KR102388672B1 - 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법 - Google Patents

자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 개시한다.
본 발명은 자율운항선박의 항로이탈을 방지하고, 다른 선박과의 충돌을 예방하여 자율운항선박의 안전 항해를 확보할 수 있고, 제어지연에 의한 선수방위 제어성능을 예측할 수 있도록 하여 해양사고의 위험을 미연에 방지하여 안전하고 경제적인 운항에 기여할 수 있는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 제공하기 위한 것이다.

Description

자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법{A method of calculating the heading range for collision avoidance using the analysis evaluation module of the heading control performance according to the control delay in the remote control of an autonomous ship}
본 발명은 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용하여 실제 선박에서의 제어지연 현상 발생시 충돌회피가 필요한 본선 선수방위의 범위를 도출하여 적용시킴으로써 선박의 운항 안전성을 보장할 수 있는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법에 관한 것이다.
현재 해상에서는 육상의 자율주행 자동차와 마찬가지로, 자율운항선박에 대한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 자동화시스템으로 물류의 흐름을 최소 10% 이상 빠르게 할 수 있고, 전체 해양사고의 82%나 차지하는 인적과실 사고를 해소할 수 있으며, 인건비 절감 등으로 약 60% 이상의 비용을 절감할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
이러한 자율운항선박은 국제해사기구(International maritime Organization, IMO)에서 MASS(Maritime Autonomous Surface Ship)로 지칭하고 있으며, 레벨 1부터 레벨 4까지의 네 수준으로 구분되어 있는데, 레벨1은 기존 선박에서 선원의 의사결정을 지원하기 위한 수준이고, 레벨2는 선박에 선원이 승선한 상태에서 원격 제어가 가능한 레벨이며, 레벨3은 선원이 승선하지 않거나 또는 최소인원만 승선한 경우 원격 제어가 가능하고 기관이 자동화된 레벨이고, 끝으로 레벨4는 선박에 사람이 없는 완전 무인화 레벨인데, 국내외적인 개발목표는 기존 유인선박(사람이 제어하는 선박)에 원격제어 장치를 부가하여 원격에서 제어 가능한 레벨2와 레벨 3 사이에 있다. 레벨 2와 3 사이에서 요구되는 기술은 원격으로 자율운항선박을 안전하게 조종하는 것인데 이를 위해서는 국제해사기구(IMO)에서 규정한 선수방위 제어성능(heading control performance)이 준수될 것이 요구된다.
상기, 선수방위 제어성능은 국제해사기구(IMO)에 규정된 세 가지 테스트 방법(Turning Test, Zig-Zag Test, Spiral Test)중에서 지그재그 테스트(Zig-Zag Test)에 의해 수행되고 있으며, 선수방위 제어성능의 평가에는 지그재그 경로가 이용되는데, 지그재그 경로는 일정한 타각을 우현과 좌현으로 번갈아 반복하면서 선수방위를 제어하여 선박을 조종할 때 나타날 수 있는 선박의 궤적을 의미한다. 아울러, 선수방위 제어성능은 선박이 주어진 항로를 안전하고 경제적으로 추종할 수 있는 중요한 평가지표로서, 선수방위 제어성능이 저하되거나 변하면 선박은 다른 선박과 충돌할 수 있고, 항로를 이탈할 수 있다.
한편, 현재 국내외에서는 레벨2와 레벨3 중간 정도의 자율운항선박을 대상으로 설계가 진행되고 있을 뿐, 아직까지 자율운항선박 형태로 건조된 선박은 전무한 실정이며, 이는 국제규정에 의하면 현재 국제해상운송에 종사하는 모든 선박은 인간(선원)에 의해서 제어해야 하는 것으로 정해져 있기 때문이다. 이에, 자율운항선박의 운항 안전성과 실효성을 확보하기 위한 방안으로 육상원격 제어시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 이러한 육상원격 제어시스템을 통해 자율운항 시스템의 고장 또는 기능의 고장 또는 여하 한의 이유로 인하여 자율운항이 불가능한 경우 이를 대비하기 위함이다. 따라서, 현존하는 모든 선박의 경우에도 육상제어가 필요한데, 그 것은, 선박 간 충돌, 화재, 항로이탈, 음주운항 등 다양한 상황에서 항해사가 선박을 직접 조종할 수 없는 경우가 발생하기 때문이다.
종래 기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1941896호를 통해 ′선박의 자율 운항 제어시스템′이 제안된 바 있으며, 기술적 해결과제로는 조타실 내부에 긴급하게 인원이 존재하지 않게 되는 경우 등의 이벤트 발생 시, 선박을 안정적으로 제어하여, 선박의 제어 불가능 상황에 따른 2차 사고를 방지하고, 또한, 선박에 대한 다양한 이벤트 발생 시 선박 위치의 환경을 파악하여 이를 기반으로 선박의 자율 운항 시스템을 효과적으로 자동 제어함으로써, 조타실 내부에 인원이 존재하지 않더라도 선박을 안전 위치에 위치되도록 하여 선박에 대한 안정성을 높이고자 하는데 있다.
그러나 상기 종래기술에 따른 선박의 자율운항 제어시스템은 선박 자체의 무인화를 위한 시스템에 관한 것으로 운항시 발생할 수 있는 다양한 돌발 변수 발생시 제어사관의 직접적인 개입이 곤란한 폐단이 있었다.
또 다른 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-2042058호를 통해 ′LNG 선박의 운항 실시간 원격 관제 장치 및 방법′이 제안된 바 있으며, 주요한 기술적 구성으로는 ′실시간 원격 관제 기능을 수행하기 위한 명령을 입력받는 입력부와, 선박 정보를 바탕으로 LNG 선박의 운항상태를 표시하는 표시부와, LNG 선박과 통신을 수행하며, LNG 선박으로부터 주기적으로 선박 코드 정보를 포함하는 선박 정보를 수신하는 통신부와, 통신부를 통해 수신된 선박 정보를 저장하는 저장부와, 선박 정보를 수신하면, 선박 코드 별로 분류하여 저장부에 저장하고, 입력부를 통해 어느 하나의 선박을 선택하는 명령이 입력되면, 저장부에 저장된 복수의 선박 정보 중 선택된 선박의 선박 코드 정보를 포함하는 선박 정보를 추출하고, 추출된 선박 정보를 표시부에 표시하는 제어부를 포함하는 구성′을 개시하고 있다.
그러나 상기 종래기술에 따른 엘엔지 선박의 운항 실시간 원격 관제 장치는 단순히 선박의 운항정보에 따른 원격 관제 시스템에 관한 것으로 원격으로 선박에 대한 능동 제어가 곤란함에 따라 이 역시 다양한 돌발 상황 발생시 신속한 대처가 곤란한 문제점이 있다.
또 다른 종래기술로는 대한민국 공개특허 제10-2018-0045440호를 통해 ′다중 통신 환경을 이용한 선박의 원격 모니터링 및 최적 운항 지원 시스템′이 제안된 바 있으나, 선박의 운항정보와 일기정보 등을 기초로 최적의 항로를 설정하고 이를 선박에 제공하기 위한 운항 지원시스템에 관한 것으로, 선박의 자율운항이 불가하고, 또한 선박의 운항시 발생할 수 있는 다양한 돌발 상황에 따른 능동제어가 불가능한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1937439호를 통해 ′자율 운항 선박 및 그 외 선박의 충돌 회피를 위한 대체 항로 생성과 타각 조절 지원 시스템′이 제안된 바 있다.
그러나, 상기 종래 기술에 따른 자율 운항 선박 및 그 외 선박의 충돌 회피를 위한 대체 항로 생성과 타각 조절 지원 시스템에서 자율운항선박은 충돌 회피 변침점을 추가한 항해 경로에 의해 자동항해를 수행하는 구성이어서 예상치 못한 충돌 위험성에 대한 신속하고 능동적인 대처가 곤란하고 특히 완전 무인화된 자율운항선박의 경우 수동개입이 곤란함에 따라 안정성이 담보되지 않은 폐단이 있었다.
한편, 레벨 2와 레벨 3 사이의 자율운항선박에 요구되는 기술은 원격제어인데, 이 원격제어는 통신망을 이용하여 자율운항선박 이외의 다른 장소에서 그리고 원격제어자(remote operator)에 의해서 자율운항선박를 안전하게 조종하는 것이다. 이를 위해서는 IMO에서 규정한 선수방위 제어성능이 준수될 것이 요구되며, 이러한 선수방위 제어성능이 저하되거나 변하면 선박은 다른 선박과 충돌할 수 있고, 항로를 이탈할 수 있다.
즉, 자율운항선박(MASS)의 원격제어에서, 선수방위 제어성능은 제어지연에 의해서 저하될 수 있으며, 이러한 제어지연은 다양한 환경(통신 네트워크의 고장과 지연, 제어 시스템의 신호처리 지연, 원격제어자에 의한 의사결정 지연 등)에 의해서 발생할 수 있는 것으로 알려져 있으므로 제어지연이 선수방위 제어성능에 미치는 영향의 분석과 평가방법이 필요하다.
특히, 자율운항선박의 원격제어에서, 선수방위 제어성능은 제어지연에 의해서 저하될 수 있는데, 선수방위 제어성능은 운항 안전성에 직접적인 영향을 미치는 요소이므로 이에 과학적이고 정량적으로 제어지연에 의한 선수방위 제어성능에 미치는 영향의 분석과 평가 방법에 연구가 시급한 실정이다.
등록특허공보 제10-1941896호(2019.01.18.) 등록특허공보 제10-2042058호(2019.11.01.) 등록특허공보 제10-2000155호(2019.07.09.) 공개특허공보 제10-2018-0045440호(2018.05.04.) 등록특허 제10-1937439호(2019.01.04.) 등록특허 제10-1937443호(2019.01.04.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자율운항선박에 관한 선수방위 제어성능의 저하를 평가하고 예측하여 안전하고 경제적인 운항에 기여할 수 있는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 제공하는데 있다.
특히, 본 발명은 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용하여 제어지연에 의한 선수방위 제어성능의 저하에 따른 평가를 시각적 및 정량적으로 분석 및 평가할 수 있도록 함과 아울러 제어변수의 변동을 시각적으로 분석, 제어지연에 의한 지그재그 경로를 시각적으로 분석, 제어지연에 의한 지그재그 경로의 범위를 부채꼴 형상이 이용되어 시각적으로 평가, 제어지연에 의한 지그재그 경로의 범위를 정량적으로 평가하는 방법에 의한 것으로 이루어진 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 제공하는데 있다.
즉, 본 발명은 국제해사기구에서 규정된 선수방위 제어성능의 테스트 방법(Turning Test, Zig-Zag Test, Spiral Test) 중 타에 의해 제어되는 선수방위의 편차를 측정하기 위한 Zig-Zag Test를 이용한 것으로, 일정 타각을 우현과 좌현으로 번갈아 반복할 때 선수방위 제어의 안전성을 평가할 수 있도록 Zig-Zag Test에 의해 측정될 수 있는 지그재그 경로가 이용되어 제어지연에 의한 선수방위 제어성능을 평가하고, 또한, 지그재그 경로는 선박조종 시뮬레이터가 이용되어 획득하고, 지그재그 경로는 세 종류의 선박이 이용되어 서로 측정된 후 제어지연에 의한 영향이 비교 평가하는 것을 통해 정량적이고 과학적인 결과물 도출이 가능한 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시례에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법은, 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계; 본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 획득하는 단계;제어지연에 따른 지그재그 경로의 추정 단계; 지그재그 경로 데이터(
Figure 112022003431379-pat00001
)를 이용하여 지그재그 정점 사이의 범위(ZZA)를 경도 차이와 위도 차이의 쌍(Δx, Δy)을 이용한 하기 수식 1을 이용하여 도출하는 단계; 지그재그 경로 데이터(
Figure 112022003431379-pat00002
)를 이용하여 충돌회피가 요구되는 지그재그 범위의 평균거리(
Figure 112022003431379-pat00003
)를 하기 수식 2로 도출하고,평균방위(
Figure 112022003431379-pat00004
)는 수식 3으로 도출하는 단계:로 구성된 것을 그 특징으로 한다.
[수식 1]
Figure 112022003431379-pat00005
,
여기서,
Figure 112022003431379-pat00006
와
Figure 112022003431379-pat00007
은 시간 t와 시간 t+1 사이의 지그재그 경로의 분 단위 경도차를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00008
와
Figure 112022003431379-pat00009
는 시간 t와 시간 t+1 사이의 지그재그 경로의 분 단위 위도차를 나타냄,
[수식 2]
Figure 112022003431379-pat00010
,
여기서,
Figure 112022003431379-pat00011
는 지그재그 범위의 평균거리이고,
Figure 112022003431379-pat00012
와
Figure 112022003431379-pat00013
은 미터 단위로 변환된 본선 초기위치를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00014
,
Figure 112022003431379-pat00015
은 미터 단위로 변환된 지그재그 경로의 평균위치를 나타낸 것임.
[수식 3]
Figure 112022003431379-pat00016
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계에 있어서, 상기 본선과 타선의 정보에서 정보는,
지피에스(Global Positioning System) 또는 레이더(Radar)를 이용하여 획득한 본선의 위치와; 지피에스에서 제공하는 그리니치 평균시(Greenwich Mean Time, GMT)을 통해 획득한 시간과; 스피드로그(Speed Log)를 이용하여 획득한 본선의 속도와; 자이로컴퍼스(Gyrocompass)로 획득한 본선의 방위와; 타각지시장치(Rudder Indicator)를 통해서 획득한 본선의 타각과; 원격제어 시작시간과 본선제어 시작시간 사이의 차이를 이용하여 획득한 제어지연시간 정보 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 이루어진 것에 있다.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계에 있어서, 상기 타선의 정보는 시간, 방위, 속력, 위치 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 이루어지며 본선에 설치되어 있는 자동위치식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 통해 획득되는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 획득하는 단계에서, 상기 지그재그 경로 데이터는, Zig-Zag 10°- 10° Test: 본선 속력 10 노트(kt)에서, 타를 우현(Stb'd) 10°로 주고 선수방위가 10°가 될 때 타를 좌현(Port) 10°로 주고, 350°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 10°로 주는 절차를 반복하여 측정하거나;, 또는 Zig-Zag 20°- 20° Test: 본선 속력 10 노트에서, 타를 우현(Stb'd) 20°로 주고 선수방위가 20°가 될 때 타를 좌현(Port) 20°로 주고, 340°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 20°로 주는 절차를 반복하여 측정하거나;, 또는 Zig-Zag 35°- 35° Test: 본선 속력 10 노트에서, 타를 우현(Stb'd) 35°로 주고 선수방위가 35°가 될 때 타를 좌현(Port) 35°로 주고, 325°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 35°로 주는 절차를 반복하여 측정하는 방법 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 이루어지는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 제어지연에 따른 지그재그 경로의 추정 단계는 상기 본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 이용하여 3종 러더 각도(10°, 20°, 35°)와 4종 제어지연(0초, 30초, 60초, 90초)의 조합으로 구성된 하기 수식 4를 이용하여 추정하는 과정을 더 포함하여 구성되는 것에 있다.
[수식 4]
Figure 112022003431379-pat00017
,
여기서,
Figure 112022003431379-pat00018
는
Figure 112022003431379-pat00019
의 벡터 데이터를 나타낸 것으로,
Figure 112022003431379-pat00020
은 3종의 지그재그 러더 각도(10°, 20°, 35°) 인덱스를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00021
은 4종의 제어지연시간(0초, 30초, 60초, 90초) 인덱스를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00022
(
Figure 112022003431379-pat00023
는 측정에 걸린 최종 시간)는 측정 시간의 인덱스를 나타낸 것임.
본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법은, 실제 선박에서의 제어지연 현상 발생시 자율운항선박의 항로이탈을 방지하고, 다른 선박과의 충돌을 예방하여 자율운항선박의 안전항해를 확보할 수 있고, 제어지연에 의해 발생할 수 있는 충돌회피를 국제해사기구(IMO)의 COLREGs에 명시된 충돌회피 규정에 의거하여 구현할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 또한 제어지연에 의한 충돌 위치와 시간을 예측할 수 있는 자율운항선박의 원격제어 시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.
또한, 현재 적용되고 있는 국제해상충돌규칙을 준용하여 적용될 수 있음에 따라 새로운 규정의 도입 없이도 현재 운항 중인 선박을 자율운항선박으로 개조하거나 또는 향후 자율운항선박으로 규정된 선박에 대해서 적용하여 운용이 가능하므로 기술의 적용 자유도가 높은 이점이 기대된다.
또한, 자율운항선박의 충돌로 인한 심각한 손상과 그에 따른 환경오염과 경제적인 손실을 방지할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명에 의한 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 도시화한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 선수방위 제어성능의 분석과 평가 절차를 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 A; 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 A; 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 5는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 A; 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 6은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 B; 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 7은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 B; 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 8은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어 변수 분석 결과(선박 B; 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 9는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 C; 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 10a는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 C; 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 10b는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 제어변수 분석 결과(선박 C; 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 11은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 A, 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 12는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 A, 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 13은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 A, 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 14는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 B, 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 15는 본 발명에 의한제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 B, 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 16은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 B, 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 17은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 C, 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 18은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 C, 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 19는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 분석 결과(선박 C, 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 20은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 A, 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 21은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 A, 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 22는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 A, 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 23은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 평가 결과(선박 A)를 나타낸 모식도,
도 24는 본 발명에 의한 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 관계의 평가 결과(선박 A)를 나타낸 모식도,
도 25는 본 발명에 의한제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 B, 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 26은 본 발명에 의한제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 B, 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 27은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 B, 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 28은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 평가 결과(선박 B)를 나타낸 모식도,
도 29는 본 발명에 의한 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 관계의 평가 결과(선박 B)를 나타낸 모식도,
도 30은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 C, 타각 10도)를 나타낸 모식도,
도 31은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 C, 타각 20도)를 나타낸 모식도,
도 32는 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 평가 결과(선박 C, 타각 35도)를 나타낸 모식도,
도 33은 본 발명에 의한 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 평가 결과(선박 C)를 나타낸 모식도,
도 34는 본 발명에 의한 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 관계의 평가 결과(선박 C)를 나타낸 모식도.
도 35는 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법의 구성을 설명하기 위한 블록도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1 내지 도 35는 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 설명하기 위한 도면으로서 본 발명의 주요한 기술적 특징은 다음과 같다.
1) 운항 중인 본 선박의 정보 획득(선박의 크기, 종류, 속도, 제어지연시간 등) 및 상대 선박의 가상정보 추정반영 또는 실제 상대 선박의 정보획득(선박의 위치, 속도, 크기, 거리, 타각 등의 정보) 과정
2) 본 선박의 지그재그 경로에 따른 경로데이터 획득과정
3) 제어지연 시간(일례, 1초~60초) 간격마다 변하는 선박의 타각, 선수방위, 선회비율, 선박의 속력 변화에 따른 선박의 추정경로 획득과정,
4) 제어지연에 의하여 변할 수 있는 지그재그 경로의 두 요소인 경로의 정점과 정점 사이의 거리를 시각적으로 분석하기 위한 지그재그 경로 가시화 과정,
5) 지그재그 평균범위의 거리와 평균 범위의 방위를 계산하고, 충돌회피를 위한 제어시간을 산출하는 과정을 포함한다.
특히, 본 발명은 본선의 평균 지그재그 경로의 범위 추정이 목적임으로 가상 상대 선박에 대한 변수 추정을 필요로 하지 않는다.
한편, 본 발명에서 선수방위 제어성능 평가개념을 설명하면, 선수방위 제어성능(heading control performance)은 국제해사기구(IMO)에서 규정한 국제표준에 의거하여 지그재그(Zig-Zag) 경로가 이용되어 평가되며, 국제표준에 의하면 주어진 타각에 대해서 설계된 지그재그 경로의 위치와 정점(overshoot)은 일정하게 유지되어야 하고, 지그재그 경로의 변화 범위와 정점 위치가 변하면 원격제어자는 선박의 위치 추정에 실패하여 다른 선박과 충돌하거나 항로를 벗어나게 되므로 설계된 지그재그 경로의 위치와 정점은 환경이 변하더라도 일정하게 유지되어야 한다. 그러나 제어지연에 의해서 지그재그 경로의 위치와 정점은 달라질 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법의 구성을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 35에 나타낸 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법의 구성을 설명하기 위한 블록도를 참조하여 기술의 개요를 정리하면 다음과 같다.
단계 1(Step 1)은 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계이다.
본선의 위치는 지피에스(Global Positioning System) 또는 레이더(Radar)를 이용하여 획득하고, 시간은 지피에스에서 제공하는 그리니치평균시(Greenwich Mean Time, GMT)를 이용한다. 본선의 속력은 스피드로그(Speed Log)를 이용하여 획득하고, 본선의 방위는 자이로컴퍼스(Gyrocompass)를 이용하여 획득한다. 아울러 타각 정보는 타각지시장치(Rudder Indicator)를 통해서 획득한다. 제어지연(시간)은 원격제어 시작시간과 본선제어 시작시간 사이의 차이를 이용하여 획득하는데, 본 발명에서는 별도의 장치를 이용하여 제어지연(시간)을 측정할 수 있는 것으로 가정한다.
한편, 타선의 다양한 정보(시간, 방위, 속력, 위치)는 본선에 설치되어 있는 자동위치식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 이용하여 획득한다.
단계 2(Step 2)는 본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 획득하는 단계이다.
지그재그 경로 데이터는 선박조종시뮬레이터 또는 수치시뮬레이션을 이용하여 획득할 수 있다. 본 발명에서는 선박조종시뮬레이터를 이용하여 획득하였다. 획득 방법은 국제해사기구(IMO)에 규정된 지그재그 테스트 성능표준을 적용하였는데, 이 방법은 일정한 타각(예를 들어, 10도, 20도, 35도 등)을 타의 좌측과 우측으로 번갈아 주고 이때 변화되는 본선 경로를 측정하는 것이다. 본 발명에서는 다음의 세 가지 테스트를 이용하여 지그재그 경로를 획득하였다.
1) Zig-Zag 10°- 10° Test: 본선 속력 10 노트(kt)에서, 타를 우현(Stb'd) 10°로 주고 선수방위가 10°가 될 때 타를 좌현(Port) 10°로 주고, 350°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 10°로 주는 절차를 반복하여 측정
2) Zig-Zag 20°- 20° Test: 본선 속력 10 노트에서, 타를 우현(Stb'd) 20°로 주고 선수방위가 20°가 될 때 타를 좌현(Port) 20°로 주고, 340°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 20°로 주는 절차를 반복하여 측정
3) Zig-Zag 35°- 35° Test: 본선 속력 10 노트에서, 타를 우현(Stb'd) 35°로 주고 선수방위가 35°가 될 때 타를 좌현(Port) 35°로 주고, 325°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 35°로 주는 절차를 반복하여 측정
상기 지그재그 경로 데이터 획득을 위한 알고리듬은 다음과 같다.
Step 1 : 지그재그 테스트에 적용할 좌현과 우현 타각을 설정한다.
Set Stb'd Zig-Zag Rudder Angle; S_Rudder_Angle(우현 타각)
Set Port Zig-Zag Rudder Angle; P_Rudder_Angle(좌현 타각)
Step 2 : 지그재그 테스트에 적용할 좌현과 우현 선수방위를 설정한다.
Set Stb'd side Heading; S_Heading(우현 측 방위)
Set Port side Heading; P_Heading(좌현 측 방위)
Step 3 : 현재 본선의 위치와 선수방위, 타각, 선회율(ROT), 속력 등을 본선의 다양한 항해장비에서 획득한다.
Get Position of Own ship; PSN(Latitude, Longitude)
Get Current Heading of Own ship; Current_Heading
Get Current ROT of Own Ship ; Order_Rudder_Angle
Get Current Speed of Own Ship ; SPD
Get Current Rate of Turn(ROT) of Own Ship ; ROT
Step 4 : 초기 명령 타각을 설정한다.
Set Ordered Rudder Angle; Order_Rudder_Angle
Order_Rudder_Angle = S_Rudder_Angle;
Step 5 : IMO의 표준성능 규정에 의거하여 지그재그 테스트를 시간 t=1에서 t=T(T는 테스트 종료될 때까지의 시간)까지 실행하는데, 3종 러더각도(10°, 20°, 35°) 그리고 4 종의 지연 시간(0초, 30초, 60초, 90초)의 조합 각각에 대해서 실행한다. 이러한 지연시간은 시간 t에서의 명령타각을 지연시간(시간 t + 지연시간 Del)만큼 지연시키도록 작용한다.
for Del = 1 : 4
if Del == 1 ; Del_time = 0; end
if Del == 2 ; Del_time = 30; end
if Del == 3 ; Del_time = 60; end
if Del == 4 ; Del_time = 90; end
for RA = 1 : 3
if RA == 1 ; Rudder_Angle = 10; end
if RA == 2 ; Rudder_Angle = 20; end
if RA == 3 ; Rudder_Angle = 35; end
for t = 1 : T
if Current_Heading(t) == S_Heading, then,
Order_Rudder_Angle(t + Del_time) = P_Rudder_Angle ; end
Wait Current_Heading(t) == P_Heading ;
if Current_Heading(t) == P_Heading, then,
Order_Rudder_Angle(t + Del_time) = S_Rudder_Angle ; end
Wait Current_Heading == S_Heading ;
if Current_Heading(t) == S_Rudder_Angle, then,
Order_Rudder_Angle(t + Del_time) = P_Rudder_Angle ; end
end
end
end
Step 6 : 상기 지그재그 테스트에서 시간(t)경과에 따라 발생한 본선 지그재그 경로의 위치와 선수방위 데이터 등을 획득한다.
시간 t에서 지그재그 경로 위치 데이터 ; PSN(Latitude, Longitude, t)
시간 t에서 선수방위 데이터 ; Current_Heading(t)
시간 t에서 러더 각도 데이터 ; Order_Rudder_Angle(t)
시간 t에서 선회율(ROT) 데이터 ; ROT(t)
시간 t에서 속력 데이터 ; SPD(t)
단계 3(Step 3)은 제어지연에 따른 지그재그 경로의 추정 단계이다. 지그재그 경로는 상기 단계 2에서 획득된 시계열 데이터를 이용하여 3종 러더 각도(10°, 20°, 35°)와 4종 제어지연(0초, 30초, 60초, 90초)의 조합으로 구성된 다음 형태의 벡터 데이터로 추정하였다.
Figure 112022003431379-pat00024
,
여기서,
Figure 112022003431379-pat00025
는
Figure 112022003431379-pat00026
의 벡터 데이터를 나타낸 것으로,
Figure 112022003431379-pat00027
은 3종의 지그재그 러더 각도(10°, 20°, 35°) 인덱스를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00028
은 4종의 제어지연시간(0초, 30초, 60초, 90초) 인덱스를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00029
(
Figure 112022003431379-pat00030
는 측정에 걸린 최종 시간)는 측정 시간의 인덱스를 나타낸다.
단계 4(Step 4)는 지그재그 경로 데이터(
Figure 112022003431379-pat00031
)를 이용하여 지그재그 정점 사이의 범위(ZZA)를 가시화하는 단계이다.
지그재그 범위의 경로 가시화는 경도 차이와 위도 차이의 쌍(Δx, Δy)을 이용하여 구현하였다. 계산식은 아래의 수식 1과 같다.
[수식 1]
Figure 112022003431379-pat00032
,
여기서,
Figure 112022003431379-pat00033
와
Figure 112022003431379-pat00034
은 시간 t와 시간 t+1 사이의 지그재그 경로의 분 단위 경도차를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00035
와
Figure 112022003431379-pat00036
는 시간 t와 시간 t+1 사이의 지그재그 경로의 분 단위 위도차를 나타낸다.
단계 5(Step 5)는 지그재그 경로 데이터(
Figure 112022003431379-pat00037
)를 이용하여 충돌회피가 요구되는 지그재그 범위의 평균거리와 평균방위를 도출하는 단계이다.
지그재그 범위의 평균거리(Lzz 또는
Figure 112022003431379-pat00038
)는 본선 초기위치와 지그재그 경로의 평균위치를 이용하여 하기의 수식 2로 구하였다.
[수식 2]
Figure 112022003431379-pat00039
,
여기서,
Figure 112022003431379-pat00040
와
Figure 112022003431379-pat00041
은 미터 단위로 변환된 본선 초기위치를 나타내고,
Figure 112022003431379-pat00042
,
Figure 112022003431379-pat00043
은 미터 단위로 변환된 지그재그 경로의 평균위치를 나타낸다.
아울러, 지그재그 범위의 평균방위(Azz 또는
Figure 112022003431379-pat00044
)는 본선의 초기위치와 지그재그 경로의 평균위치를 이용하여 하기의 수식 3으로 구하였다.
[수식 3]
Figure 112022003431379-pat00045
상기 수식 2의 지그재그 범위의 평균거리(
Figure 112022003431379-pat00046
)와 수식 3의 평균방위(
Figure 112022003431379-pat00047
)의 조합(
Figure 112022003431379-pat00048
,
Figure 112022003431379-pat00049
)을 이용하면 본선이 다른 선박과의 충돌을 회피하기 위한 가시적인 범위 또는 평균적인 범위를 도출할 수 있다. 그 이유는 방위와 거리의 조합을 이용하면 위치를 결정할 수 있기 때문이다.
그래서 본 발명에서 제안한 방법을 이용하면 제어지연 시 충돌회피가 필요한 본선 선수방위의 가시적인 범위와 평균범위를 도출하여 충돌회피에 적용할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 앞서 설명한 본 발명의 주요한 기술적 특징을 이용한 실시 구성을 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 평가 개념을 나타낸 것으로, 도면을 참조하여 설명하면, 본 발명 개념의 핵심은 제어지연에 의해 변화될 수 있는 지그재그 경로를 이용하는 것으로, 지그재그 형태의 청색 실선(ZZP)은 선박이 지그재그로 조종되는 경우 발생되는 경로를 나타낸 것이다.
지그재그 경로의 좌우 범위는 주어진 타각에 의존하고, 지그재그 경로의 정점은 타각을 변경하기 시작한 위치에 의해서 결정되며, 제어지연이 발생하면 지그재그 경로의 정점 위치는 달라질 수 있다. 본 발명은 이러한 제어지연에 의해서 지그재그 경로의 정점 위치가 변동할 수 있음에 착안된 것이다.
본 발명에서 제안된 분석과 평가방법은 크게 세 가지 분석지표와, 세 가지평가지표가 이용되는 것을 제안한다.
1) 분석지표1: 네 가지 제어변수(타각, 선수방위, 선회의 비율, 속력)
분석방법 : 네 가지 제어변수의 제어지연에 의한 변화 양상을 통해서, 제어지연이 제어변수에 미치는 영향을 시각적으로 분석한다.
2) 분석지표 2: 지그재그 경로의 위치와 크기
분석방법: 제어지연이 지그재그 경로의 위치와 크기에 미치는 영향을 시각적으로 분석한다.
3) 분석지표 3: 지그재그 범위(ZZA)의 크기와 형상
분석방법: 제어지연이 지그재그 범위에 미치는 영향을 시각적으로 분석한다. 이 것을 통해서 지그재그 경로의 안정성이 파악된다.
4) 평가지표 1: 선박초기위치와 가상중심점까지의 거리(Lzz)
평가방법: 제어지연에 따른 거리(Lzz)을 계산하여, 제어지연이 지그재그 경로의 평균 이동 범위의 거리에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다.
5) 평가지표 2: 선박초기위치와 가상중심점까지의 방위(Azz)
평가방법: 제어지연에 따른 방위(Azz)을 계산하여, 제어지연이 지그재그 경로의 평균 이동 범위의 방위에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다.
6) 평가지표 3: Lzz 와 Azz 사이의 비례관계
평가방법: 제어지연에 따른 Lzz 와 Azz 사이의 비례관계를 계산하여, 제어지연이 지그재그 범위에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다.
이하, 도 2에 나타낸 선수방위 제어성능의 분석과 평가 절차를 나타낸 도면을 참조하여 설명한다.
Step 1 : 지그재그 경로 데이터 획득
지그재그 경로 데이터 획득 방법에는 다음의 세 가지 방법을 제안한다.
1) 실제 선박의 지그재그 경로 측정에 의한 획득 방법,
2) 선박 모델이 이용된 수치 시뮬레이션에 의한 획득 방법,
3) 선박조종 시뮬레이터가 이용된 획득 방법.
덧붙여, 본 발명에서 의미하는 지그재그 경로 데이터는 위의 세 방법을 포함한 모든 방법이 이용되어 획득될 수 있는 데이터를 의미한다.
본 발명은 바람직한 실시례로서 지그재그 경로 데이터는 선박조종 시뮬레이터에 의해서 획득된 것을 이용하는 것을 제안하며, 이 시뮬레이션의 조건은 다음과 같이 3종의 선박과 4종의 제어지연시간 그리고 3종의 타각이 이용되었으며, 따라서 총 36종(3X4X3)의 지그재그 경로 데이터가 획득되었다.
먼저, 3종의 선박은 선박 종류와 크기에 따른 제어지연의 효과를 비교하기 위한 것이고, 4종의 제어지연과 3종의 타각은 제어지연에 의한 선수방위 제어성능의 영향을 분석 및 평가하기 위한 것이다.
상기 3종의 선박은 다음과 같다
A, 컨테이너 선박(LOA, 347.0 m, 폭 42.8 m); (이하, '선박 A'라 함)
B, 컨테이너 선박(LOA, 149.1m, 폭 22.5 m); (이하, '선박 B'라 함)
C, 실습선(LOA 133.0 m, 폭 19.4 m)(이하, '선박 C'라 함)
상기 4종의 제어지연(초)는 0초(지연 없음을 의미), 30초, 60초, 90초로 설정하였다.
상기 3종의 타각(도)는 10도, 20도, 35도로 설정하였다.
Step 2. 제어변수 가시화
제어변수 가시화는 제어지연에 의하여 변하는 네 요소(타각, 선수방위, 선회비율, 선박의 속력)의 변화 양상을 시각적으로 분석하기 위한 것이다. 이 분석은 제어지연에 의한 제어변수들의 다양한 변화를 시각적으로 비교하기 위한 것이고, 아울러, 제어지연에 의해서 지그재그 경로가 변하는 이유를 설명하기 위한 것이다.
Step 3: 지그재그 경로 가시화
지그재그 경로 가시화는 제어지연에 의하여 변할 수 있는 지그재그 경로의 두 요소(경로의 정점과 정점 사이의 거리)를 시각적으로 분석하기 위한 것이다. 이 분석은 제어지연에 의해서 발생할 수 있는 다양한 형태의 지그재그 경로를 시각적으로 비교하기 위한 것이고, 아울러, 지그재그 경로의 정량적 평가결과의 타당성을 검증하기 위한 것이다.
Step 4: 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 계산
지그재그 평균 범위의 거리와 방위는 제어지연에 의한 지그재그 경로의 변화를 평가위한 지표이다. 이 것의 거리는 제어지연에 따른 지그재그 경로의 이동 크기를 정량적으로 평가하기 위한 것이고, 이 것의 방위는 제어지연에 따른 지그재그 경로의 이동 방향을 정량적으로 평가하기 위한 것이다. 이 둘 지표는 본 발명에서 제안하는 방법을 평가하기 위한 핵심 평가지표이다.
이하, 도 3 및 도 4 그리고 도 5를 참조하여 선박 A(컨테이너 선박, LOA, 347.0 m, 폭 42.8 m)의 제어변수 분석결과를 설명하기로 한다.
도 3, 4, 5는 세 가지 타각 즉, 10도, 20도, 35도에 의해 지그재그 조종이 실시될 때 측정한 제어변수의 분석결과를 나타낸 것으로, 도 3을 예로 들어 설명한다.
도 3에서 좌측 상단의 도면은 선박에 준 명령 타각(도)과 제어지연에 의한 응답 타각(도)을 나타낸 것이고, 우측 상단의 도면은 제어지연에 따른 선수방위(도) 변화를 나타낸 것이며, 좌측 하단 박스 도면은 제어지연에 따른 선회비율(Rate Of Turn, ROT)의 변화를 나타낸 것으로, ROT는 1분 당 선회각도(도/분)를 나타낸다. 4) 우측 하단 박스 도는 제어지연에 따른 선박의 속력(선속) 변화를 나타낸다. 아울러, 각 박스 도면에는 네 종류의 선들이 보이는데, 이 것은 지연시간 0초, 30초, 60초, 90초 등을 구분하기 위한 것으로, 각 선들의 의미는 우측 하단 도면에 대표적으로 나타냈다.
도 3부터 도 5까지의 분석 결과를 종합하면 다음과 같다.
첫째, 제어지연에 따라서 명령 타각과 응답 타각 사이에는 일정 비율로 지연이 발생되는 경향을 확인할 수 있다.
둘째, 선수방위는 제어지연에 따라 일정 비율로 지연됨을 확인할 수 있는데, 복잡한 형태로 나타남을 볼 수 있다.
셋째, ROT 는 제어지연에 따라 일정 비율로 지연되면서 비선형적으로 나타남을 확인할 수 있다.
넷째, 선속은 제어지연에 따라 일정 비율로 지연되면서 감소하는 경향을 볼 수 있다. 여기서, 선속은 선박 선회에 따른 타의 저항 증가로 인하여 감소된다. 모든 도면에서 선속이 감소됨을 볼 수 있다. 위의 분석 결과를 통해, 제어지연이 제어변수에 미치는 영향을 확인할 수 있는데, 이 것은 분석대상 지그재그 경로의 유효성 평가의 기초가 된다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 선박 B(컨테이너 선박, LOA, 149.1m, 폭 22.5 m)의 제어변수 분석결과를 설명하기로 한다.
도 6, 도 7, 도 8은 3종 타각(10도, 20도, 35도)에 대한 선박 B의 제어변수 분석 결과를 나타낸 것이며, 앞서 설명한 선박 A와 동일하다.
선박 B에서, 선박 A와 마찬가지로 제어지연에 따른 제어변수들의 변화를 볼 수 있다. 아울러, 선박 B의 제어변수 변동 경향과 선박 A의 제어변수 변동 경향은 서로 다르게 나타난다. 특히, 선박 B의 선속은 선박 A의 선속과 다르게 나타났다. 이러한 다름은 선종에 따른 수리역학 운동의 다름에 기인된 것이다.
이하, 도 9 내지 도 10b을 참조하여, 선박 C(실습선, LOA 133.0 m, 폭 19.4 m)의 제어변수 분석결과를 설명하기로 한다. 도 9 및 도 10a 및 도 10b는 각각 타각 10도, 20도, 35도에 대한 선박 C의 제어변수 분석 결과를 나타낸 것으로, 세 도면의 설명은 앞서 설명한 선박 A와 동일하다.
선박 C의 경우에도 선박 A와 다른 제어변수들의 변화 경향을 나타낸다. 특히, 선박 C의 선속은 선박 A의 선속과 달리, 증가와 감소 경향이 다르게 나타났다. 이러한 다름은 선종에 따른 수리역학 운동의 다름에 기인된 것이다.
요약하면, 선박 A(LOA, 347 m)는 선박 B(LOA, 149.1 m) 그리고 선박 C(LOA, 133.0 m)와 비교하여 크고, 선박 B와 선박 C는 LOA가 유사하지만 서로 다른 형태의 선박종류이다. 위의 분석 결과, 세 선박들의 제어변수는 제어지연에 따라 서로 다르게 나타남이 확인되었다. 그 결과, 제어지연은 제어변수에 영향을 미치는 것으로 검증되었다.
이하, 상기 선박 A,선박 B, 선박 C의 지그재그 경로분석을 설명하기로 한다.
먼저, 선박 A의 지그재그 경로는 도 11 및 도 12 및 도 13을 살펴보면, 4종의 제어지연(0초, 30초, 60초, 90초)에 따른 지그재그 경로의 시각화 결과를 나타낸 것으로, 도 11, 도 12, 도 13은 타각 10도, 타각 20도, 타각 35도 각각에 대한 시각화 결과를 나타낸다.
도 11을 예로 들어 설명하면, x-축과 y-축은 위도(Latitude)와 경도(Longitude)를 나타낸 것으로, 동경 128도와 북위 34도는 실험대상 해역을 나타낸다. 도면의 좌측 하단에 나타낸 흰색 작은 원은 선박의 초기 출발위치를 나타낸다. 선박의 초기 선수방위는 0도(즉, 지면의 위로 향하는 방향)이다. 네 개의 서로 다른 선들은 4종의 제어지연을 나타낸다. 초기 출발위치에서 이동한 선박은 제어지연에 해당하는 시간동안 제어되지 못하고, 아울러, 타각이 우현에서 좌현 또는 좌현에서 우현으로 변하는 경우에도 제어지연에 해당하는 시간동안 타각 역시 지연되어 적용된다. 지그재그 조종 결과는 선박 위치의 궤적으로 나타나는데, 이 궤적은 일정한 범위를 갖는 'S' 형태의 곡선으로 나타나고, 이러한 곡선을 '지그재그 곡선'이라 부른다.
상기 도 11 내지 도 13에 나타난 지그재그 곡선의 분석결과는 다음과 같다.
첫째. 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 정점 위치는 현저한 차이를 보인다.
둘째. 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 범위는 현저한 차이를 보인다.
셋째. 타각 10도(도 11)과, 타각 20도(도 12) 그리고 타각 30도(도 13)에서, 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 정점과 범위는 모두 현저한 차이를 보인다.
위의 결과를 요약하면, 1) 제어지연에 의해서 지그재그 곡선의 정점 위치는 변한다. 2) 제어지연에 의해서 지그재그 곡선의 범위는 변한다. 3) 지그재그 곡선의 정점과 범위는 타각에 의해서 변한다. 따라서 지그재그 곡선의 정점과 범위는 제어지연과 타각에 의존하여 변하는 것이 확인되었다.
선박 B의 지그재그 경로를 도 14 및 도 15 및 도 16을 참조하여 설명한다.
도면에는 선박 B의 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 시각화 결과를 나타낸 것으로, 앞서 설명한 선박 A와 동일하다. 선박 B의 경우에도 선박 A에서 설명된 것과 동일한 결과가 나타남이 확인되었다.
선박 C의 지그재그 경로를 도 17 및 도 18 및 도 19를 참조하여 설명한다.
도 17 내지 도 19는 선박 C의 제어지연에 따른 지그재그 곡선의 시각화 결과를 나타낸 것으로, 세 도면의 설명은 선박 A의 그림들과 동일하다. 선박 C의 경우에도 선박 A또는 선박 B에 설명된 것과 동일한 결과가 나타남이 확인되었다.
이상의 선박 A, 선박 B, 선박 C에서 관측된 지그재그 경로를 시각적으로 분석한 결과는 다음과 같이 요약되었다.
첫째, 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 커질수록 지그재그 경로는 점차 복잡한 형태로 나타났다.
둘째, 지그재그 경로는 선박의 종류와 크기에 따라 서로 다르게 형성된다.
셋째, 지그재그 경로의 정점과 범위는 제어지연과 타각에 의존하여 변한다.
그래서 본 발명에서 제안된 지그재그 경로의 시각적 분석방법은, 제어지연과 타각 증가에 따른 경로의 혼잡한 정도를 유효하게 분석할 수 있음이 확인되었다.
이하, 선박 A, 선박 B, 선박 C의 지그재그 범위 평가를 설명하기로 한다.
먼저, 선박 A의 지그재그 범위를 도 20 내지 도 22를 참조하면, 4종의 제어지연(0초, 30초, 60초, 90초)에 따른 지그재그 범위의 시각화 결과를 나타낸 것으로, 도 20, 도 21, 도 22는 타각 10도, 타각 20도, 타각 35도 각각에 대한 시각화 결과를 나타낸다.
도 20 내지 도 22를 대표하여 도 20을 예로 들어 설명하면, X-축과 y-축은 분 단위로 나타낸 경도 차이(Δx) 와 위도 차이(Δy)을 각각 나타낸다. 이 차이들은 대단히 작기 때문에 10000을 곱하여 나타낸 것이다. 여기서 위도와 경도의 차이는 선박의 초기 위치와 지그재그 경로의 평균 위치 사이의 차이가 계산된 것이다. 이 도에서 좌표 중심(0,0)은 선박의 초기 위치를 나타낸다.
지그재그 범위는 좌표 중심(0,0)으로부터 마치 부채꼴과 유사한 형태로 나타났는데, 이러한 형태는 'S' 형태의 지그재그 곡선이 사인파의 형태로 나타남에 기인된 것이다. 제어지연의 증가에 따라서 부채꼴의 범위가 증가될 뿐만 아니라 마치 닭 벼슬과 유사한 형태의 또 다른 범위가 증가됨이 보인다. 이러한 닭 벼슬과 유사한 형태의 범위는 지그재그 곡선이 복잡하게 변할수록 증가하는 것으로 보인다. 그래서 지그재그 범위를 이용한 평가 방법은 지그재그 곡선의 복잡한 정도를 효과적으로 평가할 수 있음이 확인되었다. 평가 결과는 다음과 같다.
첫째. 제어지연이 증가할수록 지그재그 범위는 증가할 뿐만 아니라 마치 닭 벼슬과 유사한 형태의 범위 역시 증가한다.
둘째. 지그재그 범위는 타각이 증가할수록 증가한다.
위의 평가결과, 제어지연의 증가에 따라 복잡하게 형성되는 지그재그 경로는 지그재그 범위가 이용되어 효과적으로 평가될 수 있는 것으로 나타났다. 아울러, 지그재그 범위는 제어지연 증가와타각 증가에 따라서 증가되는 것으로 평가되었다.
아울러, 도 23은 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 계산 결과를 나타낸다. 상단 박스 도면은 제어지연에 따른 거리를 나타내고, 하단 박스는 제어지연에 따른 방위를 나타낸다.
그리고 도 24는 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 사이의 관계를 나타낸다. 두 도에 대한 평가결과는 다음과 같다.
첫째. 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 증가할수록 거리는 감소한다.
둘째, 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 증가할수록 방위 역시 감소한다.
셋째. 타각이 증가할수록 지그재그 평균 범위에 대한 거리와 방위의 조합은 감소한다.
그래서, 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 증가할수록 지그재그 범위의 중심 위치는 초기 선박위치로 점차 이동되는 것으로 확인되었다. 이 것은 지그재그 경로의 복잡한 정도를 거리와 방위의 조합에 의해서 평가될 수 있음을 의미한다. 위의 평가결과, 제어지연의 증가에 따라 복잡하게 형성되는 지그재그 범위는 거리와 방위의 조합에 의해서 효과적으로 평가될 수 있는 것으로 나타났다.
이하, 선박 B의 지그재그 범위를 도 25 내지 도 27을 참조하면, 앞서 설명한 선박 A에 설명된 도면들의 의미와 동일하다. 평가 결과, 선박 B 역시 선박 A와 동일한 결과가 나타남이 확인되었다. 즉, 제어지연이 증가할 수록 그리고 타각이 증가할수록 지그재그 범위는 증가하고, 지그재그 평균 범위의 중심위치는 점차 초기 선박위치로 이동한다.
아울러, 도 28은 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 계산 결과를 나타낸 것으로, 도면내에서의 상단 박스는 제어지연에 따른 거리를 나타내고, 하단 박스는 제어지연에 따른 방위를 나타낸다.
그리고 도 29는 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 사이의 관계를 나타낸다. 평가결과, 선박 B에 대한 두 도면에 대한 평가결과는 선박 A와 유사하게 나타났다.
이하 선박 C의 지그재그 범위를 도 30 내지 도 32를 참조하면, 앞서 설명한 선박 A에 설명된 도면들의 의미와 동일하다. 평가 결과, 선박 C 역시 선박 A와 유사한 결과가 나타남이 확인되었다. 즉, 제어지연이 증가할 수록 그리고 타각이 증가할수록 지그재그 범위는 증가하고, 지그재그 평균 범위의 중심위치는 점차 초기 선박위치로 이동한다. 한편 선박 C의 지그재그 범위는 선박 A 그리고 B와 비교하여 더 큰 특징을 보인다.
아울러, 도 33은 제어지연에 따른 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 계산 결과를 나타낸다. 도면에서 상단 박스는 제어지연에 따른 거리를 나타내고, 하단 박스는 제어지연에 따른 방위를 나타낸다. 그리고 도 34는 지그재그 평균 범위의 거리와 방위 사이의 관계를 나타낸다. 선박 C에 대한 두 도면에 대한 평가결과는 선박 A와 유사하게 나타났다.
요약하면, 지그재그 범위에 대한 세 선박의 평가결과는 다음 같이 정리할 수 있다.
첫째, 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 증가할수록 지그재그 범위는 증가한다.
둘째, 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 증가할수록 지그재그 평균 범위의 중심위치는 점차 초기 선박위치로 이동한다. 그 결과, 제어지연은 지그재그 범위에 현저한 영향을 미치는 것으로 확인되었고, 그래서, 본 발명에서 제안된 지그재그 범위 평가 방법은 제어지연에 의한 선수방위 제어성능 평가에 유효하게 적용될 수 있음이 검증되었다.
상기와 같은 구성되는 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법을 종합적으로 정리하면, 제어지연에 의해 변동된 지그재그 경로가 이용된 것이며, 제어지연에 의해서 지그재그 경로는 다음 같이 변화되는 것으로 확인되었다.
첫째. 제어변수 분석결과, 제어지연에 의해서 제어변수는 모두 다르게 나타났다.
둘째. 지그재그 경로 분석결과, 제어지연이 증가할수록 그리고 타각이 증가할수록 지그재그 경로의 복잡한 정도는 점차 증가한다.
셋째. 지그재그 범위 평가결과, 지그재그 평균 범위의 거리와 방위는 제어지연이 증가함에 따라 그리고 타각이 증가함에 따라 감소된다. 그 결과, 제어지연에 따른 지그재그 경로는 IMO의 지그재그 테스트 규정에 명시된 조건을 모두 만족하지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 분석과 평가를 통해, 본 발명에서 제안된 방법의 유효성이 검증되었다.
상기와 같이 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법에 의하면, 선박의 지그재그 경로를 이용하여 제어지연에 따른 항로이탈을 방지하고 다른 선박과의 충돌을 예방할 수 있음에 따라 이를 통해 자율운항선박의 항로유지와 충돌회피를 위한 효과적인 원격제어가 가능할 것으로 예상된다.
한편, 본 발명은 기재된 실시례에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
Longitude, Latitude : 지구 좌표계가 이용되어 나타낸경도와 위도
LOA : 선박의 전장(전체 길이)(m),
Heading : 선박의 선수방위(0도부터 359.9도까지 측정)
OS initial position : 본선(Own Ship)의 초기 위치
RA : 타(Rudder)의 각도(일반적으로 +35도부터 -35도까지의 범위)
τ : 제어지연(시간)
S : 초기 지그재그 선회시작 지점(이 지점은 타의 사용에 의해서 다양한 위치에 나타남)
ZZP : 지그재그 경로의 궤적(선박 중심 위치의 궤적)
ZZA : 지그재그 경로의 범위가 해석되기 위해 설정된 지그재그 범위(경로의 t시간 위치들과 t+1 위치들 사이의 차이가 이용되어 도출됨)
1st Overshoot, 2nd Overshoot, 3rd Overshoot : 각각 타각 변경에 의한 지그재그 경로의 첫번째 정점, 두번째 정점, 세번째 정점
O : 지그재그 경로의 평균 위치에 대한 가상 원점
O : 지그재그 경로의 평균 위치에 대한 가상 원점
Lzz 또는 λ: 선박의 초기 위치로부터 지그재그 경로의 가상 원점 O까지의 거리
Azz 또는 ㅨ : 거리 λ 또는 Lzz에 대한 방위(0도부터 359.9도까지 측정)

Claims (5)

  1. 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계;
    본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 획득하는 단계;
    제어지연에 따른 지그재그 경로의 추정 단계;
    지그재그 경로 데이터(
    Figure 112022003431379-pat00050
    )를 이용하여 지그재그 정점 사이의 범위(ZZA)를 경도 차이와 위도 차이의 쌍(Δx, Δy)을 이용한 하기 수식 1을 이용하여 도출하는 단계;
    지그재그 경로 데이터(
    Figure 112022003431379-pat00051
    )를 이용하여 충돌회피가 요구되는 지그재그 범위의 평균거리(
    Figure 112022003431379-pat00052
    )를 하기 수식 2로 도출하고,평균방위(
    Figure 112022003431379-pat00053
    )는 수식 3으로 도출하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법.
    [수식 1]
    Figure 112022003431379-pat00054
    ,
    여기서,
    Figure 112022003431379-pat00055
    와
    Figure 112022003431379-pat00056
    은 시간 t와 시간 t+1 사이의 지그재그 경로의 분 단위 경도차를 나타내고,
    Figure 112022003431379-pat00057
    와
    Figure 112022003431379-pat00058
    는 시간 t와 시간 t+1 사이의 지그재그 경로의 분 단위 위도차를 나타냄,
    [수식 2]
    Figure 112022003431379-pat00059
    ,
    여기서,
    Figure 112022003431379-pat00060
    는 지그재그 범위의 평균거리이고,
    Figure 112022003431379-pat00061
    와
    Figure 112022003431379-pat00062
    은 미터 단위로 변환된 본선 초기위치를 나타내고,
    Figure 112022003431379-pat00063
    ,
    Figure 112022003431379-pat00064
    은 미터 단위로 변환된 지그재그 경로의 평균위치를 나타낸 것임.
    [수식 3]
    Figure 112022003431379-pat00065
  2. 제 1항에 있어서, 상기 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계에 있어서, 상기 본선과 타선의 정보에서 정보는,
    지피에스(Global Positioning System) 또는 레이더(Radar)를 이용하여 획득한 본선의 위치와; 지피에스에서 제공하는 그리니치 평균시(Greenwich Mean Time, GMT)을 통해 획득한 시간과; 스피드로그(Speed Log)를 이용하여 획득한 본선의 속도와; 자이로컴퍼스(Gyrocompass)로 획득한 본선의 방위와; 타각지시장치(Rudder Indicator)를 통해서 획득한 본선의 타각과; 원격제어 시작시간과 본선제어 시작시간 사이의 차이를 이용하여 획득한 제어지연시간 정보 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 운항 중인 본선과 타선의 정보획득 단계에 있어서, 상기 타선의 정보는 시간, 방위, 속력, 위치 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 이루어지며 본선에 설치되어 있는 자동위치식별장치(Automatic Identification System, AIS)를 통해 획득되는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 획득하는 단계에서, 상기 지그재그 경로 데이터는,
    Zig-Zag 10°- 10° Test: 본선 속력 10 노트(kt)에서, 타를 우현(Stb'd) 10°로 주고 선수방위가 10°가 될 때 타를 좌현(Port) 10°로 주고, 350°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 10°로 주는 절차를 반복하여 측정하거나;,
    또는 Zig-Zag 20°- 20° Test: 본선 속력 10 노트에서, 타를 우현(Stb'd) 20°로 주고 선수방위가 20°가 될 때 타를 좌현(Port) 20°로 주고, 340°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 20°로 주는 절차를 반복하여 측정하거나;,
    또는 Zig-Zag 35°- 35° Test: 본선 속력 10 노트에서, 타를 우현(Stb'd) 35°로 주고 선수방위가 35°가 될 때 타를 좌현(Port) 35°로 주고, 325°가 될 때 타를 우현(Stb'd) 35°로 주는 절차를 반복하여 측정하는 방법 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어지연에 따른 지그재그 경로의 추정 단계는 상기 본선의 지그재그(Zig-Zag) 경로 데이터를 이용하여 3종 러더 각도(10°, 20°, 35°)와 4종 제어지연(0초, 30초, 60초, 90초)의 조합으로 구성된 하기 수식 4를 이용하여 추정하는 과정을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 선수방위 제어성능의 분석평가모듈을 이용한 충돌회피를 위한 선수방위 범위 산출방법.
    [수식 4]
    Figure 112022003431379-pat00066
    ,
    여기서,
    Figure 112022003431379-pat00067
    는
    Figure 112022003431379-pat00068
    의 벡터 데이터를 나타낸 것으로,
    Figure 112022003431379-pat00069
    은 3종의 지그재그 러더 각도(10°, 20°, 35°) 인덱스를 나타내고,
    Figure 112022003431379-pat00070
    은 4종의 제어지연시간(0초, 30초, 60초, 90초) 인덱스를 나타내고,
    Figure 112022003431379-pat00071
    (
    Figure 112022003431379-pat00072
    는 측정에 걸린 최종 시간)는 측정 시간의 인덱스를 나타낸 것임.
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