KR102260441B1

KR102260441B1 - 선박의 자동운항장치

Info

Publication number: KR102260441B1
Application number: KR1020190165346A
Authority: KR
Inventors: 하영열; 양희준; 김정현
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-03

Abstract

해상의 동적, 정적 장애물을 회피하여 안전하고 효율적으로 선박을 목적지에 도달시키는 선박의 자동운항장치가 제공된다. 자동운항장치는, 해상의 동적, 및 정적 장애물을 피하여 목적지에 도달하도록 선박을 제어하는 선박의 자동운항장치에 있어서, 장애물을 식별할 수 있는 식별정보를 입력받고 시간에 의존하는 웨이포인트들로 이루어진 충돌회피경로를 생성하는 경로생성기, 및 충돌회피경로를 입력받아, 시간에 따라 바뀌는 회피궤적을 생성하고, 선박의 진행방향과 속력을 조절하여 회피궤적을 추종시키는 자동제어기를 포함하되, 자동제어기는 선박과 회피궤적 사이의 변동하는 거리에 따라 선박을 감속시키는 제어를 하여 선박의 급선회를 막을 수 있다.

Description

선박의 자동운항장치{Automatic pilot apparatus for ship}

본 발명은 선박의 자동운항장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 해상의 동적, 정적 장애물을 회피하여 안전하고 효율적으로 선박을 목적지에 도달시키는 선박의 자동운항장치에 관한 것이다.

선박은 장거리를 이동하는 운송수단으로 장시간 운항상태에 있는 경우가 많다. 예를 들어, 수주 또는 수 개월 이상 운항하는 장거리 이동상황에서 선원의 피로도는 크게 증가할 수 있고 신체능력도 약화될 수 있다. 오토 파일럿과 같은 자동운항장치를 이용함으로써 이러한 문제를 기술적으로 개선할 수 있다.

선박의 자동운항장치는 사람을 대신하여 선박을 제어하는 기능을 갖추고 있으며 대부분은 설정된 항로를 유지하는 제어 등이 가능하게 되어 있다. 항법기술이 발달하고 GPS 등을 이용한 지표면 상의 정확한 위치선정 등이 가능해지면서, 이러한 자동운항장치의 효용성은 더욱 증대되고 있다.

그럼에도 불구하고, 세부적으로는 문제점도 아직 많이 남아있다. 예를 들면, 종래 자동운항장치는 해상에서 움직이는 장애물을 효과적으로 회피하여 적절한 경로로 선박을 운항시키기 어려운 문제를 가지고 있었다. 또한 종래의 경우, 설정된 경로를 따르게 하는 과정에서 선박이 가속되어 오히려 반대방향으로 경로를 이탈하게 되거나, 선체의 진행방향이 과도하게 변경됨으로써, 급선회의 위험상황에 처하게 되는 등 여러 가지 문제상황이 발생하기도 하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-0414439호, (2004. 01. 13)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 해상의 동적, 정적 장애물을 회피하여 안전하고 효율적으로 선박을 목적지에 도달시키는 선박의 자동운항장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 선박의 자동운항장치는, 해상의 동적, 및 정적 장애물을 피하여 목적지에 도달하도록 선박을 제어하는 선박의 자동운항장치에 있어서, 상기 장애물을 식별할 수 있는 식별정보를 입력받고, 시간에 의존하는 웨이포인트들로 이루어진 충돌회피경로를 생성하는 경로생성기; 및 상기 충돌회피경로를 입력받아, 시간에 따라 바뀌는 회피궤적을 생성하고, 선박의 진행방향과 속력을 조절하여 상기 회피궤적을 추종시키는 자동제어기를 포함하되, 상기 자동제어기는 선박과 상기 회피궤적 사이의 변동하는 거리에 따라 선박을 감속시키는 제어를 하여 선박의 급선회를 막을 수 있다.

상기 자동제어기는, 선박으로부터 일정반경으로 확장된 제어원으로 선박과 상기 회피궤적 사이의 근접여부 및 거리오차를 판별할 수 있다.

상기 자동제어기는, 상기 제어원이 상기 회피궤적과 교차되면 선박을 감속시킬 수 있다.

상기 제어원은 선박의 선회반경보다 큰 반경을 가질 수 있다.

상기 자동제어기는, 상기 충돌회피경로를 입력받아 경로를 곡선화하고, 상기 웨이포인트들의 사이를 세분하여 복수의 노드들을 생성하고, 상기 노드들 중 과거시점의 노드들은 제거하여 상기 회피궤적을 생성하는 궤적생성모듈, 상기 제어원으로부터 상기 회피궤적과의 거리오차와 근접여부를 판별하고, 상기 회피궤적 상의 한 점으로 선박의 진행방향을 설정하여 제어값을 출력하는 타게팅모듈, 및 상기 제어값에 따라서 추진기와 러더를 각각 제어하는 추진기제어모듈과, 러더제어모듈을 포함할 수 있다.

상기 타게팅모듈은, 상기 제어원과 상기 회피궤적의 교차여부에 따라 상기 제어원과의 교점이거나, 또는 교점 아닌 어느 하나의 상기 노드를 목표로 진행방향을 설정할 수 있다.

상기 타게팅모듈은, 상기 제어원과 상기 회피궤적이 교차되면, 상기 거리오차를 음의 값으로 변환시켜 상기 제어값으로 출력하고, 상기 추진기제어모듈은 그에 비례하여 추진기 속도를 감속시킬 수 있다.

상기 식별정보는, 해상에 위치한 타 선박의 선박식별정보, 및 레이더, 카메라, 공간인지센서 중 적어도 어느 하나로부터 감지된 미식별 장애물 정보를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 해상의 동적, 정적 장애물들을 회피하여 선박을 보다 효과적인 항로로 운항시킬 수 있다. 즉 위치가 고정된 지형지물뿐만 아니라, 시간에 따라 위치가 변하는 움직이는 장애물들도 회피하여 충돌 위험에서 벗어나 운항하게 할 수 있다. 또한, 선박이 불필요하게 과도한 속력을 내거나, 급선회를 하지 않고도 적절한 항로를 따라 운항할 수 있게 제어하여 전체적으로 안전하고 효율적으로 목적지에 도달하도록 자동으로 선박을 조정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 선박의 자동운항장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 자동운항장치의 자동제어기의 구성도이다.
도 3은 충돌회피경로와 그로부터 생성된 노드들의 집합을 예시한 도면이다.
도 4는 회피궤적과 그를 추종하는 선박을 예시한 도면이다.
도 5는 제어원을 이용한 선박의 추종방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 자동운항장치로 운항한 선박의 궤적과 종래의 궤적을 비교하여 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 명세서에서 '자선'은 실질적으로 선박과 동일한 의미이며 특히 본 발명의 자동운항장치가 탑재된 대상 선박을 지칭하는 용도로 사용된다. 또한 그 외 다른 선박과 구분하는 데도 사용될 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 선박의 자동운항장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 선박의 자동운항장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 자동운항장치의 자동제어기의 구성도이며, 도 3은 충돌회피경로와 그로부터 생성된 노드들의 집합을 예시한 도면이고, 도 4는 회피궤적과 그를 추종하는 선박을 예시한 도면이다. 도 3은 X-Y축 각각의 원점이 좌측하단의 교점에 위치한 좌표계로 그려진 것이며, 도 4는 X-Y축 각각의 원점이 X축 및 Y축 각각의 중앙에 위치한 좌표계로 그려진 것이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 선박의 자동운항장치(1)는 선박에 탑재되어 선박을 자동으로 제어하는 장치로 해상에서 시간에 따라 변하는 궤적을 따라 이동하도록 선박을 제어한다. 궤적은 고정된 장애물뿐만 아니라 시간에 따라 움직이는 동적 장애물도 회피할 수 있도록 시간제한이 있는 경로로 산출되며 이를 추종하는 제어를 통해 해상의 장애물을 회피하여 안전하고 효율적으로 선박을 목적지에 도달시킬 수 있다. 특히, 본 발명에 의한 선박의 자동운항장치(1)는, 선박이 이러한 궤적을 따라갈 때 현 시점의 추종(또는 목표)궤적[후술하는 회피궤적(D)일 수 있다]과 선박과의 거리에 따라 적절한 방식으로 목표점을 설정하며 변동하는 거리에 따라 선박을 감속시키는 제어를 함으로써 선박의 급선회와 같은 위험요소를 제거할 수 있다. 또한, 이를 통해 부적절한 가속에 의한 요동(목표점에 대한 이탈과 근접의 반복)을 없애고 전체 운항경로를 줄여 안정되고 최적화된 항로로 목적지까지 선박을 도달시킬 수 있다.

이러한 선박의 자동운항장치(1)는 구체적으로 다음과 같이 구성된다. 선박의 자동운항장치(1)는, 해상의 동적, 및 정적 장애물을 피하여 목적지에 도달하도록 선박을 제어하는 선박의 자동운항장치에 있어서, 장애물을 식별할 수 있는 식별정보를 입력받고, 시간에 의존하는 웨이포인트들로 이루어진 충돌회피경로를 생성하는 경로생성기(10), 및 충돌회피경로를 입력받아 시간에 따라 바뀌는 회피궤적을 생성하고, 선박의 진행방향과 속력을 조절하여 회피궤적을 추종시키는 자동제어기(20)를 포함하되, 자동제어기(20)는 선박과 회피궤적 사이의 변동하는 거리에 따라 선박을 감속시키는 제어를 하여 선박의 급선회를 막도록 형성된다.

본 발명의 일 실시예에따라, 자동제어기(20)는 충돌회피경로를 입력받아 경로를 곡선화하고, 웨이포인트들의 사이를 세분하여 복수의 노드들을 생성하고, 상기 노드들 중 과거시점의 노드들은 제거하여 회피궤적을 생성하는 궤적생성모듈(210)과, 제어원으로부터 회피궤적과의 거리오차와 근접여부를 판별하고, 회피궤적 상의 한 점으로 선박의 진행방향을 설정하여 제어값을 출력하는 타게팅모듈(220), 및 상기 제어값에 따라서 추진기(51)와 러더(52)를 각각 제어하는 추진기제어모듈(230)과, 러더제어모듈(240)을 포함할 수 있다. 이하, 이러한 실시예를 바탕으로 본 발명의 구성 및 작용효과 등을 보다 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 선박의 자동운항장치(1)는 크게 경로생성기(10)와 자동제어기(20)로 구성될 수 있으며, 자선의 위치와 좌표, 진행방향, 자세 등을 알 수 있는 항법장치들과 추진기(51) 및 러더(52)를 제어하는 추진기제어부(41) 및 러더제어부(42)등에 연결될 수 있다. 경로생성기(10)는 자선에 전송된 외부신호와 각종 감지신호 등이 포함된 식별정보(A)를 입력받아 충돌회피경로를 생성하며, 자동제어기(20)는 경로생성기(10)에서 생성한 충돌회피경로(B)와, 항법장치들로부터 전송된 신호들을 이용하여 회피궤적을 생성한다. 이로부터 후술하는 일련의 과정으로 추진기제어부(41)와 러더제어부(42)를 조작할 수 있는 제어값을 출력하여 추진기(51)와 러더(52)를 자동으로 제어하게 된다. 경로생성기(10)와 자동제어기(20)는 예를 들어, 컴퓨터 장치나 그에 준하는 데이터 연산이 가능한 장치들로 형성될 수 있으며, 필요에 따라 컴퓨터 장치와 기계장치의 결합으로 형성될 수도 있다. 식별정보(A)는 해상에 위치한 다른 선박의 선박식별정보 및 레이더(RADAR), 카메라, 공간인지센서(LIDAR 등 공간과 공간상의 장애물을 인식할 수 있는 다양한 센서장비를 포함할 수 있다) 중 적어도 어느 하나로부터 감지된 미식별 장애물 정보를 포함하는 것일 수 있다.

식별정보(A)는 해상의 동적 및 정적 장애물을 식별할 수 있는 정보로서 선박에 탑재된 레이더와 같은 탐지장비(미도시)로부터 수집될 수 있다. 또한 해상에서 타 선박으로부터 전송된 선박식별정보 등 인지된 장애물 정보도 식별정보(A)에 포함될 수 있다. 전술한 카메라 비전이나, 공간인지센서와 같은 다양한 탐지장비들을 통해서 해상의 다양한 동적 및 정적 장애물 정보를 수집하고 이로부터 회피해야 할 장애물들을 식별할 수 있다. 경로생성기(10)는 이러한 식별정보(A)를 입력받고 충돌회피경로를 생성한다.

충돌회피경로(B)는 복수의 웨이포인트들로 구성될 수 있으며(도 3의 B참조) 웨이포인트들은 시간에 대한 정보를 가지고 있을 수 있다. 즉, 경로생성기(10)는 동적 장애물의 속력과 방향, 또는 그로부터 연산된 시간에 따른 위치변동 등을 계산하여 각 웨이포인트들에 선박의 도달시간과 같은 시간변수를 설정하고 부여할 수 있다. 즉 단순한 위치좌표가 아닌, 시간변수를 포함하는 점들로 웨이포인트들을 구성할 수 있고 이를 기반으로 시간제한 있는 궤적을 생성하여 시간에 따라 위치가 변하는 동적 장애물들도 효과적으로 회피할 수 있다. 경로설정 및 궤적추적과 관련된 내용은 후술하여 좀더 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 자동제어기(20)는 충돌회피경로(B)를 입력받아 시간에 따라 바뀌는 회피궤적(D)을 생성하고 선박의 진행방향과 속력을 조절하여 회피궤적을 추종시키는 제어를 한다. 자동제어기(20)는 전술한 바와 같이 궤적생성모듈(210)과, 타게팅모듈(220), 추진기제어모듈(230), 및 러더제어모듈(240)을 포함할 수 있으며 이들을 통해 시간에 따라 목표점을 바꾸며 적절히 감속하는 정밀한 제어를 할 수 있다. 자동제어기(20)는 선박에 설치된 관성항법장치(31), GPS(32)장비, 컴퍼스(33), 자세측정기(34) 등으로부터 선박의 위치와 좌표, 정렬상태, 진행방향 등에 관한 정보를 입력받고 연산에 활용할 수 있으며, 자동제어기(20)의 최종 출력은 추진기제어부(41) 및 러더제어부(42)에 전송되어 추진기(51)의 속력을 가감하고 러더(52)의 조타각을 바꾸는 제어신호로 사용될 수 있다. 추진기제어부(41)와 러더제어부(42)는 각각 추진기(51) 및 러더(52)와 연결되거나 추진기(51) 및 러더(52)의 적어도 일부를 구성하는 전기적, 기계적 제어시스템이나 제어장치로 구성될 수 있다. 궤적생성모듈(210), 타게팅모듈(220), 추진기제어모듈(230), 및 러더제어모듈(240)은 일종의 프로그램이나 프로그램들의 집합으로 형성될 수 있다.

이하 자동제어기(20)의 구성을 보다 상세히 설명한다. 자동제어기(20)는 궤적생성모듈(210), 타게팅모듈(220), 추진기제어모듈(230), 및 러더제어모듈(240)을 포함할 수 있다. 먼저, 궤적생성모듈(210)은 충돌회피경로를 입력받아 경로를 곡선화하고, 웨이포인트들의 사이를 세분하여 복수의 노드들을 생성하고, 노드들 중 과거시점의 노드들은 제거하여 회피궤적을 생성한다. 도 3을 참조하면, 전술한 충돌회피경로(B)는 복수의 웨이포인트들[충돌회피경로(B)상의 X표시된 지점들]과 이를 연결한 선형 경로들의 집합으로 형성될 수 있고, 각 웨이포인트들은 좌표값 외에 도달시간과 같은 시간변수를 값으로 포함하여 정의될 수 있다. 궤적생성모듈(210)은 하나 또는 하나 이상의 프로그램밍 기법을 이용하여 이러한 경로를 곡선화하고, 웨이포인트들의 사이를 세분하여 도시된 바와 같은 복수의 노드(C)들을 생성한다. 각 노드(C)들 역시 시간정보를 포함할 수 있고 추가적으로 속력, 및 진행각도 등의 정보도 포함할 수 있다. 노드(C)들은 자선을 중심으로 하는 좌표계로 변환된 좌표값의 정보를 포함할 수 있다. 이러한 노드(C)들 중 과거시점의 노드들은 제거하여 현 시점의 목표궤적인 회피궤적을 생성할 수 있다.

타게팅모듈(220)은 제어원(도 5의 F참조)으로부터 회피궤적과의 거리오차와 근접여부를 판별하고, 회피궤적 상의 한 점으로 선박의 진행방향을 설정하여 제어값을 출력한다. 이때, 타게팅모듈(220)은 제어원과 회피궤적의 교차여부에 따라 제어원과의 교점이거나, 또는 교점 아닌 어느 하나의 노드를 목표로 진행방향을 설정할 수 있다. 즉, 본 발명의 자동제어기(20)는 단순 고정된 좌표들이 아닌 시간에 따라 바뀌는 회피궤적을 생성하여, 이를 추종하도록 선박을 제어하며, 특히 선박으로부터 일정반경으로 확장된 제어원(F)으로 선박과 회피궤적 사이의 근접여부와 거리오차를 판별하고, 제어원이 회피궤적과 교차되면 선박을 감속시킨다. 이를 통해 적절한 방향으로 동적 장애물을 효과적으로 회피하면서도, 목표점을 추종하기 위해 과도하게 가속되어 오차가 오히려 증가되거나, 또는 급격히 진행방향이 변경되어 선박이 급선회하게 되는 등의 불합리하고 위험한 상황을 회피할 수 있다.

도 4에는 회피궤적(D)의 예와 자선이 이를 서로 다른 방식으로 추종하는 예가 도시되어 있다. 도 4에는 도 3과는 다른 형태의 노드들을 연결한 전체궤적에 대해, 그 일부로 표시된 회피궤적(D)의 예가 도시되어 있다. 회피궤적(D)[그래프 상의 X표시된 점을 양 끝점으로 하는 굵은 선으로 표시됨]은 현 시점에서 선박이 추종하는 목표궤적으로, 충돌회피궤적에서 생성된 노드의 전체집합 중 일부로 구성된 것일 수 있다. 회피궤적(D)은 최종 목적지로부터 일정 거리까지로 제한된 궤적일 수 있으며 이에 따라, 길이 및 형상 등이 다양하게 바뀔 수 있으므로 도시된 형태로 회피궤적(D)을 한정하여 이해할 필요는 없다.

도 5는 제어원을 이용한 선박의 추종방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 5 및 도 4를 참조하여 제어원을 이용한 추종방식을 좀더 상세히 설명한다. 타게팅모듈(220)은 전술한 바와 같이 제어원(F)으로 자선과 회피궤적(D)과의 거리오차 및 근접여부를 판별하고, 자선과 현재 생성된 회피궤적(D)이 근접한 정도에 따라 서로 다른 방식으로 목표점을 설정할 수 있다. 타게팅모듈(220)은 예를 들어, 도 4의 (a) 및 도 5의 (a)와 같이 제어원(F)이 회피궤적(D)과 교차하지 않는 경우, 떨어져있는 회피궤적(D)의 시점을 목표점(G)으로 하여 선박(E)의 진행방향을 설정할 수 있다. 그러한 경우 자동제어기(20)는 목표점(G)과 가까운 위치로 자선을 이동시키는 제어를 하게 되며 제어방식에 대한 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 노드에 부여된 속력정보를 이용한 피드-포워드(Feed-forward)제어 방식 등을 활용하여 선박을 목표위치에 추종시킬 수 있다.

반면, 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)와 같이 제어원(F)과 회피궤적(D)이 교차하게 되면, 타게팅모듈(220)은 제어원(F)과의 교점으로 목표점(G)을 설정하고 적절한 제어값을 출력하여 선박(E)의 속도를 감속할 수 있다. 예를 들어, 타게팅모듈(220)이 출력한 제어값은 거리오차, 근접여부, 진행방향을 변수로 정의될 수 있으며, 근접여부는 제어원(F)과 회피궤적(D)의 교차여부로, 거리오차는 근접여부에 따라 서로 다른 방식으로 정의될 수 있다. 거리오차는 제어원(F)과 회피궤적(D)이 교차되지 않은 때는 자선과 목표점(G)과의 거리로 측정될 수 있고, 제어원(F)과 회피궤적(D)이 교차되는 때는 목표점(G)과 궤적의 시점 간 거리로 측정될 수 있다. 특히, 타게팅모듈(220)은 제어원(F)과 회피궤적(D)이 교차되면 거리오차를 음의 값으로 변환시켜 제어값으로 출력하며 후술하는 추진기제어모듈(230)은 그에 비례하여 추진기 속도를 감속시킬 수 있다. 도시되지 않았지만, 제어원(F)과 회피궤적(D)의 교점이 하나 이상인 등의 경우에도, 예를 들어, 회피궤적의(D)의 시점과 가까운 측의 교점을 목표로 진행방향을 설정하는 등의 방식으로 적절한 목표점을 설정하여 제어할 수 있다.

즉 회피궤적(D)이 제어원(F) 안쪽으로 들어온 경우에는, 실제 양의 값인 거리오차를 음의 값으로 변환시키는 연산을 하여 추진기제어모듈(230)이 추진기 속력을 감속하는 입력신호로 제공할 수 있다. 예를 들어, 타게팅모듈(220)은 제어원(F)과 회피궤적(D)이 교차되는 때, 회피궤적(D)의 시점과 목표점(G) 간 선길이(arc length)에 -1을 곱하여 음의 제어값을 출력할 수 있고, 추진기제어모듈(230)은 그에 비례하여 추진기 속도를 감소시키는 제어를 할 수 있다. 자선이 목표궤적에 인접한 경우 추진기제어모듈(230)은 미분, 적분 제어를 활용하지 않고 타게팅모듈(220)이 출력한 음의 제어값에 단순 비례하도록 추진기 속도를 조절할 수 있다. 이를 통해 보다 효과적으로 선박을 현재 목표위치에 가깝게 유지시킬 수 있다.

이때 제어원(F)은 거리오차를 판별하고 목표점을 설정하는 데 사용되므로 제어성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한 제어원(F)의 크기에 따라 시간당 목표점의 변동폭(각도)이 달라질 수 있고, 그에 따라 선박(E)이 실제 회전하는 반경도 증가 또는 감소될 수 있으므로 급선회를 막기 위한 안정성 면에서도 제어원(F)의 크기 선정은 매우 중요하다. 제어원(F)은 자선의 선회반경보다 큰 반경을 가질 수 있으며, 바람직하게는, 선박의 회전 특성과 충돌회피의 세밀도 등을 고려하여, 대략 선회반경의 1.5배의 반경으로 제어원(F)을 설정할 수 있다. 제어원(F)의 반경(R)은 각각 서로 다른 선회반경을 갖는 선박에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.

추진기제어모듈(230)과 러더제어모듈(240)은 이러한 방식으로 타게팅모듈(220)이 출력한 제어값에 따라, 추진기와 러더를 각각 제어한다. 추진기제어모듈(230)과 러더제어모듈(240)은 각각 전술한 추진기제어부(41) 및 러더제어부(42)로 최종 제어신호를 송출하여 추진기(51)와 러더(52)를 원하는 대로 조정하게 된다. 러더제어모듈(240)은 타게팅모듈(220)에서 설정된 목표점을 향하는 각도로 러더(52)의 타각을 조정할 수 있고, 추진기제어모듈(230)은 전술한 바와 같이 자선이 회피궤적과 인접하거나, 또는 인접하지 않은 경우에 따라 다른 제어를 할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 제어원이 회피궤적과 교차하지 않는 경우, 추진기제어모듈(230)은 목표점(G)과 가까운 위치로 자선을 이동시키는 제어를 할 수 있고 노드의 속력정보를 이용한 피드-포워드(Feed-forward)제어 방식 등을 활용하여 선박을 목표위치에 추종시킬 수 있다. 반면, 제어원이 회피궤적과 교차된 경우, 추진기제어모듈(230)은 그에 비례하여 추진기 속도를 감소시키는 제어를 할 수 있다. 이때 통상의 미분, 적분 제어를 활용하지 않고, 타게팅모듈(220)이 출력한 음의 제어값에 단순 비례하는 방식으로 추진기 속도를 조절할 수 있다. 이를 통해 보다 효과적으로 선박을 현재 목표위치에 가깝게 유지시킬 수 있다. 바람직하게는, 타게팅모듈(220)이 전술한 음의 제어값을 출력하는 경우 추진기제어모듈(230)은 이를 제곱한 값에 음의 게인을 곱하여 추진기의 출력을 결정하는 방식으로 보다 효과적으로 자선의 과속을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 자동운항장치로 운항한 선박의 궤적과 종래의 궤적을 비교하여 도시한 도면이다. 도 6은 X-Y축 각각의 원점이 좌측하단의 교점에 위치한 좌표계로 그려진 것이다.

이와 같은 방식으로, 선박의 자동운항장치(1)를 이용하여 해상의 동적 및 정적 장애물을 회피하면서, 보다 안전하고 효율적으로 선박을 목적지에 도달시킬 수 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 의해 형성된 선박의 궤적과 종래의 선박 궤적을 비교해 볼 수 있다. 본 발명에 의한 자동운항장치(1)로 선박을 제어한 경우, 도 6의 (a)와 같이, 선박이 운항한 전체 항로가 부드러운 곡선을 그리며 특히, 급격한 진행경로의 변동을 요하는 좌우 상단과, 우측 하단의 지점에서도 적절한 선회반경을 유지하며 변동폭을 줄인 최소한의 경로로 안정되게 운항함을 확인할 수 있다. 반면, 종래의 경우에는, 도 6의 (b)와 같이 급격한 진행경로의 변동이 있는 좌우 상단과, 우측 하단의 지점에서 특히 속력과 방향이 적절히 제어되지 못하여 요동하거나 급격한 커브를 그리며 선회되어 목표점에서 이탈을 반복하는 모습을 확인할 수 있다. 이는 상술한 바와 같은 본 발명의 시간에 따라 바뀌는 회피궤적과 제어원 등을 활용한 제어구조와 방식 등에 기인한 것으로 이로부터 본 발명의 탁월한 효과를 확인할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 선박의 자동운항장치 10: 경로생성기
20: 자동제어기 31: 관성항법장치
32: GPS 33: 컴퍼스
34: 자세측정기 41: 추진기제어부
42: 러더제어부 51: 추진기
52: 러더 210: 궤적생성모듈
220: 타게팅모듈 230: 추진기제어모듈
240: 러더제어모듈 A: 식별정보
B: 충돌회피경로 C: 노드
D: 회피궤적 E: 선박
F: 제어원 G: 목표점

Claims

해상의 동적, 및 정적 장애물을 피하여 목적지에 도달하도록 선박을 제어하는 선박의 자동운항장치에 있어서,
상기 장애물을 식별할 수 있는 식별정보를 입력받고, 시간에 의존하는 웨이포인트들로 이루어진 충돌회피경로를 생성하는 경로생성기; 및
상기 충돌회피경로를 입력받아, 시간에 따라 바뀌는, 복수의 노드들로 구성된 회피궤적을 생성하고, 선박의 진행방향과 속력을 조절하여 상기 회피궤적을 추종시키는 자동제어기를 포함하되,
상기 자동제어기는,
선박으로부터 일정반경으로 확장된 제어원으로부터 선박과 상기 회피궤적과의 거리오차와 근접여부를 판별하고, 상기 제어원과 상기 회피궤적의 교차여부에 따라 상기 제어원과의 교점이거나, 또는 교점 아닌 어느 하나의 상기 노드를 목표로 진행방향을 설정하는 타게팅모듈을 포함하여, 상기 제어원을 이용하여 상기 회피궤적을 추종시키고,
선박과 상기 회피궤적 사이의 변동하는 거리에 따라 선박을 감속시키는 제어를 하여 선박의 급선회를 막되, 상기 제어원은 선박의 선회반경보다 큰 반경을 갖는 선박의 자동운항장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 자동제어기는, 상기 제어원이 상기 회피궤적과 교차되면 선박을 감속시키는 선박의 자동운항장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 자동제어기는, 상기 충돌회피경로를 입력받아 경로를 곡선화하고, 상기 웨이포인트들의 사이를 세분하여 복수의 상기 노드들을 생성하고, 상기 노드들 중 과거시점의 노드들은 제거하여 상기 회피궤적을 생성하는 궤적생성모듈, 및
상기 타게팅모듈이 출력한 제어값에 따라서 추진기와 러더를 각각 제어하는 추진기제어모듈과, 러더제어모듈을 더 포함하는 선박의 자동운항장치.
삭제
제5항에 있어서,
상기 타게팅모듈은, 상기 제어원과 상기 회피궤적이 교차되면, 상기 거리오차를 음의 값으로 변환시켜 상기 제어값으로 출력하고, 상기 추진기제어모듈은 그에 비례하여 추진기 속도를 감속시키는 선박의 자동운항장치.
제1항에 있어서,
상기 식별정보는, 해상에 위치한 타 선박의 선박식별정보, 및 레이더, 카메라, 공간인지센서 중 적어도 어느 하나로부터 감지된 미식별 장애물 정보를 포함하는 선박의 자동운항장치.