KR20150132207A - 해양 모니터링을 위한 자율 범선 - Google Patents

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KR20150132207A
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월터 홀먼스
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오토노모스 마린 시스템즈, 아이엔씨.
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Abstract

환경적 및 그 밖의 다른 조건을 보고하기 위한 모니터링 및 통신 장비가 구비된 자율 범선의 선단. 최적화된 안정성을 위해, 자율 범선은 자가 복원 능력을 갖는 다중 선체형 선박(쌍동선)이다. 각각의 범선이 태양력을 이용해 통신 장비 및 모니터링 장비에 전력을 공급하면서 하나 이상의 위성 링크를 통해 정보를 전송 및 수신한다. 각각의 범선은 바람에 대한 원하는 받음 각을 유지하기 위해 자가-돛트림 시스템, 및 원하는 기수방향을 유지하기 위해 필요할 때 사용되기 위한 전기 추진을 포함한다. 모듈식 설계가 사용되어 임무 특정적 화물을 지지할 수 있다.

Description

해양 모니터링을 위한 자율 범선{AUTONOMOUS SAILBOAT FOR OCEANOGRAPHIC MONITORING}
본 출원은 2012년 03월 27일에 출원된 미국 가특허출원 61/616,044호의 이익을 주장한다.
본 발명의 배경 기술 및 개요
본 발명은 자율 범선(autonomous sailing vessel)의 분야와 관련되며, 더 구체적으로 환경 및 그 밖의 다른 조건을 모니터링 및 보고하기 위한 모니터링 및 통신 설비를 포함하는 저비용, 고효율, 및 고강건성 범선과 관련된다.
대양은 부분적으로 대양이 차지하는 면적의 크기 및 원격 영역에 도달하기 위해 필요한 시간과 자원 때문에 모니터링하기에 가장 어렵고 비싼 영역들 중 하나이다. 원격 영역, 가령, 남태평양에 유인 모니터링 선박을 제공하기 위해 약 $10-100K의 비용이 들 것으로 추정된다. 따라서 해양 모니터링은 실제로 거의 수행되지 않는다. 유사한 방식으로, 공중 정찰이 매우 비쌀 수 있고, 각각의 비행 동안 모니터링될 수 있는 범위와 영역 측면에서 매우 제한적일 수 있다. 또한 유인 모니터링 선박 또는 항공기는 모니터링이 실시될 수 있는 시간을 제한하거나 모니터링 요원을 높은 위험에 노출할 수 있는 불리한 날씨 조건에 영향을 받는다. 위성 이미징은 해수면 상의 상태 및 바다 위의 상태와 관련된 일부 정보를 제공하지만, 해수면 아래의 상태와 관련해서는 실질적으로 제한적이다.
더 상세한 해양 모니터링을 제공하기 위한 요구가 증가하고 있다. 우려할 것이 아주 많은데, 예를 들어, 탄화수소 및 그 밖의 다른 물질 레벨의 증가가 해양 생물에게 해롭다. 해안 지역에서, 비료를 준 땅으로부터의 질소 유출이 특히 문제가 된다. 특히 어류 서식지의 모니터링이 증가하는 폐사율 또는 감소하는 산란율에 대한 조기 경고를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 환경 재앙의 경우, 가령, 걸프만 기름 유출 사건의 경우, 재앙의 영향의 범위의 정확한 모니터링이 구조 및 보수 작업을 도울 수 있다.
환경적 우려 외에, 특정 영역에서의 해적 활동의 증가와 바다를 통한 마약 밀매의 증가가 우려의 대상이 된다. 유인 감시는 범위 및 면적에서 제한적이며 일부 경우 감시 요인이 위험해 지기도 한다.
특정 우려를 해소하는 것에 추가로, 해양 상태의 모니터링은 폭풍 및 쓰나미를 예보할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있고, 특히 위험한 상태의 선박에게 경고함으로써 해양 안전을 향상시킬 수 있다. 일부 경우, 한 영역 내 바다에 대한 원격 모니터의 이용 가능성이 상기 영역에서의 탐색 및 구조 작업을 개선할 수 있다.
해양 모니터링을 증가시키기 위한 적절한 수단을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한 사람이 모니터링되는 지역에 있을 필요 없이, 이러한 증가된 해양 모니터링을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한 위험한 조건 하에서의 높은 생존 가능성과 함께 신뢰할만하고 강건한 모니터링 능력을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
이러한 그리고 그 밖의 다른 이점들이 환경 및 그 밖의 다른 상태를 보고하기 위한 모니터링 및 통신 장비를 구비하는 자율 범선(autonomous sailing vessel) 선단에 의해 구현될 수 있다. 최적의 안정성 및 속도를 위해, 자율 범선은 자가-복원 능력(self-righting capability)을 갖는 다중-선체 선박(쌍동선(catamaran))이다. 각각의 범선이 통신 장비 및 모니터링 장비에 전력을 공급하기 위해 태양열을 이용하여, 하나 이상의 위성 링크를 통해 정보를 송신 및 수신한다. 각각의 범선은 원하는 바람 받음 각('받음 각(angle of attack)')을 유지하기 위한 자가 돛 트림 시스템(auto-sailtrim system), 및 충분한 전기력이 이용 가능할 때 필요에 따라 사용되기 위한 전기 추진을 포함한다. 임무 특정적 화물을 지원하기 위해 모듈식 디자인이 사용된다.
예시적 실시예에서, 범선은 서로 평행하게 배열되며 트러스(truss) 배열에 의해 함께 연결된 복수의 선체, 선체의 평면에 직교하는 제1 회전축 및 선체에 평행인 제2 회전축을 중심으로 회전하는 날개돛 구조물(wingsail structure), 및 범선의 전복이 검출될 때 제2 회전축을 중심으로 날개돛 구조물을 회전시키도록 구성된 자가-복원 시스템(auto-righting system)을 포함한다.
해류의 해수면에 평행한 축을 중심으로 부력 돛대 구조물을 회전하여 전복된 범선의 부력중심을 전복된 범선의 중력중심 너머까지 이동시킴으로써, 전복된 범선의 복원이 수행될 수 있다.
또 다른 예시적 실시예에서, 범선은 서로 평행하게 배열되고 트러스 배열로 함께 연결된 복수의 선체, 선체 평면에 직교하는 제1 회전축을 중심으로 회전 가능한 날개돛 구조물, 및 상기 제1 회전축을 중심으로 하는 날개돛 구조물의 회전을 제어하는 자가트림 시스템(autotrim system)을 포함한다. 상기 날개돛 구조물은 범선을 전방 추진하기 위한 양력을 제공하는 날개돛, 현재 풍향과 지속적으로 정렬되도록 날개돛 구조물 상에서 피봇운동하는 풍향계, 및 날개돛 구조물의 배향과 풍향계의 배향 간 차이를 제어하는 연결 봉(coupling rod)을 포함한다. 트러스 구조물의 배향을 기초로 하여 날개돛 구조물의 배향과 풍향계의 배향 사이의 차이를 제어하기 위해, 자가트림 시스템은 트러스 배열에 부착되고 연결 봉에 연결된 캠(cam)을 포함한다.
풍향계 구조물에 의해 지시되는 풍향을 기초로 하여 날개돛의 받음 각을 제어하는 캠을 통해 날개돛 구조물과 풍향계 구조물을 연결함으로써 자가-트림이 수행될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시를 들어 이하에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 위성 및 인터넷 연결을 통해 사용자와 통신하는 자율 범선의 선단의 예시적 개념도이다.
도 2a-2b는 본 발명의 양태에 따라 예시적 자율 범선을 도시한다.
도 3a-3i는 자가 복원 능력을 갖는 예시적 자율 범선을 도시한다.
도 4a-4e는 자가 트림 능력을 갖는 예시적 자율 범선을 도시한다.
도 5는 예시적 자율 범선의 통신 및 제어 시스템의 예시적 블록도를 도시한다.
도면 전체에서, 동일한 도면 부호는 유사하거나 대응하는 특징부 또는 기능을 가리킨다. 도면은 예시 목적으로 포함되며 본 발명의 범위를 제한하려는 의도를 갖지 않는다.
다음의 기재에서, 한정이 아닌 설명 목적으로, 본 발명의 개념의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 상세사항, 가령, 구체적 아키텍처, 인터페이스, 기법 등이 제공된다. 그러나 해당 분야의 통상의 기술자에게 본 발명이 이들 특정 상세사항에서 벗어난 다른 실시예에서 실시될 수 있음이 자명할 것이다. 마찬가지로, 본 명세서의 기재는 도면에 도시된 바의 예시적 실시예와 관련되고 본 발명을 특허청구범위에 명백하게 포함되는 한정들 이상으로 한정하려는 것이 아니다. 간결성과 명료성을 위해, 불필요한 상세사항으로 본 발명의 기재를 모호하게 하지 않도록 잘 알려진 장치, 회로, 및 방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 위성 및 인터넷 연결을 통해 사용자와 통신하는 자율 범선 선단의 예시적 개념도이다. 통상의 실시예에서, 선단의 제공자는 임무 특정적 모니터링 작업에 대한 특정 고객의 요구사항을 기초로 선박을 구성할 것이다. 선단의 이동은 고객으로부터의 지시사항을 기초로 선단 제공자에 의해 제어되고, 임무 특정적 정보의 수집이 적어도 부분적으로 고객에 의해 제어될 수 있다.
선박(110)의 선단은 모니터링될 영역에 배치되고, 제어 정보를 수신하고 모니터 및 그 밖의 다른 정보를 송신하기 위한 모니터 및 제어 스테이션(150)과 통신한다. 일반적으로 각각의 선박과의 통신은 위성 통신 시스템(120-130)을 통해 이뤄질 수 있지만, 그 밖의 다른 형태의 통신이 사용될 수 있다. 예를 들어, 해안에 근접하여 이뤄지는 임무의 경우, 통신은 육상 셀 기지국(170)을 이용하는 셀룰러 네트워크를 통해 제공될 수 있다.
선택사항으로서, 서로 다른 적용예에 대해 서로 다른 통신 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 항법 정보가 하나의 시스템을 통해 통신될 수 있고, 모니터링 정보가 또 다른 시스템을 통해 통신될 수 있다.
모니터링 및 제어 시스템(150)은, 가령, 인터넷 네트워크(140)를 통해, 선박 선단으로 제어 정보를 통신하고 상기 선박으로부터 피드백 정보를 수신한다. 또 다른 모니터링 시스템(160)이 선박으로부터 모니터링된 정보를 수신하고, 선택사항으로서 특정 모니터링 장비를 제어하도록 구성될 수 있다.
사용되는 통신 시스템에 따라, 메시지가 도착지 정보를 제공할 것이다. 예를 들어, 인터넷 네트워크(140)가 사용되는 경우, 메시지가 도착지 URL 주소, 또는 주소의 세트를 통신하여 상기 메시지를 위성 통신 시스템(120-130)과 인터넷(140) 간 인터넷 인터페이스(135)로 전달할 수 있다. 셀룰러 네트워크가 사용되는 경우. 메시지는 하나 이상의 도착지로 주소지정되는 문자 메시지일 수 있다.
명령어 통신 시스템의 예시적 실시예에서, 각각의 선박이 개별 통신 주소를 가질 수 있고, 선단이 선단 통신 주소를 가질 수 있어서, 선단을 전체적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 선단 내 개별 선박들의 제어도 가능할 수 있다. 일반적으로 상기 제어는 항법 명령어 및 모니터링 명령어의 형태를 가질 것이다. 명령어의 구조는 선박(110)에 제공되는 능력에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 선박(110)이 항법 소프트웨어를 포함하는 경우, 제어 스테이션(150)은 타깃 위치(가령, 위도, 경도)를 통신할 필요만 있으며 선박(110)은 이동 방향을 결정할 수 있고 상기 방향으로 진행하기 위한 선박 명령어(가령, 방향타 제어)를 결정할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어 스테이션(150)은 이동 방향을 통신할 수 있고, 선박(110)은 선박 명령어를 결정할 수 있거나, 제어 스테이션(150)은 각각의 선박(110)으로 선박 명령어를 통신할 수 있다. 상기 명령어 구조는 기본 선박 명령어에서 최고 지원 항법 명령어까지 포함할 수 있어서, 제어 스테이션(150)에서의 조작자가 선단 및 선단 내 개별 선박들의 상황-종속적인 제어를 할 수 있게 한다.
각각의 선박은 위치를 제공하고 정보를 추적하기 위한 항법 모니터, 가령, 선박의 현재 위치 및 이동 속도 및 방향을 제공하는 GPS 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로 이 정보는 제어 스테이션(150)으로 통신될 뿐 아니라, 선박 제어를 촉진시키기 위해 선박 내 제어 시스템에 의해 사용될 것이다. 예를 들어, 현재 바람 상태를 기초로 타깃 영역을 향하는 최적 "VMG(velocity made good)"를 얻기 위해 추적 정보가 선박의 경로를 제어하도록 사용될 수 있으며, 가령, 타깃을 향해 전체 최적 속도를 얻기 위해 서로 다른 "트랙"(바람과 관련된 방향) 상에서 이동하는 것(타깃까지 "추적")이 있다.
각각의 선박은 다양한 모니터링 장비를 포함하는데, 일부 적용예에서 서로 다른 선박이 서로 다른 모니터링 장비를 구비할 수 있다. 일반적으로 선박 모니터링 장비는, 예를 들어, 앞서 언급된 GPS(Global Positioning System), 관성 측정 유닛(IMU), 온도 센서, 및 풍향 및 풍속 센서를 포함할 것이고 카메라 및 선체-속도 센서를 포함할 수 있다.
임무-특정적 모니터링 장비는 비디오 및 적외선 카메라, 스캐너, 음향 센서 및 수중청음기(hydrophone), 전도율 센서, 산소 및 그 밖의 다른 가스 센서, 바로미터, 광자유체 수질 센서, 탄화수소 검출기, 가이거 카운터(Geiger counter), 염도 및 pH 센서, 압력 센서 등을 포함할 수 있다. 지속적으로, 주기적으로, 필요할 때, 또는 트리거링될 때, 모니터링된 정보가 모니터링 시스템(150, 160)으로 통신될 수 있다. 트리거링은 모니터링된 값의 변화, 위치의 변화 등을 기초로 할 수 있다. 언급된 바와 같이, 임무-특정적 모니터링된 정보가 하나 이상의 모니터링 시스템(160)으로 제공될 수 있고, 이들 시스템은 모니터링 장비 중 일부 또는 전부를 제어할 수 있다.
선박들이 선단으로서 배치될 때, 한 영역 내 여러 다른 위치의 선박들로부터 상기 영역 내 측정치가 획득될 수 있다. 이러한 복수의 측정치에 의해 일반적인 위치 결정 기법, 가령, 서로 다른 선박으로부터의 검출된 물체의 결정된 거리, 방향, 또는 배향을 기초로 하는 삼각측량을 통한 검출된 물체의 위치를 결정하는 것이 가능해질 수 있다.
특정 타깃 영역 내 선박들의 비교적 랜덤한 위치설정이 흔히 사용될 수 있지만, 그 밖의 다른 배치 스킴, 가령, 타깃 영역 내 각각의 포인트가 적어도 하나의 선박의 모니터링 거리 내에 있음을 보장하도록 제어되는 각각의 선박의 위치설정, 또는 피켓 라인에 접근하거나 피켓 라인을 가로지르는 모든 물체가 검출됨을 보장하기 위한 특정 패턴, 가령, 피켓 라인(picket line) 내 모든 선박들의 위치설정이 사용될 수 있다. 해당 분야의 통상의 기술자라면, 영역 내 전후방으로 이동(추적)함으로써 지정 영역 내로 선박의 위치가 제어되어, 가령, 특정 수로로의 입구를 가로지르는 피켓 라인의 확립을 가능하게 하며, 각각의 선박은 피켓 라인을 따르는 할당된 영역을 가질 수 있음을 알 것이다.
도 2a-2b는 본 발명의 양태에 따르는 예시적 자율 범선(200)을 도시한다. 범선(200)은, 충돌 시 타 선박에 위협을 가하지 않도록, 비교적 작고 가벼운 것이 바람직하다. 예시적 범선(200)은 약 8 피트의 길이를 가지며, 약 6 피트의 선폭(beam)을 가지며, 약 200 파운드의 중량을 가지며, 특히 높은 트래픽 영역에서 야간에 선택적으로 사용되기 위한 적색, 녹색, 및 백색 항행등(도시되지 않음)이 구비된다.
범선(200)은 회전 가능한 돛-날개 구조물(220)을 갖는 돛대(도시되지 않음)가 장착되는 트러스 구조물(240)을 통해 함께 연결된 2개의 파도-가름 선체(210)를 포함하는 쌍동선이다. 또한 상기 트러스 구조물(240)은 보조 추진 장치(235)에 의해 용골(230)을 지지한다. 선체(210)들 중 적어도 하나는 방향타(rudder)(215)를 포함한다.
돛 날개 구조물(220)은 돛 날개(222), 풍향계(225), 및 최소 노력으로 돛 날개 구조물(220)이 돛대를 중심으로 회전할 수 있게 해주는 카운터밸런스(228)를 포함한다. 예시적 실시예에서, 카운터 밸런스(228)에 의해 회전 부분의 질량중심이 회전 베어링(rotary bearing)의 중심선 및 돛 날개의 양력의 중심과 일치될 수 있다.
범선(200)은 돛대의 상부에서 통신 및 그 밖의 다른 모니터링 장비(250), 및 추가 장비가 설치될 수 있는 수밀 칸(water-tight compartment)(260)을 포함한다. 태양광 패널(solar panel)(223, 245)이 날개돛(220) 및 트러스(240) 구조물 상에 장착되고 추진 장치(235)뿐 아니라 선박내(on-board) 통신, 제어, 및 모니터링 시스템에도 전력을 공급하기 위해 필요한 에너지를 제공한다. 선택사항으로서, 추진 장치(235)는 범선(200)이 항해 중인 동안 전기를 생성하도록 구성될 수 있다.
예시적 범선(200)은 4개의 칸(260)을 포함하며, 일반적인 구성에서, 칸들 중 하나가 항법 및 통신 제어 시스템 및 배터리 저장장치를 포함하고, 나머지 3개의 칸이 임무-특정적 화물 시스템을 위해 이용 가능하다. 또한 용골(230)은 해수면 및 수중 모니터링을 위한 모니터링 장치(도시되지 않음)를 수용하도록 구성된다. 또한 선체(210) 및 트러스 구조물(240)은 특정 임무에 따라 그 밖의 다른 모니터링 장치를 수용하도록 구성될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 날개돛 구조물(220) 및 용골(230)은 선체(210)에 평행하게 뻗어 있는 트러스 구조물(240) 상의 액슬(242)을 중심으로 회전 가능하다. 트러스 구조물 위에 뻗어 있는 돛대를 중심으로 하는 날개돛 구조물의 회전과 달리, 액슬(242) 상의 날개돛 구조물(220)의 회전이 선체(210)에 평행하는 회전의 축을 중심으로의 회전을 도출하며, 반면에 돛대를 중심으로 하는 날개돛 구조물(220)의 회전이 선체(210)의 평면에 직교하는 축을 중심으로 하는 회전을 도출한다.
이 예시적 실시예에서, 날개돛 구조물(220)과 용골(230)은 견고하게 서로 결합되어 있어서, 이 결합체를 액슬(242)을 중심으로 회전시키기 위해 단일 액추에이터(도시되지 않음)가 사용될 수 있게 한다. 선택적으로, 날개돛 구조물(220) 및 용골(230)의 회전을 독립적으로 제어하기 위해 이중 액티베이터가 사용될 수 있다.
예시적 실시예에서, 날개돛 구조물(220) 및 용골(230) 배열의 질량중심이 회전중심, 즉 액슬(242) 위에 위치한다. 따라서, 날개돛 구조물(220)을 바람을 향해 회전시켜, 범선의 중력중심을 풍상측 선체(windward hull)를 향해 이동시키고 이로 인해 바람이 불어오는 쪽 선체가 해수로부터 뜰 가능성('선체가 날 가능성')을 감소시킴으로써, 회전 가능한 용골(230)이 폭풍 상태에서 범선을 안정화하도록 위치설정될 수 있다.
회전 구조물(220-230)의 더 낮아진 질량중심을 갖는 실시예에서, 날개돛 구조물(220)은 바람으로부터 멀어지는 방향으로 회전되어, 마찬가지로 풍상측 선체가 해수로부터 뜰 가능성을 감소시키면서, 바람에 노출되는 유효한 세일 면적(effective sail area)을 감소시킬 수 있다.
또한 회전 가능한 용골에 의해, 범선(200)의 흘수(draft)가 감소되어, 범선(200)이 얕은 해수에서 이동하게 할 수 있다. 태양광 패널(223)이 태양을 가리키도록, 또는 트러스 구조물(240) 상에서 태양광 패널(245)에 그림자가 지는 것을 피하도록, 회전 가능한 날개돛 구조물(220)에 의해 범선(200)이 선택적으로 날개돛을 기울일 수 있다. 또한 날개돛 구조물(220)을 기울임으로써 범선(200)을 관측할 수 있는 능력이 감소되는데, 이는 은밀한 임무의 경우 바람직할 수 있다. 또한 회전 가능한 날개돛 구조물(220)은, 이하에서 더 설명될 바와 같이, 전복 후에 범선(200)을 복원하는 것을 가능하게 한다.
도 3a-3i는 회전 가능한 날개돛 구조물(220)을 이용한 예시적 범선(200)의 자가 복원 능력을 도시한다. 이 예시에서, 날개돛 구조물(220)은 용골(230)에 견고하게 부착되어 있어서, 단일 액추에이터가 이들 요소(220, 230 ) 모두를 액슬(242)을 중심으로 회전시킬 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 날개돛 구조물(220) 및 용골(230)의 독립적인 회전이 제공될 수 있다.
도 3a는 범선(200)의 안정한 배향을 도시하는데, 이 배향에서, 범선(200)의 중력중심 및 부력중심이 대략 범선(200)의 중심에 위치한다. 도 3b에서, 날개돛 상의 바람(301)의 힘이, 좌측 선체를 해수로부터 띄우고 중력중심(350)을 살짝 우측으로 이동시키도록, 범선이 바람으로부터 멀어지는 방향으로 기울어지게(횡경사(heel)) 하는 토크(torque)(305)를 유도하고, 반면에, 부력중심(360)은 우측 선체(220)로 이동하여, 바람(301)의 힘에 대항하고 범선을 도 3a의 안정한 위치로 복원시키려는 반시계 방향으로의 최종 토크(365)를 야기한다.
바람(301)의 힘이 과도한 경우, 범선이 추가로 기울어서, 중력중심(350)을 더 우측으로 이동시키고, 토크(365)를 감소시킬 것이다. 바람에 의해 야기된 토크(305)가 토크(365)를 초과할 때, 최종 토크는 시계 방향일 것이며, 이로 인해 도 3c에 도시된 바와 같이 범선이 전복되게 된다. 날개돛(222)이 일반적으로 밀봉된 중공체 또는 폼(foam) 구조체로서 부력을 갖기 때문에, 전복된 범선(200)은 완전히 뒤집어지지 않는다. 선택적으로, 부표(flotation bulb)(도시되지 않음)가 날개돛(222)의 상부에 부착될 수 있으며, 이는 날개돛(222)의 부력을 더 증가시킬 것이다. 이 부표는 또한 돛대의 상부에서 도 2a의 장비(250)에 대한 수밀 환경을 제공하는 역할을 할 수 있다.
불행히도, 범선이 완전히 뒤집히지 않더라도, 중력중심(350)이 다시 한번 (우측 선체와 날개돛(222)의 상부 사이에서) 부력중심(360)과 일치하기 때문에, 도 3c의 전복된 범선은 안정한 위치를 가진다. 범선을 도 3c의 안정한 위치로부터 벗어나 도 3a의 안정한 위치이게 하는 충분한 반시계 방향 복원 힘/토크가 인가되지 않는 한 범선은 계속 도 3c의 위치를 유지할 것이다.
앞서 언급된 바와 같이, 범선(200)은 회전 가능한 날개돛(222) 및 용골(230)을 포함한다. 전복을 검출하면, 모터가 날개돛을 회전하도록 활성화되며, 이 경우, 원하는 회전(310)이 도 3d에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 이뤄진다. 날개돛(222)이 액슬(242)을 중심으로 시계 방향으로 회전할 때, 회전이 날개돛(222)을 해수로 더 침수시키려 한다. 날개돛(222)의 부력 때문에, 이러한 날개돛(222)을 해수로 더 침수시키려는 시도가 부력중심(360)을 우측으로 이동시키게 하여, 도 3e에 도시된 바와 같은 복원 토크(righting torque)(370)를 유도할 수 있다. 날개돛(222)의 이 회전은 좌측으로의 중력중심(350)의 이동을 개시하여, 복원 토크를 더 증가시킬 수 있다.
범선의 날개돛(222) 및 그 밖의 다른 요소의 구조적 배열에 따라, 날개돛(222)이 액슬(242)을 중심으로 회전될 때의 손상을 피하면서, 날개돛(222)은 범선의 돛대와 일치하는 회전축을 중심으로 '중립(neutral)' 위치까지 회전될 수 있다.
날개돛(222) 및 용골(230)이 액슬(242)을 중심으로 시계방향으로 추가로 회전(310)될 때, 상기 범선은 반시계 방향으로 추가로 회전되어, 부력중심(360)을 우측으로 더 이동시키고, 중력중심(350)을 좌측으로 이동시켜, 도 3f-3g에 도시된 바와 같이 토크(370)를 증가시킬 수 있다.
적절한 시점에서, 도 3g에 도시된 바와 같이, 지속되는 반시계 방향 회전(310)이 범선의 중력중심(350)을 부력중심(360)의 좌측으로 더 이동시켜, 반시계 방향 토크(370)를 더 증가시킬 수 있다. 이 토크(370)가 범선의 아랫면 상의 바람의 힘을 극복하기에 충분할 때, 도 3h에 도시된 바와 같이, 상기 범선은 좌측 선체가 해수면에 닿을 때까지 반시계 방향으로 계속 회전할 것이다. 이 위치에서, 범선의 중력중심과 부력중심이 대략적으로 정렬되며, 날개돛(222)의 기울기가 바람(301)에 대한 감소된 유효 표면적을 제시하여, 또 다른 전복의 가능성을 낮출 수 있다.
바람이 진정될 때, 날개돛 구조물(220) 및 용골(230)이 반시계 방향(315)으로 회전되어, 범선을 도 3i의 안정한 배향으로 복귀시키며, 이 배향은 또한 도 3a의 안정한 배향이기도 하다. 따라서 전복 후 액슬(242)을 중심으로 날개돛 구조물(220)을 회전시킴으로써, 범선(200)이 자가 복원될 것이다.
범선(200)의 앞서 언급된 제어 시스템은 범선(200)의 수직 배향(횡경사각)을 모니터링하고, 전복이 검출될 때 날개돛 구조물(220) 및 용골(230)의 회전을 개시하도록 구성된다. 선택사항으로서, 횡경사각이 특정 임계 각을 초과할 때 날개돛 구조물(220) 및 용골(230)의 회전이 개시되어, 바람을 받는 날개돛의 유효 표면적을 감소시키고, (회전 가능한 구성요소의 CG가 회전중심(242) 위에 있다고 가정할 때) 중력중심을 풍상측 선체 쪽으로 이동시킬 수 있음으로써, 바람의 횡경사 효과를 감소시키고 전복의 가능성을 낮출 수 있다.
또한 예시적 자율 범선(200)은 범선의 항행 방향에 대한 풍향을 기초로 하여 돛-트림(sail-trim)을 자율적으로 조절할 수 있는 능력을 포함한다. 항해 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 최적 속도를 얻기 위해, 양력(lift)(바람에 의해 돛에 가해지는 순방향 힘)를 최대화하기 위해 바람직한 바람 받음 각을 보이도록 돛이 트림된다. 풍향이 범선의 항행 방향에 대해 변화할 때, 이 풍향 변화를 수용하도록 돛이 조절되어야 한다. 마찬가지로, 범선이 자신의 항로를 변경할 때, 새로운 항행 방향에 대한 바람의 방향이 변경되고 이러한 항로 변경을 수용하도록 돛이 트림되어야 한다.
범선이 수동/원격 돛 트림이 가능하도록 구성될 수 있지만, 자가 트림 능력이 제어 복잡도를 상당히 낮추며, 자가 트림 능력이 순수하게 기계적인 경우, 적절한 돛 트림을 제공하기 위해 에너지의 양을 상당히 감소시킨다. 자율 범선(200)의 바람직한 실시예에서, 항행 방향은 범선을 원하는 방향으로 배향시키도록 방향타를 제어함으로써 제어되고, 범선을 원하는 방향으로 추진하기 위해 요구되는 돛 트림이 자동으로 제어된다. 현재 항로 기수 방향 및 현재 바람 상태와 관련하여 돛에 충분한 힘이 실리지 못한 경우, 보조 추진 시스템(235)이 활성화되거나 더 효과적인 상대 방향 방향을 제공하도록 항로 항행 방향이 변경될 수 있다(일반적으로 원하는 항행 방향을 얻기 위해 교대하는 항로 항행 방향을 따르는 '태킹(tacking)'이라고 지칭됨).
도 4a-4e는 위에서 본 범선(200)의 모습을 이용한 예시적 범선(200)의 예시적 자가 돛 트림 설정을 도시한다. 상기 날개돛 구조물(220)은 날개돛(222), 풍향계(225), 및 밸런스 암(balance arm)(228)을 포함한다. 상기 날개돛 구조물(220)은 선체(210)들 사이에 트러스(440)에 견고하게 연결된 돛대(410)를 중심으로 자유롭게 회전한다. 이 예시에서, 편의상, 트러스(440)는 선체(210)들 간 단순한 기둥(beam)으로서 도시된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 실제 트러스 구조물(240)은 태양광 패널(245) 같은 아이템을 지지하는 복수의 트러스를 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 참조 편의상, 잠재적 드리프트를 제외하고, 일반적으로 범선이 순방향으로 항행 중일 때 범선의 항행 방향이 범선의 배향에 의해 결정되기 때문에, 범선의 "항행 방향(direction of travel)"과 범선의 "배향(orientation)"(즉, 범선이 가리키는 방향)이라는 용어는 서로 교환 가능하게 사용된다.
또한 참조 및 이해 편의상, "실제 풍속"과 "겉보기 풍속" 간의 명확한 구별은 이뤄지지 않는다. 종래 기술에 알려진 바와 같이, 이동 중인 범선 상의 관측자 또는 범선 상의 물체, 가령, 날개돛에게, 겉보기 풍속은 실제 풍속과 범선의 속력의 조합이다. 예를 들어, 범선이 5 노트(knot)의 풍속으로 직접 4 노트로 이동 중인 경우, 범선의 전방에서 겉보기 풍속은 9 노트이다. 범선이 4 노트로 이동 중이고 풍속이 범선 뒤에서 5 노트일 때, 범선의 뒤에서 겉보기 풍속은 1 노트이다. 범선이 바람에 비스듬하게 이동 중인 경우, 겉보기 풍속은 풍속과 범선 속력 간 벡터 차이일 것이다. 날개돛의 표면을 통해 이동하는 바람에 의해 발생되는 힘은 겉보기 풍속에 따라 달라지고, 본 명세서에서, 용어 상대적 풍향, 즉, 범선의 배향 또는 이동 방향에 상대적인 바람의 방향이 겉보기 풍속 방향으로 여겨질 수 있다.
도 4a의 예시에서, 범선(200)의 이동 방향(450)이 풍향(460)을 향하며(대향하는 방향), 이는 가령, 범선(200)이 보조 추진 수단(도 2a의 235)에 의해 순방향으로 추진될 때 발생할 수 있다. 이 상태에서, 바람 받음 각이 0이며, 바람이 날개돛(222)의 양 면 모두와 풍향계(225) 주변에 균일하게 흘러, 범선(200)에 어떠한 양력도 제공하지 않는 날개돛(222)의 '중립' 또는 '무양력(zero-lift)' 상태를 도출한다.
날개돛 구조물(220)이 바람으로부터 약간 오프셋된 경우, 이하에서 더 구체적으로 설명될 바와 같이, 날개돛의 '아랫바람(downwind)' 또는 풍하측을 향해 힘을 생성하는 압력 구배가 날개돛(222) 상에 생성된다. 도 4a에 도시된 바와 같이 범선(200)의 이동 방향(450)이 풍향(460)을 향할 때, 풍향(460)으로부터 날개돛(222)을 오프셋시킴으로써 유도된 힘이 범선(200)을 역방향으로 밀도록 가해져서, 의도된 이동 방향(450)으로의 선박의 움직임에 대향하는 항력(drag)을 야기한다.
범선(200)을 순방향으로 추진하는 양력을 발생시키기 위해, 범선(200)이 바람과 각을 이루지 않은 방향으로 조향되어야 하고, 돛의 표면을 가로지르는 바람의 움직임으로부터 이 양력을 발생하기 위해 돛이 트림되어야 한다. 일반적으로, 상대적 풍향이, 범선의 설계에 따라 달라지며 일반적으로 약 40-50°인 최소 태킹 각(tacking angle)보다 클 때 범선이 순방향으로 이동할 수 있다. 바람에 맞서며, 최소 태킹 각 미만의 각에서, 생성되는 압력 구배가 선박의 이동 방향과 반대여서, 앞서 언급된 바와 같이 범선의 후미 방향으로의 힘 성분이 생성된다. 최소 태킹 각보다 큰 각도에서, 날개돛(222)의 좌측과 우측으로의 바람의 흐름의 차이가 범선의 전방 방향으로의 성분을 갖는 힘을 생성하며, 이는 이하에서 구체적으로 언급된다.
도 4b는 풍향(460)에 비스듬한 방향(455)으로 이동 중인 범선(200)을 도시한다. 점선(462, 464)으로 도시되는 바와 같이, 바람이 날개돛(222)의 전방 에지에 접근할 때, 날개돛(222)의 좌측 및 우측으로 방향 전환된다. 이 예시에서, 날개돛(222)의 우측(풍하측) 상의 바람(464)이 날개돛(222)의 전방 에지 주변에서 휘어지고 날개돛(222)의 풍하측을 따라 날개돛(222)의 후미를 향해 이동한다. 날개돛(222)의 좌측(풍상측) 상의 바람(462)이 날개돛(222)의 풍상측 표면을 따라 날개돛의 후미를 향해 이동한다. 풍상측 표면 상에서 생성되는 압력이 풍하측 표면 상에서 생성되는 압력보다 커서, 풍상측 표면에서 풍하측 표면으로의 방향을 갖는 힘이 도출된다.
도 4b의 예시에서, 날개돛(222)의 풍상측 표면으로부터 풍하측 표면으로의 방향에서의 힘이 화살표(480)로 근사된다. 범선(200)에 상대적으로, 이 힘(480)은 범선(200)을 측방으로 미는 성분(480a), 및 범선(200)을 전방으로 미는 성분(480b)을 가진다. 용골(230)은, 수중에서, 범선(200)의 측방 이동을 저항하고 이 힘(480a)의 적어도 일부를 전방 추진력으로 변환하기 위한 형태를 가진다. 날개돛(222)을 바람이 통과한 전체적인 결과가, 선체(210)에 의한 바람의 힘(480)의 전방 성분(480b) 및 측방 성분(480a)에 의한 측방 추진력의 전환, 및 풍하측 방향에서의 범선의 측방 추진의 나머지('풍압차')로부터, 이동 방향(455)으로의 범선(200)의 전방 추진력이다. 일반적으로 범선(200)을 더 바람을 거스르는 방향으로 배향하도록 이 풍압차는 방향타 각의 사소한 변화에 의해 교정된다.
앞서 언급된 바와 같이, 날개돛(222)이 풍향(460)에 대해 배향된 각(받음 각)이 특정 풍속 및 풍향으로부터 생성될 수 있는 양력의 정도를 결정한다. 예를 들어, 도 4b에서, 날개돛(222)이 반시계 방향으로 돛대(410)를 중심으로 회전되어, 받음 각을 감소시키고 날개돛(222)을 풍향(460)과 동일선 상으로 더 직접 배향시키는 경우, 날개돛(222)의 어느 한 측부로의 바람의 전환이 더 균일해져, 날개돛(222)의 풍하측과 풍상측 표면 간의 풍압 구배를 감소시킨다. 반대로, 도 4b의 날개돛(222)이 추가로 시계방향으로 돛대(210)를 중심으로 회전하여, 받음 각을 증가시키고, 풍하측 바람(464)이 풍하측 표면 주변에 날개돛(222)의 리딩 에지의 곡면을 따를 수 없어서, 실속을 야기하고, 풍하측 표면 위에서의 평활한 흐름이 얻어지지 않아, 풍하측 표면과 풍상측 표면 간 압력 구배가 감소될 수 있다.
이상적인 받음 각은 풍향(460)에 대한 범선(220)의 이동 방향(455)의 함수로서 변한다. 최소 태킹 각에 가까운 항행 방향(455)("클로즈 투 더 윈드(close to the wind)")을 갖는 "클로즈 리치(close reach)"에서, 좁은 받음 각이 더 우수한 양력을 제공하고, 풍향에 거의 직교인 이동 방향(455)("어빔(abeam)")을 갖는 "빔 리치(beam reach)"에서, 풍하측 표면 위의 매끄러운 흐름을 유지하면서 더 넓은 받음 각이 지원될 수 있고, 풍향(460)에 대해 약 135°의 항행 방향(455)을 갖는 "브로드 리치(broad reach)"에서, 더 더욱 넓은 받음 각이 지원될 수 있다. 일반적으로 더 넓은 받음 각일수록 날개돛(222)의 풍하측 표면 위에 바람의 흐름에 의해 생성되는 힘의 전방 성분(480a)을 증가시키는 효과를 가지며, 일반적으로 범선은 범선의 특정 설계에 따라, 빔 리치(beam reach) 또는 브로드 리치(broad reach)로 항행할 때 최대 속도를 획득한다.
항행 방향에 대한 특정 풍향에 대한 이상적인 받음 각, 또는 풍향에 대한 보트의 배향("상대적 풍향")이 주로 전방 에지의 형태 및 날개돛(222)의 풍하측 표면의 형태에 의해 결정된다. 따라서 날개돛(222)의 특정 형태가 주어지면, 상대적 풍향이 결정될 수 있는 경우, 날개돛(222)은 상대적 풍향에 대한 이상적인 대응하는 받음 각으로 설정될 수 있다.
예시적 범선(200)의 풍향계(225)는 범선의 항행 방향(455)에 대한 풍향(460)의 결정을 촉진시킨다. 풍향계(225)는 최소 회전 마찰력을 갖고 날개돛 구조물(220) 상에서 피봇운동한다. 따라서 풍향계(225)는, 날개돛 구조물(220)의 배향과 무관하게, 자신을 풍향(460)과 지속적으로 정렬할 것이다. 풍향계(225)와 날개돛 구조물(220) 간 각도(430)로서, 연결 봉(coupling rod)(435)는 이 회전을 트러스(440)에 대해 실질적으로 측방 운동으로 변환할 것이며, 따라서 풍향(460)에 대해 날개돛 구조물(220)의 각도(430)를 기초로 범선(200)의 배향에 대한 횡방향 운동을 제공할 것이다.
대안적으로, 제어 관점으로부터: 트러스(440)에 대한 연결 봉(435)의 횡방향 운동이 날개돛 구조물(220)에 대한 풍향계(225)의 회전을 제어할 것이다. 풍향계(225)가 지속적으로 풍향(460)과 정렬되기 때문에, 날개돛 구조물(220)에 대한 풍향계(225)의 회전의 제어가 풍향계(460)에 대한 날개돛 구조물(220)의 효과적인 제어이다. 즉, 연결 봉(435)의 횡방향 제어가 풍향(460)에 대한 날개돛(222)의 받음 각의 제어를 수행한다.
받음 각의 수동/원격 제어에서, 전기적 액추에이터, 가령, 전자기 피스톤이 조절되어 연결 봉(235)을 횡방향으로 이동시킴으로써 받음 각을 제어할 수 있다. 일반적으로, 범선(220)의 속도를 모니터링하면서 받음 각은 조절될 것이며, 선호되는 받음 각은 최대 속도를 제공하는 각도로 설정된다.
본 발명의 하나의 양태에 따라, 범선(200)은 특정 상대적 풍향에 대한 받음 각을 자동으로 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 앞서 언급된 전기적 액추에이터가 수동/원격 제어에서처럼 최대 속도를 얻도록 컴퓨터-제어되거나, 예를 들어, 다양한 상대적 풍향에 대한 액추에이터 설정의 테이블을 이용해, 지정 상대적 풍향을 기초로 앞서 언급된 "이상적인" 받음 각으로 설정될 수 있다.
그러나 앞서 언급된 바와 같이, 원하는 받음 각을 얻기 위한 돛 트림의 전자 제어가 전기 에너지를 소비하며, 반면에, 돛 트림의 기계적 제어는 전기 에너지를 소비하지 않는다. 덧붙여, 피드백 루프 그 자체가 제어 봉(435)이기 때문에, 기계적 제어는 바람의 순간적인 변경에 가장 반응적일 수 있다. 본 발명의 추가 양태에 따르면, 트러스(440)로의 연결 봉(435)의 연결이, 풍향(460)에 대한 항행 방향(455)(및 이에 대응하는 범선(200)의 상대적 배향)이 변함에 따라, 트러스(440)에 대한 연결 봉(435)의 횡방향 위치를 기계적으로 변화시킨다.
도 4c는 트러스(440)에 고정적으로 부착되며 따라서 범선(200)에도 고정적으로 부착되는 캠(cam)(470)을 도시한다. 연결 봉(435)은 캠 슬롯(471)에 실리는 포스트를 포함하며, 캠 슬롯(471)은 트러스(440) 및 부착된 캠(470)이 날개돛 구조물(220)에 대해 회전할 때 연결 봉(435)의 횡방향 운동을 개시하도록, 또는 대안적으로 말하면, 날개돛 구조물(220)이 범선(200)의 배향에 대해 회전할 때 연결 봉(435)의 횡방향 운동을 개시하도록 형성된다. 즉, 범선(200)의 배향이 경로의 변화로 인해 변경될 때 또는 풍향(460)의 변화가 범선(220)의 배향에 대해 날개돛 구조물(220)의 배향의 변경을 야기할 때, 캠(470)은 연결 봉(435)의 대응하는 횡방향 변화를 개시할 것이고, 이로 인해, 범선(200)의 항행 방향에 대한 풍향(460)의 이 변화를 기초로 하는 (도 4c-4e에서 도시되지 않지만 설명의 명료성을 위해) 날개돛(222)의 받음 각을 변화시킨다.
앞서 언급된 바와 같이, 날개돛(222)의 특정 상대적인 풍향 및 특정 형태에 대한 이상적인 받음 각이 결정될 수 있다. 따라서 캠 슬롯(471)은 모든 상대적 풍향을 위한 이상적인 받음 각을 얻기 위한 횡방향 변화를 개시하도록 생성될 수 있다. 즉, 캠의 형태가 제어 알고리즘의 기계적 구현이다.
도 4c는 범선(200) 및 날개돛 구조물(220)이 풍향에 대해 '중립' 위치에 있을 때, 즉, 날개돛(222)과 풍향계(225)가 풍향(460)과 정렬될 때의 캠 슬롯(471)이 구비된 예시적 캠(470)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 캠(470)이 강건하게 부착된 트러스(440)의 회전을 통해 시계방향으로 또는 반시계방향으로 회전될 때 (즉, 바람(460)을 거스르는 중립 위치에 대한 범선의 배향의 변화) 캠 슬롯(471)은 연결 봉(435)의 실질적으로 선형인 횡방향 운동을 도입시킬 것이다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 화살표(478)에 의해 지시되는 바와 같이, 캠(470)의 시계 방향 회전이 연결 봉(435)이 캠(470)의 중심을 향해 이동하게 함으로써, 풍향계(225)가 날개돛 구조물(220) 상에서 이의 피봇(425)을 중심으로 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 최소의 회전 저항을 갖고, 풍향계(225)가 자신을 풍향에 지속적으로 정렬할 것이기 때문에, 도 4b에 도시된 범선에 대한 날개돛 구조물(220)의 배향과 유사하게, 날개돛 구조물(220)에 대한 풍향계(225)의 반시계 방향 회전이 시계 방향 회전으로 풍향(462)에 대해 날개돛(222)을 오프셋시켜, 날개돛(222)의 우측 표면을 바람(462)의 풍하측 측부 상에 위치시키는 받음 각을 유도한다. 바람(462)의 풍하측 측부 상의 날개돛(222)의 우측 표면의 이 배향이 우측에 범선(200)에 대한 전방 성분 및 풍압차 성분을 갖는 양력을 유도한다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 화살표(479)에 의해 지시되는 바와 같이, 캠(470)의 반시계 방향 회전은 연결 봉(435)이 캠(470)의 중심에서 벗어나게 힘을 가해, 날개돛 구조물(220) 상의 이의 중심점(pivot)(425)을 중심으로 하는 풍향계(225)의 시계 방향 회전을 유도할 수 있다. 이 시계 방향 회전은 풍향(464)에 대한 날개돛(222)의 반시계 방향 회전을 유도함으로써, 날개돛(222)의 좌측 표면을 바람의 풍하측 측부 상으로 두는 날개돛(222)의 받음 각을 유도할 수 있다. 바람의 풍하측 측부 상의 날개돛(222)의 좌측 표면의 이 배향이 우측에 범선(200)의 전방 성분 및 풍압차 성분을 갖는 양력을 유도한다.
캠 슬롯(471)에 의해 제공되는 횡방향 구배가 캠(470)(또는 범선(200))이 풍향에 대해 회전될 때 제공되는 받음 각을 결정한다. 도 4d 및 4e에 도시된 바와 같이, 도 4e에서의 캠(470)의 반시계 방향 회전이 도 4d의 캠(470)의 시계 방향 회전보다 크기 때문에, 도 4e의 받음 각이 도 4d의 받음 각보다 크다. 즉, 캠(470)의 회전을 기초로 하는 받음 각이 회전의 정도에 따라 달라져서, 모든 상대적 풍향에 대한 이상적인 받음 각을 획득하도록 받음 각이 캠 슬롯(471)에 의해 제어될 수 있다.
도 4e에서의 캠 슬롯(471)의 형태에 의해 도시된 바와 같이, 도시된 배향 너머까지의 캠(470)의 추가 반시계 방향 회전이 광범위한 상대적 풍향에 걸쳐 뻗어 있는 이상적인 받음 각과 일치하는 연결 봉(435)의 횡방향 위치의 가벼운 변경을 생성할 것이다. 적절한 때에, 캠(470)의 추가 반시계 방향 회전에 의해 연결 봉(435)이 캠(470)의 중심을 향해 끌어당겨져 받음 각을 감소시킬 수 있다.
항행 방향이 풍향과 일치하는("풍하(downwind)" 세일링) 상대적 풍향이 추가로 증가함에 따라, 날개돛 구조물(220)은 계속 회전하여 날개돛(222)이 트러스(440)의 전방에 놓인다. 결국, 날개돛 구조물(220)은 범선(200)의 후미로부터 오는 풍향과 정렬될 수 있다. 이러한 정렬이 압력 차이를 생성하지 않을 것이며, 따라서 양력을 생성하지 않을 것이다. 항해 분야에서 알려져있는 바와 같이, 돛 표면이 바람에 직교하게 배향되는 경우라도, 정 풍하 세일링(sailing directly downwind)이 효율적인 돛의 방향(point of sail)이 아니며 직접 바람을 타지 않는 방향으로 교대하는 코스로 세일링하는 것이 풍하측 타깃으로의 더 빠른 루트를 제공한다. 따라서 본 발명의 하나의 실시예에서, 항법 제어 시스템은 극단적인 풍하 세일링을 피하도록 구성되어, 범선(200)의 후미로부터의 풍향과 동일선 상의 날개돛(222)의 배향을 피할 수 있다.
대안적으로, 풍하 세일링 시 날개돛 구조물(220)이 최소 받음 각(양 또는 음)에 제한받도록 캠 슬롯(471)이 '불연속부'를 제공하도록 형성될 수 있다. 일반적으로 양의 최소 각과 음의 최소 각 간 받음 각을 제공할 풍향에서, 캠의 상태는 '불안정'함으로써, 연결 봉(235)을 양의 최소 받음 각 또는 음의 최소 받음 각을 생성하는 위치까지 야기한다(하나 또는 또 다른 침로(tack)로 '자이빙(gybing)'). 이러한 방식으로, 날개돛이 항상 범선(200) 뒤로부터의 바람에 약간의 저항을 보여, 전방 추진(forward propulsion)을 야기한다.
에너지 소비를 감소하기 위해 상기에서 기재된 기계적 자가-트림 시스템의 사용이 선호되더라도, 필요에 따라 날개돛 구조물(220)의 회전의 직접 제어를 허용하도록 모터도 제공될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 예를 들어, 자가-복원 절차의 개시 전에, 날개돛 구조물(220)이 액슬(242)을 중심으로 회전될 때 날개돛 구조물(220)은 범선의 타 요소와의 간섭을 피하기 위해 돛대(410)를 중심으로 하는 회전과 관련하여 '중립' 위치로 배치될 필요가 있을 수 있고, 모터가 돛대(410)를 중심으로 하는 이러한 제어된 회전을 제공하도록 사용될 수 있다.
선택사항으로서, 돛대(410)를 중심으로 날개돛 구조물(220)을 회전시키기 위해 모터가 제공되는 경우, 상기 모터는 또 다른 특징을 제공하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 모터는 발전기로서 기능하도록 구성될 수 있다. 기계적 자가-트림 모드에서, 범선이 이동함에 따른 바람의 변동, 또는 받음 각의 변동이 돛대(410)를 중심으로 하는 날개돛 구조물(220)의 랜덤 변동을 초래할 것이다. 모터가 발전기로 구성된 경우, 돛대(410)를 중심으로 하는 이들 변동이 사용되거나 저장될 수 있는 전기 에너지를 생성할 것이다. 덧붙여, 발전기가 이의 하중에 비례하는 관성 저항을 유도하기 때문에, 더 안정한 항해를 제공하고 과도한 변동에 의해 초래되는 마모 및 파열을 감소시키기 위해, 변동에 원하는 크기의 댐핑이 유도될 수 있다.
어느 경우라도, 상대적 풍향 및 제공된 받음 각에 무관하게, 범선(200)이 타깃 영역을 행해 충분히 항행하지 않거나 범선의 지정된 감시 영역 너머까지 항해한다고 결정되는 경우, 범선(200)의 항법 제어 시스템이 보조 추진 시스템(235)을 활성화하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이들 주기 동안, 날개돛 구조물(220)이 돛대(410)를 중심으로 변동할 때 전기를 발전하는 발전기의 앞서 언급된 용도가 보조 추진 시스템(235)에 의해 소비되는 에너지 중 일부를 보충하고, 특히 바람이 가변적이거나 바다가 거친 경우 변동을 완충하도록 사용될 수 있다.
도 5는 예시적 자율 범선의 통신, 제어, 및 모니터링 시스템의 예시적 블록도를 도시한다.
장비의 일부가 자율적 또는 반자율적으로 동작할 수 있더라도, 제어 컴퓨터(510)는 범선 상의 장비의 동작을 주로 조절한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 컴퓨터(510)에 의해 모든 외부 통신이 제어되며, 또 다른 실시예에서, 장치가 개별 통신 장치로 직접 메시지를 전송하고 이로부터 수신한다. 유사한 방식으로, 제어 컴퓨터(510)에 의해 실행되는 화물 임무 특정적 모니터링의 상호대화 및 제어의 정도가, 특정 임무 및/또는 모니터링의 특정 유형에 따라 달라질 수 있다.
단일 블록으로 도시되지만, 제어 컴퓨터(510)는 복수의 프로세싱 시스템, 가령, 고장-안전 동작(fail-safe operation)을 위한 예비 시스템 및/또는 특정 작업, 가령, 항법을 위해 커스텀화되는 임베디드 시스템을 포함할 수 있다. 제어 컴퓨터(510)의 동작이 아래와 같이 컴퓨터(510)가 상호대화하는 선내 설비의 맥락에서 가장 잘 이해될 수 있다.
자율 범선을 위한 기본 장비가 복수의 위성으로부터 메시지를 수신하는 GPS 수신기(515)이며, 상기 메시지로부터 수신기(515)의 위도 및 경도(및 따라서 범선의 위치)가 결정된다. GPS 수신기(515)의 능력에 따라서, 그 밖의 다른 정보, 가령, 속도 및 항행 방향이 또한 제공될 수 있거나, 또 다른 요소, 가령, 제어 컴퓨터(510)가 시간의 흐름에 따른 보고된 위치로부터 속도 및 항행 방향을 결정할 수 있다. 이 정보는 통신 버스(501) 상에서 제공되어 이 버스(501) 상의 장치들 중 임의의 것에 의해 사용될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 제어 컴퓨터(510)는 범선의 현재 위치를 이용하여 타깃 영역까지의 루트를 결정할 수 있고 속도 및 항행 방향 정보를 이용하여 드리프트를 보상하도록 방향타를 트림할 수 있는 등이다. 또한 위치 정보는 범선으로부터 전송되는 모니터링 메시지 각각에 포함될 수 있다.
자율 범선을 위한 또 다른 기본 장비는 모니터링된 정보를 보고하기 위한 통신 장치이다. 도 5의 예시에서, 복수의 위성 통신 장치(520, 525)가 제공되지만, 더 적거나 더 많은 통신 장치가 제공될 수 있다. 예시적 위성 통신(Satcom) 송수신기(520)로는 Iridium 송수신기 같은 종래의 위성 메시징 시스템이 있다. 송수신기(520)는 범선으로 주소 지정된 메시지를 수신하고 이들 메시지를 버스(501) 상에서 제공한다. 특정 범선은 복수의 주소, 가령, 범선 관련 메시지(가령, 항법 메시지)를 수신하기 위한 한 주소 및 화물 관련 메시지(가령, 모니터 제어 메시지)를 수신하기 위한 또 다른 주소를 가질 수 있고, 대안적으로, 모든 메시지는 하나의 단일 주소로 주소 지정될 수 있고 메시지 프로토콜은 수신된 메시지를 구별하도록 확립될 수 있다. 일부 구성에서, 범선 그룹에 '선단' 또는 '부분-선단(sub-fleet)' 관련 통신을 위한 하나의 공통 주소가 할당된다. 제어 컴퓨터(510)는 구체적 장치로 특정 정보를 통신하기 위한 메시지를 수신 및 프로세싱하도록 구성될 수 있거나 및/또는 장치들 중 일부가 특정 메시지를 직접 수신 및 프로세싱하도록 구성될 수 있다.
이와 유사하게, 메시지가 범선으로부터 송수신기(520)를 통해 전송될 수 있다. 이들 메시지는 범선 상의 장치로부터 수신된 정보를 기초로 제어 컴퓨터(510)에 의해 포맷팅될 수 있거나 일부 장치가 상기 메시지를 송수신기(520)로 직접 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지는 메시지를 적절한 수신자에게로 라우팅하기 위해 상기 주소에서의 수신기로 인해 공통 주소로 주소 지정되거나, 및/또는 서로 다른 주소가 특정 메시지를 특정 수신자에게 직접 통신하도록 사용될 수 있다.
메시지를 송신하고 수신하기 위한 상용화된 위성 통신 시스템을 이용하기 위한 능력은 메시지의 형태 및 콘텐츠에서 상당한 유연성을 제공한다. 예를 들어, HTML 스킴을 이용해 이들 통신을 위한 커스텀 포맷이 정의될 수 있다. 일부 실시예에서, 커스텀 및 표준 포맷의 혼합이 사용될 수 있다. 예를 들어, NMEA(National Marine Electronics Association)는 해양 장치들 간에 항법, 제어, 모니터링, 및 그 밖의 다른 정보를 통신하도록 사용되는 프로토콜 표준, NMEA 2000을 제공한다. 제어 컴퓨터(510)는, 예를 들어, NMEA 포맷된 메시지를 송수신기(520)를 통해 육상 모니터 및 제어 스테이션(도 1의 150)으로 전송하고 이들로부터 수신하도록 구성될 수 있다.
그러나 종래의 위성 메시징 시스템을 이용해 제공되는 유연성이 범선 상의 자원의 실질적인 사용을 필요로 할 수 있고 이 서비스를 액세스하기 위한 상당한 비용을 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 각각의 메시지가 전송 또는 수신될 수 있기 전에, 위성과 함께 동기 링크가 확립되어야 하며, 이 링크는 메시지의 지속시간 동안 유지되어야 한다. 또한, 선단 내 각각의 범선이 동기 링크를 확립하기 위해 위성 채널에 대해 타 범선 각각과 '경쟁'한다. 이들 메시지의 생성, 송신, 수신 및 디코딩은 전기 에너지를 소비하고, 전기 추진 시스템 다음으로, 범선 상에서 전기 에너지를 가장 많이 사용할 수 있다.
선택사항으로서, 저전력, 제한된 능력 위성 통신 시스템이 루틴 정보를 통신하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, SENS(Sensor Enabled Notification System)가 모니터링된 정보를 효율적으로 통신하도록 특정하게 설계된다. 도 5의 예시에서, SENS 송신기(또는 SENS 송수신기)(525)가 모니터링된 정보 중 일부를 통신하도록 사용되어, 더 높은 전력을 소비하는 송수신기(520)를 통해 이 정보를 통신하는 작업을 분담할 수 있다.
SENS 송신기(525)는 비교적 짧은 메시지(약 80바이트)를, 주기적으로 및/또는 보고 이벤트가 트리거될 때, 송신한다. 일반적으로 이들 메시지는 송신기(525)의 식별자, 현재 GPS 위치, 및 하나 이상의 센서/모니터로부터 보고되는 파라미터 값을 포함한다. 상기 SENS 송신기(525)는 위성 시스템과 동기 링크를 확립할 필요 없이, 각각의 메시지를 자율적으로 브로드캐스팅함으로써, 위성 통신을 위해 일반적으로 요구되는 실질적인 시간 및 에너지를 절약할 수 있다. SENS 메시지가 고정 포맷을 이용하기 때문에, 이들 메시지의 생성은 최적화될 수 있고, 따라서 각각의 메시지에 대해 소비되는 시간 및 자원을 추가로 감소시킬 수 있다.
예시적 실시예에서, SENS 송신기(525)는 위치 및 센서 데이터의 주 소스로서 사용될 수 있고 위성통신(satcom) 송수신기(520)는 상황에 따라서 요구될 때만 사용된다. 예를 들어, 위성통신 송수신기(520)는 타깃 영역까지 항해하기 위한 명령어를 수신하도록 사용될 수 있으며 타깃 영역까지 이동 중인 범선에 의해 전송되는 모든 메시지가 SENS 송신기(525)를 통해 전송된다. 유사한 방식으로, 타깃 영역에 있는 동안, 주기적인 위치 및 센서 메시지가 SENS 송신기(525)를 통해 전송되고 특정 이벤트가 발생할 때 그 밖의 다른 모니터로부터의 정보가 위성통신 송수신기(520)를 통해 통신될 수 있다.
또한 그 밖의 다른 통신 시스템은 위성통신 송수신기(520)를 대신하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 해안 또는 내륙 수로를 따라 항해할 때, 셀-폰 송수신기 또는 WiFi 송수신기(530)가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 배치 전에 설정 및 그 밖의 다른 정보를 수신하기 위해 및/또는 각각의 배치 전에 범선 상의 장비를 시험하기 위해 WiFi 송수신기(530)가 컴퓨터(510)를 네트워크로 연결하도록 사용된다. 범선 상의 장비와 통신하기 위한 그 밖의 다른 수단이 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
도 5는 범선을 제어하도록 사용되는 일반적인 장비(535-555)를 도시한다. 추가적 또는 대안적인 장비가 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
날개돛이 타깃 영역으로의 충분한 전진을 이루지 못할 때, 또는 위치를 할당된 영역 내로 유지하지 못할 때, 또는 '날씨 독립적인' 제어가 필요할 때, 가령, 혼잡 영역(high-traffic area)에 있을 때 주로, 보조 추진 장비(535)가 필요에 따라 순방향 및 역방향 추진을 제공한다.
혼잡 영역에서 사용되기 위해 항행등(running light)(540)이 제공되며 적색, 녹색, 및 백색 항행등의 세트를 포함한다.
범선 및 이의 환경의 상태를 결정하기 위해 다양한 선박 관련 모니터(545)가 제공된다. 이들 모니터(545)는, 예를 들어, 풍향 및 풍속 모니터, 대수속력(speed-thru-water) 트랜스듀서, 전압 및 전류 모니터, 관성 모니터, 날개돛 배향 모니터, 방향타 배향 모니터, 횡경사각(heeling-angle) 모니터, 나침반 기수방향 모니터 등을 포함할 수 있다.
방향타 제어 시스템(550)은 특정 항로를 유지, 항로를 변경, 드리프트를 교정하는 등을 위해 방향타의 배향을 제어한다.
복원 작동 시스템(righting actuation system)(555)이 앞서 기재된 자가 복원 능력을 구현하기 위해 필요한 액추에이터(들)을 포함한다. 액추에이터는 제어 컴퓨터(510)로부터의 명령어에 의해 제어되거나, 시스템(555)은 보고 또는 결정된 횡경사각을 기초로 앞서 언급된 복원 및 횡경사 교정 동작을 자율적으로 실행하기 위해 필수인 전자소자를 포함할 수 있다.
선택사항으로서, 주로 각각의 배치 동안 그리고 배치 전 및 후에 장비를 설정 및 시험하기 위해 외부 인터페이스(560)가 제공될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 범선은 타깃 영역으로 임무-특정적 화물 장비(570)를 운반하기 위한 것이며, 이 화물 장비(570)는 모니터링 장치들, 가령, 카메라, 트랜스듀서 등의 모음을 포함하는 것이 일반적이지만, 그 밖의 다른 유형의 장치가 배치될 수 있다. 예를 들어, 특정 상황하에서, 가령, 제한 구역 근처에서 선박이 검출될 때 안내 방송을 하기 위한 확성기 시스템이 제공될 수 있고, 마이크로폰 시스템이 또한 양방향 음성 통신을 위해 제공될 수 있다.
화물 시스템을 범선 제어 시스템으로 통합하기 위해, 화물 인터페이스(565)가 제공된다. 송수신기(520)로부터 수신된 임의의 모니터링 명령어를 통신하고, 모니터링된 정보를 제어 컴퓨터(510)로 또는 송수신기(520, 525)로 직접 통신하기 위해 이 인터페이스가 사용될 수 있다.
범선 상의 다양한 장비로 전력을 제공하기 위해, 전력 조절 및 제어 시스템(560)이 다양한 소스로부터 전력을 수신하고, 필요한 전력을 범선의 구성요소 각각으로 제공한다. 도시되지 않았지만, 도 2a의 범선(200)의 각각의 칸(260)이 사전 배선연결되어 시스템(560)으로부터의 전력으로의 액세스뿐 아니라 데이터 버스(501) 또는 그 밖의 다른 선내 네트워크로의 액세스를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 중요 장비에 필요에 따라 전력이 제공됨을 보장하기 위해 우선순위 스킴(priority scheme)이 사용된다. 예를 들어, 가용 전력이 줄어드는 경우, 중요 장비, 가령, 방향타 제어 및 복원 작동 시스템은 활성화 상태로 유지되면서, 일부 장비가 비활성화될 수 있다.
전력 제어 시스템(560)이 범선 상에 장착된 태양광 패널(585)로부터 에너지를 수신하고, 배터리 시스템(590)은 이 에너지 중 일부를 저장하여, 태양광 패널(585)이 전기를 생산하지 않을 때 전력을 제공할 수 있다. 선택사항으로, 전기 추진 장비(도 2a의 235)가 날개돛이 범선을 추진할 때 전기를 생성하는 발전기를 포함하도록 구성될 수 있다. 전기 추진 시스템은 범선이 저속으로 항해 중일 때 최소 저항을 제공하고, 지정 최소 속도를 유지하면서 생성된 양력이 이 부하를 지원하기 충분할 때만 발전기 부하를 제공한다.
상기 내용은 본 발명의 원리를 예시로서 설명한 것에 불과하다. 따라서 해당 분야의 통상의 기술자라면 명시적으로 기재되거나 도시되지 않더라도 본 발명의 원리를 구현하고 사상 및 범위 내에 있는 다양한 배열을 고안할 것임을 알 것이다. 예를 들어, 범선이 더 큰 범선과의 충돌을 이겨내도록 설계되었어도, 상기 범선은 AIS 송수신기가 구비된 상용화된 선박 및 그 밖의 다른 선박에 의해 송신된 위치 정보를 수신하는 AIS(Automatic Identification System) 수신기를 포함하도록 구성될 수 있다. 충돌을 피하기 위해, 제어 컴퓨터(510)는 수신된 AIS 정보를 기초로 하여 항해 방향을 일시적으로 조절하도록 구성될 수 있다. 이들 및 그 밖의 다른 시스템 설정 및 최적화 특징이 해당 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이고, 다음의 특허청구범위 내에 포함됨이 명백할 것이다.
이들 청구항을 해석할 때, 다음이 이해되어야 한다:
a) 용어 "포함하는"은 특정 청구항에서 나열된 것 외의 다른 요소 또는 동작의 존재를 배제하지 않는다.
b) 용어 "a" 또는 "an"은 복수의 이러한 요소의 존재를 배제하지 않는다.
c) 청구항의 임의의 참조 부호가 이들의 범위를 제한하지 않는다.
d) 몇몇 "수단"은 동일한 아이템 또는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되는 구조물 또는 기능으로 표현될 수 있다.
e) 개시된 요소 각각은 하드웨어 부분(가령, 이산 및 통합 전자 회로) 및 소프트웨어 부분(가령, 컴퓨터 프로그래밍)의 조합을 포함할 수 있다.
f) 하드웨어 부분은 프로세서를 포함할 수 있고, 소프트웨어 부분은 비-일시적 컴퓨터 판독형 매체상에 저장될 수 있으며, 프로세서로 하여금, 개시된 요소 중 하나 이상의 요소의 기능들의 일부 또는 전부를 수행하게 하도록 구성될 수 있다.
g) 하드웨어 부분은 아날로그 부분 및 디지털 부분 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
h) 특정하게 달리 언급되지 않는 한 개시된 장치 또는 이의 부분 중 일부는 함께 조합되거나 추가로 부분으로 분리될 수 있다.
i) 특정하게 달리 언급되지 않는 한 동작들의 어떠한 특정 시퀀스도 요구되지 않는다.
j) 용어 "복수의" 요소는 청구되는 요소 중 둘 이상을 포함하며, 임의의 특정 범위의 복수의 요소를 암시하지 않는데, 즉, 복수의 요소는 단 2개의 요소일 수 있으며, 무수한 개수의 요소를 포함할 수 있다.

Claims (30)

  1. 범선으로서,
    서로 평행하게 배열되고 트러스(truss) 배열로 함께 연결된 복수의 선체,
    선체 평면에 직교하는 제1 회전축, 및 선체에 평행인 제2 회전축을 중심으로 회전 가능한 날개돛(wingsail) 구조물, 및
    범선의 전복이 검출될 때 제2 회전축을 중심으로 날개돛 구조물을 회전시키도록 구성된 자가-복원 시스템(auto-righting system)
    을 포함하는, 범선.
  2. 제1항에 있어서, 상기 날개돛 구조물은 자가 복원 시스템이 날개돛 구조물을 회전시킬 때 범선의 복원을 촉진하도록 기능하는 부력 요소를 포함하는, 범선.
  3. 제2항에 있어서, 부력 요소는 날개돛을 포함하는, 범선.
  4. 제3항에 있어서, 부력 요소는 날개돛 위에 부표(flotation bulb)를 포함하는, 범선.
  5. 제1항에 있어서, 선체에 평행한 용골 회전축을 중심으로 회전 가능한 용골(keel)을 포함하는, 범선.
  6. 제5항에 있어서, 용골은 날개돛 구조물에 고정 부착되며, 상기 용골 회전축은 제2 회전축에 대응하는, 범선.
  7. 제1항에 있어서, 전복이 발생했는지 여부를 검출하고, 전복이 검출될 때 자가-복원 시스템을 활성화하는 제어 시스템을 포함하는, 범선.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어 시스템은 횡경사각(heeling angle)을 검출하고 상기 검출된 횡경사각을 기초로 전복이 검출되기 전에 자가-복원 시스템을 활성화하는 범선.
  9. 제1항에 있어서, 자가-복원 시스템을 활성화하기 위해 필요한 에너지를 제공하는 하나 이상의 태양광 패널을 포함하는, 범선.
  10. 제1항에 있어서, 방향타, 및 타깃 영역(target area)을 향한 범선의 항행 방향을 생성하도록 상기 방향타의 배향을 제어하는 항법 제어 시스템을 포함하는, 범선.
  11. 제1항에 있어서, 날개돛 구조물은 범선을 전방 추진하기 위한 양력을 제공하는 날개돛을 포함하는, 범선.
  12. 제11항에 있어서, 상기 날개돛 구조물은 현재 풍향과 지속적으로 정렬되기 위해 상기 날개돛 구조물 상에서 피봇운동하는 풍향계(wind vane)를 포함하는, 범선.
  13. 제12항에 있어서, 상기 날개돛 구조물은 제1 회전 축을 중심으로 하는 날개돛 구조물의 회전을 촉진하는 균형 요소(balance element)를 포함하는, 범선.
  14. 제12항에 있어서, 날개돛 구조물의 배향과 풍향계의 배향 간 차이를 제어하는 연결 봉을 포함하는, 범선.
  15. 제14항에 있어서, 트러스 구조물은 트러스 구조물의 배향을 기초로 날개돛 구조물의 배향과 풍향계의 배향 간 차이를 제어하도록 연결 봉으로 연결된 캠(cam)을 포함하는, 범선.
  16. 제15항에 있어서, 상기 캠은 트러스 구조물의 배향을 기초로 날개돛의 희망 받음 각(angle of attack)을 제공하도록 형성된 캠 슬롯을 포함하는, 범선.
  17. 제1항에 있어서, 모니터링 장비의 설치를 위한 하나 이상의 수밀 칸(watertight compartment)을 포함하는, 범선.
  18. 제17항에 있어서, 모니터링 장비로부터 원격 모니터링 스테이션으로 정보를 통신하기 위한 하나 이상의 통신 시스템을 포함하는, 범선.
  19. 제18항에 있어서, 하나 이상의 통신 시스템은 위성 송수신기를 포함하는, 범선.
  20. 제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 통신 시스템은 SENS 송신기를 포함하는, 범선.
  21. 제1항에 있어서, 제1 회전축을 중심으로 하는 날개돛 구조물의 회전을 제어하는 모터를 포함하는, 범선.
  22. 제21항에 있어서, 모터는 날개돛 구조물이 제1 회전축을 중심으로 변동(fluctuate)할 때 에너지를 생성하는 발전기로서 구성될 수 있는, 범선.
  23. 범선으로서,
    서로 평행하게 배열되고 트러스(truss) 배열로 함께 연결된 복수의 선체,
    선체 평면에 직교하는 제1 회전축을 중심으로 회전 가능한 날개돛(wingsail) 구조물, 및
    제1 회전축을 중심으로 날개돛 구조물의 회전을 제어하는 자가 트림 시스템(autotrim system)
    을 포함하며,
    상기 날개돛 구조물은
    범선을 전방 추진하기 위한 양력을 제공하는 날개돛,
    현재의 풍향과 지속적으로 정렬되도록 날개돛 구조물 상에서 피봇운동하는 풍향계, 및
    날개돛 구조물의 배향과 풍향계의 배향 간 차이를 제어하는 연결 봉
    을 포함하고,
    상기 자가 트림 시스템은 트러스 구조물의 배향을 기초로 날개돛 구조물의 배향과 풍향계의 배향 간 차이를 제어하기 위해 트러스 배열에 부착되고 상기 연결 봉에 연결되는 캠을 포함하는, 범선.
  24. 제23항에 있어서, 상기 날개돛 구조물은 제1 회전 축을 중심으로 하는 날개돛 구조물의 회전을 촉진하는 균형 요소(balance element)를 포함하는, 범선.
  25. 제23항에 있어서, 상기 캠은 트러스 구조물의 배향을 기초로 날개돛의 희망 받음 각을 제공하도록 형성된 캠 슬롯(cam slot)을 포함하는, 범선.
  26. 제23항에 있어서, 제1 회전축을 중심으로 하는 날개돛 구조물의 회전을 제어하는 모터를 포함하는, 범선.
  27. 제34항에 있어서, 상기 모터는 날개돛이 제1 회전축을 중심으로 변동할 때 에너지를 생성하는 발전기로서 구성될 수 있는, 범선.
  28. 수류에서 전복된 범선을 복원하는 방법으로서,
    전복된 범선의 부력중심을 전복된 범선의 중력중심으로부터 멀리 이동시키기 위해 수류의 수면에 평행인 축을 중심으로 부력이 있는 돛대 구조물을 회전시켜, 복원 토크(righting torque)를 유도하는 단계
    를 포함하는, 범선.
  29. 범선을 자가-트림(self-trim)하는 방법으로서,
    지정 받음 각으로 범선에 양력을 제공하는 날개돛 구조물을 제공하는 단계,
    범선에 대한 풍향을 지시하는 풍향계 구조물을 제공하는 단계,
    상기 풍향계 구조물에 의해 지시되는 풍향을 기초로 날개돛의 받음 각을 제어하는 캠(cam)을 통해 날개돛 구조물과 풍향계 구조물을 연결하는 단계
    를 포함하는, 자가-트림 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 캠은 캠의 상대 배향이 범선의 배향과 일치하도록 범선에 고정 부착되어 있고, 상기 캠은 풍향계 구조물의 회전에 의해 날개돛 구조물이 범선의 배향에 대한 회전하도록 풍향계 구조물에 연결되어 있는, 자가-트림 방법.
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