KR20210084961A - 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코스라인과의 거리를 보정하여 목적지 위치까지 정밀하게 선박의 항해를 제어할 수 있도록 한 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법은, 항해중인 선박의 트랙 에러(XE)와 상기 선박의 트랙 앵글 에러(HE) 중 큰 값을 선택하는 에러값 선택 단계(S31)와, 상기 에러값 선택 단계(S31)에서 선택된 값으로 상기 선박의 제1 타각 제어 데이터(P)를 산출하는 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)와, 상기 선박의 목표 회전각속도에 따른 제2 타각 제어 데이터(R)를 산출하는 제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)와, 상기 제1 타각 제어 데이터(P)와 상기 제2 타각 제어 데이터(R) 중에서 최소값을 선택하는 최소값 선택 단계(S51)와, 상기 선택된 최소값을 상기 선박의 목표 타각으로 확정하는 제어 데이터 확정 단계(S61)를 포함한다.

Description

크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법{AUTOMATIC STEERING METHOD FOR VESSEL USING CROSS TRACK ERROR}
본 발명은 코스라인과의 거리를 보정하여 목적지 위치까지 정밀하게 선박의 항해를 제어할 수 있도록 한 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법에 관한 것이다.
선박은 현재 위치로부터 목적지까지 정해진 코스라인으로 경로가 설정되고, 상기 경로를 따라 항해한다. 현재 위치, 목적지 위치, 코스라인이 정해지면, 상기 선박은 조타시스템에 의해 조타되면서, 정해진 목적지로 이동한다.
한편, 상기 선박의 조타방법에서는 목적지 방향만 맞으면, 코스라인과의 거리와 상관없이, 상기 코스라인과 평행하게 선박이 항해하도록 조타한다.
하지만, 이러한 선방의 조타방법에 따르면, 상기 선박의 현재 위치와 상기 코스라인과의 거리가 고려되지 않기 때문에, 상기 선박이 원하는 목적지에 정확하게 도달할 수 없는 문제점이 있었다.
한편, 하기의 선행기술문헌에는 '선박용 자동 조타 및 자동제어 장치'에 관한 기술이 개시되어 있다.
KR 10-2001-0069812 A (2001.07.25)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 코스라인과 현재 선박과의 수직 이탈거리를 선박의 선수방위의 제어값 산출에 반영하여, 현재의 선박이 목적지 방향으로 항해하면서 코스라인에 더 근접해지도록 함으로써, 정확하게 목적지에 도달할 수 있도록 한 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법은, 항해중인 선박의 트랙 에러와 상기 선박의 트랙 앵글 에러 중 큰 값을 선택하는 에러값 선택 단계와, 상기 에러값 선택 단계에서 선택된 값으로 상기 선박의 제1 타각 제어 데이터를 산출하는 제1 타각 제어 데이터 연산 단계와, 상기 선박의 목표 회전각속도에 따른 제2 타각 제어 데이터를 산출하는 제2 타각 제어 데이터 연산 단계와, 상기 제1 타각 제어 데이터와 상기 제2 타각 제어 데이터 중에서 최소값을 선택하는 최소값 선택 단계와, 상기 선택된 최소값을 상기 선박의 목표 타각으로 확정하는 제어 데이터 확정 단계를 포함한다.
상기 선박의 트랙 에러는, 크로스 트랙 에러에 대한 테이터를 입력받는 크로스 트랙 에러 입력 단계와, 상기 선박의 현재 위치로부터 목적지를 향하는 대체 코스라인을 계산하는 대체 코스라인 계산 단계와, 상기 대체 코스라인과 상기 선박의 타각 사이의 에러인 트랙 에러를 구하는 트랙 에러 계산 단계를 거쳐 계산되는 것을 특징으로 한다.
상기 트랙 앵글 에러는, 상기 선박의 현재 타각을 입력받는 타각 감지 단계와, 상기 선박의 타각으로부터 상기 선박의 선수 방위 정보와 상기 회전각속도 정보를 포함하는 제1 타각 데이터를 구하는 제1 타각 데이터 입력 단계와, 상기 선박의 타각과 상기 목적지의 방향 사이의 에러인 트랙 앵글 에러를 산출하는 앵글 에러 산출 단계를 거쳐 계산되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 타각 제어 데이터 연산 단계는, 계산식 'P = Kp×error1 + Ki (error1 + preError1)/2 + Kd×ROT/60'에 의해 산출(error1는 목적지 코스와 현재 선수방위간의 차이(HE)와 크로스 트랙 에러로 계산한 대체 코스라인과 현재 선수방위간의 차이(XE) 중 큰 값, preError1는 이전 error1값, ROT는 회전각속도(deg/min), Kp는 P게인(비례항 상수), Ki는 I게인(적분항 상수), Kd는 D게인(미분항 상수))되는 것을 특징으로 한다.
상기 선박의 현재 타각을 입력받는 타각 감지 단계와, 상기 선박의 타각으로부터 상기 회전각속도 정보를 포함하는 제2 타각 데이터를 구하는 제2 타각 데이터 입력 단계를 거쳐 계산되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 타각 제어 데이터 연산 단계는, 계산식 'R = Kp × error2 + Ki × integralError2 + Kd×(error2 - preError2)/dt'에 의해 산출(단, error2는 목표 회전각속도와 현재 선박의 회전각속도간의 차이, prevError2는 이전 error2, Kp는 P게인(비례항 상수), Ki는 I게인(적분항 상수), Kd는 D게인(미분항 상수))되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법에 따르면, 현재 선박과의 수직 이탈거리인 크로스 트랙 에러를 선박의 선수방위의 제어값 산출에 반영하여, 현재의 선박이 목적지 방향으로 항해하면서 코스라인에 더 근접해지도록 함으로써, 정확하게 목적지에 도달할 수 있도록 한
도 1은 본 발명에 따른 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법을 도시한 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법은, 항해중인 선박의 트랙 에러(XE)와 상기 선박의 트랙 앵글 에러(HE) 중 큰 값을 선택하는 에러값 선택 단계(S31)와, 상기 에러값 선택 단계(S31)에서 선택된 값으로 상기 선박의 제1 타각 제어 데이터(P)를 산출하는 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)와, 상기 선박의 목표 회전각속도에 따른 제2 타각 제어 데이터(R)를 산출하는 제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)와, 상기 제1 타각 제어 데이터(P)와 상기 제2 타각 제어 데이터(R) 중에서 최소값을 선택하는 최소값 선택 단계(S51)와, 상기 선택된 최소값을 상기 선박의 목표 타각으로 확정하는 제어 데이터 확정 단계(S61)를 포함한다.
크로스 트랙 에러 입력 단계(S11)는 항해 중인 선박의 크로스 트랙 에러(XTE)를 입력 받는다. 크로스 트랙 에러(XTE)는 항해중인 선박이 계획된 경로인 코스 라인으로부터 벗어난 수직이탈거리를 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 상기 크로스 트랙 에러(XTE)이 목표 타각을 연산과정에 사용되도록 함으로써, 상기 크로스 트랙 에러(XTE)를 활용하여 목표 타각을 연산하여, 목적지 방향으로 항해하면서 상기 코스 라인에 더 근접해지도록 한다.
대체 코스라인 계산 단계(S12)는 선박의 현재 위치로부터 목적지를 향하는 대체 코스라인을 계산한다.
트랙 에러 계산 단계(S13)는 상기 대체 코스라인과 상기 선박의 선수방위 사이의 에러인 트랙 에러(XE)를 계산한다. 상기 선박이 초기 설정된 코스라인을 따라 항해중이라면, 상기 트랙 에러(XE)는 발생하지 않지만, 상기 선박이 초기 코스라인으로부터 이탈된 상태이므로, 상기 대체 코스라인과 상기 선박의 선수방위 사이의 에러인 트랙 에러(XE)가 발생한다. 따라서, 상기 트랙 에러 계산 단계(S13)에서는 상기 대체 코스라인과 상기 선박의 선수방위 사이의 에러, 즉 트랙 에러(XE)를 계산한다.
상기 크로스 트랙 에러 입력 단계(S11), 상기 대체 코스라인 계산 단계(S12) 및 상기 트랙 에러 계산 단계(S13)는 순차적으로 수행되고, 상기 트랙 에러 계산 단계(S13)의 결과는 후술되는 에러값 선택 단계(S31)로 입력된다.
에러값 선택 단계(S31)는 상기 트랙 에러 계산 단계(S13)에서 구한 트랙 에러(XE)와 후술되는 앵글 에러 산출 단계(S24)에서 구한 트랙 앵글 에러(HE)를 서로 비교한다. 상기 에러값 선택 단계(S31)에서는 상기 트랙 에러(XE)와 상기 트랙 앵글 에러(HE) 중에서 큰 값을 선택한다.
상기 에러값 선택 단계(S31)에서 선택된 에러값은 후술되는 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)로 입력된다.
타각 감지 단계(S21)는 상기 선박에 설치되어, 방위를 감지히는 방위감지부재에 상기 선박의 타각을 입력받는다. 상기 선박은 자이로컴퍼스(Gyro Compass), GPS컴퍼스(GPS Compass) 등과 같은 타각 감지부재으로부터 상기 선박의 현재 타각을 입력받는다. 상기 타각 감지 단계(S21)에서 입력된 원데이터로는 제어에 사용할 수 없으므로, 후술되는 제1 타각 데이터 입력 단계(S22)와 제2 타각 데이터 입력 단계(S23)를 통하여, 제어에 활용할 수 있는 형태로 변환하여 입력되도록 한다.
제1 타각 데이터 입력 단계(S22)는, 상기 타각 감지 단계(S21)에서 입력된 타각 데이터로 제1 타각 데이터를 구한다. 상기 제1 타각 데이터는 상기 선박의 선수 방위 정보(Heading)와 상기 선박의 회전각속도 정보(ROT)를 모두 포함한다.
상기 제1 타각 데이터 입력 단계(S22)에서 획득한 제1 타각 데이터는 상기 트랙 에러 계산 단계(S13)에서 구한 에러값(XE)과 비교에 사용된다. 즉, 상기 제1 타각 데이터 입력 단계(S22)에서 획득한 제1 타각 테이터는 후술되는 앵글 에러 산출 단계(S24)로 입력되고, 앵글 에러 산출 단계(S24)의 결과가 상기 에러값 선택 단계(S31)로 입력된다.
제2 타각 데이터 입력 단계(S23)는 상기 제1 타각 데이터 입력 단계(S22)와 마찬가지로, 상기 타각 감지 단계(S21)에서 입력된 타각 데이터로 제2 타각 데이터를 구한다. 다만, 상기 제2 타각 데이터 입력 단계(S23)에서는 상기 선박의 타각으로부터 상기 회전각속도 정보(ROT)만 구한다.
앵글 에러 산출 단계(S24)는 상기 선박의 타각과 상기 목적지의 방향 사이의 에러인 트랙 앵글 에러(HE)를 산출한다.
상기 앵글 에러 산출 단계(S24)의 산출 결과인 트랙 앵글 에러(HE)는 상기 에러값 선택 단계(S31)로 입력되어, 상기 트랙 에러 계산 단계(S13)의 결과값과 비교된다.
제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)는 상기 에러값 선택 단계(S31)에서 선택된 값으로 상기 선박의 제1 타각 제어 데이터(P)를 산출한다. 상기 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)는 PID(Proportional Intergral Derivative 또는 Proportional Integral Differential) 제어에 기반하여, 상기 제1 타각 제어 데이터(P)를 구한다.
상기 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)는 상기 에러값 선택 단계(S31)의 결과를 입력받아, 제1 타각 제어 데이터(P)를 구한 후, 후술되는 최소값 선택 단계(S51)로 그 결과를 출력한다.
이때, 상기 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)에서는 하기의 계산식으로부터 상기 제1 타각 제어 데이터(P)를 연산할 수 있다.
P = Kp×error1 + Ki (error1 + preError1)/2 + Kd×ROT/60
(단, error1는 목적지 코스와 현재 선수방위간의 차이(HE)와 크로스 트랙 에러로 계산한 대체 코스라인과 현재 선수방위간의 차이(XE) 중 큰 값, preError1는 이전 error1값, ROT는 회전각속도(deg/min), Kp는 P게인(비례항 상수), Ki는 I게인(적분항 상수), Kd는 D게인(미분항 상수))
제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)는, 상기 선박의 목표 회전각속도에 따른 제2 타각 제어 데이터(R)를 산출한다. 상기 제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)도 PID 제어에 기반하여, 상기 제2 타각 제어 데이터(R)를 산출한다.
상기 제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)는 상기 제2 타각 데이터 입력 단계(S23)의 결과를 입력받아, 제2 타각 제어 데이터(R)를 구한 후, 후술되는 최소값 선택 단계(S51)로 그 결과를 출력한다.
상기 제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)에서는 하기의 계산식으로부터 상기 제2 타각 제어 데이터(R)를 연산할 수 있다.
R = Kp × error2 + Ki × integralError2 + Kd×(error2 - preError2)/dt
(단, error2는 목표 회전각속도와 현재 선박의 회전각속도간의 차이, prevError2는 이전 error2, Kp는 P게인(비례항 상수), Ki는 I게인(적분항 상수), Kd는 D게인(미분항 상수))
최소값 선택 단계(S51)는 상기 제1 타각 제어 데이터 연산 단계(S41)에서 연산된 제1 타각 제어 데이터(P)와, 상기 제2 타각 제어 데이터 연산 단계(S42)에서 연산된 제2 타각 제어 데이터(R) 중에서 작은 값을 택한다.
제어 데이터 확정 단계(S61)는 상기 최소값 선택 단계(S51)에서 선택된 최소값을 상기 선박의 목표 타각으로 확정한다.
S11 : 크로스 트랙 에러 입력 단계
S12 : 대체 코스라인 계산 단계
S13 : 트랙 에러 계산 단계
S21 : 타각 감지 단계
S22 : 제1 타각 데이터 입력 단계
S23 : 제2 타각 데이터 입력 단계
S24 : 앵글 에러 산출 단계
S31 : 에러값 선택 단계
S41 : 제1 타각 제어 데이터 연산 단계
S42 : 제2 타각 제어 데이터 연산 단계
S51 : 최소값 선택 단계
S61 : 제어 데이터 확정 단계
XTE : 크로스 트랙 에러
XE : 트랙 에러
HE : 트랙 앵글 에러
P : 제1 타각 제어 데이터
R : 제2 타각 제어 데이터
Heading : 선수 방위 정보
ROT : 회전각속도 정보

Claims (6)

  1. 항해중인 선박의 트랙 에러와 상기 선박의 트랙 앵글 에러 중 큰 값을 선택하는 에러값 선택 단계와,
    상기 에러값 선택 단계에서 선택된 값으로 상기 선박의 제1 타각 제어 데이터를 산출하는 제1 타각 제어 데이터 연산 단계와,
    상기 선박의 목표 회전각속도에 따른 제2 타각 제어 데이터를 산출하는 제2 타각 제어 데이터 연산 단계와,
    상기 제1 타각 제어 데이터와 상기 제2 타각 제어 데이터 중에서 최소값을 선택하는 최소값 선택 단계와,
    상기 선택된 최소값을 상기 선박의 목표 타각으로 확정하는 제어 데이터 확정 단계를 포함하는 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선박의 트랙 에러는,
    크로스 트랙 에러에 대한 테이터를 입력받는 크로스 트랙 에러 입력 단계와,
    상기 선박의 현재 위치로부터 목적지를 향하는 대체 코스라인을 계산하는 대체 코스라인 계산 단계와,
    상기 대체 코스라인과 상기 선박의 선수방위 사이의 에러인 트랙 에러를 구하는 트랙 에러 계산 단계를 거쳐 계산되는 것을 특징으로 하는 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트랙 앵글 에러는,
    상기 선박의 현재 타각을 입력받는 타각 감지 단계와,
    상기 선박의 타각으로부터 상기 선박의 선수 방위 정보와 상기 회전각속도 정보를 포함하는 제1 타각 데이터를 구하는 제1 타각 데이터 입력 단계와,
    상기 선박의 타각과 목적지의 방향 사이의 에러인 트랙 앵글 에러를 산출하는 앵글 에러 산출 단계를 거쳐 계산되는 것을 특징으로 하는 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 타각 제어 데이터 연산 단계는,
    계산식 'P = Kp×error1 + Ki (error1 + preError1)/2 + Kd×ROT/60'에 의해 산출(error1는 목적지 코스와 현재 선수방위간의 차이와 크로스 트랙 에러로 계산한 대체 코스라인과 현재 선수방위간의 차이 중 큰 값, preError1는 이전 error1값, ROT는 회전각속도(deg/min), Kp는 P게인(비례항 상수), Ki는 I게인(적분항 상수), Kd는 D게인(미분항 상수))되는 것을 특징으로 하는 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선박의 현재 타각을 입력받는 타각 감지 단계와,
    상기 선박의 타각으로부터 상기 회전각속도 정보를 포함하는 제2 타각 데이터를 구하는 제2 타각 데이터 입력 단계를 거쳐 계산되는 것을 특징으로 하는 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 타각 제어 데이터 연산 단계는,
    계산식 'R = Kp × error2 + Ki × integralError2 + Kd×(error2 - preError2)/dt'에 의해 산출(단, error2는 목표 회전각속도와 현재 선박의 회전각속도간의 차이, prevError2는 이전 error2, Kp는 P게인(비례항 상수), Ki는 I게인(적분항 상수), Kd는 D게인(미분항 상수))되는 것을 특징으로 하는 크로스 트랙 에러를 이용한 선박의 자동 조타 방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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