KR20180053092A - 선박 자세 제어 시스템 - Google Patents

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이종성
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최성현
박우범
이길원
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Abstract

일실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템은, 선박의 좌우 기울기 관련 정보를 측정하는 센싱부; 상기 선박 내에서 좌우로 이동하여 상기 선박의 무게중심을 조정하는 제 1 이동부; 및 상기 센싱부로부터 상기 좌우 기울기 관련 정보를 전달 받아 상기 선박의 좌우 기울기를 산출하고, 상기 좌우 기울기에 따른 상기 제 1 이동부의 이동방향 및 이동거리를 산출하여 상기 제 1 이동부에 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

선박 자세 제어 시스템{SHIP ATTITUDE CONTROL SYSTEM}
이하의 설명은 선박 자세 제어 시스템에 관한 것이다.
선박이 바다에서 운행 중 좌우로 기울어 안정성을 잃었을 때, 이를 통제하는 자세 제어 시스템은 보통 평형수를 이용한다. 그리고 평형수 시스템은 선박의 안정성과 내항성 한계를 보완하기 위해 수동형 횡동요 억제 장치인 빌지키일(Bilge Keel)을 이용하여 무게중심을 낮추어 안정성을 얻을 수 있다.
이러한 평형수 시스템은 정박된 선박이 항해를 시작할 때 화물과의 균형을 맞추기 위해 해수나 콘크리트를 이용해 선체의 기울임을 방지하여 약화된 추진력을 복구하는 것에 필요할 수 있다. 그리고 수동형 횡동요 억제장치인 빌지키일(Bilge Keel)은 선저와 선체 측벽이 만나는 빌지부분에 판을 부착시켜 선박이 횡동요를 할 때 와류를 발생시켜 점성감쇠력을 증대시킴으로써 공진시 운동응답을 감소시키며 건조시 부가적인 비용이 크지 않으므로 대부분의 선박에 기본적으로 장착되는 장치이다.
빌지키일만 가지고 원하는 운동제어 효과를 얻지 못하는 경우에는 부가적으로 횡동요 감쇠탱크(Anti-rolling Tank)나 핀안정기(Fin-stabilizer)와 같은 고가의 장비를 설치하게 된다. 핀안정기는 빌지에 핀을 부착시켜 횡동요에 따라 핀의 각도를 조절함으로써 핀에 양력을 발생시켜 부가적인 복원력과 감쇠력을 발생시키는 대표적인 능동형 횡동요 감쇠장치로, 선속이 어느 수준(10∼15노트) 이상일 경우에만 효과가 있으므로 함정이나 호화여객선 등에 설치되며, 지금까지 설명된 장치 중에서 가장 고가이다.
위에서 설명한 평형수 시스템은 평형수가 선박에서 외부로 유출되기 때문에 평형수 내의 금속물질 또한 외부에 유출되는 등 여러 가지 환경오염 발생시키는 원인이 될 수 있다. 그리고 선박이 출발할 때에 무게중심을 부력과 맞추기 위해 평형수의 양을 조절하는데, 이 때문에 운행 중 선체의 기울기가 임계치 이상으로 기울어지면 복원력에 한계가 있을 수 있다.
등록특허공보 제10-1297596호
여기에서 설명되는 실시예들은, 환경오염의 문제를 일으키지 않으면서 보다 빠르고 저렴하게 선박의 안정성을 확보할 수 있는 선박 자세 제어 시스템을 제공하기 위한 것이다.
일실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템은, 선박의 좌우 기울기 관련 정보를 측정하는 센싱부; 상기 선박 내에서 좌우로 이동하여 상기 선박의 무게중심을 조정하는 제 1 이동부; 및 상기 센싱부로부터 상기 좌우 기울기 관련 정보를 전달 받아 상기 선박의 좌우 기울기를 산출하고, 상기 좌우 기울기에 따른 상기 제 1 이동부의 이동방향 및 이동거리를 산출하여 상기 제 1 이동부에 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센싱부는 상기 선박의 좌우 각속도를 측정하는 자이로스코프를 포함하고, 상기 제어부는 상기 좌우 각속도를 이용하여 상기 좌우 기울기를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 아두이노를 포함하고, 상기 아두이노는, 상기 자이로스코프로부터 상기 좌우 각속도를 아날로그 형태로 전달 받고, 상기 이동방향 및 상기 이동거리를 디지털 형태로 상기 제 1 이동부에 전달할 수 있다.
또한, 상기 선박 내에서 좌우로 연장되는 레일을 더 포함하고, 상기 제 1 이동부는, 본체; 상기 본체에 제공되고, 상기 제어부로부터 전달 받은 상기 이동방향 및 상기 이동거리에 따라 구동되는 모터; 상기 모터의 구동에 따라 상기 레일 상에서 회전하는 휠을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템은, 선박의 좌우 기울기 관련 정보를 측정하는 센싱부; 상기 선박 내에서 좌우로 이동하여 상기 선박의 무게중심을 조정하는 제 2 이동부; 상기 제 2 이동부의 이동을 위한 구동력을 제공하는 구동부; 및 상기 센싱부로부터 상기 좌우 기울기 관련 정보를 전달 받아 상기 선박의 좌우 기울기를 산출하고, 상기 좌우 기울기에 따른 상기 제 2 이동부의 이동방향 및 이동거리를 산출하여 상기 구동부에 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는, 모터와, 상기 모터에 연결되어 상기 모터의 구동 시 회전하는 피니언기어를 포함하고, 상기 제 2 이동부는, 상기 피니언기어와 치합하여 상기 피니언기어의 회전 시 이동하는 랙기어를 포함할 수 있다.
여기에서 설명되는 실시예들에 따르면, 환경오염의 문제를 일으키지 않으면서 보다 빠르고 저렴하게 선박의 안정성을 확보할 수 있는 선박 자세 제어 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 구체적인 실시예들을 상세히 설명하도록 한다. 아울러, 관련된 공지 구성 또는 공지 기능에 대한 구체적인 설명이 상기 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략한다.
한편, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수만을 가리키는 것이 아닌 한 복수의 표현을 포함한다. 그리고 특정 부분이 특정 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 상기 특정 부분은 상기 특정 구성 외의 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 상기 다른 구성을 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 일실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 본 실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템(100)은 센싱부(110), 제어부(120), 제 1 이동부(130) 및 레일(140)을 포함할 수 있다.
센싱부(110)는 선박(1)의 좌우 기울기 관련 정보를 측정할 수 있다. 선박(1)은 항해 중 좌우로 기울어질 수 있는데(롤링), 센싱부(110)는 선박(1)의 좌우 기울기와 관련된 정보를 측정하고, 후술하는 제어부(120)가 이를 기초로 선박(1)의 좌우 기울기를 실시간으로 산출할 수 있다.
예를 들어, 센싱부(110)는 자이로스코프를 포함할 수 있다. 자이로스코프는 잘 알려진 바와 같이 운동하는 물체의 각속도를 측정할 수 있다. 자이로스코프가 측정하는 선박(1)의 좌우 각속도를 토대로 선박(1)의 좌우 기울기가 산출될 수 있다.
참고로, 여기에서는 센싱부(110)가 선박(1)의 좌우 기울기 관련 정보를 획득하여 제어부(120)로 전달하고, 제어부(120)가 상기 좌우 기울기 관련 정보를 토대로 선박(1)의 기울기를 산출하는 것으로 예시하나, 이와는 달리 센싱부(110) 자체가 선박(1)의 기울기까지 산출하여 제어부(120)로 전달할 수도 있다.
제어부(120)는 적어도 하나의 회로 모듈을 포함할 수 있고, 센싱부(110)로부터 전달 받은 선박(1)의 좌우 기울기 관련 정보(예를 들어, 좌우 각속도)를 이용하여 선박(1)의 현재의 좌우 기울기를 산출할 수 있다. 이러한 좌우 기울기 값은 후술할 제 1 이동부(130)의 이동방향 및 이동거리를 산출하는 근거가 될 수 있다.
선박(1)이 좌측 또는 우측으로 기울었다고 판단되면, 제어부(120)는 선박(1)의 안정적인 자세 유지를 위한 제 1 이동부(130)의 이동방향 및 이동거리를 산출하여 이를 제 1 이동부(130)에 전달할 수 있다. 제 1 이동부(130)는 제어부(120)로부터 명령 받은 바에 따라 선박(1) 내에서 좌우로 이동할 수 있고, 이에 따라 선박(1)의 무게중심이 조정되어 선박(1)의 자세 안정성은 유지될 수 있다.
상술한 제어부(120)는 아두이노(Arduino)를 포함할 수 있다. 아두이노는 오픈 소스 기반의 단일 보드 마이크로컨트롤러를 의미할 수 있다. 예를 들어, 아두이노는 다수의 스위치 및 센서로부터 특정 값을 받아 들여, 모터 등의 외부 장치를 통제 및 제어할 수 있다. 이를 통하여 환경과 상호 작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있으며, 또한 이를 통하여 수동적이 아닌 능동적인 제어를 가능하게 한다.
본 실시예에 있어서, 센싱부(110)를 통해 선박(1)의 기울어진 정도를 측정하고, 이를 데이터베이스화할 수 있다. 그리고 이 데이터베이스에 저장된 데이터를 프로그래밍 언어인 C++과 아두이노 프로그램을 통해 변환하여 아두이노 Uno보드로 전송하고, 전송된 데이터는 후술할 모터(132)로 전송되어 모터(132)가 구동될 수 있다. 다시 말해, 선박(1)의 기울어진 정도에 따라 능동적으로 제 1 이동부(130)를 이동시키는 폐루프 시스템 (Close loop system)을 만들어 실시간 측정과 피드백으로 기존 평형수 시스템보다 빠르고 환경적으로도 안전한 시스템을 구현할 수 있다.
아울러, 아두이노는 센싱부(110), 예를 들어 자이로스코프로부터 좌우 기울기 관련 정보(예를 들어, 좌우 각속도)를 아날로그 형태로 전달 받을 수 있고, 앞서 언급한 제 1 이동부(130)의 이동방향 및 이동거리는 디지털 형태로 제 1 이동부(130)에 전달할 수 있다.
제 1 이동부(130)는 선박(1) 내에서 좌우 방향으로 이동 가능하며, 본체(131), 본체(131)에 제공되는 모터(132) 및 휠(133)을 포함할 수 있다. 그리고, 선박(1) 내에는 좌우 방향으로 연장되는 레일(140)이 제공될 수 있다.
제어부(120)가 선박(1)이 기울어진 것으로 판단하여 제 1 이동부(130)에 작동 명령을 전송하면 제 1 이동부(130)의 모터(132)가 구동될 수 있다. 그리고 모터(132)의 구동에 의해, 모터(132)와 연결되는 휠(133)은 레일(140) 상에서 회전할 수 있다. 이러한 일련의 과정에 의해 제 1 이동부(130)는 선박(1)의 좌측 또는 우측으로 이동할 수 있다. 도 1에서는 제 1 이동부(130)가 화살표 방향(좌측)으로 이동하는 것으로 예시하였다.
중량이 있는 제 1 이동부(130)의 좌우 방향의 이동에 의해 선박(1)의 무게중심은 조정되어 복원력을 가지고 안정적인 자세를 유지할 수 있다. 보다 빠른 복원을 위해 제 1 이동부(130)의 본체(132) 일측에는 무게추 등 소정 질량을 가지는 중량물(미도시)이 제공될 수 있다.
한편, 상술한 모터(132)는 스테핑 모터(Stepping Motor)일 수 있다. 스테핑 모터는 바퀴의 회전을 많은 수의 스텝들로 나눌 수 있는 브러쉬리스 직류전기모터이다. 피드백 장치가 없이도 정확하게 조절할 수 있는 특성이 있다. 브러쉬모터는 전류가 통함으로써 연속적인 회전을 하는 반면에, 스텝모터는 다수의 톱니모양 전자석이 금속 기어를 중심으로 배치되어 있으며, 전자석은 외부 회로로부터 전류를 받아 작동한다. 각각의 전자석에 따로 전류를 흘려 회전을 만들 수 있으며, 이를 통해 컨트롤러에서 각각의 회전을 제어할 수 있으며 스텝의 조절을 통해 정확하게 조절이 가능하다.
도 2는 다른 실시예에 따른 선박 자세 제어 시스템(200)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 이하, 도 1의 실시예에 다른 선박 자세 제어 시스템(100)과의 차이점을 위주로 설명하기로 하며, 센싱부(210) 및 제어부(220)는 앞서 설명한 바와 동일하므로 이하 설명을 생략한다.
선박(1)이 기울어진 것으로 판단되면, 제어부(220)는 구동부(230)에 작동 명령을 전송할 수 있다. 구동부(230)는 본체(231)와, 본체(231)에 제공되는 모터(232)와, 모터(232)와 연결되는 피니언기어(233)를 포함할 수 있다. 구동부(230)는 작동 시 제 2 이동부(240)의 이동을 위한 구동력을 제공할 수 있는데, 예를 들어 모터(232)가 구동될 수 있고 이에 따라 피니언기어(233)가 회전할 수 있다.
제 2 이동부(240)는 선박(1)의 좌우로 연장되되 상기 피니언기어(233)와 치합하는 랙기어일 수 있다. 앞서 설명한대로 피니언기어(233)가 일방향으로 회전하게 되면, 제 2 이동부(240)는 피니언기어(233)와의 치합 상태로 말미암아 선박(1)의 좌측 또는 우측으로 이동할 수 있다. 도 2에서는 제 2 이동부(240)가 화살표 방향(우측)으로 이동하는 것으로 예시하였다.
중량이 있는 제 2 이동부(240)의 좌우 방향의 이동에 의해 선박(1)의 무게중심은 조정되어 복원력을 가지고 안정적인 자세를 유지할 수 있다. 보다 빠른 복원을 위해 제 2 이동부(240)의 적어도 일측, 예를 들어 좌측 단부 및/또는 우측 단부에는 무게추 등 소정의 질량을 가지는 중량물(미도시)이 제공될 수 있다.
이처럼, 상술한 실시예들에 따르면, 측정된 선박의 기울기 정보를 기초로 자동적으로 중량물을 좌우로 이동시켜 무게중심을 조정하는 자세 제어 시스템을 제공할 수 있다. 이는 환경에 악영향을 미치지도 않고, 기존 자세 제어 시스템 대비 구조가 단순하며 경제적인 장점도 있다. 또한, 기존의 자세 제어 시스템과 병행 활용되어 선박의 자세 안정성을 더 견고하게 유지시킬 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 기술 사상의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 기술 사상의 범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 기술 사상의 범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 있을 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서 함께 설명된 구성들 내지는 특징들은 서로 분산되어 실시될 수 있고, 서로 다른 실시예 각각에서 설명된 구성들 내지는 특징들은 서로 결합된 형태로 실시될 수 있다. 마찬가지로, 각 청구항에 기재된 구성들 내지는 특징들도 서로 분산되어 실시되거나 결합되어 실시될 수 있다. 그리고 위와 같은 실시는 모두 본 기술 사상의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100: 선박 자세 제어 시스템 110: 센싱부
120: 제어부 130: 제 1 이동부
131: 본체 132: 모터
133: 휠 140: 레일

Claims (6)

  1. 선박의 좌우 기울기 관련 정보를 측정하는 센싱부;
    상기 선박 내에서 좌우로 이동하여 상기 선박의 무게중심을 조정하는 제 1 이동부; 및
    상기 센싱부로부터 상기 좌우 기울기 관련 정보를 전달 받아 상기 선박의 좌우 기울기를 산출하고, 상기 좌우 기울기에 따른 상기 제 1 이동부의 이동방향 및 이동거리를 산출하여 상기 제 1 이동부에 전달하는 제어부를 포함하는 선박 자세 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 상기 선박의 좌우 각속도를 측정하는 자이로스코프를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 좌우 각속도를 이용하여 상기 좌우 기울기를 산출하는 선박 자세 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 아두이노를 포함하고,
    상기 아두이노는, 상기 자이로스코프로부터 상기 좌우 각속도를 아날로그 형태로 전달 받고, 상기 이동방향 및 상기 이동거리를 디지털 형태로 상기 제 1 이동부에 전달하는 선박 자세 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 선박 내에서 좌우로 연장되는 레일을 더 포함하고,
    상기 제 1 이동부는,
    본체;
    상기 본체에 제공되고, 상기 제어부로부터 전달 받은 상기 이동방향 및 상기 이동거리에 따라 구동되는 모터;
    상기 모터의 구동에 따라 상기 레일 상에서 회전하는 휠을 포함하는 선박 자세 제어 시스템.
  5. 선박의 좌우 기울기 관련 정보를 측정하는 센싱부;
    상기 선박 내에서 좌우로 이동하여 상기 선박의 무게중심을 조정하는 제 2 이동부;
    상기 제 2 이동부의 이동을 위한 구동력을 제공하는 구동부; 및
    상기 센싱부로부터 상기 좌우 기울기 관련 정보를 전달 받아 상기 선박의 좌우 기울기를 산출하고, 상기 좌우 기울기에 따른 상기 제 2 이동부의 이동방향 및 이동거리를 산출하여 상기 구동부에 전달하는 제어부를 포함하는 선박 자세 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동부는, 모터와, 상기 모터에 연결되어 상기 모터의 구동 시 회전하는 피니언기어를 포함하고,
    상기 제 2 이동부는, 상기 피니언기어와 치합하여 상기 피니언기어의 회전 시 이동하는 랙기어를 포함하는 선박 자세 제어 시스템.
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KR102282876B1 (ko) 2020-10-22 2021-07-28 한화시스템 주식회사 함정 자세 확인장치 및 확인방법
KR20230106448A (ko) * 2022-01-06 2023-07-13 재단법인한국조선해양기자재연구원 횡동요 감쇠 기능을 가지는 전기 추진 선박용 배터리 지지대
KR102567617B1 (ko) * 2022-11-11 2023-08-17 한화시스템 주식회사 함포 사격 제어 장치 및 방법
KR20230151484A (ko) 2022-04-25 2023-11-01 아지노모토 가부시키가이샤 수지 조성물

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