KR20100074739A - Position control system and method for ships and sea structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 선박 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로 특히, 선박 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 선박 및 해양 구조물은 본연의 작업을 수행하기 위하여 목표로 하는 위치를 유지해야 하는 경우가 있다. 본 발명은 선박 및 해양 구조물이 위치를 유지하려고 하는 경우에 선박에 구비되어 있는 GYRO, 러더(Rudder), 프로펠러, GPS를 이용하여 선박의 자세 제어를 실현하는 선박의 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a position control method and system for attitude control of ships and offshore structures, and more particularly, to a system and method for attitude control of ships and offshore structures. Ships and offshore structures may need to maintain their intended location in order to perform their work. The present invention is to control the attitude of the ship and offshore structures to realize the attitude control of the ship using GYRO, rudder, propeller, GPS provided in the ship when the ship and offshore structures are to maintain the position A position control system and method.
선박의 안정 적인 자세 유지는 작업의 안정성 및 승선감을 유지하는데 있다. Maintaining a stable attitude of the ship is to maintain the stability of the operation and the feeling of boarding.
그런데 종래에 선박의 운항에서는 추력발생기로서 트러스터(thruster), 프로펠러(propeller), 및 방향키로서 러더(rudder) 등을 선장이나 도선사가 운전하여 목표로 하는 자세를 유지하였다. However, in the conventional operation of a ship, a captain or pilot operated a thruster, a propeller, and a rudder as a thrust generator to maintain a target posture.
따라서 종래에는 선반의 자세 유지는 선장이나 도선사의 경험에 유지할 수 밖에 없었다.Therefore, conventionally, the posture maintenance of the shelf was inevitably maintained by the captain or pilot.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 선박 및 해양 구조물이 목표로 하는 특정한 위치를 선박이나 해양구조물에 설치되어 있는 GPS나, DGPS(Differential GPS)로부터 정보를 얻어서 위치제어를 함으로써 선박이나 해양 구조물이 안정적인 작업을 할 수 있도록 할 수 있게 하는 선박 및 해양 구조물의 위치 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is conceived under the above-mentioned background, the specific position of the ship and offshore structures to obtain the information from the GPS or DGPS (Differential GPS) installed on the ship or offshore structure to control the position of the ship or offshore It is an object of the present invention to provide a position control system and method for ship and offshore structures that enable the structure to work stably.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상기 목적을 달성하기 위해, 선박의 환경 외력 및 위치 정보를 입력 받는 DGPS;The system according to an embodiment of the present invention, in order to achieve the above object, the DGPS receiving the environmental force and position information of the ship;
선박의 방위를 표시하는 GYRO;GYRO to indicate the bearing of the ship;
선박의 속도 및 가속도 정보를 예측하기 위한 풍력계Anemometer to predict vessel speed and acceleration information
상기 DGPS, GYRO, 풍력계로부터 환경 외력, 위치 정보, 속도 및 가속도 정보를 입력 받아 적절한 환경 외력, 선박의 운동 정보를 분석하여 적절한 추력정보를 출력하는 위치정보 프로그램을 내장한 PC 및PC with built-in location information program that receives environmental external force, position information, speed and acceleration information from the DGPS, GYRO, anemometer, and analyzes the appropriate environmental external force and ship motion information and outputs appropriate thrust information;
상기 PC로부터의 상기 추력정보를 전기적인 신호로서 트러스터, 프로펠러 및 러더에 전달하는PLC(Programmable Logic Controller)를 구비하는 것을 특징으로 한다.And a programmable logic controller (PLC) for transmitting the thrust information from the PC to the thruster, propeller, and rudder as electrical signals.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, DGPS, GRRO, 풍력계, 이동 기준 장치, 트러스터, 러더 및 프로펠러와 통신하는 단계Method according to an embodiment of the present invention, the step of communicating with the DGPS, GRRO, anemometer, mobile reference device, thruster, rudder and propeller
상기 DGPS와 GYRO, 및 상기 풍력계로부터의 고 주파수를 낮은 주파수로 필터링하는 단계Filtering the high frequencies from the DGPS and GYRO and the anemometer to low frequencies
상기 DGPS와 GYRO 및 상기 풍력계로필터링된 신호를 기초로 선박의 추력 총합을 계산하는 단계 및Calculating the total thrust of the vessel based on the DGPS and GYRO and the signal filtered by the anemometer; and
상기 계산된 추력을 트러스터, 러더 및 프로펠러에 분배하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 한다. Distributing the calculated thrust to the thrusters, rudders and propellers.
본 발명의 방법에 의하면 선박 및 해양 구조물의 위치 제어를 자동으로 실현함으로써 선장, 도선사 등 고 비용의 인력을 투입하지 않고, 장시간 작업이 가능 하며 작업시, 리스크를 감소 시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. According to the method of the present invention, by automatically realizing the position control of ships and offshore structures, it is possible to work for a long time without inputting expensive manpower such as captains and pilots, and it is possible to obtain an effect of reducing risk during operation. .
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조로 하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 방법을 구현하는 시스템을 도시한 블록도로서, 도시한 바와 같이, 풍력계(10), DGPS(20), GYRO(30), 위치 제어 PC(40), 프로펠러(50), 사이드 트러스터(60), 러더(70)로 이루어진다. 도면에서 풍력계(10), DGPS(20) 및 Gyro(30)로부터의 정보를 위치제어 PC(40)를 이용하여 프로펠러(50), 사이드 트러스터(60) 및 러더(70)에 명령을 전달한다. 1 is a block diagram illustrating a system implementing the method of the present invention, as shown,
도 2는 본 발명의 선박의 위치 제어 알고리즘을 개념도를 도시한 도면이다. 2 is a conceptual diagram illustrating a position control algorithm of a ship of the present invention.
도면에 도시한 바와 같이, 환경 외력을 고려하여 선박의 측정 위치 및 측정 바람을 기초로 제어기(80)를 통해 추력 분배를 위한 제어 명령이 사이드 트러스터(60), 프 로펠러(50) 및 러더(70)에 전달된다. 상기 제어기(80)는 PLC(Programmable Logic Controller)로 실시될 수 있다. As shown in the figure, the control command for the thrust distribution through the
도 3은 본 발명의 선박의 및 해양 구조물의 자세 제어를 위한 위치 제어 방법에 대한 구체적인 흐름도를 도시한다. 3 shows a specific flowchart of a position control method for attitude control of a ship and an offshore structure of the present invention.
먼저 단계 S100은 장치들과의 통신을 담당하는 단계로서, DGPS 및 GYRO(20,30)으로부터 수평면 좌표 헤딩 각도가 입력되고(S110), 풍력계(90)로부터 풍향 및 풍속이 입력되고(S120), MRU(Motion Reference Unit)(100)로부터 자세가 입력되고(S130), 트러스터(60)로부터 피치(pitch)가 입력되고(S140), 러더(70)로부터 러더 각도가 입력되고(S150), 프로펠러(50)로부터 RPM(Revolution Per Minute)가 입력된다(S160). 상기 MRU(100), 트러스터(60), 러더(70) 및 프로펠러(50)로부터 입력된 자세, 피치, 러더 각도 및 RPM은 오퍼레이터가 모니터링하고, 프로그램에서 사용한다(S170). First, step S100 is a step in charge of communication with the devices, the horizontal coordinate heading angle is input from the DGPS and GYRO (20, 30) (S110), wind direction and wind speed from the anemometer 90 (S120), The attitude is input from the Motion Reference Unit (MRU) 100 (S130), the pitch is input from the thruster 60 (S140), the rudder angle is input from the rudder 70 (S150), and the propeller RPM (Revolution Per Minute) is input from 50 (S160). The attitude, pitch, rudder angle, and RPM input from the
이어서 단계 S200에서는 필터링이 수행되는데, 제어가 가능한 신호로 변경하고, 실측값으로 보정을 수행한다. 지속적인 실측값으로 환경, 조력 등에 대한 보정을 수행하는데(S210), 상기 단계 S110에서 수평면 좌표 헤딩 각도는 주파수가 높으므로 낮은 주파수를 가진 즉, 제어가 가능한 수평면 좌표 헤딩 각도로 필터링되고(S220), 상기 단계 S12O으로부터의 풍향 및 풍속은 주파수가 높으므로 낮은 주파수를 가진 즉, 제어가 가능한 풍향 및 풍속으로 필터링된다(S220). 여기서 필터링에는 로우 패스 필터로서 칼만 필터(Kalman Filter)가 사용된다. Subsequently, in step S200, filtering is performed. The control signal is changed to a controllable signal, and correction is performed based on the measured value. In the step S110, the horizontal coordinate heading angle has a high frequency, that is, a controllable horizontal surface coordinate heading angle is filtered (S220). Since the wind direction and the wind speed from the step S12O have a high frequency, the wind direction and the wind speed are controlled to have a low frequency, that is, controllable (S220). In this case, a Kalman filter is used as the low pass filter.
다음으로 단계 S300에서 자동으로 추력 총합을 계산하는 즉, 제어 단계가 수 행되는데, 현재 위치와 목적 위치의 차이를 제어하고(S310), 풍속정보를 기준으로 환경 외력을 예측하고 반대 추력을 낸다(S320). 이어서 수동 입력한 즉, 직접 입력한 값에 대해 추력 총합을 계산하여 수동 명령이 입력되어(S330), 추력 총합이 계산된다(S340).Next, in step S300, the thrust sum is automatically calculated, that is, a control step is performed, and the difference between the current position and the target position is controlled (S310), the environmental external force is predicted based on the wind speed information, and the opposite thrust is generated ( S320). Subsequently, a manual input is input, that is, a manual command is input by calculating a total thrust on the value directly input (S330), and the total thrust is calculated (S340).
이어서 단계 S400에서는 계산된 추력을 장치에 분배하는 단계가 수행되는데, 즉, 단계 S410에서 추력 분배가 수행되는바, 트러스터로 추력이 분배되고(S420), 러더로 추력이 분배되고(S430), 프로펠러로 추력이 분배된다(S440). 이어서 다시 장치들과의 통신이 수행되는데(S500), 위의 과정이 순환적인 방식으로 계속적으로 수행되어 위치 제어를 수행한다. Then, in step S400, a step of distributing the calculated thrust to the apparatus is performed, that is, the thrust distribution is performed in step S410, the thrust is distributed to the thruster (S420), the thrust is distributed to the rudder (S430), Thrust is distributed to the propeller (S440). Subsequently, communication with the devices is performed again (S500), and the above process is continuously performed in a cyclic manner to perform position control.
도 4는 도 3에 대응하는 도면으로서, 각 과정을 수식으로 나타낸 도면이다. DGPS, GYRO(20, 30)로부터 수평면 좌표 가 모션 필터(300)로 입력되어 가 계산되고, 윈드 필터(400)로 풍향, 풍속가 입력되어 풍향의 저주파 성분,풍속의 저주파 성분가 계산되어 저 주파수가 추출되어 예측이 수행된다(여기서 는 경도, 위도 및 선수각이고, 는 바람 입사각이고, 는 풍속이고, 는 바람입사각의 저주파 성분이고, 는 풍속의 저주파 성분이고, 또한 는 경도의 저주파 성분, 위도의 저주파 성분 및 선수각의 저주파 성분이고, 는 종방향속도의 저주 파 성분, 횡방향 속도의 저주파 성분, 각속도의 저주파성분이다).FIG. 4 is a diagram corresponding to FIG. 3, in which each process is expressed by a formula. Horizontal plane coordinates from DGPS, GYRO (20, 30) Is input to the
이어서 시간이 갱신되고, 측정이 갱신되어 보정이 수행되는데, 다음 수식에 의한다. (여기서, A,B는 시스템 행렬이고, K는 칼만 게인 행렬이고, H는 계측 행렬이고, x는 상태 방정식의 상태변수(Kalman Filter)이고, z는 계측변수이다.) The time is then updated, the measurement is updated, and calibration is performed by the following equation. (Where A and B are system matrices, K is the Kalman gain matrix, H is the measurement matrix, x is the Kalman Filter of the state equation, and z is the measurement variable.)
이어서 현재위치에서 가고자 하는 위치로의 반대방향으로의 궤환 제어가 실행되는데, 다음 수식에 의한다. (여기서,는 궤한 추력 명령이고, 는 궤환 제어 이득이다.) Subsequently, feedback control in the opposite direction from the current position to the desired position is executed. (here, Is the thrust force command, Is the feedback control gain.)
여기서 배의 상태는 다음식으로 표현된다. 한편, 순방향 제어시는 가 성립하는데(는 순방향 추력 명령이다.), 환경 부하 는 로 구해진다(여기서, 는 풍력이고, 는 조류력이고, 는 파도에 의한 횡 표류력이다.). 또한 풍력은 로 정해진다(여기서 는 공기밀도이고, 는 풍력 계수이고, 는 풍속이고, A는 투영 면적이다.). 한편, 조류력은 로 구해진다(여기서 는 해수밀도, 는 조류계수이고, 는 조류 속도이다.). Where ship's state is . On the other hand, in forward control Is true ( Is the forward thrust command), environmental load Is Obtained by (here, Is wind power, Is the tidal force, Is the transverse drift force by the waves). Also wind power It is decided to (where Is the air density, Is the wind power factor, Is the wind speed and A is the projection area. Meanwhile, the tidal force (Where is Seawater Density, Is the tide coefficient, Is the tide rate.).
또한, 파도에 의한 횡 표류력은 로 주어진다(여기서 는 웨이브 스펙트럼이고, 는 전달함수이다.) In addition, the lateral drift force caused by the waves Is given by Is the wave spectrum, Is the transfer function.)
이어서 추력 분배가 수행되는데, 이다. 추력 명령 매트릭스는 로 주어진다(여기서 는 추력 분배 매트릭스 이고, 는 추력 결과 매트릭스이고, 한편, X는 수평면 종방향 힘이고, Y는 수평면 횡방향 힘이고, N은 수평면 모멘트이다.). 이러한 추력 분배 명령은 상기 MRU(100), 트러스터(60), 러더(70) 및 프로펠러(50)로 명령된다. Thrust distribution is then performed, to be. Thrust command matrix Is given by Is the thrust distribution matrix, Is the thrust result matrix, while X is the horizontal longitudinal force, Y is the horizontal transverse force, and N is the horizontal moment). This thrust distribution command is commanded to the MRU 100, the
도 4에서 상기 단계 S100의 메인 프로그램의 통신, 단계S200의 칼만 필터에 의한 필터링, S300의 제어 그리고 S400의 추력 분배가 순환적으로 반복되어 위치 유지를 수행하게 된다. In FIG. 4, communication of the main program of step S100, filtering by the Kalman filter of step S200, control of S300, and thrust distribution of S400 are cyclically repeated to perform position maintenance.
지금까지 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형 실시될 수 있으며, 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 영역에 속하는 것으로 해석되어야 한다. One embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto, and various modifications and variations are made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the appended claims below. Such modifications and variations are intended to be interpreted as falling within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 방법을 구현하는 시스템을 도시한 블록도이다. 1 is a block diagram illustrating a system implementing the method of the present invention.
도 2는 본 발명의 선박의 위치 제어 알고리즘을 개념도를 도시한 도면이다. 2 is a conceptual diagram illustrating a position control algorithm of a ship of the present invention.
도 3은 본 발명의 선박의 및 해양 구조물의 자제 제어를 위한 위치 제어 방법에 대한 구체적인 흐름도를 도시한다. Figure 3 shows a specific flowchart of the position control method for control of the ship and offshore structures of the present invention.
도 4는 도 3에 대응하는 도면으로서, 각 과정을 수식으로 나타낸 도면이다4 is a diagram corresponding to FIG. 3, in which each process is expressed by a formula;
*도면 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10; 풍력계 20;DGPS10;
30;GYRO 40;위치 제어 PC 30; GYRO 40; position control PC
50프로펠러 60;사이드 트러스터50
70;러더70; rudder
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