140)에서는 활주선이 파도 중에서 자유항주하는 경우 입사파 변위인 시계열을 산출할 수 있는데, 이는 하기의 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
ηe = ∫τωdt
(여기에서, ηe 는 상기 시계열이고, τω는 입사파 기울기이다)
수학식 4의 경우, 입사파 기울기인 τω을 시간에 대해 적분하는 것을 의미할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 입사파의 파장이 활주선 선체에 비해 충분히 크다는 전제 조건 하에 상기의 수학식 1 내지 수학식 4를 적용할 수 있다. 예컨데, 입사파의 파장이 킬과 차인의 침수길이의 차, 즉 LC - LC 보다 작을 경우에는 △LC와 τω 간에 비례관계가 성립되지 않아 오차가 발생할 수 있다.
또한, 선수 및 선미파가 아닌 횡파 혹은 사파 중에서는 활주선 선체의 횡동요가 발생하여 좌우 차인의 침수길이가 다르게 나타날 수 있으므로, 상기의 수학식 1 내지 수학식 4에는 좌측 차인 침수길이 및 우측 차인 침수길이의 평균이 대입되어야 함을 유의한다.
한편, 일 실시예에서 본 발명은 무선 네트워크 통신 방식을 이용하여 상기 출력값을 외부 관리자 단말(2)에 전송하는 무선 전송부(160)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
다음으로는, 도 5를 통해 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위(시계열)를 계측하는 방법을 순서대로 살펴보기로 한다.
도 5는 도 1에 도시된 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템(100)을 통해 입사파 변위를 계측하기 위한 과정을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
도 5를 살펴보면, 활주선의 킬에 마련된 킬 파고계(110) 및 차인 파고계(120)을 통해 킬과 차인의 수중 침수에 따른 정전 용량 변화값이 계측되며 동시에 자이로센서(130)를 통해 활주선의 실시간적인 종동요각이 계측된다(S501).
계측된 정전 용량 변화값 및 종동요각을 토대로 출력값이 생성된 후 산출부(140)에 전달되며(S502), 산출부(140)에서는 아날로그 신호에 해당하는 출력값을 앰프(141)를 통해 증폭한 후 AD 변환기(142)를 통해 디지털 신호로 변환한 후(S503), 산출부(140)에서는 킬 및 차인의 침수 길이, 활주선의 상대적인 종동요각을 토대로 활주선의 입사파 변위인 시계열을 산출하게 된다(S504).
따라서, 살펴본 바와 같인 본 발명은 킬과 차인의 침수 길이는 물론 자이로센서를 통해 계측되는 종동요각을 이용하여 활주선의 선수부 입사파의 실시간 기울기 및 변위를 정도 높게 추정할 수 있으며, 활주선이 선체의 길이 방향으로 선저경사각이 변화하는 임의의 비주상체 선형일지라도 킬과 차인의 기하학적 정보를 활용하여 수식을 확장 적용할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템
110: 킬 파고계
120: 차인 파고계
130: 자이로센서
140: 산출부
141: 앰프
142: AD 변환기
150: 전원 입력부
160: 무선 전송부

Claims (14)

  1. 활주선의 킬(KEEL)에 마련되는 킬 파고계;
    상기 활주선의 좌현 및 우현 차인(CHINE)에 각각 마련되는 차인 파고계;
    상기 활주선의 종동요를 계측하는 자이로센서; 및
    상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계의 수중 침수에 따라 발생되는 정전 용량 변화값과, 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각을 토대로 생성된 출력값을 이용하여 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템에 있어서,
    상기 산출부는,
    하기의 수학식 1에 근거하여, 상기 킬 파고계가 수면에 대하여 침수된 킬 파고계의 침수 길이를 산출하고,
    하기의 수학식 2에 근거하여, 상기 차인 파고계가 수면에 대하여 침수된 차인 파고계의 침수 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템.

    [수학식 1]
    LK = LCG + T0 - VCG(1 - cosτ)/ sinτ
    (여기에서, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, LCG는 상기 활주선의 후미에서 상기 활주선의 무게중심(CG)까지의 거리이며, T0는 정적 부양상태에서의 초기 흘수, 즉 킬부터 수면까지의 거리이고, VCG는 상기 활주선의 킬에서 무게중심(CG)까지의 거리이며, τ는 종동요각, 즉 상기 활주선의 킬이 수면과 이루는 각도이다)

    [수학식 2]
    LC = LK - (Btanβ)/(πtanτ0)
    (여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이며, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이고, β는 상기 활주선의 선저경사각이며, τ0는 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 킬 파고계, 상기 차인 파고계 및 상기 자이로센서 각각에 전원을 입력하는 전원 입력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계는,
    각각 상기 활주선의 킬 및 양측 차인과 상응하는 길이의 와이어 형태로 형성되는 용량식 파고계(CAPACITANCE TYPE WAVE HEIGHT AMPLIFIER);인 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산출부는,
    아날로그 신호에 해당하는 상기 출력값을 증폭하는 앰프(AMPLIFIER); 및
    상기 앰프에 의해 증폭된 상기 출력값을 디지털 신호로 변환하는 에이디 변환기(AD CONVERTER);를 포함하며,
    상기 출력값을 상기 활주선 내에 마련된 관리자 단말에 제공하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산출부는,
    하기의 수학식 3에 근거하여, 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각을 산출하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템.

    [수학식 3]
    [LC + △LC] = LK - (Btanβ)/(πtan(τ0 + τω)
    (여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, △LC는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 차인 파고계의 침수 길이의 변화량이며, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이며, β는 상기 활주선의 선저경사각이고, τ0 + τω 는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각이고, 상기 τω는 상기 활주선의 입사파 기울기이다)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산출부는,
    하기의 수학식 4에 근거하여, 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 활주선의 입사파 변위인 시계열을 산출하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 시스템.

    [수학식 4]
    ηe = ∫τωdt
    (여기에서, ηe 는 상기 시계열이고, τω는 입사파 기울기이다)
  8. 활주선의 킬(KEEL)에 마련되는 킬 파고계와 상기 활주선의 좌현 및 우현 차인(CHINE)에 각각 마련되는 차인 파고계로부터 발생되는 상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계의 수중 침수에 따른 정전 용량 변화값과, 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각을 토대로 출력값을 생성하는 단계; 및
    생성된 상기 출력값을 이용하여 산출부에서 상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법에 있어서,
    상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는,
    상기 산출부에서, 하기의 수학식 1에 근거하여 상기 킬 파고계가 수면에 대하여 침수된 킬 파고계의 침수 길이를 산출하고, 하기의 수학식 2에 근거하여 상기 차인 파고계가 수면에 대하여 침수된 차인 파고계의 침수 길이를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법.

    [수학식 1]
    LK = LCG + T0 - VCG(1 - cosτ)/ sinτ
    (여기에서, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, LCG는 상기 활주선의 후미에서 상기 활주선의 무게중심(CG)까지의 거리이며, T0는 정적 부양상태에서의 초기 흘수, 즉 킬부터 수면까지의 거리이고, VCG는 상기 활주선의 킬에서 무게중심(CG)까지의 거리이며, τ는 종동요각, 즉 상기 활주선의 킬이 수면과 이루는 각도이다)

    [수학식 2]
    LC = LK - (Btanβ)/(πtanτ0)
    (여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이며, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이고, β는 상기 활주선의 선저경사각이며, τ0는 상기 자이로센서를 통해 계측되는 상기 활주선의 종동요각이다)
  9. 제8항에 있어서,
    전원 입력부를 통해 상기 킬 파고계, 상기 차인 파고계 및 상기 자이로센서 각각에 전원을 입력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 킬 파고계 및 상기 차인 파고계는,
    각각 상기 활주선의 킬 및 양측 차인과 상응하는 길이의 와이어 형태로 형성되는 용량식 파고계(CAPACITANCE TYPE WAVE HEIGHT AMPLIFIER);인 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는,
    앰프(AMPLIFIER)를 통해 아날로그 신호에 해당하는 상기 출력값을 증폭하는 단계;
    에이디 변환기(AD CONVERTER)를 통해 상기 앰프에 의해 증폭된 출력값을 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 산출부를 통해 상기 출력값을 상기 활주선 내에 마련된 관리자 단말에 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는,
    상기 산출부에서, 하기의 수학식 3에 근거하여 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법.

    [수학식 3]
    [LC + △LC] = LK - (Btanβ)/(πtan(τ0 + τω)
    (여기에서, LC는 상기 차인 파고계의 침수 길이이고, △LC는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 차인 파고계의 침수 길이의 변화량이며, LK는 상기 킬 파고계의 침수 길이이고, B는 상기 차인 파고계 간의 간격이며, β는 상기 활주선의 선저경사각이고, τ0 + τω 는 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상대적인 종동요각이고, 상기 τω는 상기 활주선의 입사파 기울기이다)
  14. 제13항에 있어서,
    상기 활주선의 선수부에 대한 입사파 변위값을 산출하는 단계는,
    상기 산출부에서, 하기의 수학식 4에 근거하여 상기 활주선이 파도 중에서 항주하는 경우에 대한 상기 활주선의 입사파 변위인 시계열을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자유항주하는 하드차인 활주선의 입사파 변위 계측 방법.

    [수학식 4]
    ηe = ∫τωdt
    (여기에서, ηe 는 상기 시계열이고, τω는 입사파 기울기이다)
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