KR20120017837A - 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템 - Google Patents

선박의 위치 또는 모션 측정 시스템 Download PDF

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이승호
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Abstract

본 발명은 선박의 위치 및 모션 측정 시스템에 관한 것으로, 선박의 적어도 3개 지점에 위치하여 상기 각 지점의 위치 또는 모션을 측정하는 센서 인터페이스 모듈; 상기 각 센서 인터페이스 모듈에 각각 인접한 곳에 설치되고, 상기 센서 인터페이스 모듈로 위치 데이터를 전송하는 DGPS 이동국 모듈; 지상에 설치되며, 상기 DGPS 이동국 모듈의 위치 데이터의 오차를 보정하기 위한 DGPS 지상 기준국 모듈; 상기 시스템 전체를 관리하고, 상기 측정된 위치 또는 모션 데이터를 수신받아 디스플레이하여 모니터링 하는 중앙 제어부; 및 상기 각 센서 인터페이스 모듈에서 측정된 데이터를 수신받아 상기 중앙 제어부에 송신하는 메인 콘트롤러를 포함한다.
이와 같이 본 발명을 제공하면, 정밀한 선박 해치의 위치 또는 모션(Roll/Pitch)을 측정하고 이를 바탕으로 작업을 수행 가능하게 하여, 간단한 구성으로 빠르고 정밀한 위치 또는 모션 제어가 가능하게 된다. 또한, 선박의 위치 및 움직임 값을 보다 정밀하게 실시간으로 측정할 수 있고, 전체 시스템의 모니터링 및 관리를 안정적으로 수행할 수 있게 된다.

Description

선박의 위치 또는 모션 측정 시스템{location or motion detection system of vessel}
본 발명은 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성과 네트워크로 보다 정밀하고 빠르게 선박의 위치 또는 모션을 측정할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 대형 선박의 경우, 화물을 하역하는 경우에 크레인과의 충돌을 방지하거나 선박의 건조 후 진수하는 경우에 정밀한 자세 및 위치 제어를 하기 위해 다양한 방법으로 선박의 위치 또는 모션(움직임)을 측정해 오고 있다.
예를 들어 조선소의 선박건조시 육상 건조 후, 이를 바다로 진수시키는 방식이 우리나라를 중심으로 널리 실시되고 있다. 그런데, 대형 선박의 진수시 선박의 안전진수를 위하여 진수 경로를 예측하여야 할 필요성이 점차 크게 대두 되고 있으나, 실제에 있어서 이를 예측하기 위해서는 조선소 인근 바다의 조류의 방향, 풍향, 해수 밀도, 시간과 계절의 고려 등의 기초적인 물리환경의 조사가 선행되어야 하였다.
즉, 선대로부터 완전 부양된 후 예인선의 도움 없이 부양 직후의 운동 에너지만으로 운동하여 선박이 정지할 때까지의 직선거리 (이후 “진수거리”라 칭함)나, 이때 선대의 마찰력, 예인선의 예인력, 부양 후 물의 저항, 해상에서의 바람 및 조류의 영향 등을 고려하여, 선대에서 선박을 끌어내리는 단계에서뿐만 아니라, 완전 부양 후에도 정박할 부두까지 예인선을 활용하여 예인하게 되므로 이 경우에 대한 진수거리 계산과 교량과의 충돌 가능성을 정량적으로 분석해야 할 필요성이 크게 대두 되었다.
그리고, 이와 같은 다양한 환경 변수의 정량적 분석과 함께, 가장 중요한 것은 선박 자체의 위치와 움직임을 정확히 측정하는 것이다. 왜냐하면, 선박 자체의 위치 및 움직임을 정확히 측정해야만 상기 환경조건에 알맞게 다양한 작업을 수행할 수 있기 때문이다.
이처럼, 선박의 위치 및 움직임을 측정하기 위해 종래에는 선박의 다수 부위에 DGPS 등으로 위치를 측정하고, 이를 바탕으로 선박의 위치, 자세 및 움직임을 측정하는 경우가 대부분이었다.
그러나, 이러한 단순한 위성을 통한 선박의 특정 지점 위치 측정만으로는, 상하, 전후좌우의 3차원적인 선박의 움직임을 정밀하게 측정하는데 한계가 있었고, 종래의 기술과 같이 단순한 지점의 위치를 통한 선박의 움직임을 측정하는 것은 많은 계산시간을 요해 빠르게 실시간으로 선박의 움직임 정보를 제공할 수 없었고, 이를 위해 다수의 통신장치가 필요하다는 문제점이 있었다.
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 정밀한 선박 해치의 위치 또는 모션(Roll/Pitch)을 측정하고 이를 바탕으로 작업을 수행 가능하게 하여, 간단한 구성으로 빠르고 정밀한 위치 또는 모션 제어가 가능하도록 하는 것이다.
또한, 선박의 위치 및 움직임 값을 보다 정밀하게 실시간으로 측정할 수 있고, 전체 시스템의 모니터링 및 관리를 안정적으로 수행할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템으로서, 선박의 적어도 3개 지점에 위치하여 상기 각 지점의 위치 또는 모션을 측정하는 센서 인터페이스 모듈; 상기 각 센서 인터페이스 모듈에 각각 인접한 곳에 설치되고, 상기 센서 인터페이스 모듈로 위치 데이터를 전송하는 DGPS 이동국; 지상에 설치되며, 상기 DGPS 이동국의 위치 데이터의 오차를 보정하기 위한 DGPS 지상 기준국; 상기 시스템 전체를 관리하고, 상기 측정된 위치 또는 모션 데이터를 수신받아 디스플레이하여 모니터링 하는 중앙 제어부; 및 상기 각 센서 인터페이스 모듈에서 측정된 데이터를 수신받아 상기 중앙 제어부에 송신하는 메인 콘트롤러를 포함한다.
여기서, 상기 지점은 상기 선박 해치의 각 꼭지점인 것이 바람직하고, 상기 인터페이스 모듈은, 3축 가속도 센서, 2축 기울기 센서, 마이크로 콘트롤러 유닛 및 무선 통신장치를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 메인 콘트롤러는, 마이크로 콘트롤러 유닛 및 이더넷 콘트롤러를 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명을 제공하면, 정밀한 선박 해치의 위치 또는 모션(Roll/Pitch)을 측정하고 이를 바탕으로 작업을 수행 가능하게 하여, 간단한 구성으로 빠르고 정밀한 위치 또는 모션 제어가 가능하게 된다. 또한, 선박의 위치 및 움직임 값을 보다 정밀하게 실시간으로 측정할 수 있고, 전체 시스템의 모니터링 및 관리를 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템의 구성 요소인, 센서 인터페이스 모듈의 블럭 구성도를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템의 구성 요소인, 메인 콘트롤러의 블럭 구성도를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 구성 요소인, 메인 콘트롤러 및 센서 인터페이스 모듈에서 수행하는 역할의 흐름도를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정방법에 적용되는 롤/피치의 계산방법의 모식도를 나타낸 도면이다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 선박의 적어도 3개 지점에 위치하여 상기 각 지점의 위치 또는 모션을 측정하는 센서 인터페이스 모듈(10); 상기 각 센서 인터페이스 모듈(10)에 각각 인접한 곳에 설치되고, 상기 센서 인터페이스 모듈(10)로 위치 데이터를 전송하는 DGPS 이동국 모듈(20); 지상에 설치되며, 상기 DGPS 이동국 모듈(20)의 위치 데이터의 오차를 보정하기 위한 DGPS 지상 기준국 모듈(40); 상기 시스템 전체를 관리하고, 상기 측정된 위치 또는 모션 데이터를 수신받아 디스플레이하여 모니터링 하는 중앙 제어부(50); 및 상기 각 센서 인터페이스 모듈(10)에서 측정된 데이터를 수신받아 상기 중앙 제어부(50)에 송신하는 메인 콘트롤러(30)를 포함하여 구성한다.
즉, 본 발명에 따른 시스템의 구성은 장치의 구성은 총 4개의 센서 인터페이스 모듈(10)과 1개의 지상 기지국, 1개의 메인 컨트롤러(30)로 구성된다. 여기서 DGPS 이동국 모듈(20)을 통해 선박의 위치를 측정하고, 센터 인터페이스 모듈(10)은 2축 기울시 센서 및 3축 가속도 센서가 내장되어 구성되며, 이를 통해 선박의 모션(움직임)을 측정한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 센서 인터페이스 모듈(10)은 2축 기울기 센서와 3축 가속도 센서로 구성이 되며, DGPS 이동국 모듈(20)과 통신하여 좌표를 측정하고 GPS 시간을 이용하여 각 모듈 간의 동기화를 구현한다. 그리고, 센서 인터페이스 모듈(10)은 DGPS 이동국 모듈(20)과 함께 해치의 꼭지점 4곳에 설치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 선박의 전후좌우 등 보다 정밀하게 평면 움직임을 측정할 수 있기 때문이다. 물론 최소한 3개 지점에서 측정하면, 평면상의 움직임을 측정할 수 있다.
그리고, 메인 컨트롤러는 각 센서 인터페이스 모듈(10)과 무선 데이터 통신을 통하여 센싱된 정보를 취합하여 상위 제어기인 중앙 제어부(50)에 전달해주는 역할을 한다. 이처럼 메인 콘트롤러(30)는 지상에 위치하여 선박에 설치된 각 센서 인터페이스 모듈(10)과 무선 데이터 통신을 하게 되는데, 무선 통신은 불루투스(bluetooth) 통신 또는 지그비(zigbee) 통신으로 하는 것이 바람직하다.
여기서 블루투스(bluetooth)는 휴대폰과 휴대폰 또는 휴대폰과 PC간에 사진이나 벨소리 등 파일을 전송하는 무선전송기술을 말하는 것으로 근거리 무선 통신방법을 말한다.
블루투스에 장점은 첫째, 저렴한 가격에 저전력(100㎽)으로 사용할 수 있다는 점이 장점이다. 둘째, 주파수 대역을 나누기 때문에 데이터 전송을 여러 주파수에 걸쳐서 분할해 보낼 수 있다. 그렇기 때문에 무선 전송에 따른 보안 위협에서도 상대적으로 안전하다. 셋째, 신호는 벽이나 가방 등을 통과해서 전송될 수 있으므로 배선이나 연결 상황을 육안으로 확인할 필요가 없고 장애물이 있어도 신호를 주고받을 수 있다.
넷째, 주파수 특성도 전 방향으로 신호가 전송되므로 각 장치를 연결하기 위해 일정한 각도를 유지할 필요가 없어 사용하기에 편리하다. 마지막으로 무엇보다 전 세계 수많은 국가가 블루투스 표준 규격을 준수하기 때문에 세계 어느 곳에서나 같은 기술을 이용할 수 있다. 따라서 블루투스를 이용한 무선 네트워크는 언제 어디서나 모든 정보기기 간의 자유로운 데이터 교환이 이뤄질 수 있다.
또한 지그비(zigbee) 통신 방법은 IEEE 802.15.4 표준 중 하나로 지능형 홈 네트워크(250), 빌딩 등의 근거리 통신 시장과 산업용기기 자동화, 물류, 환경 모니터링, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 군사 등에 활용되는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 핵심 기술로 알려져 있다.
또한, 매우 작은 크기, 저전력 ,저가격의 특성을 갖고 있으며, 적외선 방식의 전통적인 TV리모컨이나 게임기, 컴퓨터 키보드, 마우스 등에서도 응용할 수 있어 블루투스 등과 함께 해당 업계에서 널리 사용되고 있는 범용적인 장점이 있다.
DGPS 이동국 모듈(20)은 선박 해치의 각 꼭지점에 설치되어 센서 인터페이스 모듈(10)과 통신으로 위치 데이터를 전송하고 위성의 시간정보를 획득하여 각 모듈간의 시간 동기화를 구현하기 위한 기준이 된다. 그리고 DGPS 지상기준국 모듈(40)은 지상에 설치되어지며, 상기 DGPS 이동국 모듈(20)의 오차 정보를 얻기 위한 지상 기준국이 된다. 즉, 모든 DGPS 이동국 모듈(20)에서의 위치 또는 시간정보 들의 기준은 지상에 설치된 DGPS 지상 기준국 모듈(40)을 기준으로 하여 오차를 보정하기 때문에 보다 정확한 정보 데이터의 획득 및 동기화를 이룰 수 있게 된다.
그리고, 중앙 제어부(50)는 모니터링 단말로서, 메인 컨트롤러와 통신을 하여 얻어진 위치 또는 모션 데이터를 모니터링 하고, 시스템 전체를 제어하고 관리하는 장치이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템의 구성 요소인, 센서 인터페이스 모듈(10)의 블럭 구성도를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 센서 인터페이스 모듈(10)은 3축 가속도 센서(13), 2축 기울기 센서(14), A/D 컨버터(15), 마이크로 콘트롤러 유닛(17) 및 무선모듈(11)로 구성된다. 즉 가속도 센서(13)와 기울기 센서(14)를 통해 얻은 아날로그 정보를 A/D 컨버터(15를 통하여 디지털 데이터로 변환하고, 마이크로 콘트롤러 유닛(17)에서 이를 연산 또는 분석하여 상기 DGPS 이동국 모듈(20)과 무선통신하여 XYZ 좌표 정보 데이터로 변환하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템의 구성 요소인, 메인 콘트롤러(30)의 블럭 구성도를 나타낸 도면이다. 메인 콘트롤러(30)는 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)(35), 무선모듈(31) 및 이더넷 콘트롤러(37)로 구성된다. 즉, 메인 콘트롤러(30)는 각 센서 인터페이스 모듈(10)과 무선 모듈을 통하여 센싱된 정보를 취합하고, 이더넷 콘트롤러(37)를 통하여 이더넷 통신으로 상위 제어기인 중앙 제어부(50)에 전달해주는 역할을 하게 된다. 여기서 메인 콘트롤러(30)와 중앙 제어부(50)와의 통신은 유무선 통신 모두 가능함은 물론이다.
이와 같이 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템은, 선박의 적어도 3개 지점에 DGPS와 센서 인터페이스 모듈(10)을 설치하여 선박의 각 지점의 위치와 이동 변화량을 측정하고, 이를 위성의 위치정보 및 시간정보를 기준으로 동기화하여 하나의 메인 콘트롤러(30)에서 롤/피치(모션 또는 움직임)을 측정하여 디스플레이하고, 중앙 제어부(50)에서 이를 모니터링하고 관리하도록 하는 무선 네트워크 측정 및 제어 시스템이다.
본 발명의 시스템을 제공하게 되면, 화물을 선적 또는 하역하는 경우 등 정밀한 선박 해치의 위치 또는 모션(Roll/Pitch)을 측정하고 이를 바탕으로 작업을 수행할 수 있도록 함으로써, 간단한 구성으로 빠르고 정밀한 위치 또는 모션 제어가 가능하게 된다.
이하 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 시스템의 구성 요소의 기능별 역할을 설명하고, 각 모듈의 동기화 및 모션(롤/피치) 측정방법을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 구성 요소인, 메인 콘트롤러(30) 및 센서 인터페이스 모듈(10)에서 수행하는 역할의 흐름도를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와같이, 센서 인터페이스 모듈(10)은 먼저 장치와, 데이터를 초기화 하고, DGPS 이동국 모듈(20)에서 수신받은 시간 데이터를 기준으로 시간을 동기화하고, 기울기 센서 및 가속도 센서를 통하여 변위량을 측정한다. DGPS 이동국 모듈(20)을 통해 위치데이터를 수신받고 상기 센서 데이터와 함께 메인 콘트롤러(30)로 전송하게 된다.
메인 콘트롤러(30)에서는 장치 및 연결을 초기화하고, 각 센서 인터페이스 모듈(10)에 데이터를 요청한 후 수신받게 된다. 수신받은 위치 및 센서 데이터를 통하여 롤/피치(ROLL/PITCH) 데이터를 연산하고, 좌표를 디스플레이한다. 그리고, 상기 연산하여 취득된 데이터를 다시 중앙 제어부(50)로 유무선 통신을 이용하여 전송하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 시스템은 각 모듈 간의 센싱 시간 동기화 문제를 DGPS 이동국 모듈(20)의 위성 시간을 각 장치에 동기화함으로써 해결하고, 선박의 움직임 및 해치의 움직임 측정에 대한 기준값 문제를 2축 기울기 센서의 지구 중심방향과 DGPS의 X, Y 좌표를 기준으로 하여 해결한다. 그리고, 선박의 움직임에 대한 측정은 각 센서 인터페이스 모듈(10)과 DGPS 이동국 모듈(20)의 통신으로 좌표를 얻고 2축 기울기 센서와 가속도 센서를 이용하여 X, Y, Z축의 변위량 측정을 통하여 이루어지게 된다.
이처럼, 본 발명에 따른 측정방법을 제공하게 되면, DGPS 이동국 모듈(20)과 센서 인터페이스 모듈(10)의 무선 통신을 통하여 시간을 동기화 함으로써, 위치 및 움직임 값을 보다 정밀하게 측정할 수 있도록 하고, 메인 코트롤러를 통하여 중앙 제어부(50)를 연결하도록 함으로써 상위 중앙 제어부(50)와 소통을 원할히 하여 전체 시스템의 모니터링 및 관리를 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 선박의 위치 또는 모션 측정방법에 적용되는 롤/피치의 계산방법의 모식도를 나타낸 도면이다. 이하에서 구체적인 방법을 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이 먼저, 각 센서 인터페이스 모듈(10)의 시간동기 방법은 상기 DGPS 이동국 모듈(20)의 시간을 참조하여 프로세서에 적용한다. 예를 들어 적용될 동기시간을 Ts, 수신된 DGPS 이동국 모듈(20)의 시간데이터를 Td, DGPS 이동국 모듈(20)의 수신 시점의 프로세서 시간을 Tp1, 프로세서처리 완료시간을 Tp2라 하면,
Ts = Td + ( Tp2 - Tp1 ) 이다.
즉, DGPS 이동국 모듈(20)의 시간에서 DGPS 이동국 모듈(20) 시간 데이터를 처리하는데 걸리는 시간을 더해서 적용을 하게 된다. 이렇게 되면 각각의 센서 인터페이스 모듈(10)들은 위성시간에 동기화가 되어 각 모듈에서 측정되는 데이터들의 동기화를 이룰 수 있게 된다.
두번째로 본 발명에서는 선박 및 해치의 움직임에 대한 기준값을 정하는 방법으로, 고정밀 2축 기울기 센서를 이용하여 선박을 지구 중심방향으로 기준을 잡고 측정을 한다. 상기 메인 컨트롤러에서 기준값 측정 요청하게 되면, 각각의 센서 인터페이스 모듈(10)은 각각의 2축 기울기 및 DGPS의 좌표를 측정하게 된다. 이때 메인 컨트롤러에서는 측정시점을 지정하여 4개의 센서 인터페이스 모듈(10)들의 데이터를 동기화 되도록 한다.
그리고 나서 선박 및 해치의 움직임 측정은 최초 메인컨트롤러에서 기준값 측정 요청시 3축 가속도센서의 데이터를 0으로 리셋을 하고 새로 측정을 시작하고, 이때부터 가속도 센서는 상기 기준값에서부터 X, Y, Z 방향의 변위량을 측정하여 움직임을 측정하게 된다.
마지막으로 이와 같은 변위량을 이용하여 선박의 롤/피치의 측정방법을 살펴보면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 1단계는 해치의 폭 및 길이 구하고, 2단계에서 3축 가속도 센서를 이용하여 변위량을 측정하며, 3 단계에서 롤/피치 값을 구하게 된다.
1단계로서 먼저, 2축 기울기센서를 통해서 얻어진 θ와 DGPS 이동국 모듈(20)로부터 얻어진 B 값을 간단한 삼각함수를 이용해 A(해치폭)를 구한다.
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해치의 길이 또한 같은 방법으로 얻어진다.
그리고나서 2단계로서 3축 가속도센서를 이용한 변위 측정하게 되며, 3단계로서, 상기 1단계에서 얻어진 해치의 폭과 길이와 2단계에서 3축 가속도 센서를 이용하여 얻어진 변위값을 적용하면 해치의 ROLL/PITCH 값을 구할 수 있게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10: 센서 인터페이스 모듈, 10,31: 무선모듈, 13: 3축 가속도 센서,
14: 2축 기울기 센서, 15: A/D 컨버터, 17,35: 마이크로 컨트롤러 유닛
20: DGPS 이동국 모듈, 30: 메인 콘트롤러, 37: 이더넷 콘트롤러
40: DGPS 지상 기준국 모듈, 50: 중앙 제어부

Claims (4)

  1. 선박의 적어도 3개 지점에 위치하여 상기 각 지점의 위치 또는 모션을 측정하는 센서 인터페이스 모듈;
    상기 각 센서 인터페이스 모듈에 각각 인접한 곳에 설치되고, 상기 센서 인터페이스 모듈로 위치 데이터를 전송하는 DGPS 이동국 모듈;
    지상에 설치되며, 상기 DGPS 이동국 모듈의 위치 데이터의 오차를 보정하기 위한 DGPS 지상 기준국 모듈;
    상기 시스템 전체를 관리하고, 상기 측정된 위치 또는 모션 데이터를 수신받아 디스플레이하여 모니터링 하는 중앙 제어부; 및
    상기 각 센서 인터페이스 모듈에서 측정된 데이터를 수신받아 상기 중앙 제어부에 송신하는 메인 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지점은 상기 선박 해치의 각 꼭지점인 것을 특징으로 하는 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인터페이스 모듈은,
    3축 가속도 센서, 2축 기울기 센서, 마이크로 콘트롤러 유닛 및 무선 통신장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메인 콘트롤러는,
    마이크로 콘트롤러 유닛 및 이더넷 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 또는 모션 측정 시스템.







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