KR20110059206A - 터그보트를 이용한 접안선박 유도시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 접안선박 유도시스템은, 접안선박에 대하여 추진력을 인가하는 다수대의 터그보트와, 상기 접안선박에 대한 각 터그보트의 추진각도를 계측하는 각도계측장치와, 안벽과 상기 접안선박간의 거리와 접안각도를 계측하는 선박위치계측장치와, 상기 각도계측장치 및 선박위치계측장치를 통해 파악된 데이터를 연산하여 상기 각 터그보트의 움직임을 원격으로 통합제어하는 중앙제어장치를 포함하여 이루어진다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 접안선박 유도시스템에 의하면 선박의 접안이 안전하고 신속하게 이루어지기 때문에 항만 물류작업의 효율이 향상된다는 이점이 있다.

Description

터그보트를 이용한 접안선박 유도시스템{Vessel docking guide system}

본 발명은 선박의 접안작업이 안전하고 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 접안선박 유도시스템에 관한 것이다.

선박을 부두에 정박시키는 종래의 접안작업은, 선박이 항내로 진입하게 되면 우선 도선파일럿이 승선하여 선박을 안벽근처까지 인도하도록 하며, 안벽 가까운 지점(100m 내외)에서부터는 선박의 주추진장치를 아이들링 상태로 전환하고, 사이드 스러스트 등을 사용함과 동시에 다수개의 터그보트(Tug-Boat)의 지원을 받아서 진행된다.

이는 중대형 선박의 경우 주추진장치의 신속한 정역전환 운전이 거의 불가능한 특성상 항내에서 방향을 조정하기 어렵기 때문에 터그보트에 의해 방향전환 작업 등이 이루어지는 것이며, 각 터그보트는 이에 탑승한 승조원의 조작에 의해 조종된다.

따라서, 종래기술에서는 도선파일럿과 터크보트의 공조로 접안작업이 이루어지는데, 터그보트의 승조원과 접안 선박에 승선한 도선파일럿 뿐만 아니라 육상에서 접안 선박의 진로 등을 관측하여 접안 선박과 터그보트 등에게 정보를 제공하는 이른바 육상지원팀 또한 참여함으로써 보다 정밀한 접안작업을 유도하게 된다.

그런데, 이러한 종래기술에 의하면 접안 선박(도선파일럿)과 터그보트, 육상지원팀의 3자간 긴밀한 협조가 이루어져야 안전한 접안작업이 수행될 수 있는 만큼, 통신수단에 이상이 발생하는 등의 이유로 인하여 상기 3자간의 정보전달이 신속하고 안정적으로 이루어지지 않거나, 어느 한팀이 오류를 범하여 대처능력이 상실되면 심각한 사고가 발생할 우려가 있다.

접안과정에서 발생할 수 있는 사고로서는 접안을 시도하는 선박이 속도조절에 실패하여 안벽과 충돌하는 것을 예로 들 수 있는데, 이러한 충돌사고에 의하면 접안 선박이 파손되는 것은 물론 안벽에 균열이 발생함으로써 시설복구에 많은 시일이 소요되는 등 항만업무에 막대한 피해가 유발된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 여러대의 터그보트를 통합적으로 원격제어하여 접안선박을 유도함으로써 선박의 접안작업이 안전하고 효율적으로 이루어지도록 하는 접안선박 유도시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 접안선박 유도시스템은, 접안선박에 대하여 추진력을 인가하는 다수개의 터그보트, 상기 접안선박에 대한 각 터그보트의 추진각도를 계측하는 각도계측장치, 안벽과 상기 접안선박간의 거리와 접안각도를 계측하는 선박위치계측장치, 상기 각도계측장치 및 선박위치계측장치를 통해 파악된 데이터를 연산하여 상기 각 터그보트의 움직임을 원격으로 통합제어하는 중앙제어장치를 포함하여 이루어진다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 접안선박 유도시스템에 의하면 선박의 접안이 안전하고 신속하게 이루어지기 때문에 항만 물류작업의 효율이 향상된다는 이점이 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 도 2 부터 도 5b까지 참조로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 조이스틱 등의 조종장치를 이용하여 다수대의 터그보트를 통합제어하여 선박을 접안시키는 장치이다.

각 각의 터그보트에는 통합제어시스템으로부터 전달되는 제어신호를 목표신호로 인식하여 터그보트의 추진력, 방향 및 위치 등을 자동적으로 제어할 수 있는 독립적인 제어시스템이 장착된다.

상기 제어시스템은 DSP(Dynamic Positioning System)가 탑재된 원보드 컨트롤러 및 제어에 필요한 정보를 취득하기 위한 각종 센서를 포함한다.

이와 같은 터그보트 제어시스템이 장착된 터그보트는 2척 ~ 4척으로 마련되고, 각 터그보트를 제어하기 위한 통합제어시스템은 컴퓨터, 접안하고자 하는 선박의 각종 운동특성(이동속도 등)을 계측할 수 있는 센서, 안벽과 선박사이의 거리를 계측할 수 있는 위치센서, 터그보트로부터 전달되는 각종 정보를 인식할 수 있는 정보처리시스템 및 조이스틱 등으로 구성된다.

터그보트를 제어하기 위하여 각 터그보트에 구성되는 터그보트 제어시스템은 다음과 같다.

터그보트를 제어하기 위한 목표신호(터그보트 추진방향, 추진력 등)가 설정되면, 해당 터그보트에 대한 사전정보(운동특성 등)를 기반으로 구축된 제어시스템은, 현재 터그보트의 상태정보(러더각, 주행속도, 추진력) 등을 참고로 적절한 제 어신호를 계산한다.

이 계산결과는 터그보트의 방향을 제어하기 위한 러더제어시스템 및 추진력을 제어하기 위한 추진력제어시스템에 제어신호로 입력되어 터그보트 제어가 수행되게 된다.

터그보트 제어시스템은 피드백시스템으로 구성되기 때문에 터그보트 러더각(타각), 주행속도 및 추진력을 계측할 수 있는 센서가 반드시 필요하다.

각각의 터그보트를 통합운영하기 위한 통합운영시스템은 다음과 같다.

즉, 이미 각 터그보트를 독립적으로 제어하기 위한 제어시스템은 갖추어져 있다는 전제하에서 원격제어시스템이 구축될 수 있다.

원격제어시스템은 접안대상의 선박을 축으로 각각의 터그보트를 요소품으로 간주하고 제어하여 운영하는 기술이다.

이 시스템은 마치 현재 FPSO 등에 설치 운용되고 있는 AZIMUTH형의 추진장치가 제어하고자 하는 선박의 선저부에 4기가 설치되어 있는 경우와 같은 것이다(4기의 터그보트로 접안을 시도할 경우).

AZIMUTH형 추진장치는 임의의 각도로 회전이 가능한 것으로 DPS(Dynamic Positioning System)시스템 구축에 필수적인 장치이다.

접안시에는 접안대상 선박의 선수부 양측과, 선미부 양측에 각각 2기씩의 터그보트가 밀착되어 선박을 밀게 된다.

각 터그보트는 선박에 밀착한 상태에서 선박진행방향에 대응하여 터그보트 추진방향과 추진력을 조절하면서 접안대상 선박을 밀어서 제어하게 된다.

본 발명에 따른 시스템의 운용방법으로서는 수동모드와 자동모드가 있는데 각 모드에 대해 설명하면 다음과 같다.

(가)수동모드

조종자가 선박에 탑승하여 주위환경 및 선박의 이동상황 등을 육안으로 관찰해 가면서 경험에 기반하여 선박을 접안하는 방법이다.

접안하고자 하는 목표가 설정되면 조종자가 적절하게 조이스틱을 조종하고 조이스틱으로부터의 방향설정신호 및 속도명령이 통합제어시스템에 입력된다.

통합제어시스템은 설정값을 인식하고, 이 설정값을 이용하여 통합제어시스템 컴퓨터에 미리 구축되어 있는 제어알고리즘으로부터 각각의 터그보트를 제어하기 위한 제어신호가 계산되고 이것이 각각의 터그보트 제어시스템에 전달된다.

통합제어시스템에서 계산되는 제어신호는 터그보트의 추진력 및 조향장치 각도를 제어하기 위한 제어신호가 포함되어 있다. 수동모드는 사람에 의해 제어되는 방법이기 때문에 안전한 접안에 필요한 조종자의 적당한 경험이 반드시 필요하게 된다.

(나)자동모드

수동모드와 같이 주위환경을 조종자가 육안으로 인식하고 판단하여 제어할 필요가 없고, 현재 위치에서 선박이 접안해야 할 목표지점 만 설정되면 통합제어시스템에 의해 각각의 터그보트를 제어하여 목표지점까지 자동으로 접안하는 방법이다.

일단 접안을 시도하는 단계에서 선박 혹은 적절한 위치에 설치된 센서가 목표지점까지의 거리, 현재 선박의 상태(위치, 이송속도 등), 각 터그보트에 관한 정보(각 터그보트 위치 및 접안대상선박과의 상대운동 특성 등) 및 주위환경 등의 정보를 확보하게 된다.

이러한 정보는 통합제어시스템이 선박을 어떠한 속도와 방향으로 각각의 터그보트를 제어하여 접안시킬 것인지를 결정하기 위해 이용되는데, 기본적으로는 각 터그보트에는 통합제어시스템으로부터의 제어신호를 수신하고 실행할 수 있는 제어시스템이 구축되어 있어야 한다.

즉, 통합제어시스템을 축으로, 터그보트 제어시스템이 서브시스템으로 운영되는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 선박접안 유도시스템은 다음과 같은 3가지 방식의 작동형태를 갖는다.

(가)정지모드

4기의 터그보트 ①, ②, ③, ④가 추진력을 발생시키지 않거나, 동일한 크기의 추진력을 발생시켜 힘의 평형상태를 유지하면 된다. 이때 터그보트는 추진력 뿐 만 아니라 제어해야 할 선박의 위치정보를 파악하여 각 터그보트의 러더각 및 추진력을 동시에 제어한다.

(나)병진운동모드

만일 선박을 우측의 안벽으로 병진운동시킬 경우에는 터그보트 ①, ②의 추 진력에 주로 의지해야 한다. 단 선박의 이동속도가 필요이상으로 빨라 선박의 이동속도를 줄여야 하거나, 선수, 선미측이 평행하게 운동(이동)하지 않을 경우에는 터그보트 ③, ④의 추진력으로 조절하고 필요시 터그보트 ①, ②의 추진력도 조절하여 안전하고 신속하게 접안되도록 한다. 예를 들어 아래 그림 8에서 선수축의 이동속도가 빠르거나 안벽측으로 많이 기울어져 있을 경우에는 선수축 추진용 터그보트의 추진력은 작게 하고, 선미측 추진용 터그보트의 추진력은 상대적으로 크게 하여 평형운동 시키도록 하면 된다, 이러한 운동은 이미 제어용 컴퓨터에 탑재된 제어알고리즘으로 자동 실행되게 된다.

(다)회전운동모드

만일 선박을 시계방향으로 회전시키고자 할 경우에는 아래 그림 9에서와 같이 터그보트 ①은 선수측을 밀고, 터그보트 ④는 선미측을 밀도록 각각의 터그보트를 제어하면 된다. 이와 반대로 회전시키고자 할 경우에는 그림 10에서와 같이 터그보트 ②, ③의 추진력을 제어하면 된다. 이때도 마찬가지로, 설정된 값 이상의 속도로 회전하거나, 설정된 값 이상의 각도로 회전되지 않도록 적절한 제어알고리즘으로 제어되어야 하며, 주로 사용되는 터그보트 외의 터그보트 추진력도 적절하게 발생시켜 안정한 운동제어가 될 수 있도록 구축된 제어시스템의 제어알고리즘에 의해 발생되게 된다.

터그보트가 선박에 접근하여 추력을 발생시키고 그 힘으로 접안대상선박을 밀게 된다. 이때 통합제어시스템은 접안대상선박을 터그보트로 밀어 설정된 위치, 속도 등으로 제어하기 위해서는 통합제어시스템을 통해 설정된 각도로 선박을 밀어 야 한다.

따라서 터그보트가 접안대상 선박에 접촉해서 미는 힘뿐만 아니라 그 각도를 계측해야한다.

계측을 위해서는 터그보트에 터그보트 중심선을 기준으로 좌우대칭이 되도록 초음파센서(혹은 레이저센서)를 설치한다. 각각의 센서는 선박측면을 향하도록 하고, 각각의 센서가 계측한 거리를

라 하고, 두 개의 센서간의 거리를

이라 하면, 접안대상선박과 터그보트가 이루는 각도는 다음의 식으로 계산되고, 그 부호에 따라 중심에서 좌측 혹은 우측으로 기울어져 있는지를 판단한다.

그리고, 본 발명은 안벽을 기준으로 하여 목표물을 검출하고 선박위치를 계측하기 위한 계측시스템을 포함하여 이루어지는데, 계측시스템은 ccd 카메라와, 상기 ccd 카메라에 의한 입수된 정보를 분석하는 연산회로를 포함하여 이루어진다.

연산회로는 템플릿매칭 방식으로 목표지점과 기준위치와의 각도 및 거리를 파악하도록 구성된다.

장치조작자는 모니터링 시스템의 디스플레이에 표시되는 화상을 보고 선수측 목표지점의 목표물과 선미측 목표물을 지정하며, 목표지점의 목표물만 지정하고 나면 다음 과정은 자동적으로 수행된다.

먼저 연산장치는 지정된 목표의 표본화상과 각 카메라로 취득한 화상을 해석 하여 목표까지의 거리 및 방향을 산출한다.

카메라 회전대는 수평·수직 2개의 회전축을 가지며 선박이 이동하여 목표가 카메라 시야범위에 있도록 자동제어 된다.

이와 같이 구성된 계측시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 예시적으로 선수측과 선미측에 각각 2대씩의 카메라를 설치하여 계측하는 경우를 설명하자면, 선수측에 탑재한 2대의 카메라를 이용하여 선수측 목표물과 각각의 카메라가 이루는 각도

를 검출하고, 각 카메라가 이루는 각도

와 양 카메라 사이 거리

를 알면 삼각법의 원리로부터 선수측 목표(목표지점)까지의 거리

가 계산되며, 선미측 목표도 위와 똑같은 방법으로 계산하면 된다. 선박이 평행상태인 경우에는

가 된다.

여기서, 정박지에서의 목표물 검출방법은 다음과 같다.

(1) 선수에 설치한 카메라로부터 안벽의 목표지점을 촬영하고, 촬영한 화상에서 특정한 목표물을 설정하여 디스플레이 한다.

(2) 조작자가 목표물을 마우스로 지정하고, 목표물을 포함하도록 하는 임의의 영역 (M x N 화소)를 선택한다.

(3)계측시스템에서 설정된 임의의 영역을 잘 보존하고 이를 표본화상

로 설정한다. 여기서 함수는 좌표

에 있어서의 휘도를 나타낸다. 화상의 좌상 정점좌표는

이 된다.

(4)선수측에 설치된 카메라(C_b1)로 안벽을 촬영하고 얻어진 화상

의 좌상정점

으로부터 표본화상과 같은 크기의 영역을 추출하고 표본화상

과 비교하여 휘도차 합

를 구한다.

(5) 추출한 화소를 1화소씩 밀어내는 방법으로 비교하여 모든 휘도차 합

를 구한다.

(6)휘도차 합

이 최소가 되는 값을 구하면 목표지점의 좌표는

가 된다.

다른 3대의 카메라(C_b2, C_a1, C_a2)도 위와 같은 방법으로 각각 목표지점의 좌표를 구할 수 있게 된다.

목표물이 놓여있는 위치를 검출하기 위한 각도계측방법 즉 선수측 및 선미측에 설치된 2개의 카메라가 각각 촬영한 화상으로부터 카메라에서 목표물이 있는 위치까지의 방향

를 계산하는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 선수측이든 선미측이든 그 위치에 상관없이 두 대의 카메라중 하나인 좌측 카메라가 촬영한 화상데이터의 횡폭이

, 목표물의

좌표가

일때 CCD 수평해상도가

이면 목표물이 CCD상에 맺히는 위치

은

가 된다.

따라서 렌즈와 CCD 면사이의 거리가

이면 결국 목표물과 좌측카메라가 이루는 각도

이 되며,

도 위와 같은 방법으로 구하면 된다.

도 1은 본 발명에 의한 접안선박이 유도되는 과정에서 정지모드를 나타낸 예시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 접안선박이 유도되는 과정에서 병진운동모드를 나타낸 예시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 접안선박이 유도되는 과정에서 회전운동모드를 나타낸 예시도이다.

도 4는 본 발명에서 터그보트 위치제어를 위한 각도 계측원리를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에서 접안선박의 위치검출 원리를 나타낸 구성도이다.

도 6a, 6b는 본 발명에서 접안선박의 위치검출식을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에서 목표물 검출방법을 나타낸 예시도이다.

Claims (1)

1. 접안선박에 대하여 추진력을 인가하는 다수대의 터그보트,

   상기 접안선박에 대한 각 터그보트의 추진각도를 계측하는 각도계측장치,

   안벽과 상기 접안선박간의 거리와 접안각도를 계측하는 선박위치계측장치,

   상기 각도계측장치 및 선박위치계측장치를 통해 파악된 데이터를 연산하여 상기 각 터그보트의 움직임을 원격으로 통합제어하는 중앙제어장치,

   를 포함하여 이루어지는 선박의 접안유도시스템.

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