KR20180126730A - Autonomous navigation system using ship dynamics model - Google Patents

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Abstract

The present invention provides an autonomous navigation system using a ship dynamics model. The autonomous navigation system comprises: a ship control performance estimating unit receiving various coefficients related to control performance of a ship to be autonomous navigation and generating and outputting ship control performance information by estimating based on a ship dynamics model; and an autonomous navigating unit receiving the ship control performance information so that the ship is autonomously operated, receiving information of the other ships from the other ships to avoid collision with the other ships, and automatically controlling the ship using the ship control performance information.

Description

선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템{AUTONOMOUS NAVIGATION SYSTEM USING SHIP DYNAMICS MODEL}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an autonomous navigation system using a ship dynamics model,

본 발명은 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an autonomous navigation system using a ship dynamic model, and more particularly, to an autonomous navigation system using a ship dynamic model for autonomous navigation of a ship using ship maneuverability information based on a ship dynamic model.

선박 운항에 있어서는 선박의 운항비용을 절감하기 위한 방안으로 무인 시스템에 의한 자율운항의 요구가 커지고 있다.There is a growing demand for autonomous navigation by unmanned systems as a way to reduce the operating cost of ships.

이러한 선박 자율운항은 선박의 항로 추종과 충돌회피 등을 위한 선박의 조종을 자동으로 제어해야 한다.Such autonomous navigation of vessels should automatically control the navigation of the ship for follow - up and avoidance of collision.

그리고 경제적이고 안전한 제어를 위해서는 선박의 조종성능을 정확히 알고 있어야 한다.For economical and safe control, it is necessary to know precisely the maneuverability of ship.

또한, 선박의 조종성능은 수심, 선박의 흘수, 트림, 선속 등에 의해 크게 영향을 받는다.In addition, the maneuvering performance of a ship is greatly influenced by the depth of water, ship draft, trim, and line speed.

또한, 선박이 노후화되면 엔진 및 후류의 변화 등에 의해 추진, 조종 성능도 변하게 된다.Also, when the ship is aged, the propulsion and maneuverability are changed due to changes in engine and wake.

따라서 최근에는 선박 운항 시 선박의 조종성능을 계측하여, 이를 선박의 제어에 반영하여 최적의 자율운항을 수행할 수 있는 선박 자율운항 시스템이 요구되는 추세이다. Recently, there is a tendency to require a ship autonomous navigation system capable of measuring optimal maneuverability of a ship during a ship operation and reflecting it to the control of a ship to perform optimal autonomous operation.

한국등록특허 10-0734814Korean Patent No. 10-0734814

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박에 부합하는 최적항로를 설정하고 안정적으로 선박을 자율운항 할 수 있는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a ship dynamics model capable of setting an optimal route to a ship and autonomous navigation of the ship stably using ship maneuvering performance information based on the ship dynamics model And an object of the present invention is to provide an autonomous navigation system using the same.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성능추정부, 및 상기 선박이 자율운항 되도록 상기 선박 조종성능 정보를 입력받고, 타선박과의 충돌회피 되도록 타선박으로부터 타선박정보를 입력받으며, 상기 선박 조종성능 정보를 이용하여 상기 선박을 자동제어 하는 자율운항부를 포함한다.In order to achieve the above object, the autonomous navigation system using the ship dynamics model of the present invention receives various coefficients related to the maneuverability of a ship subject to autonomous operation, and estimates based on the ship kinematic model to generate and output ship maneuvering performance information And a control unit for receiving the ship maneuvering performance information so that the ship is autonomously operated and receiving other ship information from another ship so as to avoid a collision with another ship, And an autonomous navigation unit for automatically controlling the navigation system.

또한, 본 발명의 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 상기 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 취득하는 정보취득부를 더 포함할 수 있다.The autonomous navigation system using the ship dynamics model of the present invention may further include an information acquisition unit for acquiring information on various coefficients related to the steering performance of the ship.

상기와 같은 본 발명에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성 계수 추정모듈을 포함함으로써, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박에 부합하는 최적항로를 설정하고 안정적으로 선박을 자율운항 할 수 있는 효과를 제공한다.In the autonomous navigation system using the ship dynamics model according to the present invention, various coefficients related to the maneuvering performance of the ship are input in real time, and the ship maneuverability coefficient for generating and outputting the ship maneuvering performance information is estimated based on the ship dynamics model By including the estimation module, it is possible to set an optimal route matching the ship using the ship maneuvering performance information based on the ship dynamics model, and to provide an effect that the ship can be freely operated autonomously.

도 1은 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타내는 개념도이다.1 is a block diagram showing an autonomous navigation system using a ship dynamic model according to an embodiment.
2 is a conceptual diagram showing an autonomous navigation system using a ship dynamic model according to an embodiment.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.The embodiments according to the concept of the present invention can be variously modified and can take various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the specification or the application. It is to be understood, however, that the intention is not to limit the embodiments according to the concepts of the invention to the specific forms of disclosure, and that the invention includes all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Also, the word "exemplary" is used herein to mean "serving as an example, instance, or illustration." Any aspect described herein as "exemplary " is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other aspects.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing embodiments of the present invention.

도 1은 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템을 나타내는 개념도이다.FIG. 1 is a block diagram showing an autonomous navigation system using a ship dynamic model according to an embodiment, and FIG. 2 is a conceptual diagram showing an autonomous navigation system using a ship dynamic model according to an embodiment.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 정보취득부(10), 선박 조종성능추정부(30), 및 자율운항부(50)를 포함한다.1 and 2, the autonomous navigation system using the ship dynamics model according to the embodiment includes an information acquisition unit 10, a ship maneuvering performance estimating unit 30, and an autonomous navigation unit 50 .

정보취득부(10)는 자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 실시간으로 취득한다. 여기서, 정보취득부(10)는 선박에 비치된 각종 항해계기, 촬영장치, 각종 센서 등을 사용하여 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 실시간으로 취득할 수 있다. 예를 들어, 선박의 상부에 비디오카메라를 설치하거나 선박의 하부에 초음파 송수신기와 비디오카메라를 부착 설치할 수 있다.The information acquiring unit 10 acquires information on various coefficients related to the steering performance of a ship to be autonomously operated in real time. Here, the information acquiring unit 10 can acquire information on various coefficients related to the steering performance of the ship in real time using various navigation instruments, photographing apparatuses, various sensors, etc. provided on the ship. For example, a video camera may be installed on the upper part of the ship, or an ultrasonic transceiver and a video camera may be installed on the lower part of the ship.

또한, 정보취득부(10)는 선박 기본정보취득모듈(11), 선박 적하정보취득모듈(13), 선박 제어정보취득모듈(15), 선박 거동정보취득모듈(17), 및 선박 환경정보취득모듈(19)을 포함한다.The information acquiring unit 10 acquires the ship basic information acquiring module 11, the ship loading information acquiring module 13, the ship control information acquiring module 15, the ship behavior information acquiring module 17, Module 19 as shown in FIG.

선박 기본정보취득모듈(11)은 선박의 길이, 폭, 데크상부 면적, 수선상부면적, 타, 프로펠러, 쓰러스터 제원 등 변하지 않는 값인 선박 기본정보를 취득한다. 여기서, 선박 기본정보취득모듈(11)은 취득한 선박 기본정보를 선박 조종성능추정부(30)로 최초에 한번 제공할 수 있다.The ship basic information acquiring module 11 acquires ship basic information which is a value that does not change such as the length and width of the ship, the upper area of the deck, the upper area of the waterline, the rudder, the propeller, and the thrusters. Here, the ship basic information acquisition module 11 can provide the acquired ship basic information to the marine vessel maneuverability estimating unit 30 at first once.

선박 적하정보취득모듈(13)은 선박의 화물 적재에 따라 변동하는 값으로 흘수, 트림, 배수량, 부심, 무게중심 등의 값인 선박 적하정보를 취득한다. 여기서, 선박 적하정보는 선박의 출항 시 선박 적하정보취득모듈(13)에 입력될 수 있다.The ship dump information acquiring module 13 acquires ship dump information, which is a value such as draft, trim, displacement, sail, center of gravity, etc. with a value varying with the cargo loading of the ship. Here, the ship loading information may be input to the ship loading information acquisition module 13 at the time of departure of the ship.

선박 제어정보취득모듈(15)은 타각, 프로펠러 회전수, 쓰러스터 회전수 등의 값인 선박 제어정보를 취득한다. 여기서, 선박 제어정보취득모듈(15)은 취득한 선박 제어정보를 실시간으로 선박 조종성능추정부(30)로 전송할 수 있다.The ship control information acquisition module 15 acquires ship control information that is a value such as an angle of incidence, a number of revolutions of a propeller, a number of revolutions of a thruster, and the like. Here, the ship control information acquisition module 15 can transmit the acquired ship control information to the ship maneuvering performance estimating unit 30 in real time.

선박 거동정보취득모듈(17)은 선박의 위치, 변위, 속도, 가속도 등의 값인 선박 거동정보를 취득한다. 여기서, 선박 거동정보취득모듈(17)은 취득한 선박 거동정보를 실시간으로 선박 조종성능추정부(30)로 전송할 수 있다.The ship behavior information acquisition module 17 acquires ship behavior information, which is a value such as the position, displacement, speed, and acceleration of the ship. Here, the ship behavior information acquisition module 17 can transmit the acquired ship behavior information to the ship steering performance estimation unit 30 in real time.

선박 환경정보취득모듈(19)은 바람, 파도, 조류 등의 값인 선박 환경정보를 취득한다. 여기서, 선박 환경정보취득모듈(19)은 취득한 선박 환경정보를 실시간으로 선박 조종성능추정부(30)로 전송할 수 있다.The ship environment information acquisition module 19 acquires ship environment information, which is a value such as wind, waves, and algae. Here, the ship environment information acquiring module 19 can transmit the acquired ship environment information to the ship maneuvering performance estimating unit 30 in real time.

선박 조종성능추정부(30)는 정보취득부(10)에서 취득한 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력한다.The ship maneuvering performance estimating unit 30 receives various coefficients related to the maneuvering performance of the ship acquired by the information acquiring unit 10 in real time and estimates based on the ship dynamics model to generate and output ship maneuvering performance information.

이러한 선박 조종성능추정부(30)는 여파기(wave filter)(31) 및 선박 조종성 계수 추정모듈(33)을 포함한다.The ship maneuvering performance estimating unit 30 includes a wave filter 31 and a ship maneuverability factor estimating module 33.

여파기(31)는 선박 조종성 계수 추정모듈(33)의 선박 조종성 계수 추정에 사용되도록, 선박 환경정보취득모듈(19)에서 취득한 선박 환경정보 중 파도의 영향에 의한 고주파수 성분을 제거한다.The filter 31 removes the high frequency component due to the influence of the wave among the ship environment information acquired by the ship environment information acquisition module 19 so as to be used for estimating the ship maneuverability coefficient of the ship maneuverability coefficient estimation module 33. [

선박 조종성 계수 추정모듈(33)은 정보취득부(10)에서 취득한 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성한다. 여기서, 선박 조종성 계수 추정모듈(33)은 계수추정법(parameter estimation) 등 시스템 식별(system identification) 방법을 사용하여 추정할 수 있다.The ship maneuverability factor estimation module 33 receives various coefficients related to the maneuvering performance of the ship acquired by the information acquisition section 10 in real time and generates ship maneuvering performance information by estimating based on the ship dynamics model. Here, the marine vessel maneuverability factor estimation module 33 can estimate the marine vessel maneuverability factor estimation module 33 using a system identification method such as parameter estimation.

선박의 동역학 모델은 예를 들어, 다음과 같이 나타낼 수 있다. 먼저, 운항중인 선박은 추진기에 의한 추진력, 타에 의한 타력, 스러스터(thruster)에 의한 힘, 선체운동에 의해 발생하는 선체 동유체력, 파도에 의한 파력, 바람에 의한 풍력 등의 영향을 받게 된다.The ship's kinetic model can be expressed, for example, as: First, the ship in operation is affected by the propulsion by the propeller, the force by the rudder, the force by the thruster, the hull fatigue strength by the hull motion, the wave by the wave, the wind by the wind .

또한, 선박의 조종운동은 전후동요(Surge), 좌우동요(Sway), 및 선수동요(Yaw)의 수평면상의 운동에, 횡동요(Roll)를 더한 4자유도 운동방정식을 주로 사용한다. 이 경우 선박의 동역학 모델은 수학식 1과 같다.In addition, the ship maneuvering exercise mainly uses the 4-DOF motion equation, which is added to the motion on the horizontal plane of the front and rear surge, the sway, and the yaw in addition to the roll. In this case, the dynamic model of the ship is expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, 좌변은 선박의 질량에 의한 관성력과 관성모멘트를 나타낸다. 즉, m은 선박의 질량이다. Ixx는 x 축에 대한 관성질량모멘트(mass moment of inertia：Massentraegheitsmoment)이고, Izz는 z 축에 대한 관성질량모멘트이다. xG는 x 방향 무게중심의 위치이고, zG는 z 방향 무게중심의 위치이다. u, v, r, 및 p 각각은 전후동요, 좌우동요, 선수동요, 횡동요 각각의 속도, 각속도이다. X, Y, N, 및 K 각각은 전후동요, 좌우동요, 선수동요, 및 횡동요 각각 방향의 힘과 모멘트이다.Here, the left side shows the inertial force and the moment of inertia due to the mass of the ship. That is, m is the mass of the ship. Ixx is the mass moment of inertia for the x axis, and Izz is the moment of inertia about the z axis. x G is the position of the center of gravity in the x direction, and z G is the position of the center of gravity in the z direction. u, v, r, and p are the forward and backward fluctuations, the left and right fluctuations, the fluctuations of the forward and the backward fluctuations, and the angular speed, respectively. X, Y, N, and K are forces and moments in the respective directions of forward and backward movement, left and right wobble, head wobble, and lateral wobble.

그리고 우변의 힘과 모멘트들의 하첨자 H, R, P, TH, 및 ENV 각각은 선체, 러더, 프로펠러, 스러스터, 및 외부환경 각각의 영향에 의함을 뜻한다. 여기서, 외부환경은 바람, 조류 등일 수 있다.Each of the subscripts H, R, P, TH, and ENV of the forces and moments on the right side refer to the effects of each of the hull, rudder, propeller, thruster, and external environment. Here, the external environment may be wind, algae, and the like.

이때, 상기 우변의 힘과 모멘트에 대해서는 특정 동역학 모델을 지정하지 않고 다양한 동역학 모델이 있으나, 이하에서는 설명의 편의상 선박의 조종운동에 가장 큰 영향을 미치는 힘과 모멘트가 선체, 러더, 프로펠러이므로 이들에 대한 각각 한 가지 예만 기술하고 있다.At this time, there are various dynamic models without designating a specific dynamic model for the right side forces and moments. Hereinafter, since the forces and moments having the greatest influence on the steering operation of the ship are hull, rudder, and propeller, Only one example is given.

즉, 선체에 의한 힘은 선박의 운동에 의해 유기되는 유체력이 선체 자신에 미치는 힘으로 선형 항과 비선형 항으로 이루어져 있으며, 비선형 항을 2차식으로 사용한 동역학 모델의 일례는 수학식 2와 같다.In other words, the force due to the hull is a force acting on the hull itself due to the hydraulic force induced by the movement of the ship, and is a linear term and a nonlinear term. An example of the dynamics model using the nonlinear term as a quadratic term is shown in Equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서,

Figure pat00003
는 횡경사이고, d는 선박의 흘수이며, L은 선박의 길이이며, CD0는 2차원 항력계수이다. CrN는 횡동요 연성효과 계수이고, CrY는 선수동요 연성효과 계수이다. W는 선박의 중량이고, GM은 선박의 횡메타센타 높이이다.here,
Figure pat00003
D is the draft of the ship, L is the length of the ship, and C D0 is the two-dimensional drag coefficient. C rN is the coefficient of lateral flexural effect, and C rY is the coefficient of longitudinal flexural effect. W is the weight of the ship, and GM is the height of the ship's transverse meteor center.

그리고 조종성 미계수들은 선박의 조종성능을 나타내는 계수들이며, 실시간으로 자율운항 시스템에 전달해 줄 조종성능이다.And the controllability coefficient is a factor that shows the controllability of the ship and it is the controllability that will deliver to the autonomous navigation system in real time.

또한, 프로펠러에 의한 힘은 주로 유입속도와 회전수에 대한 4상환의 식이 사용되며, 추력과 토크 각각은 수학식 3과 같다.Also, the force due to the propeller is mainly expressed by the equation of the four-way flow with respect to the inflow speed and the rotational speed, and the thrust and the torque are respectively expressed by Equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, T는 추력이고, Q는 토크(torque)이며,

Figure pat00005
는 해수 밀도이다. D는 프로펠러 직경이고, V는 선박의 전진속도이며,
Figure pat00006
는 선박의 웨이크이다. n은 프로펠러 회전수이고, Jp는 전진계수(Advance Ratio)이다. CT는 프로펠러의 추력이고, CQ는 토오크 계수이다. P는 프로펠러 피치이다. AE는 프로펠러 전개면적이고, AO는 원판면적이다.Where T is the thrust, Q is the torque,
Figure pat00005
Is the sea water density. D is the propeller diameter, V is the forward speed of the ship,
Figure pat00006
Is the wake of the ship. n is the propeller revolution, and J p is the advancement ratio. C T is the thrust of the propeller, and C Q is the torque coefficient. P is the propeller pitch. A E is the propeller deployment area and A O is the disk area.

타에 의한 힘은 타 단독에 의한 힘과, 타가 일반적으로 프로펠러의 후류에 위치하므로 인해 프로펠러 의한 간섭효과를 고려해야 하며, 선체에 의한 간섭효과도 고려해야 한다. 타에 의한 힘은 수학식 4와 같다.The force due to the rudder must be taken into account by the force exerted by the rudder alone and the interference effect of the propeller due to the fact that the rudder is generally located on the wake of the propeller. The force due to the rudder is expressed by Equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, 하첨자 S는 프로펠러가 두 개일 경우 우현을 뜻하고, 하첨자 P는 프로펠러가 두 개일 경우 좌현을 뜻한다.

Figure pat00008
는 타각이고, bR은 타가 두 개일 경우 타 사이의 간격이며, zHR는 타압력의 중심 위치이다.
Figure pat00009
는 타의 기하학적 종횡비이고, AR는 타면적이다.
Figure pat00010
는 타에 유입되는 유체의 속도이고,
Figure pat00011
는 타에 유입되는 유체의 유효 입사각이다.
Figure pat00012
,
Figure pat00013
, 및
Figure pat00014
각각은 간섭효과를 나타내는 계수들로서 실시간으로 자율운항 시스템에 전달해 줄 조종성능의 일부이다.Where the subscript S stands for starboard if there are two propellers and the subscript P stands for the port if there are two propellers.
Figure pat00008
B r is the distance between the rudders when two rudders are present, and z HR is the center position of the other pressure.
Figure pat00009
Is the other geometric aspect ratio, and A R is the other area.
Figure pat00010
Is the velocity of the fluid entering the rudder,
Figure pat00011
Is the effective angle of incidence of the fluid entering the rudder.
Figure pat00012
,
Figure pat00013
, And
Figure pat00014
Each is a measure of the interference effect and is part of the steering performance that will be delivered to the autonomous navigation system in real time.

자율운항부(50)는 선박 조종성능추정부(30)로부터 입력받은 선박 조종성능 정보를 이용해 선박을 자동제어 하여 선박을 자율운항 한다. 이때, 자율운항부(50)는 타선박과의 충돌회피를 위해서 타선박으로부터 타선박과의 충돌회피용 타선박정보(100)를 입력받고 선박을 자동제어 한다. 여기서, 타선박정보(100)는 AIS(auto identification system), 레이더(radar), 카메라 등의 정보를 포함한다.The autonomous operation unit 50 automatically controls the ship using the ship maneuvering performance information input from the ship maneuvering performance estimating unit 30 to autonomously operate the ship. At this time, the autonomous operation unit 50 receives other collision avoiding other vessel information 100 from other vessels and avoids collision with other vessels, and automatically controls the vessel. Here, the other ship information 100 includes information such as an auto identification system (AIS), a radar, and a camera.

또한, 자율운항부(50)는 좌초 분석과 예방 기능도 수행할 수 있고, 사고 위험도가 높은 선박의 예상 항로 및 사고 회피 항로 등을 다시 해당 선박에 데이터 통신 장비 등으로 미리 통보하여 줄 수 있기 때문에, 선박의 최적항로를 설정하고 안정적으로 조종/유도할 수 있다.In addition, since the autonomous navigation unit 50 can perform stranding analysis and preventive function, it can notify the ship in advance of the expected route and the accident avoiding route of the ship with high accident risk to the ship in advance , It is possible to steer and steer / set the optimum route of the ship.

또한, 자율운항부(50)는 최적항로 계산모듈(51), 충돌회피모듈(53), 및 최적제어모듈(55)을 포함한다.In addition, the autonomous navigation unit 50 includes an optimal route calculation module 51, a collision avoidance module 53, and an optimal control module 55.

최적항로 계산모듈(51)은 선박 조종성능추정부(30)로부터 입력받은 선박 조종성능 정보들에 의해 최적항로의 궤도가 달라지므로 그에 적합한 항로의 계산을 진행하여 선박운항에 부합하는 최적화된 항로를 설정한다.The optimal route calculation module 51 calculates the optimum route according to the navigational performance information inputted from the navigation performance evaluating unit 30 so that the optimized route is calculated according to the optimal route. Setting.

충돌회피모듈(53)은 선박이 타선박과의 충돌을 용이하게 회피하기 위해 선박들 간의 충돌 가능한 상황들을 다각적으로 얻고, 상기 얻어진 충돌 가능한 상황들 중 어느 하나가 유의한 경우에 충돌 회피 운항을 실행할 수 있도록, 외부로부터 타선박의 운항 상태 데이타를 전송 받아 타선박의 운항 상태 데이타와 선박운항 데이타와의 충돌 위험 범위를 벗어날 수 있는 충돌 회피 운항 데이터를 생성한다.The collision avoidance module 53 obtains various collision situations among the vessels in order to easily avoid the collision with other ships, and executes the collision avoidance navigation in the case where any one of the obtained collision possible situations is significant , It generates collision avoidance flight data that can be out of the risk range of collision between the ship 's flight status data and other ship' s flight data.

최적제어모듈(55)은 선박운항의 최적제어를 결정하고 이를 구동, 유지하도록 선박을 제어한다. 이때, 최적제어모듈(55)은 선박운항 상태가 변화할 때 마다 지속적으로 최적제어를 수정한다.The optimal control module 55 determines the optimal control of the ship operation and controls the ship to drive and maintain it. At this time, the optimum control module 55 continuously corrects the optimum control whenever the ship operating state changes.

또한, 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박 동역학 모델을 사용하지 않는 신경망이론이나 인공지능을 사용하여 실시간으로 선박의 조종성능을 계측하는 방법도 포함된다.In addition, the autonomous navigation system using the ship dynamics model according to the embodiment includes a neural network theory that does not use a ship dynamics model, or a method of measuring a ship's maneuvering performance in real time using artificial intelligence.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 실시간으로 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성 계수 추정모듈을 포함함으로써, 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 할 수 있다.The autonomous navigation system using the ship dynamics model according to the above-described embodiment of the present invention is a system in which various coefficients related to the maneuvering performance of a ship are input in real time, and the ship maneuvering performance information is generated based on the ship kinetic model, By including the pilot factor estimating module, the ship can be autonomously operated using the ship maneuverability information based on the ship kinetic model.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 선박 동역학 모델 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 함으로써, 수상 또는 수중에서 원격조종 또는 자율운항 프로그램에 의해 선박에 부합하는 최적항로를 설정하고 안정적으로 조종/유도함에 따라 선박의 운행을 안정하고, 자동으로 조종하여 무인으로 운항할 수 있기 때문에, 선박운항에 있어 필수 인적자원을 최소화할 수 있다.In addition, the autonomous navigation system using the ship dynamic model according to the embodiment of the present invention can autonomously operate the ship using the ship maneuvering performance information based on the ship dynamic model, Since the optimum route to be set is set and the pilot is steered / guided, the operation of the ship can be stabilized and the pilot can be operated automatically and operated. Therefore, it is possible to minimize the human resources required for the ship operation.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템은 타선박과의 충돌회피를 위해서 타선박으로부터 타선박과의 충돌회피용 타선박정보(100)를 입력받고 선박 동역학 모델을 기반의 선박 조종성능 정보를 이용하여 선박을 자율운항 함으로써, 타선박 위치를 실시간으로 추적, 분석, 및 예측하여 선박 상호간의 충돌을 미연에 예방하면서 선박을 자율운항 할 수 있다.In addition, the autonomous navigation system using the ship dynamics model according to the embodiment of the present invention is configured to receive collision avoiding other ship information (100) from another ship from another ship for collision avoidance with another ship, The vessel can be operated autonomously by using the information of the ship maneuvering performance, so that it is possible to autonomously operate the ship while preventing collision between vessels in advance by tracking, analyzing and predicting the position of other vessels in real time.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 정보취득부 11 : 선박 기본정보취득모듈
13 : 선박 적하정보취득모듈 15 : 선박 제어정보취득모듈
17 : 선박 거동정보취득모듈 19 : 선박 환경정보취득모듈
30 : 선박 조종성능추정부 31 : 여파기
33 : 선박 조종성 계수 추정모듈 50 : 자율운항부
51 : 최적항로 계산모듈 53 : 충돌회피모듈
55 : 최적제어모듈10: information acquisition unit 11: ship basic information acquisition module
13: Ship loading information acquisition module 15: Ship control information acquisition module
17: Ship behavior information acquisition module 19: Ship environment information acquisition module
30: Ship maneuvering performance estimation unit 31: Filter
33: Ship maneuverability coefficient estimation module 50:
51: Optimal route calculation module 53: Collision avoidance module
55: Optimal control module

Claims (2)

자율운항 대상인 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들을 입력받아 선박 동역학 모델을 기반으로 추정하여 선박 조종성능 정보를 생성 및 출력하는 선박 조종성능추정부; 및
상기 선박이 자율운항 되도록 상기 선박 조종성능 정보를 입력받고, 타선박과의 충돌회피 되도록 타선박으로부터 타선박정보를 입력받으며, 상기 선박 조종성능 정보를 이용하여 상기 선박을 자동제어 하는 자율운항부;
를 포함하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템.A ship maneuvering performance estimating unit for receiving various coefficients related to the maneuvering performance of the ship subject to autonomous operation and generating and outputting the maneuvering performance information by estimating based on the ship dynamics model; And
An autonomous operating unit that receives the ship maneuvering performance information so that the ship is autonomously operated and receives other ship information from another ship so as to avoid collision with another ship and automatically controls the ship using the ship maneuvering performance information;
The autonomous navigation system using the ship dynamics model. 청구항 1에 있어서,
상기 선박의 조종성능에 관계되는 각종 계수들에 대한 정보를 취득하는 정보취득부;
를 더 포함하는 선박 동역학 모델을 이용한 자율운항 시스템.

The method according to claim 1,
An information acquisition unit for acquiring information on various coefficients related to the steering performance of the ship;
Wherein the autonomous navigation system uses a ship dynamics model further comprising:

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