KR102392149B1 - 선박조종 제어장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 쇼센 미츠이
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Abstract

제어장치(1)는 선박(10)의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하고, 연산한 각도차에 기초하여, 키(4)에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하며, 키(4)에 걸리는 부하를 측정하고, 측정한 키(4)에 걸리는 부하가 연산한 목표 부하가 되도록, 키(4)를 조종하기 위한 선박조종기계(6)를 제어한다.

Description

선박조종 제어장치
본 발명은 선박의 선박조종기계를 제어하는 선박조종 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박을 자동조종하기 위한 자동항행제어가 알려져 있다. 예를 들어, 자동항행제어로서는 대지(對地) 진행 방위를 목표 방위와 일치시키도록 타각(舵角)을 결정하고, 그 타각이 되도록 피드백 제어를 수행하는 것이 개시되어 있다(특허문헌 1 참조).
그러나, 실제로는 해류, 파도, 바람 등의 다양한 자연 현상에 의한 외란에 의해 선체가 흘러가게 되거나 선체의 방향이 바뀌거나 한다. 또한, 배의 흘수 또는 키·프로펠러의 몰수(沒水) 면적에 따라서도 타각에 대한 배의 응답은 변화한다. 이에, 어느 한 지점에서 선박의 침로가 목표 지점을 향하도록 타각을 결정하여도, 외란에 의해, 선박이 진행됨에 따라 침로가 목표 지점에서 벗어난다. 따라서, 키를 몇 번이나 다시 꺾을 필요가 있으며, 선박은 목표 지점을 향해 사행하도록 항행한다. 그 결과, 선박은 필요 이상으로 긴 거리를 항행하게 된다.
이에 반해, 타각의 결정 방법을 기계 학습을 통해 경험칙으로 습득하게 함으로써, 다양한 해상 조건에 대응한 타각이 결정되도록 제어하는 방법도 있다. 그러나, 이러한 제어 방법으로도 시시각각 변화하는 자연 현상에 대해 항상 최적의 침로를 유지하려면 빈번하게 키를 다시 꺾을 필요가 있어, 키의 조작 효율은 나빠진다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 2003-226292호 공보
본 발명의 실시예의 목적은 자연 현상에 의한 외란에 적합한 제어를 하는 선박조종 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 관점에 따른 선박조종 제어장치는, 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과, 상기 선박의 추진기의 회전수를 측정하는 회전수 측정수단과, 상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차 및 상기 회전수 측정수단에 의해 측정된 상기 회전수에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과, 상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과, 상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와, 상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계에 의해 타각을 제어하는 선박조종 제어수단을 구비한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박에서 키 제어에 관한 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 제어장치의 구성을 나타내는 구성도.
도 3은 제 1 실시예에 따른 제어장치에 의한 제어수순을 나타내는 흐름도.
도 4는 제 1 실시예에 따른 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 나타내는 간략도.
도 5는 제 1 실시예에 따른 선박의 목표 부하를 나타내는 간략도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제어장치의 구성을 나타내는 구성도.
도 7은 제 2 실시예에 따른 선박의 타각과 회전수의 관계를 나타내는 상관도.
도 8은 제 2 실시예에 따른 제어장치에 의한 주기관(main engine) 부하와 회전수의 관계를 나타내는 상관도.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제어장치의 구성을 나타내는 구성도.
도 10은 제 3 실시예에 따른 돛이 설치된 선박의 구성을 나타내는 구성도.
도 11은 제 1 실시예에 따른 선박조종 제어에 의한 이상적인 코스를 나타내는 이미지도.
도 12는 제 1 실시예에 따른 선박조종 제어에 의한 타각과 키 부하의 관계를 나타내는 상관도.
도 13은 제 1 실시예에 따른 선박조종 제어에 의한 타각, ROT 및 키 부하의 관계를 나타내는 상관도.
도 14는 제 1 실시예에 따른 선박의 타각과 키 부하의 관계를 나타내는 상관도.
도 15는 제 1 실시예에 따른 선박조종 제어에 의한 선박의 롤링의 진폭과 주파수의 관계를 나타내는 상관도.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박(10)에서 키(4)의 제어에 관한 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2는 본 실시예에 따른 제어장치(1)의 구성을 나타내는 구성도이다. 또한, 도면에 있어서 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하며, 서로 다른 부분을 주로 설명한다.
선박(10)은 예를 들어, 사람 또는 물건을 싣고 해상을 항행하는 대형 배이다. 또한 선박(10)은 수중에 있는 키를 조작함으로써 방향을 바꾸어 이동하는 것이라면, 어떤 것이어도 좋다.
선박(10)은 제어장치(1), 선체(2), 프로펠러(3), 키(4), 지지부재(5), 선박조종기계(6), 유압 센서(21), 방위 센서(22), 측위 센서(23), ROT(회두(回頭)각속도, rate of turn) 센서(24), 선속(船速) 센서(25), 타각 센서(26), 항해 계획 데이터 저장부(31), 및 목표 부하 데이터 저장부(32)를 구비한다.
프로펠러(3)는 선체(2) 후방의 수중에 잠긴 부분에 설치된다. 프로펠러(3)는 엔진 등의 동력원이 되는 주기관로부터의 동력에 의해 회전함으로써, 도 1에 나타낸 바와 같은 수류(Fw)를 발생시킨다. 이로써, 선박(10)은 추진력을 얻는다.
키(4)는 선박(10)의 침로(선박(10)의 전방의 방향)을 변경하기 위한 선구(船具)이다. 키(4)는 판 형상이다. 선박(10)의 직진시에는, 키(4)는 프로펠러(3)가 만들어내는 수류(Fw)에 대해 저항이 되지 않도록, 선박(10)의 직진 방향과 평행한 방향이 된다. 키(4)는 프로펠러(3)가 만들어내는 수류(Fw)의 방향을 바꾸도록, 평면 부분의 각도를 직진 방향에 대해 바꿈으로써, 선박(10)의 침로를 바꾼다.
지지부재(5)는 키(4)를 프로펠러(3)의 후방에 위치하도록 지지하며, 키(4)의 각도가 바뀌도록 선체(2)에 설치하기 위한 부재이다.
선박조종기계(6)는 키(4)를 조작하기 위한 기기이다. 선박조종기계(6)는 제어장치(1)로부터의 지령에 따라 키(4)를 조작한다. 예를 들어, 선박조종기계(6)는 조타기이다.
선박조종기계(6)는 키 축(61), 회전날개(62) 및 2개의 유압 실린더(63)를 구비한다.
키 축(61)의 하부에는 키(4)가 장착된다. 키 축(61)이 회전하도록 동작함으로써, 키(4)도 회전하여 키(4)의 각도가 바뀐다.
회전날개(62)는 원판 형상이며, 키 축(61)의 상부에 장착된다. 회전날개(62)는 2개의 유압 실린더(63)에 의해 회전하도록 동작한다. 이로써, 키 축(61)도 회전날개(62)와 함께 회전함으로써, 키(4)의 각도가 바뀐다.
유압 실린더(63)는 실린더(632)의 내부에 피스톤(631)이 삽입된 기기이다. 유압 실린더(63)는 실린더(632)의 내부에 있는 유압에 의해, 피스톤(631)이 길이방향으로 동작함으로써, 액츄에이터의 역할을 한다. 2개의 유압 실린더(63)는 거의 평행이 되도록 배치된다. 2개의 유압 실린더(63) 각각의 피스톤(631)의 단부는 회전날개(62)의 표면의 외주측 양단에 각각 고정된다. 2개의 유압 실린더(63)의 피스톤(631)이 서로 반대방향으로 동작함으로써, 회전날개(62)를 회전시켜 키(4)의 각도를 바꾼다. 제어장치(1)는 유압 실린더(63) 내부의 유압을 제어함으로써 키(4)를 제어한다.
유압 센서(21)는 유압 실린더(63)의 유압을 측정한다. 유압 센서(21)는 유압의 측정값을 제어장치(1)에 송신한다. 키(4)에 가해지는 부하가 변화하면, 유압 실린더(63)의 유압도 변화한다. 따라서, 유압 실린더(63)의 유압을 측정함으로써, 키(4)에 가해지는 부하를 측정할 수 있다. 또한, 유압 센서(21)는 2개의 유압 실린더(63)의 각각에 설치할 수도 있다. 또한, 키(4)에 가해지는 부하를 측정할 수 있는 것이면, 유압 센서에 한정되지 않는다. 예를 들어, 부하를 측정하는 센서를 키(4)에 직접 장착하여 측정 결과를 제어장치(1)에 무선 또는 유선으로 송신하도록 할 수도 있다.
방위 센서(22)는 선박(10)의 현재 침로를 측정하는 센서이다. 측위 센서(23)는 선박(10)의 현재 위치를 측정하는 센서이다. ROT 센서(24)는 선박(10)의 현재 회두각속도(R)를 측정하는 센서이다. 선속 센서(25)는 선박(10)의 현재 선속(v)을 측정하는 센서이다. 타각 센서(26)는 타각을 측정하는 센서이다. 또한, 이들 센서(21 내지 26)는 목적하는 측정이 가능하다면 어떠한 것이어도 상관없다. 예를 들어, 센서(22 내지 25)는 자이로 컴퍼스 또는 위성 측위 시스템을 이용하는 것이어도 좋다.
항해 계획 데이터 저장부(31)에는 목적지까지의 계획된 항로에 관한 정보가 포함되는 항해 계획 데이터가 저장된다. 항해 계획 데이터 저장부(31)는 제어장치(1)로부터의 요청에 따라, 항해 계획 데이터에 포함되는 정보를 송신한다.
목표 부하 데이터 저장부(32)에는 목표 부하(Fp)에 관한 정보가 포함되는 목표 부하 데이터가 저장된다. 목표 부하(Fp)는 키(4)를 제어하기 위해, 키(4)에 거는 부하의 목표가 되는 값이며, 선박조종기계(6)가 키(4)를 제어하기 위한 지령값이다. 목표 부하 데이터 저장부(32)는 제어장치(1)로부터의 요청에 따라, 목표 부하 데이터에 포함되는 정보를 송신한다. 목표 부하 데이터는 선체(2)의 형상 또는 추진기의 특성 등에 따라 바뀌기 때문에, 개개의 선박(10)에 따라 각각 다른 고유의 데이터이다. 예를 들어, 목표 부하 데이터는 기계 학습 프로그램 등에 의해, 선박(10)의 시운전시에 정보가 수집되며, 선박(10)의 항행중에 정보가 수시로 업데이트된다.
제어장치(1)는 제어 판단부(11), 목표 부하 연산부(12), 및 선박조종 제어부(13)를 구비한다. 또한, 제어장치(1)는 선박(10)의 어디에 설치되어도 좋으며, 무엇을 목적으로 하는 제어장치이어도 좋고, 어떻게 구성되어도 좋다. 예를 들어, 제어장치(1)는 선박조종기계(6)를 제어하기 위한 선박조종 제어장치일 수도 있으며, 선박(10)을 자동 조정하기 위한 자동 항행 제어장치(예를 들면, 오토 파일럿)일 수도 있다. 또한, 제어장치(1)는 선박조종기계(6)의 근방 또는 선박조종기계(6)의 일부로 설치될 수도 있고, 기관실 또는 조타실 등의 선내에 설치될 수도 있다. 또한, 제어장치(1)는 각종 센서(21 내지 26) 및 각종 저장부(31, 32)를 구성의 일부로 할 수도 있다.
제어 판단부(11)는 항해 계획 데이터 저장부(31)에 저장된 항해 계획 데이터 및 각종 센서(21 내지 26)에 의해 측정된 측정 결과에 기초하여, 키(4) 제어를 실행할 지의 여부에 대한 판단을 한다. 제어 판단부(11)는 제어를 실행한다고 판단한 경우, 제어를 개시하는 지령과 함께, 필요한 정보를 목표 부하 연산부(12)에 출력한다.
목표 부하 연산부(12)는 제어 판단부(11)로부터 제어를 개시하는 지령을 수신하면, 목표 부하(Fp)를 연산한다. 목표 부하 연산부(12)는 각종 센서(21 내지 26)에 의한 측정 결과 및 목표 부하 데이터 저장부(32)로부터 얻어지는 목표 부하 데이터에 기초하여, 목표 부하(Fp)를 연산한다. 키(4)를 꺾는 방향에 대해서는 목표 부하(Fp)의 부호로 나타낼 수도 있고, 꺾는 방향을 목표 부하(Fp)와는 별도의 지령값으로 할 수도 있다. 목표 부하 연산부(12)는 연산한 목표 부하(Fp)를 선박조종 제어부(13)에 출력한다.
선박조종 제어부(13)는 목표 부하 연산부(12)로부터 수신한 목표 부하(Fp) 및 유압 센서(21)에 의해 측정된 유압에 기초하여, 키(4)에 걸리는 부하가 목표 부하(Fp)가 되도록 제어한다. 선박조종 제어부(13)는 키(4)에 걸리는 부하가 목표 부하(Fp)가 되면, 제어가 종료된 것을 알리는 통지를 제어 판단부(11)에 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 제어장치(1)에 의한 제어수순을 나타내는 흐름도이다.
제어 판단부(11)는 방위 센서(22)에 의해 측정된 방위에 기초하여, 선박(10)의 침로를 계측한다(단계 S101).
제어 판단부(11)는 측위 센서(23)에 의해 측정된 현재 위치 및 항해 계획 데이터 저장부(31)로부터 수신한 항해 계획 데이터에 기초하여, 목표 방향을 연산한다(단계 S102). 목표 방향이란, 목적지에 도착할 때까지의 항해 계획에 따라 항행하기 위해, 선박(10)이 현재 취해야 할 침로를 가리킨다.
제어 판단부(11)는 도 4에 나타낸 바와 같은 침로와 목표 방향의 각도차(δ)를 연산한다(단계 S103).
제어 판단부(11)는 각도차(δ)가 제로인지의 여부를 판정한다(단계 S104). 제어 판단부(11)는 각도차(δ)가 제로이면, 키(4)를 조작하지 않는다. 여기서, 제로란, 침로와 목표 방향이 일치하고 있다고 간주할 수 있는 값이며, 키(4)를 꺾을 필요가 없다고 판단될 수 있는 값이면, 엄밀하게 제로가 아니어도 좋다. 또한, 각도차(δ)에 대해, 키(4)를 꺾을 필요가 없는 범위를 마련하여도 좋다. 제어 판단부(11)는 각도차(δ)가 제로가 아니면, 목표 부하 연산부(12)에, 키(4)를 꺾을 제어를 시작하는 통지를 하는 동시에, 연산한 각도차(δ)를 송신한다.
목표 부하 연산부(12)는 제어 판단부(11)로부터 수신한 각도차(δ), ROT 센서(24)에 의해 측정된 회두각속도(R), 및 선속 센서(25)에 의해 측정된 선속(v)에 기초하여, 목표 타각(T)을 연산한다(단계 S105). 여기에서는, 목표 타각(T)은, 해상 조건이나 기상 조건 등의 자연 현상에 의한 외란을 고려하지 않고, 침로와 목표 방향을 일치시키기 위해 이론상 구해지는 키(4)를 꺾는 각도로 한다. 예를 들어, 목표 타각(T)은 키(4)를 제어하기 위해, 종래부터 사용되고 있는 방법으로 구해지는 타각이어도 좋다. 또한, 목표 타각(T)은 어떤 방식으로 구하여도 좋다.
목표 부하 연산부(12)는 연산한 목표 타각(T) 및 목표 부하 데이터 저장부(32)로부터 수신한 목표 부하 데이터에 기초하여, 목표 부하(Fp)를 연산한다(단계 S106). 예를 들어, 목표 부하(Fp)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 프로펠러(3)로부터 출력되는 수류가 키(4)의 평면 부분에 수직으로 가하는 부하에 대한 지령값이다. 예를 들어, 목표 부하 데이터에는 키(4)를 목표 타각(T)으로 하기 위해, 자연 현상에 의한 외란을 고려하여, 현시점에서 키(4)에 가하는 최적의 부하를 구하기 위한 정보가 포함된다. 목표 부하 연산부(12)는, 목표 부하 데이터를 이용하여 목표 타각(T)을 목표 부하(Fp)로 변환함으로써 목표 부하(Fp)를 구한다. 목표 부하 데이터를 이용함으로써, 외란 등이 고려되므로, 키(4)에 인가되고 있는 부하가 목표 부하(Fp)가 되었을 때의 타각이 목표 타각(T)이 된다고는 한정되지 않는다. 목표 부하 연산부(12)는 연산한 목표 부하(Fp)를 선박조종 제어부(13)에 출력한다.
또한, 목표 부하 연산부(12)에 의해 목표 부하(Fp)를 구할 경우, 수류나 파도 등의 해상 데이터 및 바람이나 기온 등의 기상 데이터를 측정하여, 측정 결과를 파라미터로 사용하여 목표 부하(Fp)를 수정하도록 할 수도 있다.
선박조종 제어부(13)는 유압 센서(21)에 의해 측정된 유압으로부터 키(4)에 현재 인가되고 있는 하중을 구한다. 선박조종 제어부(13)는 키(4)에 인가되고 있는 부하가 목표 부하(Fp)가 되도록 키(4)를 꺾는 제어를 한다(단계 S107). 예를 들어, 선박조종 제어부(13)는 유압 센서(21)에 의해 측정된 유압으로부터 구해지는 부하가 목표 부하(Fp)에 도달할 때까지 키(4)를 계속 꺾는다.
선박조종 제어부(13)는 키(4)에 인가되고 있는 부하가 목표 부하(Fp)가 되면, 각종 센서(21 내지 26)에 의한 측정 결과에 기초하여, 일련의 제어에 의한 선박(10)의 응답 데이터를 수집한다(단계 S108). 선박조종 제어부(13)는 수집한 응답 데이터를 목표 부하 데이터 저장부(32)에 저장시킨다. 이로써, 목표 부하 데이터가 업데이트되어, 다음 목표 부하(Fp)의 연산에 반영된다. 선박조종 제어부(13)는 이들 처리가 종료되면, 제어가 종료되었음을 알리는 통지를 제어 판단부(11)에 한다.
본 실시예에 따르면, 목표 부하(Fp)를 결정하여, 키(4)에 걸리는 부하가 목표 부하(Fp)가 되도록 키(4)를 꺾는 제어를 수행함으로써, 키(4)가 목표로 하는 타각이 되도록 제어하는 경우에 비해 키(4)의 조작 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 바람 또는 수류 등의 외란에 의해 선박(10)이 흘러가게 되거나, 선박(10)이 회두하여 침로가 바뀌거나 할 수 있다. 이러한 경우, 키(4)를 꺾지 않아도 외란에 의해 선박(10)이 목표 방향으로 진행하는 경우가 있다.
그러나, 침로를 목표 방향과 일치시키도록 타각을 결정하고, 결정한 타각이 되도록 키(4)를 제어하는 경우, 결정한 타각분만큼 반드시 키(4)를 꺾게 된다. 이와 같이 키(4)를 꺾으면, 필요 이상으로 선박(10)이 회두하며, 침로가 목표 방향을 초과하여 회두하는 오버 슈팅의 요인이 된다.
이에 대해, 본 실시예와 같이, 키(4)에 걸리는 부하를 유압 센서(21)에 의해 측정하고, 키(4)에 걸리는 부하가 목표 부하(Fp)가 되도록 제어함으로써, 키(4)를 꺾는 각도를 적게 하거나, 키(4)의 타각을 일정하게 유지하도록 제어하거나 할 수 있다. 이는 키(4)에 걸리는 부하가 외란의 영향을 받고 있으며, 이러한 부하를 측정하여 제어에 사용함으로써, 외란을 고려한 제어가 되기 때문이다. 이로써, 키(4)를 꺾는 각도 및 횟수를 억제할 수 있다.
또한, 외란으로 인해, 키(4)에 걸리는 부하가 목표 부하(Fp)와 일치하고 있으면, 침로와 목표 방향이 일치하지 않는 경우에도 키(4)를 꺾는 조작을 할 필요가 없다. 이로써, 침로와 목표 방향이 일치하고 있지 않아도, 키(4)를 꺾지 않고, 외란을 이용하여, 선박(10)이 목표 방향으로 진행하는 것을 기대할 수 있다. 이러한 상황은 예를 들어, 외란이 없으면 선박(10)을 회두하기 위해 선박(10)에 가할 필요가 있는 힘과 외란이 서로 균형잡힌 경우에 발생한다.또한, 침로가 목표 방향에서 멀어지는 방향으로 외란이 작용할 경우, 키(4)에 걸리는 부하가 목표 부하(Fp)가 되도록 제어함으로써, 키(4)를 결정한 타각이 되도록 제어하는 경우에 비해, 키(4)를 꺾는 횟수 또는 조작 시간을 억제할 수 있다. 이로써, 외란의 영향에 의한 선박(10)의 우회 거리를 짧게 하고, 키(4)의 조작 효율 및 선박(10)의 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 목표 타각(T)를 구하고나서 목표 부하(Fp)를 구하였는데, 목표 타각(T)을 구하지 않고, 목표 타각(T)을 구하는 파라미터를 사용하여 목표 부하(Fp)를 직접 구할 수도 있다. 예를 들어, 선박(10)의 현재 상황에 맞는 파라미터를 구하고, 시운전 또는 실제 항행에서 학습시킨 경험칙이 데이터로서 축적된 목표 부하 데이터 저장부(32)를 이용하여, 구한 파라미터로부터 목표 부하(Fp)를 결정하면 된다.
(제 2 실시예)
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제어장치(1A)의 구성을 나타내는 구성도이다.
제어장치(1A)는 도 2에 나타낸 제 1 실시예에 따른 제어장치(1)에 있어서, 선박(10)에 설치된 회전수 미터(27)에 의한 측정 결과를 수신하도록 하고, 목표 부하 연산부(12)를 목표 부하 연산부(12A)로 대체한 것이다. 기타 다른 점은 제 1 실시예와 동일하다. 이후에서는 제 1 실시예와 다른 부분에 대해 주로 설명한다.
회전수 미터(27)는 주기관인 엔진의 회전수를 측정한다. 회전수 미터(27)는 측정한 회전수를 제어장치(1A)로 송신한다. 또한, 회전수 미터(27)와 같이 회전수를 직접적으로 측정하는 것에 한하지 않고, 추진기인 엔진의 상태를 파악할 수 있는 것, 또는 회전수를 어느 정도 예측하여 측정할 수 있는 것일 수 있다.
목표 부하 연산부(12A)는 제 1 실시예와 마찬가지로 구한 목표 부하(Fp)에 대해, 회전수 미터(27)에 의해 측정된 회전수를 고려하여, 최종적인 목표 부하(FpA)를 구한다. 구체적으로는 회전수가 급격히 변화하거나 회전수가 너무 낮아지거나 하지 않도록 목표 부하(FpA)를 결정한다.
이하, 목표 부하(FpA)를 구하는 방법에 대해 설명한다.
도 7은 선박(10)에서 키(4)의 타각과 회전수의 관계를 나타내는 상관도이다. 그래프 fr는 주기관인 엔진의 회전수를 나타내고 있다. 그래프 ft는 타각을 나타내고 있다.
도 8은 제어장치(1A)에 의한 주기관 부하(엔진의 부하, 예를 들면, 연료 분사량)와 회전수의 관계를 나타내는 상관도이다. 경계선 BE는 선박(10)의 엔진의 과부하 영역과 그렇지 않은 영역의 경계를 나타내고 있다. 즉, 경계선 BE보다도 위쪽은 엔진의 과부하 영역을 나타내고 있다. 그래프 CE1은 제어장치(1A)에 의한 주기관 부하와 회전수의 관계를 나타내고 있다. 그래프 CE2는 본 실시예와 비교하기 위한 종래의 제어장치에 의한 주기관 부하와 회전수의 관계를 나타내고 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 타각을 급격하게 준 경우, 키(4)를 꺾음으로 인한프로펠러의 저항 증가 및 선체의 회두에 의한 엔진의 저항 증가로 인해 엔진의 회전수가, 예를 들면 직진 상태인 제로부터 35도로 급격하게 한 경우, 약 59[rpm]으로부터 약 45[rpm]으로 크게 저하된다.
이때, 종래의 제어에서는 도 8의 그래프 CE2에 나타낸 바와 같이, 엔진의 부하 및 회전수는 추이(推移)하며, 키(4)를 꺾고나서 한번 엔진의 부하는 상승하고, 일반적으로 엔진에게 과부하가 되는 영역의 경계선 BE를 따라 추이한다. 이에 반해, 본 실시예에서는 도 8의 그래프 CE1에 나타낸 바와 같이, 엔진의 상태에 맞춰 키(4)의 부하를 제어하거나, 또는 키(4)의 부하 및 선박(10)의 ROT에 맞춰 엔진의 부하를 제어함으로써, 엔진에 있어 과부하의 경계선 BE에 머무르는 시간을 짧게 할 수 있다. 따라서, 목표 부하(FpA)는 회전수가 급격히 변화하지 않도록, 또는 회전수의 변화 폭이 일정한 범위 내(예를 들어, 변화율이 ±10%의 범위내 등)에 들어가도록, 목표 부하(FpA)를 결정한다. 또한, 목표 부하(FpA)를 크게 취하지 않을 수 없는 경우에는 엔진의 부하를 일정하게 유지하고 부하 상승을 낮춘다.
또한, 엔진은 회전을 계속시키기 위해 필요한 최소 회전수가 결정되어 있는 경우가 있다. 이 최소 회전수를 밑돌면, 엔진은 정지한다. 그래서, 목표 부하(FpA)는 최소 회전수를 밑돌지 않도록 결정한다.
또한, 목표 부하(FpA)는 회전수의 변화율과 최소값이 함께 소정 조건을 충족하도록 구할 수도 있으며, 어느 한쪽이 소정 조건을 충족하도록 구할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 제 1 실시예에 따른 작용 효과 이외에, 주기관인 엔진의 회전수를 고려하여, 목표 부하(FpA)를 결정함으로써, 키(4)를 꺾을 때의 키(4) 또는 엔진에 걸리는 부담을 경감할 수 있다.
또한, 상기의 제어는 배의 과도한 옆으로 미끄러짐(드리프트)을 피하고, 옆으로 미끄러짐에 의한 침로 변경 후의 감속을 최소한으로 떨어뜨릴 수 있다.
(제 3 실시예)
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제어장치(1B)의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 10은 제 3 실시예에 따른 돛(7)이 설치된 선박(10B)의 구성을 나타내는 구성도이다.
선박(10B)은 제 1 실시예에 따른 선박(10)에 돛(7)을 설치하고, 제어장치(1)를 제어장치(1B)로 대체한 것이다. 제어장치(1B)는 도 2에 나타낸 제 1 실시예에 따른 제어장치(1)에서, 돛 제어부(14)를 추가하고, 목표 부하 연산부(12)를 목표 부하 연산부(12B)로 대체한 것이다. 기타 다른 점은 제 1 실시예와 동일하다. 이후에서는 제 1 실시예와 다른 부분에 대해 주로 설명한다.
돛(7)은 선박(10)의 전방 부분에 설치된 세로돛이다. 돛(7)은 비행기 날개의 양력을 얻는 원리와 마찬가지로, 풍력을 추진력으로 바꾼다. 세로돛은 가로돛보다도 선회성이 뛰어나, 풍상방향의 추진력을 얻을 수 있다.
또한, 돛(7)은 가로돛이어도 좋고, 기타 어떤 돛이어도 좋다. 또한, 돛(7)은 섬유, 수지 또는 금속 등 어떠한 재질이어도 좋으며, 탄성 또는 강성 등 어떠한 특성이어도 좋고, 천 형상 또는 비행기의 날개 형상 등 어떤 형상이어도 좋으며, 전방 부분에 한하지 않고, 선박(10)의 어느 위치에 설치할 수도 있다. 돛(7)은 선박(10)의 형상, 용도 또는 사용환경 등에 적합한 구성으로 할 수도 있다.
목표 부하 연산부(12B)는 각종 센서(21 내지 26)에 의한 측정 결과 및 목표 부하 데이터 저장부(32)로부터 얻어지는 목표 부하 데이터에 기초하여, 제 1 실시예와 마찬가지로 목표 부하(FpB)를 연산하는 동시에, 돛(7)을 제어하기 위한 지령값이 되는 목표각(α)을 연산한다. 목표각(α)은 도 10에 나타낸 바와 같이, 선박(10)의 폭방향의 중앙에 위치하는 중앙선과, 돛(7) 또는 돛(7)을 지지하는 지지부재가 이루는 각도에 대한 지령값이다. 또한, 목표각(α)은 돛(7)의 위치가 결정되는 것이라면, 어디의 각도에 대한 지령값이어도 좋다.
돛 제어부(14)는 목표 부하 연산부(12B)에 의해 연산된 목표각(α)이 되도록 돛(7)의 각도를 조작한다. 또한, 돛 제어부(14)를 마련하지 않고, 수동으로, 돛(7)을 목표각(α)이 되도록 조작할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 제 1 실시예에 따른 작용 효과 이외에, 돛(7)을 설치하여, 키(4)와 함께 조작을 함으로써, 선박(10)의 기동성 또는 주행성을 향상시킬 수 있다.
또한, 여기에서는, 제 1 실시예를 기본 구성으로 설명하였는데, 제 2 실시예를 기본 구성으로 하여, 돛(7)을 설치하고, 회전수를 고려하여 키(4) 및 돛(7)을 제어함으로써, 제 2 실시예에 따른 작용 효과 이외에, 선박(10)의 기동성 또는 주행성을 향상시킬 수 있다.
또한, 목표 부하 연산부(12B)는 목표각(α)을 연산하지 않고, 돛(7)의 조작각을 먼저 결정하여, 이 조작각을 파라미터로서 입력하며, 목표 부하(FpB)를 연산할 수도 있다. 이러한 구성에서도, 돛(7)을 이용함으로써, 제 1 실시예보다도 선박(10)의 기동성 또는 주행성을 향상시킬 수 있다.
(작용 효과)
이상에서는 제 1 실시예에서, 목표 부하(Fp)를 결정하여, 키(4)에 걸리는 부하(키 부하)가 목표 부하(Fp)가 되도록 키(4)를 꺾는 선박조종 제어를 수행함에 따른 작용효과의 구체적인 예에 대해 설명한다. 또한, 다른 실시예에서도 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 단, 이들 작용 효과는 각 실시예에서, 반드시 모두 얻어지지 않아도 된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 선박(10)을 이상적인 코스(CS)를 따르도록 오른쪽으로 선회하는 선박조종을 할 경우에 대해 설명한다.
일반적으로, 선박은 키(4)를 꺾고나서 지연과 함께 회두하기 시작하기 때문에, ROT의 최대값은 키(4)를 꺾고나서 소정 시간 후(대형 비대선(肥大船)에서는 40초 후가 된 예도 있다)가 된다. 따라서, 종래와 같이 침로 또는 ROT의 측정결과에 기초하여 키(4)를 제어할 경우, 이 소정 시간의 지체시간(time lag)이 있기 때문에, 제어가 늦어지고, 이상적인 코스(CS)를 따르도록 선박조종하는 것은 어렵다.
이에 반해, 본 실시예에서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 키 부하를 그래프 RL가 되도록 제어함으로써, 타각이 그래프 RA가 되도록 키(4)가 제어된다. 도 12은 가로축을 시간으로 하고, 타각을 나타내는 그래프 RA의 세로축을 각도로 하며, 키 부하를 나타내는 그래프 RL의 세로축을 부하(비중, 0.1=10%)로 하여 나타낸 것이다.
즉, 바다 기상이나 지리적인 영향 등에 의해 키 효과가 보통때와 다른 조건하에서도 그래프 RA의 구간 K1에서의 파형 형상과 같은 이상적인 키 부하를 걸음으로써, 정확하게 제어할 수 있다. 이로써, 선박(10)은 도 11에 나타낸 이상적인 코스(CS)를 따르도록 선회한다. 따라서, 키(4)를 여분으로 너무 꺾거나 또는 불충분하게 꺾거나 하지 않고도, 선박(10)을 이상적인 코스(CS)를 따르도록 선박조종할 수 있다.
다음으로, 도 13을 참조하여, 타각, ROT 및 키 부하의 관계에 대해 설명한다. 그래프 RA1, RT1, RL1은 본 실시예에 따른 선박조종 제어에서의 타각, ROT 및 키 부하를 각각 나타내고 있다. 그래프 RA2, RT2, RL2는 본 실시예와 비교하기 위한 종래의 타각, ROT 및 키 부하를 각각 나타내고 있다. 도 13은 가로축을 시간으로 하고, 타각을 나타내는 그래프 RA1, RA2의 세로축을 각도(°)로 하며, ROT를 나타내는 그래프 RT1, RT2의 세로축을 회전속도(도/분)로 하고, 키 부하를 나타내는 그래프 RL1, RL2의 세로축을 부하(비중 0.01=1%)로 해서 나타낸 것이다.
구간 K2에 있어서, 종래의 제어에서는 그래프 RA2, RT2에 나타낸 바와 같이, 타각 및 ROT 모두도 안정되어 있다. 이러한 상태에서, 해류 등의 외란에 의해 그래프 RL2로 나타낸 키 부하가 걸리면, 그래프 RA2, RT2에 나타낸 바와 같이, 타각의 전환을 반복하면서 침로를 안정시키도록 제어할 필요가 있다.
이에 반해, 본 실시예에서는 구간 K2에서, 그래프 RA1, RT1, RL1(※도면의 초기시에는 RL2와 비슷하게 함)에 나타낸 바와 같이, 키 부하가 걸리면, 이 키 부하를 없애도록 역방향의 키 부하를 걸음으로써, ROT는 계속해서 안정적이며, 타각도 최소한으로 유지할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 키 부하를 제어하기 위해 키 부하를 항상 감시하기 때문에, 이러한 제어가 가능하게 된다.
이어, 도 14를 참조하여, 선박(10)의 운항 중 타각과 키 부하의 관계에 대해 설명한다. 그래프 GS는 타각과 키 부하의 관계를 나타내고 있다. 그래프 GA는 타각과 키 부하의 관계를 직선으로 근사한 것을 나타내고 있다. 도 14은 가로축을 각도(°)로 하고, 세로축을 부하(%)로 하여 나타낸 것이다.
그래프 GA에 나타낸 바와 같이, 타각 0도의 위치보다도 우측에, 선박(10)의 타각과 키 부하의 균형 중심(CT)이 있다. 따라서, 선박(10)은 처음에 키(4)를 직진 방향으로 향하게 하여도, 키력이 발생하여, 한쪽으로 휘게 된다. 일반적인 선박에 있어서, 키 부하의 균형 중심은 타각 0도의 위치에는 없으며, 또한 선박의 상태에 따라서도 중심(CT)은 변화한다. 따라서, 종래의 타각에 의한 선박조종 제어에 있어서, 타각 0을 중심으로 한 제어를 하면, 직진시에 타각을 최대한 0도로 하려고 하는 것과 선박(10)을 직진 방향으로 되돌리려고 하는 것을 반복하며, 헌팅하고, 선박(10)의 키(4)를 주기적으로 조작하게 될 수 있다.
이에 반해, 본 실시예에서는, 키 부하를 제어하기 위해, 키 부하의 균형 중심이 타각 0도의 위치에 없어도, 중심(CT)을 항상 파악하여 선박(10)을 항상 직진시키도록 제어할 수 있다. 이로써, 키(4)의 타각을 주기적으로 바꾸는 조작은 이루어지지 않는다.
이어, 도 15를 참조하여, 선박(10)의 롤과 키 부하의 관계에 대해 설명한다. 그래프 SR은 선박(10)의 롤링의 진폭과 주파수의 관계를 나타내고 있다. 그래프 GR1은 본 실시예에 따른 선박조종 제어에 의한 키 부하의 진폭과 주파수의 관계를 나타내고 있다. 그래프 GR2는 종래의 선박조종 제어에 의한 키 부하의 진폭과 주파수의 관계를 나타내고 있다. 도 15는 세로축을 진폭 또는 부하의 최대값에 대한 비율(%)로 하고, 가로축을 주파수(1/초)로 하여 나타낸 것이다.
주파수의 대역 K3에 나타낸 바와 같이, 종래의 선박조종 제어에 의한 키 부하의 진폭을 나타내는 그래프 GR2와, 선박(10)의 롤링의 진폭을 나타내는 그래프 SR은 피크가 거의 일치하고 있다. 이 때문에, 종래의 선박조종 제어에서는 선박(10)의 롤링에 의해 키 부하가 걸림을 알 수 있다.
이에 반해, 본 실시예에 따른 선박조종 제어에서는, 목표 부하(Fp)가 제로이면, 키 부하가 걸리지 않도록 타각이 제어된다. 이에, 그래프 SR에 나타낸 롤링의 진폭에 관계없이, 그래프 GR1에 나타낸 바와 같이 키 부하가 제로가 되도록 제어된다. 이로써, 롤링에 의해 걸리는 키 부하를 억제할 수 있으며, 선박(10)의 운항 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 구성요소의 삭제, 부가 또는 변경 등을 할 수도 있다. 또한, 복수의 실시예에 대해 구성요소의 조합 또는 교환 등을 함으로써, 새로운 실시예로 할 수도 있다. 이러한 실시예가 상술한 실시예와 직접적으로 다른 것일지라도, 본 발명과 동일한 취지의 것은, 본 발명의 실시예로서 설명한 것으로 하여, 그 설명을 생략하고 있다.

Claims (11)

  1. 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과,
    상기 선박의 추진기의 회전수를 측정하는 회전수 측정수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차 및 상기 회전수 측정수단에 의해 측정된 상기 회전수에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과,
    상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계에 의해 타각을 제어하는 선박조종 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어장치.
  2. 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과,
    상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계를 제어하는 선박조종 제어수단과,
    상기 선박의 회두각속도를 측정하는 회두각속도 측정수단과,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하 및 상기 회두각속도 측정수단에 의해 측정된 상기 회두각속도에 기초하여, 상기 선박의 주기관의 부하가 과부하가 되지 않고 상기 주기관의 회전수의 변화폭이 일정한 범위 내에 들어가도록 상기 주기관을 제어하는 주기관 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어장치.
  3. 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과,
    상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계를 제어하는 선박조종 제어수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차에 기초하여, 풍력을 추진력으로 바꾸는 돛을 조작하기 위한 목표각을 연산하는 목표각 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 돛은 세로돛인 것을 특징으로 하는 선박조종 제어장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    자연 현상에 의한 외란에 적합한 상기 목표 부하를 구하기 위한 목표 부하 데이터가 저장되는 목표 부하 데이터 저장수단을 구비하고,
    상기 목표 부하 연산수단은 상기 목표 부하 데이터 저장수단에 저장된 상기 목표 부하 데이터에 기초하여, 상기 목표 부하를 연산하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어장치.
  6. 키와,
    선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과,
    상기 선박의 추진기의 회전수를 측정하는 회전수 측정수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차 및 상기 회전수 측정수단에 의해 측정된 상기 회전수에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과,
    상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계에 의해 타각을 제어하는 선박조종 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
  7. 키와,
    선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과,
    상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계를 제어하는 선박조종 제어수단과,
    상기 선박의 회두각속도를 측정하는 회두각속도 측정수단과,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하 및 상기 회두각속도 측정수단에 의해 측정된 상기 회두각속도에 기초하여, 상기 선박의 주기관의 부하가 과부하가 되지 않고 상기 주기관의 회전수의 변화폭이 일정한 범위 내에 들어가도록 상기 주기관을 제어하는 주기관 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
  8. 키와,
    선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하는 각도차 연산수단과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하는 목표 부하 연산수단과,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하는 부하 측정수단과,
    상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계와,
    상기 부하 측정수단에 의해 측정된 상기 키에 걸리는 부하가 상기 목표 부하 연산수단에 의해 연산된 상기 목표 부하가 되도록 상기 선박조종기계를 제어하는 선박조종 제어수단과,
    풍력을 추진력으로 바꾸는 돛과,
    상기 각도차 연산수단에 의해 연산된 상기 각도차에 기초하여, 상기 돛을 조작하기 위한 목표각을 연산하는 목표각 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
  9. 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하고,
    상기 선박의 추진기의 회전수를 측정하고,
    상기 연산한 각도차 및 상기 측정된 회전수에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하며,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하고,
    상기 측정한 키에 걸리는 부하가 상기 연산한 목표 부하가 되도록, 상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계에 의해 타각을 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어방법.
  10. 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하고,
    상기 연산한 각도차에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하며,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하고,
    상기 측정한 키에 걸리는 부하가 상기 연산한 목표 부하가 되도록, 상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계를 제어하고
    상기 선박의 회두각속도를 측정하고,
    상기 측정한 키에 걸리는 부하 및 상기 측정한 회두각속도에 기초하여, 상기 선박의 주기관의 부하가 과부하가 되지 않고 상기 주기관의 회전수의 변화폭이 일정한 범위 내에 들어가도록 상기 주기관을 제어하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어방법.
  11. 선박의 침로와 목표 방향의 각도차를 연산하고,
    상기 연산한 각도차에 기초하여, 키에 걸리는 부하의 목표가 되는 목표 부하를 연산하며,
    상기 키에 걸리는 부하를 측정하고,
    상기 측정한 키에 걸리는 부하가 상기 연산한 목표 부하가 되도록, 상기 키를 조종하기 위한 선박조종기계를 제어하고,
    상기 연산한 각도차에 기초하여, 풍력을 추진력으로 바꾸는 돛을 조작하기 위한 목표각을 연산하는 것을 특징으로 하는 선박조종 제어방법.
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