KR102053863B1 - 표적 추종 제어 장치 - Google Patents

Abstract

선박에 탑재되는 표적 추종 제어 장치에 관한 것으로, 표적의 현재 위치, 현재 속도 및 현재 헤딩을 산출하는 센서부, 상기 센서부에 의하여 산출된 정보에 근거하여, k 시간 후 상기 표적의 미래 위치를 추정하는 위치 추정부, 상기 k 시간 후 상기 표적이 도달할 목적지를 설정하는 목적지 설정부를 포함하며, 상기 목적지 설정부는, 상기 k 시간 후 상기 표적이 도달 가능한 원둘레를 산출하고, 상기 현재 위치와 상기 표적의 위치를 잇는 방위선에 평행한 평행선들 중 상기 미래 위치를 지나는 어느 하나의 평행선을 탐색하며, 상기 원둘레와 상기 평행선이 만나는 점들 중 어느 하나의 점을 이용하여 상기 목적지를 설정한다.

Description

표적 추종 제어 장치{TARGET TRACKING CONTROL DEVICE}

본 발명은 수면 위의 표적을 일정 거리를 유지하면서 추종하도록 하는 표적 추종 제어 장치에 관한 것이다.

무인 수상정은 지속적인 감시가 필요한 표적을 탐지할 경우, 일정 거리를 유지하면서 추종하는 기동을 수행하거나 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위를 유지하면서 추종하는 기동을 수행한다. 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위를 유지한다는 것은 표적으로부터 일정 거리를 유지할 뿐 아니라, 표적의 헤딩 방향을 기준으로 일정한 각도를 갖도록 추종함을 의미한다. 예를 들어서 표적의 선미를 추종할 경우, 표적 헤딩 기준으로 180도의 각도를 유지하면서 일정 거리를 유지하도록 추종을 수행해야한다. 또한, 표적의 옆을 계속 관측할 필요가 있는 경우, 표적 헤딩 기준으로 90도 각도를 유지하며 일정 거리를 유지하도록 추종을 수행해야한다.

아래의 특허문헌 1에 언급되어 있는 ‘무인 수상정의 긴급 임무 수행 시스템’에서는 피격된 정지 상태의 표적으로 향하여 무인 수상정이 최적 경로로 움직이도록 하는 시스템이 언급되어 있으나 움직이는 표적에 대해서 추종을 수행하는 제어기법에 대한 구체적인 언급은 되어 있지 않다.
(특허문헌 1) KR10-2016-0049352 A1

본 발명에서는 무인 수상정이 다음의 두 가지 임무를 동시에 수행하도록 하는 제어기법을 제안한다:

첫째. 움직이는 표적에 대하여 일정 거리를 유지하면서 추종하는 임무; 그리고

둘째. 움직이는 표적에 대하여 일정거리와 방위를 유지하면서 추종하는 임무.

본 발명은 표적 추종 제어 장치 및 그것의 제어방법에 관한 것이다.

표적의 현재 위치, 현재 속도 및 현재 헤딩을 산출하는 센서부; 상기 센서부에 의하여 산출된 정보에 근거하여, 현재 시점으로부터 소정 시간이 지난 후 상기 표적의 미래 위치를 추정하는 위치 추정부; 상기 소정 시간이 지난 후 상기 선박이 도달할 목적지를 설정하는 목적지 설정부를 포함하며, 상기 목적지 설정부는, 상기 선박의 최대 속력을 고려하여 상기 소정 시간이 지난 후 상기 선박이 도달 가능한 도달가능영역을 산출하고, 상기 선박의 현재 위치와 상기 표적의 현재 위치를 잇는 방위선에 평행한 평행선들 중 상기 미래 위치를 지나는 어느 하나의 대표 평행선을 탐색하며, 상기 도달가능영역의 둘레와 상기 대표 평행선이 만나는 점들 중 상기 표적가 가장 가까운 어느 하나의 점을 이용하여 상기 목적지를 설정한다.

상기 목적지 설정부는, 상기 표적과 일정한 거리를 유지하면서, 상기 표적과 상기 선박을 잇는 방위가 일정하도록 상기 목적지를 설정할 수 있다.

상기 목적지 설정부는, 상기 설정된 목적지에 근거하여 상기 선박의 속도를 조절할 수 있다.

상기 표적 추종 제어 장치는, 상기 설정된 목적지를 기설정된 서버로 송신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.

상기 선박은 사용자 입력이 없어도 스스로 운행하는 무인 수상정일 수 있다.

본 발명에 따른 표적 추종 제어 장치는 움직이는 표적에 대하여 일정한 거리와 방위를 유지하면서 상기 표적을 추종할 수 있다. 이로써, 표적의 사각지대에서 표적을 추종할 수 있으며, 표적이 급격하게 방향을 바꾸는 경우에도 표적을 추종할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 표적 추총 제어 장치를 탑재한 선박의 이동 경로르 설명하기 위한 개념도들
도 3은 본 발명에 따른 표적 추종 제어 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도
도 4는 본 발명에 따른 표적 추종 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면
도 5는 표적을 추종하는 선박의 속도 변화를 설명하기 위한 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 해 의한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서는 운용수가 표적을 지정해주면 무인 수상정은 자동으로 움직이는 표적을 추종하는 경로를 생성한다. 본 발명의 가정은 무인 수상정의 최대속력 이 표적의 속력보다 빠르며, 수상정이 표적의 속도(속력과 헤딩)와 위치를 실시간으로 추정한다는 것이다. 무인 수상정의 센서(예:레이더)를 이용하면 표적의 속도와 위치를 실시간으로 추정하는 필터를 구성할 수 있다. 예를 들어 칼만 필터를 이용할 수 있다. 무인 수상정이 표적의 속도와 위치를 실시간으로 추정한다는 가정 하에서 본 발명은 표적의 변침에 관계없이 표적을 놓치지 않고 추종하는 제어기법을 제안하였다.

무인 수상정이 최대 타각으로 회전을 하면 무인 수상정의 경로는 원을 그리게 된다. 이러한 원을 무인 수상정의 최대 선회 원으로 정의하자. 이 원은 무인 수상정이 최대 타각으로 회전을 했을 때 무인 수상정의 경로이므로 무인 수상정은 최대 선회 원보다 작은 원을 그리면서 회전을 할 수 없다. 최대 선회 반경은 최대 선회 원의 반지름을 의미한다.

본 발명에서 제안하는 제어기법은 무인 수상정의 최대 선회 반경을 고려한다는 특징이 있다. 무인 수상정의 최대 선회 반경을 고려하지 않고 제어기법을 설계하면 무인 수상정이 제어 명령을 따라서 운행할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 무인 수상정의 최대 선회 반경을 고려하여 제어기법을 설계하였다.

먼저. 표적까지 일정 거리로 수렴하는 제어기법을 설명한다.

표적과 무인 수상정의 거리가 일정거리

보다 멀 경우, 거리를 최대한 빨리 좁히는 제어기법을 적용한다. 표적과 무인 수상정의 거리가

에 이르면, 표적의 속도와 동일한 속도로 움직이는 동조 기동을 수행한다. 표적의 속도를 실시간으로 추정할 수 있으므로 표적의 속도와 동일한 속도로 움직이는 동조 기동이 가능하다. 표적과 무인 수상정의 거리가

에 이를 때부터 동조 기동을 수행하면 표적까지 일정 거리

를 유지할 수 있다. 본 발명에서 제안하는 제어기법은 표적까지 거리를 최대한 빨리 줄여서

에 도달하도록 한다.

표적과 무인 수상정의 거리가

보다 클 때, 무인 수상정은 표적과 무인 수상정을 잇는 방위가 일정하도록 유지하면서 표적을 향해 근접해간다. 이러한 방법은 표적이 직진으로 움직일 경우, 최단 시간 내에 표적에 도달할 수 있는 경로를 제공한다. 표적의 위치가 실시간으로 바뀌므로, 표적의 위치에 따라 실시간으로 매 시간 스텝마다 수상정이 도달해야할 경로점을 설정한다. 실시간으로 경로점을 설정하는 방법은 다음과 같다.

도 1에서

는 시간 스텝

에서 무인 수상정의 위치이다. 무인 수상정의 최대속력

를 고려하여 시간 스텝

에 수상정이 도달가능한 영역은

를 중심으로 하는 반지름이

인 원이다. 이러한 원을 도달가능원으로 정의하자. 무인 수상정의 각속도 r과 시간 스텝

에서 수상정의 헤딩을 고려하면 시간 스텝

에 무인 수상정이 도달가능한 영역은 도달가능원의 원호로 나타난다. 이 원호의 중심각은

이다. 이 원호를 도달가능원호로 정의하자.

는 시간 스텝

에서 표적의 위치를 나타낸다. 실시간으로 표적의 속도를 추정할 수 있으므로 시간 스텝

에서 표적의 속도를 추정할 수 있고, 따라서

을 추정할 수 있다.

에서

와

를 잇는 방위선에 평행한 선을 긋고 이 평행선이 도달가능원과 만나는 점들 중,

에 가까운 점을

로 놓는다. 도달가능원호 상에서

에 가장 가까운 점을 찾고, 이 점이 시간 스텝

에 수상정이 도달해야 되는 경로점

이다. 위 그림에서 경로점은 붉은 점으로 표시되었다.

가 도달가능원호 상에 있다면 경로점

는

와 동일하다.

경로점

와

가 동일할 경우, 무인 수상정과 표적을 잇는 방위선은 항상 평행을 이룬다. 도 1에서 보듯이, 평행 방위선을 유지하면 무인 수상정보다 느린 속도를 갖는 표적은 언제나 무인 수상정에 의하여 따라잡힌다. 즉 무인 수상정과 표적 사이의 거리는 시간이 지남에 따라서 계속 감소하게 된다. 따라서 표적이 어떠한 변침을 수행하더라도 (표적의 움직임에 상관없이) 표적과 무인 수상정 사이의 거리는 반드시

에 도달하게 된다.

다음으로, 표적까지 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위로 수렴하는 제어기법을 설명한다.

무인 수상정은 표적까지 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위를 유지하면서 추종하는 기동을 수행할 수도 있다. 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위를 유지한다는 것은 표적으로부터 일정 거리를 유지할 뿐 아니라, 표적의 헤딩 방향을 기준으로 일정한 각도를 갖도록 추종함을 의미한다. 이러한 경우, 무인 수상정은 표적을 향해서 움직이는 것이 아니라 표적으로부터 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위를 갖는 위치를 향해서 움직인다. 표적으로부터 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위를 갖는 위치를 목표점으로 정의하자. 본 발명은 무인 수상정의 위치가 최대한 빨리 목표점으로 수렴을 하도록 하는 제어기법을 제안한다.

도 2에서

는 시간 스텝

에서 무인 수상정의 목표점 위치이다. 도 2에서 보면, 목표점의 위치가 표적 헤딩 기준으로 시계방향으로 135도의 각도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 수상정은 실시간으로

을 추정할 수 있으므로 실시간으로

를 추정할 수 있다.

에서

와

를 잇는 방위선에 평행한 선을 긋고 이 평행선이 도달가능원과 만나는 점들 중,

에 가까운 점을

로 놓는다. 도달가능원호 상에서

에 가장 가까운 점을 찾고, 이 점이 시간 스텝

에 수상정이 도달해야 되는 경로점

이다. 도 2에서 경로점은 붉은 점으로 표시되었다.

가 도달가능원호 상에 있다면 경로점

는

와 동일하다.

경로점

와

가 동일할 경우, 수상정과 목표점을 잇는 방위선은 항상 평행을 이룬다. 이로 인해서 무인 수상정과 목표점 사이의 거리는 시간이 지남에 따라서 계속 감소하게 된다. 따라서 목표점과 무인 수상정 사이의 거리는 반드시 0에 도달하게 된다. 이는 표적까지 일정 거리와 표적 기준 일정한 방위로 수렴하는 것을 의미한다.

도 3은 발명의 구성도이다. 무인 수상정은 표적의 실시간 추적 정보를 기반으로 표적의 위치와 속도 정보를 추정한다. 이를 기반으로 표적을 추종하는 임무를 수행하는 제어기법을 구성한다.

무인 수상정은 최대 가속도

의 제한으로 속력을 갑자기 증가시키거나 감소시킬 수 없다. 무인수상정의 목표속력을

로 설정한다. 시간 스텝

에서 무인 수상정의 속력을

로 놓으면 시간 스텝

에서 무인 수상정의 속력은 다음과 같다.

일 경우,

.

일 경우,

.

시뮬레이션에서

초,

로 설정하였다. 또한, 무인 수상정의 운동 모델은 다음과 같이 설정하였다: 무인수상정의 각속도:

, 무인 수상정의 최대 가속도:

.

도 4에서 매 20초마다 표적의 움직임은 파란색 원으로 나타났고, 무인 수상정의 움직임은 붉은색 원으로 나타났다. 무인 수상정은 원점에서 시작하고 표적은 (0,5000)에서 시작한다. 표적의 속도는 15 knots이다. 무인 수상정은 25 knots로 표적을 추종하다가 표적까지 거리가

보다 작아지면 표적의 속도에 동조기동을 수행한다. 현재 무인 수상정의 위치는 붉은 원으로 나타났고 붉은 원 옆의 14 minutes 는 추적 시작부터 14분이 흘렀음을 의미한다. 도 5는 시간에 따른 무인 수상정의 속력을 나타낸다. 무인 수상정은 25 knots로 표적을 추적하다가 표적까지 거리가

보다 작아지면 15 knots로 속도를 낮춘다.

본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기를 포함할 수도 있다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (5)

1. 선박에 탑재되는 표적 추종 제어 장치에 관한 것으로,
   표적의 현재 위치, 현재 속도 및 현재 헤딩을 산출하는 센서부;
   상기 센서부에 의하여 산출된 정보에 근거하여, 현재 시점으로부터 소정 시간이 지난 후 상기 표적의 미래 위치를 추정하는 위치 추정부;
   상기 소정 시간이 지난 후 상기 선박이 도달할 목적지를 설정하는 목적지 설정부를 포함하며,
   상기 목적지 설정부는,
   상기 선박의 최대 속력을 고려하여 상기 소정 시간이 지난 후 상기 선박이 도달 가능한 도달가능영역을 산출하고,
   상기 선박의 현재 위치와 상기 표적의 현재 위치를 잇는 방위선에 평행한 평행선들 중 상기 미래 위치를 지나는 어느 하나의 대표 평행선을 탐색하며,
   상기 도달가능영역의 둘레와 상기 대표 평행선이 만나는 점들 중 상기 표적가 가장 가까운 어느 하나의 점을 이용하여 상기 목적지를 설정하는 것을 특징으로 하는 표적 추종 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 목적지 설정부는,
   상기 표적과 일정한 거리를 유지하면서, 상기 표적과 상기 선박을 잇는 방위가 일정하도록 상기 목적지를 설정하는 것을 특징으로 하는 표적 추종 제어 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 목적지 설정부는, 상기 설정된 목적지에 근거하여 상기 선박의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 표적 추종 제어 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 설정된 목적지를 기설정된 서버로 송신하는 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 추종 제어 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 선박은 사용자 입력이 없어도 스스로 운행하는 무인 수상정인 것을 특징으로 하는 표적 추종 제어 장치.
   

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