KR20210117937A - 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 및 시스템 - Google Patents

인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20210117937A
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Abstract

본 발명은 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법을 제시한다. 상기 방법에는 다음 단계가 포함된다: (S1) 선박정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 및 목표점 정보를 취득한다. (S2) 취득한 선박정보, 장애물정보, 및 목표점 정보에 근거하여 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장이 있는 인공 포텐셜장을 구축한다. (S3) 상기 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 첫째 합력을 취득한다. (S4) 상기 선박 정보 또는 장애물 정보에 근거하여 외부 작용력을 추가한다. (S5) 상기 첫째 합력과 외부 작용력을 합쳐서 둘째 합력을 취득한다. (S6) 상기 선박은 둘째 합력 방향에 근거하여 항행해서 상기 최소한 한개의 장애물을 회피한다.

Description

인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 및 시스템{vessel collision avoiding method and system based on Artificial Potential Field}
본 발명은 선박 충돌 회피 방법 및 시스템을 제시하며, 특히 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 및 시스템에 관한 것이다.
선박 충돌 위험 예측 및 회피는 선박 영역 연구에서 관심을 많이 받는 주제이면서 난점이기도 하다. 이에 포함된 내용은 다양한 데이터 감지 및 항로 정보를 통해서, 그리고 여러 가지 알고리즘에 기반하여 상이한 상황 모델에서의 선박의 특징 행위를 시뮬레이션한 다음 데이터 융합을 통해 선박을 구동시켜 회피를 실현하는 것이다.
최근 몇 년간 인공 전위계 방법은 그 모델이 간결하고 계산이 편리하기 때문에 지상 이동 차량의 노선 계획에서 광범하게 응용되고 있다. 그 핵심 이론은 환경 중 목표점이 이동 차량에 대해 생성한 인력장과 장애물이 생성한 척력장을 서로 중첩시켜 이동 지능적 에이전트에 대해 복합 포텐셜장을 형성하는 것이다. 하지만 실제로 응용할 때는 여러 가지 결점이 나타난다. 예를 들어 공장의 지상 이동 차량이 무한 회전할 때나 갑자기 나타난 장애물이 지상 이동 차량의 위치와 극도로 가까울 때 생성된 척력은 너무 강하다. 또한 장애물이 지상 이동 차량에 근접하는 방향이 마침 합력 방향과 같을 경우운행 중인 지상 이동 차량이 장애물의 견제에서 벗어날 수 없는 상황을 초래할 수 있기 때문에 실용성이 미약하다.
이외에도, 해상 선박은 브레이크가 없는 문제 또한 고려해야 하기 때문에 아직까지 인공 포텐셜장을 원숙하게 선박 충돌 회피 영역에 응용하는 것을 발견하지 못하였다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점들을 해결할 수 있는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 선박 충돌 회피 방법은 다음 단계가 포함된다. (S1) 선박 정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 그리고 목표점 정보를 취득한다. (S2) 취득한 선박 정보, 장애물 정보, 그리고 목표점 정보에 근거하여 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장이 있는 인공 포텐셜장을 구축한다. (S3) 상기 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 첫째 합력을 취득한다. (S4) 상기 선박 정보 또는 장애물 정보에 근거하여 외부 작용력을 추가한다. (S5) 상기 첫째 합력과 외부 작용력을 합쳐서 둘째 합력을 취득한다. (S6) 상기 선박은 둘째 합력 방향에 근거하여 항행해서 상기 최소한 한개의 장애물을 회피한다.
더 나아가서, 본 발명은 다른 한 가지의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법을 제시한다. 이 방법에는 다음 단계가 포함된다. (S11) 선박의 충돌 회피 범위 내에 진입한 장애물이 있는지 탐지하여 장애물이 있는 경우 (S12) 단계를 수행하고, 그렇지 않을 경우 선박의 항행 노선을 유지한다. (S12) 상기 장애물이 정적 장애물인지 아니면 동적 장애물인지 판단하여 정적 장애물일 경우 (S13) 단계를 수행하고, 동적 장애물일 경우에는 (S14) 단계를 수행한다. (S13) 상기 선박은 첫째 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 상기 정적 장애물을 회피한다. (S14) 상기 선박은 상기 동적 장애물과 가장 근접한 점의 시간(Time to the Closest Point of Approach, TCPA), 그리고 상기 동적 장애물과의 가장 인접한 점의 거리(Distance to the Closest Point of Approach, DCPA)에 기반하여 동적 장애물 회피를 시작해야 할지를 판단한다. (S15) 상기 선박은 둘째 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 상기 동적 장애물을 회피한다.
본 발명은 또한 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템을 제시한다. 이 시스템에는 선박 정보, 최소한 한개의 장애물 정보, 그리고 목표점 정보 취득을 위한 정보 취득 모듈, 정보 취득 모듈과 연결하며 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 항행 제어 지령을 생성하는 중앙 처리 모듈, 그리고 중앙 처리 모듈과 연결하며 항행 제어 지령에 근거하여 선박 항행을 제어하는 항행 제어 모듈이 있다.
본 발명에 관한 상기 간략한 설명은 본 발명의 여러 기술적 특징에 대해 기초적인 소개를 제공할 목적에 있다. 발명의 간략한 설명은 본 발명에 대해 상세히 기술한 것이 아니므로 본 발명의 핵심적 또는 중요한 구성 부품을 특별히 열거할 목적이나 본 발명의 범위를 규정하기 위함이 아니며, 단지 간결한 방식으로 본 발명의 여러 가지 개념을 제시하기 위함일 뿐이다.
본 발명에 따라 상기 언급된 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 첫째 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 둘째 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 선박과 동적 장애물의 수용 가능한 가장 짧은 범위 DCPA 판단을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 국제 해상 충돌 예방 규칙의 장애물 구분을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 보다 나은 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템을 보여주는 도면이다.
본 발명의 기술적 특징과 실용 효능을 충분히 이해할 수 있도록 돕기 위해 아래의 보다 나은 실시예를 도면과 함께 제시하여 다음과 같이 설명한다.
본 발명은 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법, 그리고 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템을 제시한다. 본 발명의 목적은 선박 항행 과정에서 선박이 자동적으로 장애물을 회피하도록 안내하는 것이다. 특별히 강조해야 할 점은, 본 발명에서 설명하는 선박은 선원이 선상에서 항행을 제어하는 일반 선박뿐만 아니라 자동 운항 선박, 자율 항행 선박, 해양 무인 선박, 그리고 수상 자동 선박과 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서 규정지은 "해양 자율운항 선박(Maritime Autonomous Surface Ships, MASS)"(본 설명서에는 일괄적으로 '무인선'이라 칭함)일 수 있으며, 자동 제어 선박이나 선박 자율 항행 노선과 관련된 것은 모두 본 발명에서 설명하는 선박 범위에 속한다.
도 1을 참고한다. 도면에 표시된 것은 본 발명의 첫째 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 흐름도이다. 본 실시예에서는 향상된 인공 포텐셜장 알고리즘(Artificial Potential Field Algorithm)으로 자력이 서로 배척하고 끄는 것을 시뮬레이션하고, 선박과 장애물의 위치, 상대적 속도 등 조건에 근거하여 선박의 충돌 회피 규칙을 구축하여 선박 항행 중 탐지된 장애물을 회피한다.
우선 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법에는 다음 단계가 포함된다. (S1) 선박 정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 그리고 목표점 정보를 취득한다. (S2) 취득한 선박 정보, 장애물 정보, 그리고 목표점 정보에 근거하여 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장이 있는 인공 포텐셜장을 구축한다. (S3) 상기 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 첫째 합력을 취득한다. (S4) 상기 선박 정보 또는 장애물 정보에 근거하여 외부 작용력을 추가한다. (S5) 상기 첫째 합력과 외부 작용력을 합쳐서 둘째 합력을 취득한다. (S6) 상기 선박은 둘째 합력 방향에 근거하여 항행해서 상기 최소한 한개의 장애물을 회피한다.
(S1) 단계에서, 상기 선박은 선박에 탑재된 정보 취득 모듈을 통해서 선박 정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 그리고 목표점 정보 등 데이터를 취득할 수 있다. 구체적으로, 상기 정보 취득 모듈은 이미지 수집 장치, 자세 감지 장치, 레이더 감지 장치, 라이다 감지 장치, 소나 감지 장치, 무선 포지셔닝 장치 또는 자동 식별 시스템(Automatic Identification System, AIS)일 수 있으며, 선박 정보에는 선박의 속도, 위치, 항행 방향, 선박 길이(일명 선박의 수선간 길이[Length between perpendiculars, LPP]), 그리고 선박의 너비가 포함되며, 장애물 정보에는 장애물의 이동 속도, 위치, 이동 방향, 장애물의 크기, 그리고 선박과의 거리가 포함되며, 목표점 정보에는 목표점의 위치 및 선박과의 거리가 포함된다.
예를 들어, 선박 길이와 선박 너비는 알려진 정보인 것 이외에, 선박은 자세 감지 장치를 통해서 선박의 속도, 항행 방향, 그리고 장애물의 이동 속도, 이동 방향을 탐지할 수 있으며, 이미지 수집 장치, 레이더 감지 장치, 라이더 감지 장치 또는 소나 감지 장치를 통해서 장애물의 이동 속도, 이동 방향, 장애물의 크기 및 선박과의 거리, 그리고 목표점의 위치 및 선박과의 거리를 탐지할 수 있다. 또한 무선 포지셔닝 장치를 통해서 선박의 위치, 장애물의 위치, 그리고 목표물의 위치를 취득할 수 있다. 이외에도, 만약 장애물이 기타 운항 중인 선박일 경우, 자동 식별 시스템을 통해서 기타 선박의 정보(선박 속도, 위치, 항행 방향, 그리고 선박 길이 등)를 취득할 수 있다.
(S2) 단계에서 (S6) 단계까지는 도 2를 같이 참고할 수 있다. 선박의 중앙 처리 모듈을 인공 포텐셜장 알고리즘을 통해서 선박(V)이 장애물(O)을 회피하도록 안내한다. 이 알고리즘의 개념은 인공적으로 포텐셜장의 인력(Fatt) 과 배척력(Frep) 을 구축하여 장애물과 충돌하지 않는 항행 노선을 생성해서 선박이 이 노선을 따라 운항하도록 안내하는 것이다. 구체적으로 말하면, (S2) 단계에서 상기 선박 정보, 장애물 정보, 그리고 목표점 정보에 근거하여 인공 포텐셜장을 구축하며, 이 인공 포텐셜장에는 목표점이 생성한 인력 포텐셜장과 최소한 한개의 장애물이 생성한 배척력 포텐셜장이 있다.
상기 인공 포텐셜장(
Figure pat00001
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00002
여기서
Figure pat00003
는 목표점 인력 포텐셜장을 표시하며,
Figure pat00004
는 장애물 배척력 포텐셜장을 표시한다. 상기 목표점 인력 포텐셜장(
Figure pat00005
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00006
여기서
Figure pat00007
는 상수이득을,
Figure pat00008
는 선박 위치를, 그리고
Figure pat00009
는 목표점 위치를 표시한다. 상기 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장(
Figure pat00010
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00011
여기서
Figure pat00012
는 상수이득,
Figure pat00013
은 영(0)보다 큰 임의의 수를,
Figure pat00014
는 선박 위치를,
Figure pat00015
는 목표점 위치를,
Figure pat00016
는 선박에서 최소한 한개 장애물까지의 가장 짧은 거리를, 그리고
Figure pat00017
는 최소한 한개 장애물이 생성하는 배척력의 가장 먼 거리를 표시한다.
상기 정의에서 확실히 알 수 있듯이, 목표점 인력 포텐셜장(
Figure pat00018
)에서, 선박(V)이 항행하여 목표점(T)의 작용 구역에 진입할 때, 목표점(T)와의 거리가 점점 가까워짐에 따라 선박이 받는 인력 또한 점점 커진다.
그리고 선박(V)이 항행 과정에서 장애물(O)이 선박(V)의 충돌 회피 범위(여기서는 선박 길이를 반경으로 해서 그린 둘레 범위의 2 내지 5배) 내로 들어오는 것을 탐지할 때, 즉 장애물(O)의 배척력 포텐셜장(
Figure pat00019
)의 작용을 받을 때, 선박(V)과 장애물(O) 사이의 거리가 점점 가까워짐에 따라 선박이 받는 배척력(F rep )역시 점점 커진다. 선박(V)이 장애물(O)에 무제한으로 접근할 때, 선박(V)이 받는 배척력(F rep )은 무한하게 커지며, 이는 충돌 위험이 매우 크다는 것을 설명한다. 동적 장애물(O)에 있어서는 동적 장애물(O)의 이동 속도와 이동 방향 역시 고려해야 한다. 예를 들어 장애물(O) 속도의 선박(V) 항행 속도 방향에서의 벡터가 크면 클수록 선박(V)이 받는 장애물(O)로부터 온 배척력 역시 증가한다. 다른 한편으로, 만약 선박(V)과 최소한 한개 장애물(O)과의 가장 짧은 거리가 장애물이 배척력을 생성하는 가장 먼 거리보다 클 경우, 이는 선박(V)은 장애물의 배척력 포텐셜장의 작용 범위 안에 있지 않다는 것으로 표시하며, 배척력 포텐셜장(
Figure pat00020
)은 영(0)이다.
(S3) 단계에서는 상기 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 첫째 합력(
Figure pat00021
)을 형성한다. 첫째 합력(
Figure pat00022
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00023
여기서
Figure pat00024
는 목표점의 인력을,
Figure pat00025
는 최소한 한개 장애물의 배척력을 표시한다. 만약 장애물(O)이 일반 상태의 정적 장애물일 경우, 선박(V)은 상기 첫째 합력(
Figure pat00026
)의 유도를 받아 정적 장애물을 회피하고 계속해서 목표점을 향해 운항한다. 하지만 만약 장애물(O)이 동적 장애물이며 갑자기 선박(V)에 매우 근접하는 경우(예를 들어, 수중 생물이 갑자기 수면 밖으로 나옴), 이때 너무 과다한 배척력 포텐셜장이 갑자기 생성되게 된다. 만약 장애물(O)이 마침 선박(V)과 목표점(T) 사이에 있고 선박과 목표점이 같은 축선에 있으며, 동적 장애물(O)의 이동 방향이 마침 첫째 합력(
Figure pat00027
)의 방향과 같을 경우(첫째 합력[
Figure pat00028
] 방향이 여전히 장애물을 향하게 함), 선박(V)은 시종일관 장애물(O)의 견제를 벗어나지 못하게 된다.
그러므로 (S4)~(S6) 단계를 참고한다. (S4)~(S6) 단계는 합력의 방향이 장애물 위치(또는 이동 방향)와 같거나 목표점이 너무 가까워 인력이 부족하거나 장애물이 너무 가깝거나 배척력이 너무 강해서 선박이 정확하게 목표점 위치로 안내되지 못하는 문제를 예방하는데 사용될 수 있다. 그 개념은 선박이 장애물이 생성한 배척력 포텐셜장의를 받는 동시에 자체 정의된 작용력을 추가하여 목표점을 가리켜서(즉, 한 방향이 목표점을 향하는 작용력을 생성함) 목표점을 향하는 합력의 강도를 유지하는 것이다.
(S4) 단계에서, 상기 선박 정보 또는 장애물 정보에 근거하여 상기 인공 포텐셜장에 외부 작용력(
Figure pat00029
)을 추가한다. 구체적으로 말하면, 상기 작용력(
Figure pat00030
)의 크기 무게값은 선박(V)의 속도, 선박 길이 또는 너비, 그리고 장애물(O)의 이동 속도, 장애물의 크기 및 장애물과 선박의 상대적 거리에 의해 결정된다. 여기서 도 3을 참고한다. 장애물(O)의 이동 속도 또는 선박(V)의 항행 속도가 빠르면 빠를수록, 또는 장애물(O)과 선박(V)의 상대적 거리가 짧으면 짧을수록 선박(V)이 받는 장애물로부터 온 배척력 역시 증가한다는 것을 표시한다. 다시 말해서, 선박(V)이 장애물(O)의 배척력(F rep )의 견인을 받는 것을 예방하기 위해 목표점(T)을 가리키는 더 큰 외부 작용력(
Figure pat00031
)이 필요하다. 이와 반대로, 만약 장애물(O)과 선박(V)의 상대적 거리가 비교적 멀 경우, 또는 장애물(O)의 이동 속도와 선박(V)의 항행 속도가 느릴 경우, 이는 완충할 시간이 충분히 있다는 것을 표시한다. 따라서 비교적 약한 외부 작용력(
Figure pat00032
)을 추가해도 선박은 완만한 각도로 장애물을 돌아서 회피한다.
계속해서 (S5) 단계에서는 상기 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 생성한 첫째 합력(
Figure pat00033
)을 추가한 외부 작용력(
Figure pat00034
)과 합쳐서 둘째 합력(
Figure pat00035
)을 취득한다. 둘째 합력의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00036
여기서
Figure pat00037
은 첫째 합력을,
Figure pat00038
는 외부 작용력을 표시한다. 마지막으로 (S6) 단계에서는 선박(V)이 상기 둘째 합력(
Figure pat00039
)의 유도를 받아 최소한 한개의 장애물(O)을 회피하고 목표점(T)을 향해서 항행하여 무인선의 자율 충돌 회피 운항을 완성한다.
본 실시예는 장애물의 정지 및 운동 상태를 고려하는 것 이외에, 인공 포텐셜장 알고리즘을 통해서 장애물을 회피하고 장애물 이동 방향이 첫째 합력 방향과 같고 목표점이 너무 가까워서 인력이 부족하거나 장애물이 너무 가까워서 배척력이 너무 강해서 선박이 목표점 위치에 정확하게 유도되지 못하는 문제를 해결할 수 있기 때문에 실제 선박 항행 과정에서 선박이 장애물과 충돌하는 것을 효과적으로 예방할 수 있다.
여기서 본 발명의 둘째 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법을 보여주는 도 4를 참조한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제시하는 다른 한가지의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법에는 다음 단계가 포함된다: (S11) 선박의 충돌 회피 범위 내에 진입한 장애물이 있는지 탐지하여 있는 경우 (S12) 단계를 수행하고, 그렇지 않을 경우 선박의 항행 노선을 유지한다. (S12) 상기 장애물이 정적 장애물인지 아니면 동적 장애물인지 판단하여 정적 장애물일 경우 (S13) 단계를 수행하고, 동적 장애물일 경우에는 (S14) 단계를 수행한다. (S13) 상기 선박은 첫째 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 상기 정적 장애물을 회피한다. (S14) 상기 선박은 상기 동적 장애물과 가장 근접한 점의 시간(Time to the Closest Point of Approach, TCPA), 그리고 상기 동적 장애물과의 가장 인접한 점의 거리(Distance to the Closest Point of Approach, DCPA)에 기반하여 동적 장애물 회피를 시작해야 할지를 판단한다. (S15) 상기 선박은 둘째 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 상기 동적 장애물을 회피한다.
(S11) 단계에서, 선박의 정보 취득 모듈은 장애물이 선박의 충돌 회피 범위 내에 들어왔는지 탐지할 수 있다. 구체적으로 말하면, 정보 취득 모듈은 선박 정보와 목표점 정보 등 데이터를 취득할 수 있으며 최소한 한개 장애물에 대한 장애물 정보를 탐지할 수 있다. 여기서 정보 취득 모듈은 이미지 수집 장치, 자세 감지 장치, 레이더 감지 장치, 라이다 감지 장치, 소나 감지 장치, 무선 포지셔닝 장치 또는 자동 식별 시스템(Automatic Identification System, AIS)일 수 있으며, 선박 정보에는 선박의 속도, 위치, 항행 방향, 선박 길이(일명 선박의 수선간 길이(Length between perpendiculars, LPP)), 그리고 선박의 너비가 포함되며, 장애물 정보에는 장애물의 이동 속도, 위치, 이동 방향, 장애물의 크기, 그리고 선박과의 거리가 포함되며, 목표점 정보에는 목표점의 위치 및 선박과의 거리가 포함된다.
이 단계에서, 정보 취득 모듈이 장애물을 탐지한 후 장애물의 위치 및 선박과의 거리를 알 수 있으며, 장애물의 위치 및 선박과의 거리에 근거하여 장애물이 선박의 충돌 회피 범위 내로 들어온 지 여부를 판단한다. 그럴 경우 (S12) 단계를 수행하여 계속해서 충돌 회피 단계로 들어가고, 그렇지 않을 경우, 선박의 항행 노선을 유지하여 계속해서 목표점을 향해서 운항한다. 여기서 충돌 회피 범위는 일반적으로 반경을 1에서 3 해리로 해서 그린 둘레 범위로 설정한다. 하지만 기타 상황에서 선박의 크기, 선박 속도 또는 장애물 속도(즉, 선박과 장애물)에 따라 다르게 설정할 수 있다.
계속해서 (S12) 단계에서，정보 취득 모듈을 통해 탐지한 장애물 정보로 장애물의 크기 및 운동 방식(동적 혹은 정적)을 알 수 있다. 만약 장애물이 암초, 잔교 혹은 유목과 같은 정적 장애물일 경우, 정적 장애물 충돌 회피 단계를 수행한다. 만약 장애물이 수중 생물이거나 운항중인 기타 선박일 경우, 동적 장애물 충돌 회피 단계를 수행한다.
(S13) 단계에서, 선박의 중앙 처리 모듈은 첫째 인공 포텐셜장 알고리즘에 기반하여 정적 장애물을 회피하는 노선을 계산하고 선박이 정적 장애물을 회피하도록 유도할 수 있다. 구체적으로 말하면, 상기 첫째 인공 포텐셜장 알고리즘은 위에서 설명한 선박 정보, 장애물 정보, 그리고 목표점 정보에 근거하여 인공 포텐셜장을 구축하며, 이 인공 포텐셜장에는 목표점이 생성한 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물이 생성한 배척력 포텐셜장이 있다.
상기 인공 포텐셜장(
Figure pat00040
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00041
여기는
Figure pat00042
는 목표점 인력 포텐셜장을,
Figure pat00043
는 장애물의 배척력 포텐셜장을 표시한다. 목표점 인력 포텐셜장(
Figure pat00044
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00045
여기서
Figure pat00046
는 상수 이득을,
Figure pat00047
는 선박 위치를,
Figure pat00048
는 목표점 위치를 표시한다. 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장(
Figure pat00049
)의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00050
여기서
Figure pat00051
는 상수 이득을,
Figure pat00052
은 영(0)보다 큰 임의의 수를,
Figure pat00053
는 선박 위치를,
Figure pat00054
는 목표점 위치를,
Figure pat00055
는 선박에서 최소한 한개 장애물까지의 가장 짧은 거리를, 그리고
Figure pat00056
는 최소한 한개 장애물이 생성하는 배척력의 가장 먼 거리를 표시한다.
상기 정의에서 확실히 알 수 있듯이, 목표점 인력 포텐셜장(
Figure pat00057
)에서, 선박이 항행하여 목표점의 작용 구역에 진입할 때, 목표점과의 거리가 점점 가까워짐에 따라 선박이 받는 인력이 점점 작아진다.
그리고 선박이 항행 과정에서 장애물이 선박의 충돌 회피 범위(여기서는 선박 길이를 반경으로 해서 그린 둘레 범위의 2 내지 5배) 내로 들어오는 것을 탐지할 때, 즉 장애물의 배척력 포텐셜장(
Figure pat00058
)의 작용을 받을때, 선박과 장애물 사이의 거리가 점점 가까워짐에 따라 선박이 받는 배척력 역시 점점 커진다. 선박이 장애물에 무제한적으로 접근할 때, 선박이 받는 배척력은 무한하게 커지며, 이는 충돌 위험이 매우 크다는 것을 설명한다. 동적 장애물에 있어서는 동적 장애물의 이동 속도와 이동 방향 역시 고려해야 한다. 예를 들어 장애물 속도의 선박 항행 속도 방향에서의 벡터가 크면 클수록 선박이 받는 장애물에서 온 배척력 역시 증가한다. 다른 한편으로, 만약 선박과 최소한 한개 장애물과의 가장 짧은 거리가 장애물이 배척력을 생성하는 가장 먼 거리보다 클 경우, 이는 선박은 장애물의 배척력 포텐셜장의 작용 범위 안에 있지 않다는 것을 표시하며, 배척력 포텐셜장(
Figure pat00059
)은 영(0)이다.
계속해서 위에서 설명한 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 복합 포텐셜장을 형성하고 첫째 합력(
Figure pat00060
)을 생성한다. 첫째 합력의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00061
여기서
Figure pat00062
는 목표점 인력을,
Figure pat00063
는 최소한 한개 장애물의 배척력을 표시한다. 만약 장애물이 일반 상태의 정적 장애물일 경우, 선박은 첫째 합력(
Figure pat00064
)의 유도를 받아 정적 장애물을 회피하고 계속해서 목표점을 향해 운항한다.
(S14) 단계에서, 선박의 중앙 처리 모듈은 동적 장애물과 가장 근접한 점의 시간(Time to the Closest Point of Approach, TCPA), 그리고 상기 동적 장애물과의 가장 인접한 점의 거리(Distance to the Closest Point of Approach, DCPA)에 기반하여 동적 장애물 회피를 시작해야 할지를 판단한다. 여기서 TCPA가 영(0)보다 클 때, 이는 선박과 동적 장애물은 접근 중에 있으며 서로 충돌할 가능성이 있다는 것을 표시한다. TCPA가 영(0)보다 작을 때는 선박과 동적 장애물은 서로 멀어지고 있다는 것을 표시한다. 여기서 도 5를 같이 참고한다. DCPA는 선박과 동적 장애물의 수용 가능한 가장 짧은 범위를 판단하는데 사용된다. DCPA가 안전 범위 한계 값보다 작을 경우 충돌 회피 모드를 작한다. 안전 범위 한계 값
Figure pat00065
의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00066
여기서, 충돌 길이 L C (Collision Length)는 두 척의 선박(V 및 V')이 충돌할 때의 중점의 연장선 길이이며, L 1 은 동적 장애물 역할을 하는 선박(V')의 길이이며, L 2 는 운항 선박 역할을 하는 선박(V)의 길이이며(여기서는 선박의 너비를 고려하지 않음), Xc는 운항 선박(V)과 동적 장애물 선박(V') 사이의 협각(
Figure pat00067
c)이며, L은 결정적인 충돌 회피 길이이며(가변적 파리미터 값일 수 있음), 이 결정적인 충돌 회피 길이는 선박(V)의조종성을 고려해야 하며, 최소한 선박(V) 길이의 3배 이상이어야 한다. 여기서
Figure pat00068
는 일명 위급 충돌 회피 길이로서 인공 포텐셜장 알고리즘에서 척력장이 작용하기 시작하는 거리이다. 매개변수
Figure pat00069
은 충돌 회피가 성공적인지 여부에 영향을 주는 중요 결정요소이다. TCPA > 0 및 DCPA <
Figure pat00070
인지 계산하고 조건이 성립되는 경우 인공 포텐셜장 알고리즘을 즉시 시작하여 충돌 회피를 시행한다. 마지막으로 (S15) 단계에서, 선박의 중앙 처리 모듈은 둘째 인공 포텐셜장 알고리즘에 기반하여 동적 장애물을 회피하는 노선을 계산하고 선박이 동적 장애물을 회피하도록 유도한다. 동적 장애물이 갑자기 선박에 매우 근접하거나(예를 들어, 수중 생물이 갑자기 수면 밖으로 나옴), 너무 과다한 배척력 포텐셜장이 갑자기 생성되거나, 동적 장애물의 이동 방향이 첫째 합력 방향과 같아서(첫째 합력 방향이 여전히 장애물을 향하게 함) 선박이 시종일관 동적 장애물 견제를 벗어나지 못하게 되는 것으로 인해 본 실시예에서 제시하는 둘째 인공 포텐셜장 알고리즘은 위에서 설명한 선박 정보 혹은 동적 장애물 정보에 근거하여 상기 인공 포텐셜장에 외부 작용력(
Figure pat00071
)을 추가하여 목표점을 향한 합력 강도가 유지되게 한다.
구체적으로 말하면, 상기 외부 작용력(
Figure pat00072
)의 크기 무게 값은 선박의 속도, 선박 길이 또는 너비, 그리고 동적 장애물의 이동 속도, 동적 장애물의 크기 및 동적 장애물과 선박의 상대적 거리에 의해 결정된다. 동적 장애물의 이동 속도 또는 선박의 항행 속도가 빠르면 빠를수록, 또는 동적 장애물과 선박의 상대적 거리가 짧으면 짧을수록 선박이 받는 동적 장애물로부터 온 배척력 역시 증가한다는 것을 표시한다. 다시 말해서, 선박이 동적 장애물의 배척력의 견인을 받는 것을 예방하기 위해 목표점을 가리키는 더 큰 외부 작용력(
Figure pat00073
)이 필요하다. 이와 반대로, 만약 동적 장애물과 선박의 상대적 거리가 비교적 멀 경우, 또는 동적 장애물의 이동 속도와 선박의 항행 속도가 느릴 경우, 이는 완충할 시간이 충분히 있다는 것을 표시한다. 따라서 비교적 약한 외부 작용력(
Figure pat00074
)을 추가해도 선박은 완만한 각도로 동적 장애물을 돌아서 회피한다.
계속해서 첫째 인공 포텐셜장 알고리즘의 인력 포텐셜장과 동적 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 생성한 첫째 합력(
Figure pat00075
)을 추가한 외부 작용력(
Figure pat00076
)과 합쳐서 둘째 합력(
Figure pat00077
)을 취득한다. 둘째 합력의 정의는 다음과 같다:
Figure pat00078
여기서
Figure pat00079
은 첫째 합력을,
Figure pat00080
는 외부 작용력을 표시한다. 마지막으로, 선박은 둘째 합력의 유도를 받아 동적 장애물을 회피하고 목표점을 향해 항행하여 무인선의 자율 충돌 회피 운항을 완성한다.
주의할 점은(S14) 단계 뒤에 (S14a) 단계가 있다는 점이다. 이 단계에서는 국제 해상 충돌 예방 규칙(Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGS)에 근거하여 동적 장애물과 선박의 상대적 위치를 첫째, 둘째, 셋째, 넷째 구역으로 구분한다(도 6을 참조함). 여기서 첫째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 345°에서 15°까지, 둘째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 15°에서 112.5°까지, 셋째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 112.5°에서 247.5°까지, 그리고 넷째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 112.5°에서 247.5°까지이다. 국제 해상 충돌 예방 규칙은 동적 장애물이 운항중인 기타 선박인 경우의 실행 방식을 다룬다.
(S14a) 단계 뒤에는 (S14b) 단계가 있다. 만약 동적 장애물이 첫째 또는 둘째 구역에 소재할 경우, (S15) 단계를 수행한다. 만약 동적 장애물이 셋째 혹은 넷째 구역에 소재할 경우 선박의 항행 노선을 유지한다. 구체적으로 말하면(도 3을 참조함), 동적 장애물이 첫째 구역에 소재할 경우, 이는 선박 전방에 장애물이 나타났다는 것을 표시한다. 따라서 인공 포텐셜장에 선체가 앞으로 전진하는 방향에 근거하여 우편으로 일탈하며 선체에서 선박 길이의 1배가 되는 곳에 임시 인력 포텐셜장을 구축하고 추가해서 COLREGs 규칙을 충족시켜야 한다. 동적 장애물이 둘째 구역에 소재할 경우, 이는 선박 우측에 장애물이 나타났다는 것을 표시한다. 따라서 역시 인공 포텐셜장에 선체가 앞으로 전진하는 방향에 근거하여 우편으로 일탈하며 선체에서 선박 길이의 1배가 되는 곳에 임시 인력 포텐셜장을 구축하고 추가해야 한다. 동적 장애물이 셋째, 넷째 구역에 소재하는 경우, 이는 선박의 후방, 좌측에 장애물이 나타났다는 것을 표시한다. 이때 장애물을 무시한다. 그 이유는 동적 장애물이 기타 운항중인 선박이라는 전제하에, 국제 해상 충돌 예방 규칙에 따르면 기타 선박이 우측으로 본 운항 선박을 회피해야 하며(상대적으로 볼 때 본 운항 선박은 기타 선박의 전방, 우측에 있으므로) 본 운항 선박은 원래의 노선을 유지하여 운항할 수 있기 때문이다.
본 실시예에서는 인공 포텐셜장 알고리즘을 개선하여 자력이 서로 배척하고 끄는 것을 시뮬레이션하고, COLREGS 국제 해상 충돌 예방 규칙을 결합하여 선박 충돌 회피 방법을 구축한다. 이 방법은 또한 선박의 위치와 속도, 장애물의 위치와 속도, DCPA 수용 가능 범위 및 탐지거리 등 조건에 근거하여 자율 운항 선박을 유도하여 자동적으로 장애물을 회피하게 한다.
이제 본 발명의 보다 나은 실시예의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템을 보여주는 도 7을 참조한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시에의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템(1)에는 선박정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 그리고 목표점 정보를 취득하기 위한 정보 취득 모듈(10), 정보 취득 모듈(10)과 연결되는 한편 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 항행 제어 지령을 생성하는 중앙처리모듈(20), 그리고 중앙 처리 모듈과 연결되는 한편 항행 제어 지령에 근거하여 선박 항행을 제어하는 항행 제어 모듈(30)이 있다.
특별히 강조해야 할 점은, 본 실시예의 선박은 선원이 선상에서 항행을 제어하는 일반 선박뿐만 아니라 국제 해사 기구(International Maritime Organization, IMO)에서 규정지은 "해양 자율 운항 선박(Maritime Autonomous Surface Ships, MASS)"일 수 있으며, 본 설명서에는 일괄적으로 '무인선'이라 칭한다.
다음은 본 발명의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피시스템에 대한 추가설명이다. 우선 상기 정보 취득 모듈(10)은 선박정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 그리고 목표점 정보를 취득한다. 구체적으로 말하면, 상기 정보 취득 모듈(10)은 이미지 수집 장치, 자세 감지 장치, 레이더 감지 장치, 라이다 감지 장치, 소나 감지 장치, 무선 포지셔닝 장치 또는 자동 식별 시스템(Automatic Identification System, AIS)일 수 있으며, 선박 정보에는 선박의 속도, 위치, 항행 방향, 선박 길이(일명 선박의 수선간 길이[Length between perpendiculars, LPP]), 그리고 선박의 너비가 포함되며, 장애물 정보에는 장애물의 이동 속도, 위치, 이동 방향, 장애물의 크기, 그리고 선박과의 거리가 포함되며, 목표점 정보에는 목표점의 위치 및 선박과의 거리가 포함된다.
예를 들어, 선박 길이와 선박 너비는 알려진 정보인 것 이외에, 선박은 자세 감지 장치를 통해서 선박의 속도, 항행 방향, 그리고 장애물의 이동 속도, 이동 방향을 탐지할 수 있으며, 이미지 수집 장치, 레이더 감지 장치, 라이더 감지 장치 또는 소나 감지 장치를 통해서 장애물의 이동 속도, 이동 방향, 장애물의 크기 및 선박과의 거리, 그리고 목표점의 위치 및 선박과의 거리를 탐지할 수 있다. 또한 무선 포지셔닝 장치를 통해서 선박의 위치, 장애물의 위치, 그리고 목표물의 위치를 취득할 수 있다. 이외에도, 만약 장애물이 기타 운항중인 선박일 경우, 자동 식별 시스템을 통해서 기타 선박의 정보(선박 속도, 위치, 항행 방향, 그리고 선박 길이 등)를 취득할 수 있다.
상기 정보 취득 모듈(10)과 연결되는 중앙 처리 모듈(20)은 위에서 설명한 선박 정보, 최소한 한개 장애물의 정보 및 목표점 정보에 근거하고 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 항행 제어 지령을 생성한다. 여기서 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법은 도 1에서 설명한 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법일 수도 있고, 도 4에서 설명한 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법일 수도 있다. 상기 항행 제어 지령에는 운항 방향 제어 명령과 운항 속도 제어 명령이 포함된다.
상기 중앙 처리 모듈(20)과 연결되는 항행 제어 모듈(30)은 항행 제어 지령에 근거하여 선박 항행을 제어할 수 있다. 구체적으로 말하면, 항행 제어 모듈(30)에는 방향 제어 모듈(32)과 동력 추진 모듈(34)이 있다. 방향 제어 모듈(32)은 위에서 설명한 운항 방향 제어 명령을 수신하고, 동력 추진 모듈(34)은 운항 속도 제어 명령을 수신한다. 다시 말해서, 상기 중앙 처리 모듈(20)과 연결되는 방향 제어 모듈(32)은 운항 방향 제어 명령에 근거하여 선박의 항행 방형을 제어(타각 방향 변경)할 수 있다. 상기 중앙 처리 모듈(20)과 연결되는 동력 추진 모듈(34)은 운항 속도 제어 명령에 근거하여 선박의 항행 속도를 제어할 수 있다. 이렇게 하여 선박은 설정된 충돌 회피 노선을 따라 장애물을 회피할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 중앙 처리 모듈(20)은 프로그램화 가능한 논리 제어기(Programmable Logic Controller, PLC), 마이크로 제어기(Microcontroller Unit, MCU) 또는 그의 조합이다. 시스템 모듈 사이의 정보 전송과 연산 처리 후 제어 명령 발송을 수용하는 장치는 모두 보호 범위 안에 속하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 실시예에서, 상기 방향 제어 모듈(32)은 방향키, 전자 전향 시스템 또는 그의 조합이다. 이 모듈의 목적은 중앙 처리 모듈(20)의 명령을 받은 후 방향키의 각도를 조절하여 선박의 항행 방향을 제어하는 것이다. 상기 동력 추진 모듈(34)은 발전기, 엔진, 측면 추진기(측면 방향 추진기), 액셀러레이터, 배터리, 모터 또는 그의 조합이다. 이 모듈의 목적은 중앙 처리 모듈(20)의 명령을 받은 후 수출 동력의 크기를 조절하여 선박 항행 속도를 제어하는 것이다. 상기 배터리는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 리튬 인산철 배터리, 연료 배터리 또는 그의 조합이며, 동력 추진 모듈의 필요에 따라 설계할 수 있다. 동력 추진 모듈은 또한 하이브리드 동력 시스템일 수 있다. 선박에 배치된 태양열 패널, 돛 또는 파도가 구동시킬 수 있는 장치를 통해서 태양열, 풍력에너지, 파도 에너지 등 자주적 에너지를 수집하고 이러한 자주적 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 축전지에 저장해서 동력 추진 모듈의 동력원에 도움을 준다.
상기 정보 안전 모듈(40)은 침입 탐지 시스템(Intrusion-detection system, IDS)을 통해 무선 통신 전송을 모니터링하여 수상한 활동이나 선박 운항 규칙을 위반하는 행위가 있는지 검사한다. 수상한 점을 탐지하는 경우 경보를 울리거나 주동적 반응 조치를 채택한다. 신분 인증 시스템(Authentication)으로 신분 인증(예를 들어, 공유키 또는 생물학적 특징 입증)을 통과한 사용자만 선박과 통신할 수 있도록 권한을 부여하고, 방화벽 시스템(Firewall)을 외부 장치와 무선 통신 모듈 사이에 구축하고 미리 설정한 선박 보호 내용에 근거하여 들어오고 나가는 전송을 감시하고 부당한 외부 정보를 가로막거나, 화이트리스팅(Whitelisting) 시스템 또는 응용프로그램 화이트리스팅(Application Whitelisting)을 통해서 리스트에 명시된 모듈이나 응용프로그램을 수행하고 리스트에 명시되지 않은 응용프로그램의 수행을 허락하지 않는다. 다시 말해서, 정보 안전 모듈(40)은 충돌 회피 시스템 내부의 모든 모듈과 응용프로그램이 서로 정보를 전송하고 수행하는 것만 허락하며, 충돌 회피 시스템은 리스트에 포함되지 않은 모듈이나 응용프로그램이 나타나면 이를 수행하지 않고 즉시 경보를 울리고 화이트리스트를 통해서 제일선에서 격리를 취해 악성 프로그램이 침입하여 선박 운항을 방해하지 못하도록 보장한다.
본 발명은 장애물의 정지 및 운동 상태를 고려하고 좌표계에서의 선박과 장애물 사이의 절대 최단 거리를 검사 거리의 근거로 삼아 선박이 충돌 위험이 있는 장애물과 마주치는지 여부를 판단하고 선박이 장애물을 회피하게 한다. 이렇게 해서 선박은 항로에서 안정적이고 순조롭게 장애물을 회피하고 목표점을 향한 노선을 유지하게 된다. 이는 자율 운항 충돌 회피 영역에 믿을 수 있고 안전한 방법을 제공한다. 이외에, 본 발명의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 및 시스템은 장애물 회피 과정에서 선박의 속도와 운항 방향을 제어하는 동시에 부표나 잔교 등 정적인 장애물과 항로 중 기타 선박과 같은 동적 장애물에 대한 충돌 가능성을 대폭적으로 줄인다. 그리고 본 발명의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법 및 시스템은 쉽게 지체 없이 제어할 수 있고 계산량이 작기 때문에 자율 선박 충돌 회피 영역에서 큰 작용을 발휘할 수 있다.
위에서 설명한 내용은 본 발명의 보다 이상적인 실시예들일뿐이며 이러한 설명 내용으로 본 발명에 대한 실시예의 범위를 제한하지 말아야 한다. 명시된 실시예들과 동일한 효과를 지니는 변환과 치환은 본 창작의 범위에 속해야 하며, 본 발명의 보호 범위는 특허 청구 범위에 기재된 것을 준거로 해야 할 것이다.
1 선박 충돌 방지 시스템
10 정보 취득 모듈
20 중앙 처리 모듈
30 항행 제어 모듈
32 방향 제어 모듈
34 동력 추진 모듈
40 정보 안전 모듈
O 장애물
V, V' 선박
T 목표점
X 선박 위치
Xg 목표점 위치
Xg' 임시 목표점 위치
F att 목표점 인력
F rep 장애물 배척력
F ext 외부 작용력
F 1 첫째 합력
F 2 둘째 합력
L1, L2 선박 길이
Figure pat00081
c 협각
Figure pat00082
선박에서 최소한 한개 장애물까지의 가장 짧은 거리
Figure pat00083
최소한 한개 장애물이 생성하는 배척력의 가장 먼 거리
A 첫째 구역
B 둘째 구역
C 셋째 구역
D 넷째 구역
(S1)~(S6) 단계
(S11)~(S15) 단계

Claims (23)

  1. 선박정보, 최소한 한개 장애물 정보, 목표점 정보 취득을 위한 정보 취득 모듈, 정보 취득 모듈과 연결되는 한편 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 항행 제어 지령을 생성하는 중앙 처리 모듈, 및 중앙 처리 모듈과 연결되는 한편 항행 제어 지령에 근거하여 선박 항행을 제어하는 항행 제어 모듈을 구비한 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정보 취득 모듈은 이미지 수집 장치, 자세 감지 장치, 레이더 감지 장치, 라이다 감지 장치, 소나 감지 장치, 무선 포지셔닝 장치 또는 자동 식별 시스템(Automatic Identification System, AIS) 또는 그의 조합을 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중앙 처리 모듈은 프로그램화 가능한 논리 제어기(Programmable Logic Controller, PLC), 마이크로 제어기(Microcontroller Unit, MCU) 또는 그의 조합을 포한하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 항행 제어 모듈은 방향 제어 모듈과 동력 추진 모듈을 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방향 제어 모듈은 방향키, 전자 전향 시스템 또는 그의 조합을 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 동력 추진 모듈은 발전기, 엔진, 측면추진기, 액셀러레이터, 배터리, 모터 또는 그의 조합을 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    정보 안전 모듈이 제공되며, 정보 안전 모듈은 상기 중앙 처리 모듈 및 정보 취득 모듈과 연결되는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 정보 안전 모듈은 침입 탐지 시스템(Intrusion-detection system, IDS), 신분 인증 시스템(Authentication), 권한 부여 암호화된 시스템, 방화벽 시스템(Firewall), 화이트리스팅(Whitelisting) 또는 그의 조합을 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 시스템.
  9. (S1) 선박정보, 최소한 한개 장애물의 정보, 및 목표점 정보를 취득하는 단계,
    (S2) 취득한 선박 정보, 장애물 정보, 및 목표점 정보에 근거하여 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장이 있는 인공 포텐셜장을 구축하는 단계,
    (S3) 상기 목표점 인력 포텐셜장과 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장을 합쳐서 첫째 합력을 취득하는 단계,
    (S4) 상기 선박 정보 또는 장애물 정보에 근거하여 외부 작용력을 추가하는 단계
    (S5) 상기 첫째 합력과 외부 작용력을 합쳐서 둘째 합력을 취득하는 단계, 및
    (S6) 상기 선박은 둘째 합력 방향에 근거하여 항행해서 상기 최소한 한개의 장애물을 회피하는 단계를 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 선박 정보에는 선박의 속도, 위치, 항행 방향, 선박 길이 및 선박 너비가 포함되는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 장애물 정보에는 장애물의 이동 속도, 위치, 이동 방향, 장애물의 크기, 및 선박과의 거리가 포함되는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 목표점 정보에는 목표점의 위치 및 선박과의 거리가 포함되는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 인공 포텐셜장의 정의는
    Figure pat00084
    이며,
    이중에서
    Figure pat00085
    는 목표점 인력 포텐셜장을,
    Figure pat00086
    는 장애물 배척력 포텐셜장을 표시하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 목표점 인력 포텐셜장(
    Figure pat00087
    )의 정의는
    Figure pat00088
    이며,
    이중에서
    Figure pat00089
    는 상수 이득을,
    Figure pat00090
    는 선박의 위치를,
    Figure pat00091
    는 목표점의 위치를 표시하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 최소한 한개 장애물의 배척력 포텐셜장(
    Figure pat00092
    )의 정의는
    Figure pat00093
    이며,
    이중에서
    Figure pat00094
    는 상수 이득을,
    Figure pat00095
    은 영(0)보다 큰 임의의 수를,
    Figure pat00096
    는 선박의 위치를,
    Figure pat00097
    는 목표점 위치를,
    Figure pat00098
    는 선박에서 최소한 한개 장애물까지의 가장 짧은 거리를, 그리고
    Figure pat00099
    는 최소한 한개 장애물이 생성하는 배척력의 가장 먼 거리를 표시하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 첫째 합력의 정의는
    Figure pat00100
    이며,
    이중에서
    Figure pat00101
    는 목표점 인력을,
    Figure pat00102
    는 최소한 한개 장애물의 배척력을 표시하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 둘째 합력의 정의는
    Figure pat00103
    이며,
    이중에서
    Figure pat00104
    은 첫째 합력을,
    Figure pat00105
    는 외부 작용력을 표시하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  18. (S11) 선박의 충돌 회피 범위 내에 진입한 장애물이 있는지 탐지하며, 있는 경우 (S12) 단계를 수행하고 그렇지 않을 경우 선박의 항행 노선을 유지하는 단계,
    (S12) 상기 장애물이 정적 장애물인지 아니면 동적 장애물인지 판단하며, 정적 장애물일 경우 (S13) 단계를 수행하고, 동적 장애물일 경우에는 (S14) 단계를 수행하는 단계,
    (S13) 상기 선박은 첫째 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 상기 정적 장애물을 회피하는 단계,
    (S14) 상기 선박은 상기 동적 장애물과 가장 근접한 점의 시간(Time to the Closest Point of Approach, TCPA), 및 상기 동적 장애물과의 가장 인접한 점의 거리(Distance to the Closest Point of Approach, DCPA)에 기반하여 동적 장애물 회피를 시작해야 할지를 판단하는 단계, 및
    (S15) 상기 선박은 청구항 9의 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법으로 상기 동적 장애물을 회피하는 단계를 포함하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    (S14) 단계 뒤에 (S14a)가 있으며, 국제 해상 충돌 예방 규칙(COLREGS)에 근거하여 동적 장애물과 선박의 상대적 위치를 첫째, 둘째, 셋째, 넷째 구역으로 구분하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    (S14a) 단계 뒤에 (S14b) 단계가 있으며, 동적 장애물이 첫째 또는 둘째 구역에 소재할 경우, (S15) 단계를 수행하고 동적 장애물이 셋째 혹은 넷째 구역에 소재할 경우 선박의 항행 노선을 유지하는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 첫째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 345°에서 15°까지, 둘째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 15°에서 112.5°까지, 셋째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 112.5°에서 247.5°까지, 및 넷째 구역은 충돌 회피 범위 둘레 112.5°에서 247.5°까지인 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  22. 청구항 18에 있어서,
    상기 동적 장애물과의 가장 인접한 점의 거리가 안전 범위 한계 값보다 작을 경우 동력 장애물 회피를 시작하며, 안전 범위 한계 값은 선박 길이, 선박 속도 또는 장애물 속도에 의해 결정되는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 한계 값은 외부 매개 변수의 영향을 받으며, 외부 매개 변수에는 선박 크기 또는 선박과 동적 장애물의 상대적 속도가 포함되는 인공 포텐셜장에 기반한 선박 충돌 회피 방법.
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