KR20180046465A - 선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법 - Google Patents

선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법 Download PDF

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KR20180046465A
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안경민
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Abstract

본 발명은 선박의 현재위치와 목표위치간의 상대적인 위치를 통해 계산된 상대거리에 따라 제어 방식을 변경함으로써, 목표 위치 변경 또는 갑작스런 환경 변화에도 빠른 제어 성능을 보장할 수 있게 한 선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 위치 제어 시스템에 포함된 제어부가, 상기 선박에 설치된 센서로부터 감지된 선박의 위치 측정값을 수신하는 단계; 상기 제어부가, 해당 선박에 미치는 환경 외력을 미리 설정된 수학적 모델에 적용시켜 해당 선박의 위치 추정값을 추정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 수신된 위치 측정값과 상기 추정된 위치 추정값간의 오차를 이용하여 상기 선박의 현재위치를 보정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 보정된 선박의 현재위치와 미리 설정된 목표위치간의 상대위치를 결정하는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 결정된 상대위치를 근거로 계산된 상대거리가 일정거리를 초과하면 상기 선박의 이동경로를 따라 추종 제어하는 경로추종제어모드를 수행하고, 상기 상대적인 거리가 일정거리 미만이면 상기 선박의 위치를 상기 목표위치에서 벗어나지 않도록 제어하는 위치유지제어모드를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 방법이 제공된다.

Description

선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법{SYSTEM FOR CONTROLLING POSITION OF SHIP AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 현재위치와 목표위치간의 상대적인 위치를 통해 계산된 상대거리에 따라 제어 방식을 변경함으로써, 목표 위치 변경 또는 갑작스런 환경 변화에도 빠른 제어 성능을 보장할 수 있게 한 선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법에 관한 것이다.
최근 들어 국제적으로 급격한 산업화 현상 및 공업 발전 추이에 따라 한정된 지구 자원은 점차 바닥을 들어내고 있으며, 이에 따른 원유의 안정적인 생산 및 공급은 대단히 중요한 사안이 되고 있다.
따라서, 최근에는 해저에 있는 석유 채굴기술의 발달과 더불어 대형 석유회사들은 지금까지 경제성을 상실했던 군소 한계유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 시추선의 필요성을 절실히 느끼고 있고, 이에 대한 개발을 적극 모색하고 있는 현실이다.
이러한 해양의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 정제 및 저장할 수 있는 FPSO(Floating Production Storage Offloading), 드릴쉽 등의 선박이 점진적으로 늘어나고 있다. 이러한 선박은 특성상 일정 위치에서 오랜 작업을 수행하기 때문에 조류 및 풍향, 풍속 파고에 의하여 흔들림이나, 위치변화가 적을 수록 보다 안전한 유전 개발을 이룰 수 있고, 시추작업이 완료된 어느 한 장소에서 다른 장소로 이동하는데 소요되는 시간 및 조작성은 가능한 짧고 간단할 수록 좋다. 이때 조류 및 풍향, 풍속, 파고에 의하여 선체가 흔들려 위치가 변하는 현상은 동적 위치 제어 시스템(Dynamic Positioning System, 이하 'DPS'라 한다)에 의해 해소될 수 있다.
이와 같은 DPS는 부유식 해상 구조물을 원하는 지점에 지속적으로 위치시키는 시스템으로서, 현대중공업 주식회사에 의해 출원된 대한민국공개특허 제2016-0039058호(공개일: 2016.04.08., 위치제어 보조 시스템 및 이를 구비한 해양구조물)외에도 다수가 출원되어 있다.
상기 특허를 포함하는 종래의 DPS는 조류, 파랑, 바람 등 외력이 존재하는 해상 상태에서 선박의 위치와 방향을 자동으로 유지시켜주는 제어 시스템으로, 선박의 현재 위치와 목표 위치 사이의 오차를 이용하여 목표위치에 선박을 이동시키거나 유지시키기 위한 제어를 수행하고 있다.
그러나, 종래의 DPS는 바람, 조류 등의 환경 외력에 대응하여 목표 위치를 유지하는 중에 목표 위치 변경시 또는 갑작스런 환경변화에 대해 위치 유지 실패시 다시 목표 위치로 빠르게 추종하지 못하는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0039058호(2016.04.08) "위치제어 보조 시스템 및 이를 구비한 해양구조물"
본 발명의 목적은, 선박의 현재위치와 목표위치간의 상대적인 위치를 통해 계산된 상대거리에 따라 제어 방식을 변경함으로써, 목표 위치 변경 또는 갑작스런 환경 변화에도 빠른 제어 성능을 보장할 수 있게 한 선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 위치 제어 시스템을 이용하여 해당 선박의 위치를 제어하는 방법으로서, 상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 선박에 설치된 센서로부터 감지된 선박의 위치 측정값을 수신하는 단계; 상기 선박의 위치 제어 시스템이, 해당 선박에 미치는 환경 외력을 미리 설정된 수학적 모델에 적용시켜 해당 선박의 위치 추정값을 추정하는 단계; 상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 수신된 위치 측정값과 상기 추정된 위치 추정값간의 오차를 이용하여 상기 선박의 현재위치를 보정하는 단계; 상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 보정된 선박의 현재위치와 미리 설정된 목표위치간의 상대위치를 결정하는 단계; 및 상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 결정된 상대위치를 근거로 계산된 상대거리가 일정거리를 초과하면 상기 선박의 이동경로를 따라 추종 제어하는 경로추종제어모드를 수행하고, 상기 상대적인 거리가 일정거리 미만이면 상기 선박의 위치를 상기 목표위치에서 벗어나지 않도록 제어하는 위치유지제어모드를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 방법이 제공된다.
상기 수행하는 단계는 상기 위치유지제어모드 수행시 상기 상대 위치와 상기 선박의 속도가 '0'이 되도록 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력하는 것을 포함할 수 있다.
상기 수행하는 단계는 상기 경로추종제어모드 수행시 상기 선박의 이동경로내 임시 타겟 목표점를 지정하고, 상기 선박의 출발점으로부터 상기 타겟 목표점까지 정해진 이동속도로 거동하기 위한 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력할 수 있다.
상기 수행하는 단계는 상기 출발점과 상기 타겟 목표점 근처에 가감속 구간을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 선박의 위치 제어 시스템으로서, 상기 선박에 설치되어, 선박의 위치를 측정하기 위한 센서부; 상기 선박에 미치는 환경 외력을 미리 설정된 수학적 모델에 적용시켜 해당 선박의 위치 추정값을 추정하는 추정부; 상기 수신된 위치 측정값과 상기 추정된 위치 추정값간의 오차를 이용하여 상기 선박의 현재위치를 보정부; 및 상기 보정된 선박의 현재위치와 미리 설정된 목표위치간의 상대위치를 결정하고, 상기 결정된 상대위치를 근거로 계산된 상대거리가 일정거리를 초과하면 상기 선박의 이동경로를 따라 추종 제어하는 경로추종제어모드를 수행하고, 상기 상대적인 거리가 일정거리 미만이면 상기 선박의 위치를 상기 목표위치에서 벗어나지 않도록 제어하는 위치유지제어모드를 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 시스템이 제공된다.
상기 제어부는 상기 위치유지제어모드 수행시 상기 상대 위치와 상기 선박의 속도가 '0'이 되도록 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력할 수 있다.
상기 제어부는 상기 경로추종제어모드 수행시 상기 선박의 이동경로내 임시 타겟 목표점를 지정하고, 상기 선박의 출발점으로부터 상기 타겟 목표점까지 정해진 이동속도로 거동하기 위한 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 선박의 현재위치와 목표위치간의 상대적인 위치를 통해 계산된 상대거리에 따라 제어 방식을 변경함으로써, 목표 위치 변경 또는 갑작스런 환경 변화에도 빠른 제어 성능을 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 위치 제어 시스템을 설명하기 위한 도면, 그리고
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선박의 위치 제어 시스템을 이용한 선박의 위치 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 위치 제어 시스템을 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 선박의 위치 제어 시스템은 선박의 위치를 측정하기 위한 센서부(10), 환경외력을 고려하여 선박의 위치를 추정하기 위한 추정부(20), 선박의 위치 측정값과 선박의 위치 추정값간의 오차를 이용하여 선박의 현재위치를 보정하는 보정부(30), 선박의 현재위치와 미리 정해진 목표위치 사이의 상대적인 위치를 결정하고 결정된 상대적인 위치를 통해 계산된 상대거리를 이용하여 위치유지제어모드 또는 경로추종제어모드를 수행하는 제어부(40), 제어부(40)의 제어를 받으며, 선박의 추력를 제어하기 위한 추력제어신호를 분배하는 추력 분배부(50) 및 추력 분배부(50)에 의해 분배된 추력제어신호에 따라 추력하는 추력부(50)를 포함한다.
본 명세서에서 선박은 광의로 해상에서 부유된 채 사용되는 해양 구조물을 포함하는 것이다.
센서부(10)는 선박의 위치를 측정하기 위한 GPS 수신기(미도시)를 포함한다. 또한, 센서부(10)는 선박의 헤딩각도를 측정하는 자이로 센서(미도시), 환경외력, 예를 들면 바람(풍향 및 풍속)을 측정하기 위한 풍력계(미도시)를 더 포함할 수 있다. GPS 수신기는 선박내 서로 다른 위치에 복수개 설치될 수 있다.
추정부(20)는 선박의 헤딩각도, 선박의 환경외력(예를 들면, 바람, 조류, 파고 등) 및 추력부(60)의 피드백신호를 수학적 모델에 적용시켜 선박의 위치추정값을 추정한다.
보정부(30)는 센서부(10)로부터 측정된 선박의 위치측정값과 추정부(20)를 통해 추정된 선박의 위치추정값간의 오차를 이용하여 보정된 선박의 현재위치를 획득한다.
제어부(40)는 보정부(30)를 통해 획득된 선박의 현재위치와 선박의 목표위치간의 상대적인 위치를 결정하여, 결정된 상대적인 위치를 통해 계산된 상대거리가 미리 설정된 일정거리를 초과하는지 여부를 판단하고, 그 판단결과, 상대거리가 일정거리를 초과하는 경우, 즉 선박의 현재위치가 목표위치를 벗어난 경우 선박의 목표위치로 정해진 이동속도로 추종제어하기 위한 추력제어신호를 추력부(60)에 출력되도록 하는 위치유지제어모드를 수행하고, 상대거리가 일정거리 미만인 경우, 즉 선박의 현재 위치가 목표위치내에 있는 경우 선박의 위치를 목표위치를 벗어나지 않도록 추력제어신호를 추력부(60)에 출력하는 경로추종제어모드를 수행한다.
위치유지제어모드 수행시 제어부(40)는 선박의 목표위치와 현재 위치 사이의 상대위치(헤딩각 포함)를 얻고 상대위치 및 각 방향의 속도 성분이 '0'이 되도록 추력제어신호를 생성한다. 제어부(40)는 PID 제어기를 사용할 수 있다.
더 설명하면 위치유지제어모드 수행시 제어부(40)는 x방향의 목표위치에서 x방향의 현재위치를 차감하여 x방향의 위치오차를 계산하고, y방향의 목표위치에서 y방향의 현재위치를 차감하여 y방향의 위치오차를 계산하고, x방향 속도 오차 및 y방향 속도 오차가 0이 되도록 위치 제어를 수행한다.
제어부(40)는 이와 같이 계산된 x방향의 위치오차(ex), y방향의 위치오차(ey), x방향 속도 오차(eu) 및 y방향 속도 오차(ev)를 하기의 수학식 1 내지 수학식 4에 반영하여 x방향 및 y방향에 대한 위치 및 속도에 대한 추력을 계산한다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, Kp, Kt, Kd는 PID 제어의 게인이며, 위치 제어시와 경로 추종 제어시의 PID 제어의 게인값은 다르다.
경로추종제어모드는 선박이 한 위치에서 다른 위치로 이동하거나 위치 유지 실패시 사용되며, 이동경로가 정해지면 최대한 그 경로를 따라 이동하는 것을 목표로 한다.
상술된 경로추종제어모드 수행시 제어부(40)는 이동경로의 목표위치가 정해지면 사용자 또는 정해진 이동속도를 제어하여 목표위치까지 PID 제어를 수행하며, 이동경로상의 벗어난 정도를 보정하기 위한 추력제어신호를 생성하여 최대한 경로를 유지할 수 있도록 제어한다.
더 설명하면 경로추종제어모드 수행시 제어부(40)는 x방향의 목표위치에서 x방향의 현재위치를 차감하여 x방향의 위치오차를 계산하고, y방향의 목표위치에서 y방향의 현재위치를 차감하여 y방향의 위치오차를 계산하고, x방향 속도 및 y방향 속도를 계산한다. 이때 x방향 속도 및 y방향 속도는 사용자 입력 또는 사전 정의된 값이다.
제어부(40)는 이와 같이 계산된 x방향의 위치오차(ex), y방향의 위치오차(ey), x방향 속도(eu) 및 y방향 속도(ev)를 상술된 수학식 1 내지 수학식 4에 반영하여 x방향 및 y방향에 대한 위치 및 속도에 대한 추력을 계산한다.
한편, 제어부(40)는 주어진 이동경로상의 임의의 점을 임시 타겟 목표점으로 결정하여 선박의 현재위치(출발점에 해당)로부터 타겟 목표점까지 정해진 이동속도로 이동되도록 속도 제어를 통해 추종제어한다.
또한, 제어부(40)는 이동경로의 출발점과 목표점 근처에 급작스런 움직임을 방지하기 위하여 가감속 구간을 설정할 수 있다. 이때의 가감속 구간의 값은 위치에 따른 속도에 대한 룩업테이블 또는 필터링 기법이 사용될 수 있다.
이러한 제어부(40)는 예를 들면 칼만 필터를 통해서 추정된 선체의 변위, 속도 등의 값의 피드 포워드 제어(Feed Forward Control)를 통하여 제어 추력, 즉 추력제어신호를 생성한다. 그 결과로 나온 제어 추력을 추력 분배부(50)를 통해 최적 효율을 만족하도록 추력부(60)에 분배되도록 하여, 선체의 요구되는 위치와 현재 위치와의 차이를 줄이는 방향으로 즉, 선체를 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.
제어부(40)는 추력제어신호를 추력 분배부(50)에 출력한다. 추력 분배부(50)는 연료 소모를 최소화하기 위해, 추력부(60)에 포함된 프로펠러, 쓰러스터 및 러더로 추력을 적절히 분배한다.
이와 같은 구성을 갖는 선박의 위치 제어 시스템을 이용한 선박의 위치 제어 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선박의 위치 제어 시스템을 이용한 선박의 위치 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.
도 2를 참조하면 선박의 위치 제어 시스템은 센서부(10), 즉 GPS 수신기로부터 선박의 위치 측정값을 수신한다(S11).
선박의 위치 제어 시스템은 해상의 환경외력을 수신하여 수신된 환경외력을 수학적 모델에 적용시켜 선박의 위치 추정값을 추정한다(S13).
선박의 위치 제어 시스템은 상술된 S11 단계에서 수신된 선박의 위치 측정값과 상술된 S13 단계에서 추정된 선박의 위치 추정값 간의 오차를 이용하여 선박의 현재위치를 보정한다(S15).
선박의 위치 제어 시스템은 보정된 선박의 현재위치와 위치 유지를 위해 미리 설정된 목표위치간의 상대적인 위치(상대 위치)를 결정한다(S17).
선박의 위치 제어 시스템은 결정된 상대 위치를 통해 계산된 상대거리가 미리 정해진 일정거리를 초과하는지 여부를 판단한다(S19).
상기 S19 단계의 판단결과, 상대거리가 일정거리 미만인 경우 선박의 위치 제어 시스템은 위치유지제어모드를 수행한다(S21).
위치유지제어모드 수행시 선박의 위치 제어 시스템에 포함된 제어부(40)는 선박의 목표위치를 벗어나지 않도록 풍력계(미도시)로부터 수신된 바람(풍향 및 풍속을 포함), 수학적 모델에 의해 예측된 위치 및 속도, 및 목표로 하는 위치 및 속도의 셋 포인트를 이용하여 추력제어신호를 생성한다.
상기 S19 단계의 판단결과, 상대거리가 일정거리를 초과하는 경우 선박의 위치 제어 시스템은 경로추종제어모드를 수행한다(S22).
경로추종제어모드 수행시 선박의 위치 제어 시스템에 포함된 제어부(40)는 주어진 이동경로상의 임의의 점을 임시 타겟 목표점으로 결정하여 선박의 현재위치로부터 목표점까지 정해진 이동속도로 이동되도록 추력제어신호를 생성한다.
선박의 위치 제어 시스템에 포함된 제어부(40)는 상술된 S21 또는 상술된 S22 단계를 통해 수행된 제어모드를 통해 생성된 추력제어신호를 추력분배부(50)에 의해 적절히 분배되어 추력부(60)에 출력한다(S23).
이렇게 함으로써 선박의 위치 유지 중에 경로로부터 벗어난 경우 또는 위치 이동할 경우에 경로를 빠르게 추종할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : 센서부 20 : 추정부
30 : 보정부 40 : 제어부
50 : 추력 분배부 60 : 추력부

Claims (7)

  1. 선박의 위치 제어 시스템을 이용하여 해당 선박의 위치를 제어하는 방법으로서,
    상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 선박에 설치된 센서로부터 감지된 선박의 위치 측정값을 수신하는 단계;
    상기 선박의 위치 제어 시스템이, 해당 선박에 미치는 환경 외력을 미리 설정된 수학적 모델에 적용시켜 해당 선박의 위치 추정값을 추정하는 단계;
    상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 수신된 위치 측정값과 상기 추정된 위치 추정값간의 오차를 이용하여 상기 선박의 현재위치를 보정하는 단계;
    상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 보정된 선박의 현재위치와 미리 설정된 목표위치간의 상대위치를 결정하는 단계; 및
    상기 선박의 위치 제어 시스템이, 상기 결정된 상대위치를 근거로 계산된 상대거리가 일정거리를 초과하면 상기 선박의 이동경로를 따라 추종 제어하는 경로추종제어모드를 수행하고, 상기 상대적인 거리가 일정거리 미만이면 상기 선박의 위치를 상기 목표위치에서 벗어나지 않도록 제어하는 위치유지제어모드를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수행하는 단계는 상기 위치유지제어모드 수행시 상기 상대 위치와 상기 선박의 속도가 '0'이 되도록 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수행하는 단계는 상기 경로추종제어모드 수행시 상기 선박의 이동경로내 임시 타겟 목표점를 지정하고, 상기 선박의 출발점으로부터 상기 타겟 목표점까지 정해진 이동속도로 거동하기 위한 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수행하는 단계는
    상기 출발점과 상기 타겟 목표점 근처에 가감속 구간을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 방법.
  5. 선박의 위치 제어 시스템으로서,
    상기 선박에 설치되어, 선박의 위치를 측정하기 위한 센서부;
    상기 선박에 미치는 환경 외력을 미리 설정된 수학적 모델에 적용시켜 해당 선박의 위치 추정값을 추정하는 추정부;
    상기 수신된 위치 측정값과 상기 추정된 위치 추정값간의 오차를 이용하여 상기 선박의 현재위치를 보정부; 및
    상기 보정된 선박의 현재위치와 미리 설정된 목표위치간의 상대위치를 결정하고, 상기 결정된 상대위치를 근거로 계산된 상대거리가 일정거리를 초과하면 상기 선박의 이동경로를 따라 추종 제어하는 경로추종제어모드를 수행하고, 상기 상대적인 거리가 일정거리 미만이면 상기 선박의 위치를 상기 목표위치에서 벗어나지 않도록 제어하는 위치유지제어모드를 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는 상기 위치유지제어모드 수행시 상기 상대 위치와 상기 선박의 속도가 '0'이 되도록 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는 상기 경로추종제어모드 수행시 상기 선박의 이동경로내 임시 타겟 목표점를 지정하고, 상기 선박의 출발점으로부터 상기 타겟 목표점까지 정해진 이동속도로 거동하기 위한 추력제어신호를 생성하여 추력부에 출력하는 것을 특징으로 하는 선박의 위치 제어 시스템.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102159937B1 (ko) * 2020-07-07 2020-09-25 한화시스템 주식회사 항법 초기 정렬 기능을 구비하는 무인 잠수정
KR102199926B1 (ko) * 2020-07-07 2021-01-11 한화시스템 주식회사 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 잔량 대비 임무 수행 가능성을 판단 가능한 무인 잠수정
RU2759068C1 (ru) * 2021-03-26 2021-11-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" Способ автоматической проводки судна
CN117170383A (zh) * 2023-10-11 2023-12-05 哈尔滨理工大学 基于推力分配优化矩阵的船舶轨迹跟踪控制方法

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