KR102000155B1 - 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템 - Google Patents

선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템 Download PDF

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KR102000155B1 KR1020170061491A KR20170061491A KR102000155B1 KR 102000155 B1 KR102000155 B1 KR 102000155B1 KR 1020170061491 A KR1020170061491 A KR 1020170061491A KR 20170061491 A KR20170061491 A KR 20170061491A KR 102000155 B1 KR102000155 B1 KR 102000155B1
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Abstract

본 발명은 자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성능추정부, 및 상기 선박이 자율운항 되도록 상기 선박 조종성능 정보를 입력받고, 타선박과의 충돌회피 되도록 타선박으로부터 타선박정보를 입력받으며, 상기 선박 조종성능 정보를 이용하여 상기 선박을 자동제어 하는 자율운항부를 포함하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 제공한다.

Description

선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템{AUTONOMOUS NAVIGATION SYSTEM USING SHIP DYNAMICS MODEL}
본 발명은 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템에 관한 것이다.
선박 운항에 있어서는 선박의 운항비용을 절감하기 위한 방안으로 무인 시스템에 의한 자율운항의 요구가 커지고 있다.
이러한 선박 자율운항은 선박의 항로 추종과 충돌회피 등을 위한 선박의 조종을 자동으로 제어해야 한다.
그리고 경제적이고 안전한 제어를 위해서는 선박의 조종성능을 정확히 알고 있어야 한다.
또한, 선박의 조종성능은 수심, 선박의 흘수, 트림, 선속 등에 의해 크게 영향을 받는다.
또한, 선박이 노후화되면 엔진 및 후류의 변화 등에 의해 추진, 조종 성능도 변하게 된다.
따라서 최근에는 선박 운항 시 선박의 조종성능을 계측하여, 이를 선박의 제어에 반영하여 최적의 자율운항을 수행할 수 있는 선박 자율운항 시스템이 요구되는 추세이다.
한국등록특허 10-0734814
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박에 부합하는 최적항로를 설정하고 안정적으로 선박을 자율운항 할 수 있는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성능추정부, 및 상기 선박이 자율운항 되도록 상기 선박 조종성능 정보를 입력받고, 타선박과의 충돌회피 되도록 타선박으로부터 타선박정보를 입력받으며, 상기 선박 조종성능 정보를 이용하여 상기 선박을 자동제어 하는 자율운항부를 포함한다.
또한, 본 발명의 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 상기 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 취득하는 정보취득부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성 계수 추정모듈을 포함함으로써, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박에 부합하는 최적항로를 설정하고 안정적으로 선박을 자율운항 할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타내는 개념도이다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 정보취득부(10), 선박 조종성능추정부(30), 및 자율운항부(50)를 포함한다.
정보취득부(10)는 자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 실시간으로 취득한다. 여기서, 정보취득부(10)는 선박에 비치된 각종 항해계기, 촬영장치, 각종 센서 등을 사용하여 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 실시간으로 취득할 수 있다. 예를 들어, 선박의 상부에 비디오카메라를 설치하거나 선박의 하부에 초음파 송수신기와 비디오카메라를 부착 설치할 수 있다.
또한, 정보취득부(10)는 선박 기본정보취득모듈(11), 선박 적하정보취득모듈(13), 선박 제어정보취득모듈(15), 선박 거동정보취득모듈(17), 및 선박 환경정보취득모듈(19)을 포함한다.
선박 기본정보취득모듈(11)은 선박의 길이, 폭, 데크상부 면적, 수선상부면적, 타, 프로펠러, 쓰러스터 제원 등 변하지 않는 값인 선박 기본정보를 취득한다. 여기서, 선박 기본정보취득모듈(11)은 취득한 선박 기본정보를 선박 조종성능추정부(30)로 최초에 한번 제공할 수 있다.
선박 적하정보취득모듈(13)은 선박의 화물 적재에 따라 변동하는 값으로 흘수, 트림, 배수량, 부심, 무게중심 등의 값인 선박 적하정보를 취득한다. 여기서, 선박 적하정보는 선박의 출항 시 선박 적하정보취득모듈(13)에 입력될 수 있다.
선박 제어정보취득모듈(15)은 타각, 프로펠러 회전수, 쓰러스터 회전수 등의 값인 선박 제어정보를 취득한다. 여기서, 선박 제어정보취득모듈(15)은 취득한 선박 제어정보를 실시간으로 선박 조종성능추정부(30)로 전송할 수 있다.
선박 거동정보취득모듈(17)은 선박의 위치, 변위, 속도, 가속도 등의 값인 선박 거동정보를 취득한다. 여기서, 선박 거동정보취득모듈(17)은 취득한 선박 거동정보를 실시간으로 선박 조종성능추정부(30)로 전송할 수 있다.
선박 환경정보취득모듈(19)은 바람, 파도, 조류 등의 값인 선박 환경정보를 취득한다. 여기서, 선박 환경정보취득모듈(19)은 취득한 선박 환경정보를 실시간으로 선박 조종성능추정부(30)로 전송할 수 있다.
선박 조종성능추정부(30)는 정보취득부(10)에서 취득한 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력한다.
이러한 선박 조종성능추정부(30)는 여파기(wave filter)(31) 및 선박 조종성 계수 추정모듈(33)을 포함한다.
여파기(31)는 선박 조종성 계수 추정모듈(33)의 선박 조종성 계수 추정에 사용되도록, 선박 환경정보취득모듈(19)에서 취득한 선박 환경정보 중 파도의 영향에 의한 고주파수 성분을 제거한다.
선박 조종성 계수 추정모듈(33)은 정보취득부(10)에서 취득한 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성한다. 여기서, 선박 조종성 계수 추정모듈(33)은 계수추정법(parameter estimation) 등 시스템 식별(system identification) 방법을 사용하여 추정할 수 있다.
선박의 동역학 모델은 예를 들어, 다음과 같이 나타낼 수 있다. 먼저, 운항중인 선박은 추진기에 의한 추진력, 타에 의한 타력, 스러스터(thruster)에 의한 힘, 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력, 파도에 의한 파력, 바람에 의한 풍력 등의 영향을 받게 된다.
또한, 선박의 조종운동은 전후동요(Surge), 좌우동요(Sway), 및 선수동요(Yaw)의 수평면상의 운동에, 횡동요(Roll)를 더한 4자유도 운동방정식을 주로 사용한다. 이 경우 선박의 동역학 모델은 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112017047303548-pat00001
여기서, 좌변은 선박의 질량에 의한 관성력과 관성모멘트를 나타낸다. 즉, m은 선박의 질량이다. Ixx는 x 축에 대한 관성질량모멘트(mass moment of inertia：Massentraegheitsmoment)이고, Izz는 z 축에 대한 관성질량모멘트이다. xG는 x 방향 무게중심의 위치이고, zG는 z 방향 무게중심의 위치이다. u, v, r, 및 p 각각은 전후동요, 좌우동요, 선수동요, 횡동요 각각의 속도, 각속도이다. X, Y, N, 및 K 각각은 전후동요, 좌우동요, 선수동요, 및 횡동요 각각 방향의 힘과 모멘트이다.
그리고 우변의 힘과 모멘트들의 하첨자 H, R, P, TH, 및 ENV 각각은 선체, 러더, 프로펠러, 스러스터, 및 외부환경 각각의 영향에 의함을 뜻한다. 여기서, 외부환경은 바람, 조류 등일 수 있다.
이때, 상기 우변의 힘과 모멘트에 대해서는 특정 동역학 모델을 지정하지 않고 다양한 동역학 모델이 있으나, 이하에서는 설명의 편의상 선박의 조종운동에 가장 큰 영향을 미치는 힘과 모멘트가 선체, 러더, 프로펠러이므로 이들에 대한 각각 한 가지 예만 기술하고 있다.
즉, 선체에 의한 힘은 선박의 운동에 의해 유기되는 유체력이 선체 자신에 미치는 힘으로 선형 항과 비선형 항으로 이루어져 있으며, 비선형 항을 2차식으로 사용한 동역학 모델의 일례는 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112017047303548-pat00002
여기서,
Figure 112017047303548-pat00003
는 횡경사이고, d는 선박의 흘수이며, L은 선박의 길이이며, CD0는 2차원 항력계수이다. CrN는 횡동요 연성효과 계수이고, CrY는 선수동요 연성효과 계수이다. W는 선박의 중량이고, GM은 선박의 횡메타센타 높이이다.
그리고 조종성 미계수들은 선박의 조종성능을 나타내는 계수들이며, 실시간으로 자율운항 시스템에 전달해 줄 조종성능이다.
또한, 프로펠러에 의한 힘은 주로 유입속도와 회전수에 대한 4상환의 식이 사용되며, 추력과 토크 각각은 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112017047303548-pat00004
여기서, T는 추력이고, Q는 토크(torque)이며,
Figure 112017047303548-pat00005
는 해수 밀도이다. D는 프로펠러 직경이고, V는 선박의 전진속도이며,
Figure 112017047303548-pat00006
는 선박의 웨이크이다. n은 프로펠러 회전수이고, Jp는 전진계수(Advance Ratio)이다. CT는 프로펠러의 추력이고, CQ는 토오크 계수이다. P는 프로펠러 피치이다. AE는 프로펠러 전개면적이고, AO는 원판면적이다.
타에 의한 힘은 타 단독에 의한 힘과, 타가 일반적으로 프로펠러의 후류에 위치하므로 인해 프로펠러 의한 간섭효과를 고려해야 하며, 선체에 의한 간섭효과도 고려해야 한다. 타에 의한 힘은 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112017047303548-pat00007
여기서, 하첨자 S는 프로펠러가 두 개일 경우 우현을 뜻하고, 하첨자 P는 프로펠러가 두 개일 경우 좌현을 뜻한다.
Figure 112017047303548-pat00008
는 타각이고, bR은 타가 두 개일 경우 타 사이의 간격이며, zHR는 타압력의 중심 위치이다.
Figure 112017047303548-pat00009
는 타의 기하학적 종횡비이고, AR는 타면적이다.
Figure 112017047303548-pat00010
는 타에 유입되는 유체의 속도이고,
Figure 112017047303548-pat00011
는 타에 유입되는 유체의 유효 입사각이다.
Figure 112017047303548-pat00012
,
Figure 112017047303548-pat00013
, 및
Figure 112017047303548-pat00014
각각은 간섭효과를 나타내는 계수들로서 실시간으로 자율운항 시스템에 전달해 줄 조종성능의 일부이다.
자율운항부(50)는 선박 조종성능추정부(30)로부터 입력받은 선박 조종성능 정보를 이용해 선박을 자동제어 하여 선박을 자율운항 한다. 이때, 자율운항부(50)는 타선박과의 충돌회피를 위해서 타선박으로부터 타선박과의 충돌회피용 타선박정보(100)를 입력받고 선박을 자동제어 한다. 여기서, 타선박정보(100)는 AIS(auto identification system), 레이더(radar), 카메라 등의 정보를 포함한다.
또한, 자율운항부(50)는 좌초 분석과 예방 기능도 수행할 수 있고, 사고 위험도가 높은 선박의 예상 항로 및 사고 회피 항로 등을 다시 해당 선박에 데이터 통신 장비 등으로 미리 통보하여 줄 수 있기 때문에, 선박의 최적항로를 설정하고 안정적으로 조종/유도할 수 있다.
또한, 자율운항부(50)는 최적항로 계산모듈(51), 충돌회피모듈(53), 및 최적제어모듈(55)을 포함한다.
최적항로 계산모듈(51)은 선박 조종성능추정부(30)로부터 입력받은 선박 조종성능 정보들에 의해 최적항로의 궤도가 달라지므로 그에 적합한 항로의 계산을 진행하여 선박운항에 부합하는 최적화된 항로를 설정한다.
충돌회피모듈(53)은 선박이 타선박과의 충돌을 용이하게 회피하기 위해 선박들 간의 충돌 가능한 상황들을 다각적으로 얻고, 상기 얻어진 충돌 가능한 상황들 중 어느 하나가 유의한 경우에 충돌 회피 운항을 실행할 수 있도록, 외부로부터 타선박의 운항 상태 데이타를 전송 받아 타선박의 운항 상태 데이타와 선박운항 데이타와의 충돌 위험 범위를 벗어날 수 있는 충돌 회피 운항 데이터를 생성한다.
최적제어모듈(55)은 선박운항의 최적제어를 결정하고 이를 구동, 유지하도록 선박을 제어한다. 이때, 최적제어모듈(55)은 선박운항 상태가 변화할 때 마다 지속적으로 최적제어를 수정한다.
또한, 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박 동역학 모델을 사용하지 않는 신경망이론이나 인공지능을 사용하여 실시간으로 선박의 조종성능을 계측하는 방법도 포함된다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성 계수 추정모듈을 포함함으로써, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 함으로써, 수상 또는 수중에서 원격조종 또는 자율운항 프로그램에 의해 선박에 부합하는 최적항로를 설정하고 안정적으로 조종/유도함에 따라 선박의 운행을 안정하고, 자동으로 조종하여 무인으로 운항할 수 있기 때문에, 선박운항에 있어 필수 인적자원을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 타선박과의 충돌회피를 위해서 타선박으로부터 타선박과의 충돌회피용 타선박정보(100)를 입력받고 선박 동역학 모델을 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 함으로써, 타선박 위치를 실시간으로 추적, 분석, 및 예측하여 선박 상호간의 충돌을 미연에 예방하면서 선박을 자율운항 할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 정보취득부 11 : 선박 기본정보취득모듈
13 : 선박 적하정보취득모듈 15 : 선박 제어정보취득모듈
17 : 선박 거동정보취득모듈 19 : 선박 환경정보취득모듈
30 : 선박 조종성능추정부 31 : 여파기
33 : 선박 조종성 계수 추정모듈 50 : 자율운항부
51 : 최적항로 계산모듈 53 : 충돌회피모듈
55 : 최적제어모듈

Claims (2)

  1. 자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하고 여파기, 선박 조종성 계수 추정모듈를 포함하는 선박 조종성능추정부; 및
    상기 선박이 자율운항 되도록 상기 선박 조종성능 정보를 입력받고, 타선박과의 충돌회피 되도록 타선박으로부터 타선박정보를 입력받으며, 상기 선박 조종성능 정보를 이용하여 상기 선박을 자동제어 하는 자율운항부;
    를 포함하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 취득하는 정보취득부;
    를 더 포함하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템.

KR1020170061491A 2017-05-18 2017-05-18 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템 KR102000155B1 (ko)

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