KR102667681B1 - 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템 - Google Patents

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Abstract

극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템이 개시된다. 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템은, 극지 해역 및 극지 해역의 결빙된 얼음을 재현한 빙해수조, 빙해수조 내에서 자유항주하는 모형선박, 모형선박에 연결되어 모형선박을 예인하는 예인전차, 예인전차에 모형선박을 지향하도록 설치되어 모형선박의 움직임을 실시간으로 촬영하는 비전 카메라, 모형선박에 장착되어, 모형선박이 빙해수조 내에서 자유항주하기 위한 추력을 발생하는 추진기, 비전 카메라를 통해 획득된 모형선박의 움직임 영상을 이용하여 모형선박의 6자유도 운동을 계측하는 계측기 및 6자유도 운동의 계측에 따라 산출된 모형선박의 운동 데이터를 이용하여, 모형선박이 미리 설정된 위치를 유지하기 위하여 필요한 힘을 산출하고, 산출한 힘에 따른 추진기의 추력을 산출하여 추진기의 추력을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템{Dynamic positioning model test system for polar environments}
본 발명은 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템에 관한 것이다.
최근, 지구환경에 가장 큰 영향을 미치고 있는 지구 온난화로 인한 북극해 해빙의 감소로 새로운 항로의 개척과 지하자원 개발에 대한 국제적 관심이 고조되고 있다. 북극해 해빙의 감소와 선박건조 및 항해기술의 발달은 아시아와 유럽을 잇는 북극항로(Arctic Sea Route)의 경제, 정치, 군사적 잠재적 가치를 증대시키고 있다. 북극항로는 북서항로(Northwest Passage)와 북동항로(Northern Sea Route)로 구분된다. 베링해협, 러시아 북방연안, 바렌츠해를 연결하는 북동항로의 경우, 매년 해빙 분포에 따라 다양한 항로가 존재한다. 북극항로(북동항로)는 말라카해협과 수에즈 운하를 통과하는 기존 남방항로(European-Asian Sea Route)에 비해 항로 거리를 최대 40% 단축시키며, 운항일 또한 30일에서 20일로 감소시킨다. 이러한 경제적 강점으로 인해 북극해 항로를 이용하는 물동량은 꾸준히 증가하는 추세이다.
그리고, 북극해에 매장된 석유와 천연가스 등의 지하자원 양은 세계 미발견 자원량의 25% 정도이며, 북극해 주요 어장의 어업생산량은 세계 어획량의 13%를 차지하고 있다. 이에 따라, 세계 각국은 북극해의 자원 개발을 위하여 활발히 노력하고 있다.
한편, 빙해역 운항을 위해서는, 쇄빙선박에 의한 항로 개설이 필요하다. 유도되는 선박의 크기가 유도하는 쇄빙선박의 크기를 초과할 수 없기 때문에, 북극항로에서 운용하게 될 선박이 지금까지 보다 규모가 더 증가하면, 러이사의 Arktika class와 같은 원자력 쇄빙선박조차도 유도쇄빙선박의 역할을 하기 어려워질 것이다. 따라서, 현재 빙해용 대형 쇄빙선박의 부족현상은 북극해 항로에서 독립적으로 운용할 수 있는 쇄빙상선의 설계와 건조가 필요하다는 점을 시사하고 있다.
그리고, 극지용 선박 시장은 쇄빙유조선 외에 쇄빙LNG, 쇄빙컨테이너선 등으로 확대될 전망이다. 이러한 상황은 고부가가치 전략을 기조로 하고 있는 현재의 국내 조선산업에 좋은 기회가 될 수 있을 것이다.
이와 같은 극지용 선박을 개발하기 위해서는, 극지환경 조건에서 극지용 선박의 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 성능평가를 위한 모형선박 시험이 필요하다. 따라서, 극지환경을 재현한 빙해수조에 적합한 모형시험 시스템의 개발이 요구된다.
대한민국등록특허공보 제10-1551229호(2015.09.02)
본 발명은 극지환경 조건에서 극지용 선박의 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 성능평가를 위한 모형선박 시험을 수행하는 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 극지환경용 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 모형시험 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템은, 극지 해역 및 상기 극지 해역의 결빙된 얼음을 재현한 빙해수조, 상기 빙해수조 내에서 자유항주하는 모형선박, 상기 모형선박에 연결되어 상기 모형선박을 예인하는 예인전차, 상기 예인전차에 상기 모형선박을 지향하도록 설치되어 상기 모형선박의 움직임을 실시간으로 촬영하는 비전 카메라, 상기 모형선박에 장착되어, 상기 모형선박이 상기 빙해수조 내에서 자유항주하기 위한 추력을 발생하는 추진기, 상기 비전 카메라를 통해 획득된 상기 모형선박의 움직임 영상을 이용하여 상기 모형선박의 6자유도 운동을 계측하는 계측기 및 상기 6자유도 운동의 계측에 따라 산출된 상기 모형선박의 운동 데이터를 이용하여, 상기 모형선박이 미리 설정된 위치를 유지하기 위하여 필요한 힘을 산출하고, 상기 산출한 힘에 따른 상기 추진기의 추력을 산출하여 상기 추진기의 추력을 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 예인전차에는 지그(jig)가 장착되고, 상기 지그를 이용하여 상기 비전 카메라가 상기 예인전차에 설치되며, 상기 비전 카메라는 극지 환경에서 운용이 되도록 방한커버를 이용하여 방한처리된다.
상기 추진기는 아지머스 추진기(Azimuth thruster) 및 터널 추진기(tunnel thruster)를 포함하되, 상기 아지머스 추진기는 방향전환을 위한 회전력을 발생시키고, 상기 터널 추진기는 상기 모형선박의 측면으로의 추력을 발생시킨다.
상기 계측기는 상기 비전 카메라에 의하여 실시간 촬영된 영상으로부터 상기 모형선박의 위치 및 선수부의 이동각을 포함하는 6자유도 운동 데이터를 산출한다.
상기 제어기는 PID(proportional integral derivative) 제어 방식, 추력 분배 알고리즘 및 에너지 사용을 최소화하기 위한 ice-vanning 제어 방식을 이용하여 상기 추진기의 추력을 제어한다.
상기 제어기는 상기 모형선박이 유빙(pack ice) 또는 평탄빙(level ice)의 외력을 최대한 견딜 수 있도록, 상기 PID 제어 방식 및 상기 ice-vanning 제어 방식을 이용하여 최소한의 에너지로 미리 설정된 위치를 유지하도록 상기 추진기를 제어하되, 상기 6자유도 운동 중 평면운동인 전후동요(surge), 좌우동요(sway) 및 선수동요(Yaw)에 대해서만 PID 제어를 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템은, 극지환경 조건에서 극지용 선박의 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 성능평가를 위한 모형선박 시험을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템에 대하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템은 빙해수조(10), 모형선박(20), 예인전차(30), 비전 카메라(40), 추진기(50), 계측기(60) 및 제어기(70)를 포함하여 구성될 수 있다.
빙해수조(10)는 극지환경 조건에서 극지용 선박의 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 성능평가를 위하여, 실제 극지 해역 및 실제 극지 해역의 결빙된 얼음을 재현한 수조이다.
빙해수조(10)는 실제 극지 해역의 결빙된 얼음을 재현한 모형빙(Model Ice)을 포함한다.
모형선박(20)은 빙해수조(10) 내에서 직진 자유항주 또는 선회 자유항주를 수행한다. 예를 들어, 모형선박(20)은 극지용 쇄빙선박의 모형일 수 있다.
예인전차(30)는 빙해수조(10) 상부에 빙해수조(10)의 길이방향을 따라 이동하도록 설치되며, 모형선박(20)과 연결되어 모형선박(20)을 예인한다.
예를 들어, 예인전차(30)는 모형선박(20)의 무게 중심에 설치된 저항동력계에 연결되어, 중앙예인(Center towing) 방식으로 모형선박(20)을 예인할 수 있다.
비전 카메라(40)는 예인전차(30)에 모형선박(20)을 지향하도록 설치되어 모형선박(20)의 움직임을 실시간으로 촬영한다.
예를 들어, 예인전차(30)에는 비전 카메라(40)의 설치를 위한 지그(jig)가 장착될 수 있으며, 지그를 이용하여 비전 카메라(40)가 예인전차(30)에 설치될 수 있다. 이때, 비전 카메라(40)는 영하 20도 정도의 극지 환경에서 운용이 가능하도록 방한커버를 이용하여 방한처리가 될 수 있다.
추진기(50)는 모형선박(20)에 장착되어, 모형선박(20)이 빙해수조(10) 내에서 자유항주하기 위한 추력을 발생하는 장치이다. 여기서, 모형선박(20)은 빙해수조(10) 내애서 자유항주 시, 외력과 추진기(50)의 추력의 상호작용으로 위치 및 운동이 변화할 수 있다.
추진기(50)는 아지머스 추진기(Azimuth thruster) 및 터널 추진기(tunnel thruster)를 포함할 수 있다.
여기서, 아지머스 추진기는 저속에서 높은 효율을 갖는 덕트를 가진 추진기일 수 있으며, 모형선박(20)이 앞으로 나아가기 위한 추력뿐만 아니라, 전후좌우의 모든 방향으로의 방향전환을 위한 회전력(moment)을 발생시킬 수 있다.
그리고, 터널 추진기는 모형선박(20)에 형성된 터널 내에 장착되어 모형선박(20)의 추진 운동을 조종하거나 보조하는 추진기로서, 모형선박(20)의 측면으로의 추력을 발생시킬 수 있다. 터널 추진기는 선체의 선수부나 선미부에 주추진기와 다른 방향으로 설치될 수 있다.
예를 들어, 추진기(50)는 일반적인 파랑, 조류 및 바람의 환경조건보다 월등히 강한 유빙 및 평탄빙에 의한 극지조건을 견딜 수 있는 대용량일 수 있으며, 유빙(pack ice) 또는 평탄빙(level ice)과 같은 극지 환경 조건이 아닌 일반 해양 환경 조건에 활용되는 추진기의 추력 대비 4배 이상의 대용량을 가질 수 있다.
계측기(60)는 비전 카메라(40)를 통해 획득된 모형선박(20)의 움직임 영상을 이용하여 모형선박(20)의 6자유도 운동을 계측한다. 여기서, 6자유도 운동에는 전후동요(Surge), 좌우동요(Sway), 상하동요(Heave), 횡동요(Roll), 종동요(Pitch) 및 선수동요(Yaw)가 있다.
예를 들어, 계측기(60)는 비전 카메라(40)에 의하여 실시간 촬영된 영상으로부터 모형선박(20)의 위치, 선수부의 이동각 등의 6자유도 운동 데이터를 산출하고, 디지털 데이터 형태로 제어기(70)에 전달할 수 있다.
제어기(70)는 계측기(60)의 6자유도 운동의 계측에 따라 산출된 모형선박(20)의 운동 데이터를 이용하여, 모형선박(20)이 미리 설정된 위치를 유지하기 위하여 필요한 힘을 산출하고, 산출한 힘에 따른 추진기(50)의 추력을 산출하여 추진기(50)의 추력을 제어한다.
예를 들어, 제어기(70)는 PID(proportional integral derivative) 제어 방식, 추력 분배 알고리즘 및 에너지 사용을 최소화하기 위한 ice-vanning 제어 방식을 이용하여 추진기(50)의 추력을 제어할 수 있다.
즉, 제어기(70)는 모형선박(20)이 유빙(pack ice) 또는 평탄빙(level ice)의 외력을 최대한 견딜 수 있도록 PID 제어 방식 및 ice-vanning 제어 방식을 이용하여 최소한의 에너지로 미리 설정된 위치를 유지하도록 추진기(50)를 제어할 수 있다. ice-vanning 제어 방식은 PID 제어 방식과 달리, 평면운동 중에서 선수각을 제어하지 않으며, 외력을 최소화시키는 선수각이 외력에 따라 자연스럽게 변화하도록 제어함으로써, PID 제어 방식보다 더 효율적이다.
그리고, 제어기(70)는 모형선박(20)의 6자유도 운동 중 평면운동인 전후동요(surge), 좌우동요(sway) 및 선수동요(Yaw)에 대해서만 제어를 수행할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 빙해수조
20: 모형선박
30: 예인전차
40: 비전 카메라
50: 추진기
60: 계측기
70: 제어기

Claims (6)

  1. 극지환경용 동적위치유지(DP: Dynamic Positioning) 모형시험 시스템에 있어서,
    극지 해역 및 상기 극지 해역의 결빙된 얼음을 재현한 빙해수조;
    상기 빙해수조 내에서 자유항주하는 모형선박;
    상기 모형선박에 연결되어 상기 모형선박을 예인하는 예인전차;
    상기 예인전차에 상기 모형선박을 지향하도록 설치되어 상기 모형선박의 움직임을 실시간으로 촬영하는 비전 카메라;
    상기 모형선박에 장착되어, 상기 모형선박이 상기 빙해수조 내에서 자유항주하기 위한 추력을 발생하는 추진기;
    상기 비전 카메라를 통해 획득된 상기 모형선박의 움직임 영상을 이용하여 상기 모형선박의 6자유도 운동을 계측하는 계측기; 및
    상기 6자유도 운동의 계측에 따라 산출된 상기 모형선박의 운동 데이터를 이용하여, 상기 모형선박이 미리 설정된 위치를 유지하기 위하여 필요한 힘을 산출하고, 상기 산출한 힘에 따른 상기 추진기의 추력을 산출하여 상기 추진기의 추력을 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 예인전차에는 지그(jig)가 장착되고, 상기 지그를 이용하여 상기 비전 카메라가 상기 예인전차에 설치되며,
    상기 비전 카메라는 극지 환경에서 운용이 되도록 방한커버를 이용하여 방한처리되는 것을 특징으로 하는 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추진기는 아지머스 추진기(Azimuth thruster) 및 터널 추진기(tunnel thruster)를 포함하되,
    상기 아지머스 추진기는 방향전환을 위한 회전력을 발생시키고,
    상기 터널 추진기는 상기 모형선박의 측면으로의 추력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계측기는 상기 비전 카메라에 의하여 실시간 촬영된 영상으로부터 상기 모형선박의 위치 및 선수부의 이동각을 포함하는 6자유도 운동 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 PID(proportional integral derivative) 제어 방식, 추력 분배 알고리즘 및 에너지 사용을 최소화하기 위한 ice-vanning 제어 방식을 이용하여 상기 추진기의 추력을 제어하는 것을 특징으로 하는 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 모형선박이 유빙(pack ice) 또는 평탄빙(level ice)의 외력을 최대한 견딜 수 있도록, 상기 PID 제어 방식 및 상기 ice-vanning 제어 방식을 이용하여 최소한의 에너지로 미리 설정된 위치를 유지하도록 상기 추진기를 제어하되,
    상기 6자유도 운동 중 평면운동인 전후동요(surge), 좌우동요(sway) 및 선수동요(Yaw)에 대해서만 PID 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 극지환경용 동적위치유지 모형시험 시스템.


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