KR20180094286A - 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템 - Google Patents

수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 무인수상정의 운항경로생성시스템은 원거리장애물에 대해 자율매니저부의 의사결정 사항을 반영하여 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 원거리경로계획부; 국제해상충돌예방규칙을 준수하지 않거나 레이다에서 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피를 수행하는 근거리충돌회피부; 상기 소나탐지부에서 탐지된 수중음향 표적에 대한 자율추적을 수행함으로써 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)기반의 원거리 경로계획 기능, 국제해상충돌예방규칙을 무시하거나 레이다(Radar)에서 사라진 긴급장애물에 대한 라이다(LADAR)기반의 근거리 충돌회피 기능 그리고 탐지된 수중음향의 자율추적 기능의 구현이 가능한 특징을 갖는다.

Description

수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템{Path Planning System of Unmanned Surface Vehicle for Autonomous Tracking of Underwater Acoustic Target}
본 발명은 수중음향 자율추적용 무인수상정에 관한 것으로, 특히 원격통제장치에서 입력받은 임무영역 및 탐색패턴을 기반으로 수중음향을 탐지하고 다수의 타선이 존재하는 해상환경에서 자율적으로 수중음향을 추적하는 무인수상정의 운항경로생성시스템에 관한 것이다.
현재 해군의 무인수상정을 이용한 해양 무인체계는 함정 탑재용 소나체계의 한계성을 극복하는 새로운 대안으로 제시되고 있다.
이러한 이유는 함정 탑재용 소나체계는 전 해역감시가 현실적으로 불가능하며, 안전보장이 어려운 해역에서 함정을 통한 지속적인 감시 및 추적 임무를 수행하는 것 또한 어려운 측면이 있으나, 무인수상정은 자율운항을 위한 경로생성 기법들은 목표점까지 안전하고 효율적으로 운영될 수 있음에 기반하기 때문이다.
그러므로, 무인수상정은 임무지역에서 수중음향을 탐지하고 자율적으로 추적함으로써 현 해군 보유 소나체계를 대체하거나 보완하는 효과적인 대안이 될 수 있다.
국내특개10-2013-0024077(2013년03월08일)
하지만 해군목적용 무인수상정은 국제해상충돌예방규칙을 준수해야 하는 유조선이나 컨테이너선과 같은 대형선박을 대상체계로 개발된 범용목적용 자율운항경로생성방식으로 운항됨으로써 소나체계에서 탐지된 수중음향을 자율적으로 추적하는 해양무인체계에 직접적으로 적용되기에는 문제점이 존재한다.
특히, 유조선이나 컨테이너선과 같은 대형선박을 대상체계로 개발된 대부분의 기존 기법들은 국제해상충돌예방규칙을 무시하고 운항하는 장애물에 대한 긴급회피성 충돌회피 기능이 반영되지 못한 문제점도 지닐 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 해상을 운항하는 선박이 준수해야하는 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)기반의 원거리 경로계획 기능, 국제해상충돌예방규칙을 무시하거나 레이다(Radar)에서 사라진 긴급장애물에 대한 라이다(LADAR)기반의 근거리 충돌회피 기능 그리고 탐지된 수중음향의 자율추적 기능의 구현이 가능하도록 의사결정 기능을 구비한 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템은 원거리 및 근거리 장애물에 대한 데이터를 수집하는 환경인식센서부; 수중 음향표적 탐지 및 신호처리를 수행하는 소나탐지부; 무인수상정에 임무영역 및 탐색패턴을 제공하는 원격통제부; 상기 소나탐지부에서 생성된 수중 음향표적 정보 및 원격통제부에서 입력되는 정보가 입력되는 중앙통제부, 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 준수하지 않거나 레이다에서 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피 및 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 경로계획수립부, 상기 환경인식센서부로부터 입력되는 TCPA(Time to Closest Point of Approach) 및 DCPA(Distance to CPA)정보를 활용하여 상기 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 준수하는 피항동작 및 피항점을 결정하는 자율매니저부로 구성된 자율운항판단부; 수립된 경로계획에 따라 경로를 운항하도록 제어하는 운항제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 자율매니저부는 충돌위험도 산출부, 조우상황 인식부 그리고 COLREGs 적용부로 구성되고; 상기 충돌위험도산출부는 환경인식센서부의 레이다(Radar)로부터 입력되는 TCPA(Time to Closest Point of Approach) 및 DCPA(Distance to CPA)정보를 활용하여 타선이 무인수상정에 미치는 충돌위험도를 퍼지추론을 통하여 산출하고; 상기 조우상황인식부는 산출된 충돌위험도를 기준으로 회피 우선순위가 높은 타선과 무인수상정의 조우상황을 식별하며, 상기 COLREGs 적용부는 조우상황을 기준으로 충돌을 피하기 위한 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 피항동작 및 피항점을 결정한다.
바람직한 실시예로서, 상기 경로계획수립부는 원거리장애물에 대해 상기 자율매니저부의 의사결정 사항을 반영하여 상기 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 원거리 경로계획부, 상기 국제해상충돌예방규칙을 준수하지 않거나 상기 환경인식센서부의 정보 중 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피를 수행하는 근거리 충돌회피부, 상기 소나탐지부에서 탐지된 수중음향 표적에 대한 자율추적을 수행하는 수중음향 자율추적부를 포함한다.
바람직한 실시예로서, 상기 자율운항판단부는 근거리장애물정보부와 원거리장애물정보부를 더 포함하고, 상기 근거리장애물정보부는 상기 환경인식센서부의 정보 중 근거리 장애물에 대한 탐지 및 추적 정보를 제공라고, 상기 원거리장애물정보부는 상기 환경인식센서부의 정보 중 원거리 장애물에 대한 탐지 및 추적 정보를 제공한다.
이러한 본 발명의 무인수상정은 탑재된 소나체계를 활용하여 수중 음향표적에 대한 탐지 수행과 더불어 다수의 타선이 존재하는 해상환경에서 자율적인 수중음향 추적이 가능한 운항경로를 생성하고, 특히 탐지된 수중음향의 추적이 자율적으로 가능하다.
또한, 본 발명의 무인수상정은 해상을 운항하는 모든 선박이 준수해야하는 국제해상충돌예방규칙기반의 원거리 경로계획과 함께 라이다(LADAR)기반의 근거리 충돌회피로 국제해상충돌예방규칙을 무시하거나 레이다(Radar)가 놓친 긴급장애물에 대한 자율적인 근거리 충돌회피도 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템의 블록구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 운항경로생성시스템에 적용된 국제해상충돌예방규칙에 명시된 선박의 조우상황 및 충돌회피 규칙의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 국제해상충돌예방규칙 충족을 위한 자율매니저의 구성모듈의 세부 구성도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템의 블록구성도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 운항경로생성시스템은 환경인식센서부(100), 소나탐지부(110), 원격통제부(120), 자율운항판단부(200) 및 운항제어부(300)를 포함한다.
구체적으로, 상기 환경인식센서부(100)는 원거리 및 근거리 장애물에 대한 데이터를 수집한다. 이를 위해, 상기 환경인식센서부(100)는 레이저거리측정기(LADAR)(101) 및 레이다(Radar)(102)를 활용한다. 상기 소나탐지부(110)는 자율추적의 대상이 되는 수중 음향표적에 대한 탐지 및 신호처리를 수행한다. 상기 원격통제부(120)는 운용자가 무인 수상정에 작전을 위한 임무영역 및 탐색패턴을 제공한다.
구체적으로, 상기 자율운항판단부(200)는 근거리장애물정보부(210), 원거리장애물정보부(220), 중앙통제부(230), 경로계획수립부(240), 자율매니저부(250)로 구성된다.
일례로, 상기 근거리장애물정보부(210)는 환경인식센서부(100)의 정보 중 레이저거리측정기(LADAR)(101)로부터 획득된 근거리 장애물에 대한 탐지/추적 정보를 제공한다. 상기 원거리장애물정보부(220)는 환경인식센서부(100)의 정보 중 레이다(Radar)(102)로부터 획득된 원거리 장애물에 대한 탐지/추적 정보를 제공한다. 상기 중앙통제부(230)는 소나탐지부(110)에서 생성된 수중 음향표적 정보 및 원격통제부(120)에서 입력되는 정보를 경로계획수립부로 전달한다. 상기 경로계획수립부(240)는 원거리/근거리 장애물 회피 및 수중음향 자율추적을 수행한다. 상기 자율매니저부(250)는 선박이 해상에서 준수해야하는 국제해상충돌예방규칙을 적용한다.
구체적으로, 상기 운항제어부(300)는 수립된 경로계획에 따라 경로를 운항하도록 제어한다.
한편, 도 2는 국제해상충돌예방규칙에 명시된 선박의 조우상황 및 충돌회피 규칙을 예시한다. 도시된 바와 같이, 상기 국제해상충돌예방규칙은 Overtaking(Rule 13), Head-On(Rule 14), Crossing(Rule 15)로 구분된 상황(situation), 각 상황(situation)에 맞춰 규정된 베어링(bearing), 자선과 타선의 베어링(bearing)정보를 활용하여 추월(overtaking) 상태, 피추월(overtaken) 상태, 정면으로 마주치는(head-on) 상태, 횡단(crossing) 상태 및 복합(complex) 상태를 결정하도록 규정된 충돌회피행동(Action to avoid collision)을 포함한다. 일례로, 자선이 추월선인 경우에 적합한 피항행위는 피추월선의 좌현을 통과하여 추월하는 것이며, 피추월선인 경우에는 추월선이 완전히 앞질러 멀어질 때까지 진행경로를 유지하는 것이다. 자선(무인 수상정)과 타선(Vessel)이 정면으로 마주치는 상태인 경우에는 각 선박은 서로 다른 선박의 좌현측을 통과할 수 있도록 각기 우현측으로 변침을 하여야한다. 자선이 횡단상태에서 피항선(타선을 우현으로 보는 선박)인 경우 유지선(타선을 좌현으로 보는 선박)의 진로를 방해하지 않도록 우측방향으로 변침을 수행하여야 한다.
그러므로, 상기 자율운항판단부(200)는 경로계획수립부(240)와 자율매니저부(250)를 통해 국제해상충돌예방규칙은 준수하여야 하는 적절한 피항동작 및 피항점을 결정하도록 구성된다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 경로계획수립부(240)는 원거리장애물에 대해 자율매니저부(250)의 의사결정 사항을 반영하여 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 원거리 경로계획부(241), 국제해상충돌예방규칙을 준수하지 않거나 레이다(Radar)(102)에서 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피를 수행하는 근거리 충돌회피부(242), 소나탐지부(110)에서 탐지된 수중음향 표적에 대한 자율추적을 수행하는 수중음향 자율추적부(243)로 구성된다.
다시 도1과 도 3을 참조하면, 상기 자율매니저부(250)는 충돌위험도 산출부(251), 조우상황 인식부(252) 그리고 COLREGs 적용부(253)와 같은 세 개의 모듈로 구성되고, 환경인식센서부(100)의 레이다(Radar)(102)로부터 탐지된 원거리 장애물에 대해 국제해상충돌예방규칙을 적용한다.
구체적으로, 상기 충돌위험도산출부(251)는 환경인식센서부(100)의 레이다(Radar)(102)로부터 입력되는 TCPA(Time to Closest Point of Approach) 및 DCPA(Distance to CPA)정보를 활용하여 타선이 무인수상정에 미치는 충돌위험도를 퍼지추론을 통하여 산출한다. 상기 조우상황인식부(252)는 산출된 충돌위험도를 기준으로 회피 우선순위가 높은 타선과 무인수상정의 조우상황을 식별한다. 상기 COLREGs 적용부(253)는 조우상황을 기준으로 충돌을 피하기 위한 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 피항동작 및 피항점을 결정한다.
특히, 상기 충돌위험도산출부(251)는 퍼지추론부(Fuzzy Interface)(251-1), 충돌위험도 결정부(Determine a Priority)(251-2)로 세분된다. 상기 조우상황인식부(252)는 추월/피추월상태 판단부(Overtaking/Overtaken)(252-1), 정면상태 판단부(Head-on Situation)(252-2), 횡단상태 판단부(Crossing Situation)(252-3), 복합상태 판단부(Complex Situation)(252-4)로 세분된다. 상기 COLREGs 적용부(253)는 추월상태 인식부(Overtaking Vessel)(253-1), 피추월상태 인식부(Overtaken Vessel)(253-2), 정면상태 인식부(Head-on Vessel)(253-3), 양보상태 인식부(Give-way Vessel)(253-4), 정지상태 인식부(Stand-on Vessel)(253-5), 목표점 인식부(Guidance Point)(253-6)로 세분된다. 여기서, 상기 양보상태 인식부(Give-way Vessel)(253-4)와 상기 정지상태 인식부(Stand-on Vessel)(253-5)는 복합상태(Complex Situation)의 예이다. 이 경우, 상기 충돌위험도산출부(251)와 상기 조우상황인식부(252) 및 상기 COLREGs 적용부(253)의 각 구성부는 로직으로 구현될 수 있다.
그러므로, 상기 자율매니저부(250)는 레이다(Radar)(102)가 제공하는 원거리 이동장애물에 대한 정보를 활용하여 장애물과의 충돌위험도가 존재할 경우, COLREGs 적용부(253)는 목표점 인식부(Guidance Point)(253-6)를 통해 COLREGs를 준수하는 목표점(Guidance point)를 경로계획수립부(240)의 원거리 경로계획부(241)의 목표점으로 제공한다.
그러면, 충돌위험도산출부(251)는 퍼지추론부(Fuzzy Interface)(251-1)와 충돌위험도 결정부(Determine a Priority)(251-2)를 이용하고, 레이다(Radar)(102)의 TCPA와 DCPA정보를 활용하여 타선이 무인 수상정에 미치는 충돌위험도를 퍼지추론을 통하여 산출한다. 또한, 상기 조우상황인식부(252)는 높은 충돌위험도를 가지는 타선과 무인수상정의 조우상황을 식별하고, 추월/피추월상태 판단부(Overtaking/Overtaken)(252-1), 정면상태 판단부(Head-on Situation)(252-2), 횡단상태 판단부(Crossing Situation)(252-3), 복합상태 판단부(Complex Situation)(252-4)를 자선(무인 수상정)과 타선(Vessel)의 베어링(bearing)정보로 활용함으로써 추월(overtaking) 상태, 피추월(overtaken) 상태, 정면으로 마주치는(head-on) 상태, 횡단(crossing) 상태 및 복합(complex) 상태를 결정한다.
그 결과, 상기 COLREGs 적용부(253)는 추월상태 인식부(Overtaking Vessel)(253-1), 피추월상태 인식부(Overtaken Vessel)(253-2), 정면상태 인식부(Head-on Vessel)(253-3), 양보상태 인식부(Give-way Vessel)(253-4), 정지상태 인식부(Stand-on Vessel)(253-5)를 활용함으로써 조우상황인식부(252)에서 결정된 자선의 조우상황에 따라 도 2의 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 적절한 피항동작 및 피항점을 결정할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 무인수상정의 운항경로생성시스템은 원거리장애물에 대해 자율매니저부의 의사결정 사항을 반영하여 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 원거리경로계획부; 국제해상충돌예방규칙을 준수하지 않거나 레이다에서 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피를 수행하는 근거리충돌회피부; 상기 소나탐지부에서 탐지된 수중음향 표적에 대한 자율추적을 수행함으로써 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)기반의 원거리 경로계획 기능, 국제해상충돌예방규칙을 무시하거나 레이다(Radar)에서 사라진 긴급장애물에 대한 라이다(LADAR)기반의 근거리 충돌회피 기능 그리고 탐지된 수중음향의 자율추적 기능의 구현이 가능하다.
100 : 환경인식센서부 101 : 레이다(Radar)
102 : 라이다(LADAR) 110 : 소나탐지부
120 : 원격통제부 200 : 자율운항판단부
210 : 근거리장애물정보부
220 : 원거리장애물정보부 230 : 중앙통제부
240 : 경로계획수립부 241 : 원거리경로계획부
242 : 근거리충돌회피부 250 : 자율매니저부
251 : 충돌위험도산출부 252 : 조우상황인식부
253 : COLREGs적용부 300 : 운항제어부

Claims (5)

  1. 수중음향 자율추적용 무인수상정에 있어서,
    원거리 및 근거리 장애물에 대한 데이터를 수집하는 환경인식센서부;
    수중 음향표적 탐지 및 신호처리를 수행하는 소나탐지부;
    무인수상정에 임무영역 및 탐색패턴을 제공하는 원격통제부;
    상기 소나탐지부에서 생성된 수중 음향표적 정보 및 원격통제부에서 입력되는 정보가 입력되는 중앙통제부, 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 준수하지 않거나 레이다에서 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피 및 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 경로계획수립부, 상기 환경인식센서부로부터 입력되는 TCPA(Time to Closest Point of Approach) 및 DCPA(Distance to CPA)정보를 활용하여 상기 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 준수하는 피항동작 및 피항점을 결정하는 자율매니저부로 구성된 자율운항판단부;
    수립된 경로계획에 따라 경로를 운항하도록 제어하는 운항제어부;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 자율매니저부는 충돌위험도 산출부, 조우상황 인식부 그리고 COLREGs 적용부로 구성되고;
    상기 충돌위험도산출부는 환경인식센서부(100)의 레이다(Radar)로부터 입력되는 TCPA(Time to Closest Point of Approach) 및 DCPA(Distance to CPA)정보를 활용하여 타선이 무인수상정에 미치는 충돌위험도를 퍼지추론을 통하여 산출하고; 상기 조우상황인식부는 산출된 충돌위험도를 기준으로 회피 우선순위가 높은 타선과 무인수상정의 조우상황을 식별하며, 상기 COLREGs 적용부는 조우상황을 기준으로 충돌을 피하기 위한 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 피항동작 및 피항점을 결정하는 것을 특징으로 하는 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 환경인식센서부는 레이저거리측정기(LADAR) 및 레이다(Radar)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 경로계획수립부는 원거리장애물에 대해 상기 자율매니저부의 의사결정 사항을 반영하여 상기 국제해상충돌예방규칙을 준수하는 경로계획을 수행하는 원거리 경로계획부, 상기 국제해상충돌예방규칙을 준수하지 않거나 상기 환경인식센서부의 정보 중 놓친 긴급장애물에 대한 근거리 장애물회피를 수행하는 근거리 충돌회피부, 상기 소나탐지부에서 탐지된 수중음향 표적에 대한 자율추적을 수행하는 수중음향 자율추적부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 자율운항판단부는 근거리장애물정보부와 원거리장애물정보부를 더 포함하고;
    상기 근거리장애물정보부는 상기 환경인식센서부의 정보 중 근거리 장애물에 대한 탐지 및 추적 정보를 제공라고, 상기 원거리장애물정보부는 상기 환경인식센서부)의 정보 중 원거리 장애물에 대한 탐지 및 추적 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 수중음향 자율추적용 무인수상정의 운항경로생성시스템.
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