KR20230021122A - 선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

Info

Publication number
KR20230021122A
KR20230021122A KR1020237000667A KR20237000667A KR20230021122A KR 20230021122 A KR20230021122 A KR 20230021122A KR 1020237000667 A KR1020237000667 A KR 1020237000667A KR 20237000667 A KR20237000667 A KR 20237000667A KR 20230021122 A KR20230021122 A KR 20230021122A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
foil
wheel
torque
actual
receiving
Prior art date
Application number
KR1020237000667A
Other languages
English (en)
Inventor
빈 리우
벨리-페카 펠리오
페테르 프란손
아르네 트랑아르드
웨이 지
윈스턴 가르시아-가빈
카테리나 미셴코
야리 키벨레
카이 카릴라
마티 키비오야
Original Assignee
에이비비 오와이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이비비 오와이 filed Critical 에이비비 오와이
Publication of KR20230021122A publication Critical patent/KR20230021122A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/04—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction
    • B63H1/06—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades
    • B63H1/08—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment
    • B63H1/10—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/04—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction
    • B63H1/06—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades
    • B63H1/08—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment
    • B63H1/10—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body
    • B63H2001/105—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body with non-mechanical control of individual blades, e.g. electric or hydraulic control

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)

Abstract

선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램. 추진은 포일 휠 추진 시스템에 의해 구현된다. 방법은 휠 구동부로부터 휠 동작 상태를 수신하는 단계(602); 복수의 포일 구동부로부터 복수의 포일 동작 상태를 수신하는 단계(604); 선박 제어 시스템으로부터 명령을 수신하는 단계(606); 휠 동작 상태를 고려하여 명령에 기초하여 포일 휠 추진 시스템의 포일 피치 함수를 제어하기 위해 휠 구동부를 위한 휠 제어 데이터를 생성하는 단계(608); 및 휠 동작 상태 및 복수의 포일 동작 상태를 고려하여 명령에 기초하여 포일 휠 추진 시스템의 포일 피치 함수를 추가로 제어하기 위해 복수의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(610)로서, 각각의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크는 포일 피드포워드 모델을 사용하여 생성되는, 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(612)를 포함한다.

Description

선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램
다양한 실시예는 선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 선박의 추진을 제어하기 위한 방법 및 선박의 추진을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드에 관한 것이다.
포일 휠 추진 시스템(foil wheel propulsion system)은 중심 주위의 포일의 고정된 지점의 회전과 시간에 걸쳐 그 받음각을 변경하는 포일의 진동의 조합된 작용에 의해 추력을 발생시킨다. 이러한 추진 시스템의 일부 구현예는 또한 사이클로로터(cyclorotor), 트로코이드 프로펠러(trochoidal propeller), 또는 보이스-쉬나이더 프로펠러(Voith-Schneider propeller)(VSP)로서 알려져 있다. 전통적으로, 휠(또는 로터)은 회전하고, 휠에 부착된 포일(또는 블레이드)은 휠의 회전과 포일의 회전 사이의 기계적 커플링으로 인해 그 받음각을 변화시킨다.
DE 10060067 A1은 각각의 포일이 로터의 조정과는 독립적으로 개별적으로 조정가능한 시스템을 개시하고 있다.
EP 2944556B1은 디스크 회전 및 독립적인 블레이드 회전을 제어하기 위해 다양한 입력을 사용하는 제어 맵 또는 알고리즘을 개시한다.
그러나, 포일 휠 추진 시스템의 제어에 있어서 더욱 정교한 것이 바람직하다.
일 양태에 따라, 독립 청구항의 대상이 제공된다. 종속 청구항은 일부 실시예를 규정한다.
구현예의 하나 이상의 예가 첨부 도면 및 실시예의 설명에서 더 구체적으로 기술된다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 일부 실시예를 설명할 것이다.
도 1 및 도 2는 선박의 추진을 제어하기 위한 장치의 실시예를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 포일 휠 추진 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4는 포일 경로의 실시예를 도시한다.
도 5는 선박의 추진을 제어하기 위한 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 선박의 추진을 제어하기 위한 방법의 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7, 도 8 및 도 9는 선박의 추진을 제어하기 위한 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 포일 휠 추진 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
이하의 실시예는 단지 예이다. 명세서는 여러 위치에서 "하나의" 실시예를 언급할 수 있지만, 이는 그러한 각각의 언급이 동일한 실시예(들)에 대한 것이라는 것 또는 그 특징이 단일 실시예에만 적용된다는 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 상이한 실시예의 단일 특징이 다른 실시예를 제공하도록 조합될 수도 있다. 또한, "포함하는" 및 "갖는"이라는 단어는, 설명된 실시예를 언급된 특징만으로 이루어지는 것으로 제한하지 않는다는 것 그리고 그러한 실시예가 구체적으로 언급되지 않은 특징/구조를 또한 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
실시예의 설명 및 청구항 양자 모두에서 참조 부호는 도면을 참조하여 실시예를 설명하기 위한 역할을 하고, 실시예를 이러한 예만으로 제한하지 않는다.
독립 청구항의 범위 내에 있지 않은, 이하의 설명에서 개시된 실시예 및 특징은, 존재한다면, 본 발명의 다양한 실시예를 이해하는데 있어서 유용한 예로서 해석되어야 한다.
선박(102)의 추진을 제어하기 위한 장치(100)의 실시예를 도시하는 도 1, 도 2 및 도 5와, 선박(102)의 추진을 제어하기 위한 방법의 실시예를 도시하는 도 6을 동시에 검토한다. 방법은, 특수 목적 컴퓨터로서의 장치(100)에 의해 실행되는, 컴퓨터 프로그램 코드(504)로서 프로그래밍되는 알고리즘(526)으로서 구현될 수 있다.
장치(100)는 선박 제어 시스템(106)과 커플링될 수 있는 선박 인터페이스(506)를 포함한다. 선박 제어 시스템(106)은 사용자 인터페이스(108)를 통해 선원(110)과 상호작용할 수 있다. 선원(110)은 승무원으로서 선박(102)을 항행하거나 보조하는 사람일 수 있다: 선장, 항해사, 장교, 당직 사관, 조타수, 또는 다른 갑판 승무원, 또는 심지어 파일럿. 사용자 인터페이스(108)는 선원(110)에 대한 그래픽, 텍스트 및 가능하게는 또한 청각 정보의 표현을 구현한다. 사용자 인터페이스는 추진 및 조향 명령을 제공하는 것과 같이 선박(102)을 조종하는 것과 관련하여 필요한 사용자 동작을 수행하는 데 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스는 방향타, 디스플레이, 키보드, 키패드, 버튼, 레버, 스위치, 커서를 포커싱하기 위한 수단(마우스, 트랙볼, 화살표 키, 터치 감응 영역 등), 오디오 제어를 가능하게 하는 요소 등과 같은 다양한 기술로 실현될 수 있다. 추진 및 조향 명령은 예를 들어 방향타 피치, 구동 피치 및 회전(revolution)에 관련될 수 있다.
장치(100)는 또한 포일 휠 추진 시스템(104)을 제어하기 위한 제어 인터페이스(508)를 포함한다.
포일 휠 추진 시스템(104)은 회전가능한 휠(204) 및 휠(204)에 수직으로 부착되는 복수의 회전가능한 포일(214A, 214B, 214C, 214D)을 포함한다.
도 3a에 도시되는 바와 같이, 휠(204)은 선박(102)의 바닥에 대해 실질적으로 평행한 실질적 수평 레벨에서 회전하도록 구성될 수 있고, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 실질적 수직 레벨에서 회전하도록 구성된다. 일 실시예에서, 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 개수는 4개이지만, 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 개수는 더 적거나(예를 들어, 2개) 더 많은 포일(214A, 214B, 214C, 214D)이 존재하도록 변할 수 있다. 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 휠(204)의 회전축 주위에 대칭적으로 배치될 수 있다. 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대해, 휠(204)의 회전 축에 관련된 편심률은 포일 피치 함수(532)에 의해 조정될 수 있다.
도 3b에 도시되는 바와 같이, 휠(204)은 선박(102)의 바닥에 대해 실질적으로 수직인 실질적 수직 레벨에서 회전하도록 대안적으로 구성될 수 있고, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 실질적 수평 레벨에서 회전하도록 구성된다.
회전가능한 휠(204)은 휠 모터(202)에 의해 동력을 공급받고 휠 제어기(200)에 의해 제어된다.
각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 포일 모터(212A, 212B, 212C, 212D)에 의해 동력을 공급받고 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)에 의해 제어된다.
일 실시예에서, 각각의 모터(212A, 212B, 212C, 212D)는 전기 모터이고, 각각의 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)는 모터(202, 212A, 212B, 212C, 212D)에 전송되는 전기 에너지의 제어기이다. 일 실시예에서, 각각의 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)는 ABB HES880 이동식 구동부와 같은 인버터이다.
일 실시예에서, 휠 모터(202)는 전기 모터이고, 휠 제어기(200)는 전기 모터(202)에 전송되는 전기 에너지를 제어하도록 구성되는 휠 구동부이다. 일 실시예에서, 휠 구동부(200)는 ABB ACS600 구동부와 같은 인버터이다.
일 실시예에서, 휠 모터(202)는 엔진(114)이며, 휠 제어기(200)는 엔진(114)을 전기적으로 제어하도록 구성된다. 휠 제어기(200)는, 예를 들어 엔진(202, 114)의 속도(RPM)를 변경하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 하나 이상의 기어박스(112)(직렬로 연결됨)는 기계적 동력을 엔진(114)으로부터 휠(204)에 전달하도록 구성된다.
당연히, 전기 모터(202, 212A, 212B, 212C, 212D)에 의해 소비되는 전기 에너지는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 디젤 모터 또는 휘발유 엔진과 같은 하나 이상의 엔진, 및/또는 재생가능 전기 에너지원, 발전소, 또는 배터리 세트 및/또는 (수퍼)커패시터 세트 같은 전기 에너지 저장소(116)와 같은 하나 이상의 다른 유형의 전기 에너지원을 포함하는, 선박(102)에서 사용가능한 임의의 적절한 기술에 의해 생성될 수 있다. 당연히, 엔진(114) 또는 발전소는 전기 에너지 저장소(116)에 저장되는 전기 에너지를 생성하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 휠 모터(202)는 적합한 휠 제어기(200)에 의해 제어되는 엔진(114)(예를 들어, 디젤 모터)인 반면, 포일 모터(212A, 212B, 212C, 212D)는 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)에 의해 제어되는 전기 모터이다. 엔진(114)은 (연료 소비율(Specific Fuel Oil Consumption) 또는 SFOC의 관점에서) 최적의 속도로 동작될 수 있고, 포일 피치 함수(532)의 설명된 제어는 엔진(114) 속도를 조정하는 대신에 필요한 추력을 조정하는 데 사용될 수 있다. 이는 동력 인출/동력 인입(PTO/PTI), 에너지 저장소 등을 갖는 하이브리드 추진의 경우에 다수의 구성을 가능하게 한다. 예를 들어, 더 작은 추진 동력 동안, 엔진(114)은 배터리(116)를 충전하기 위해 사용된다. 피드포워드 제어는 엔진 동력식 휠(204)의 경우에 필요한 휠(204) 속도(rpm)를 계산하고 기준 휠 속도를 엔진(114)의 제어에 전송할 수 있다.
또한, 포일 휠 추진 시스템(104)은 휠(204)의 실제 각도 휠 위치를 측정하기 위한 휠 센서(206) 및 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 각도 포일 위치를 측정하기 위한 복수의 포일 센서(216A, 216B, 216C, 216D)를 포함한다.
포일 휠 추진 시스템의 운동학은 수학식 1로 정의될 수 있다:
Figure pct00001
, (1)
여기서,
λ는 절대 전진 계수이고,
va는 선박 속도이고,
ω는 휠의 회전율(rotation rate)이며,
R은 휠의 반경이다.
각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 궤적은 도 4에 도시되는 트로코이드(410, 412, 414)에 의해 설명될 수 있다. 트로코이드(410, 412, 414)는 직선(408)을 따라 구를 때 원(400) 상의 고정 지점에 의해 그려지는 룰렛(roulette)(곡선)이다. 지점(406)이 원(400) 외측에 있는 경우, 장형 트로코이드(410)가 그려진다. 지점(404)이 원(400) 상에 있는 경우, 일반적인 트로코이드(412)가 그려진다. 지점(402)이 원(400) 내부에 있는 경우, 단축된 트로코이드(414)가 그려진다.
일 실시예에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 λ<1이고 에피사이클로이드 궤적이라고도 지칭될 수 있는 장형 트로코이드(410)를 따라 또는 λ>1이고 트로코이드 궤적이라고도 지칭될 수 있는 단축된 트로코이드(414)를 따라 전파되도록 구성된다.
도 1은 하나의 포일 휠 추진 시스템(104)만을 도시하고 있지만, 선박(102)은 또한 하나 이상의 부가적인 포일 휠 추진 시스템(104), 및 또한 하나 이상의 다른 유형의 추진 시스템을 포함할 수 있다는 것에 유의한다. 일 실시예에서, 장치(100)는 시스템 성능을 더 최적화하기 위해 하나 초과의 포일 휠 추진 시스템(104)을 중앙 제어한다.
장치는 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 포함하는 하나 이상의 메모리(502)와, 장치(100)가 선박(102)의 추진을 제어하기 위한 알고리즘(526)으로서의 방법을 수행하게 하기 위해 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 실행하는 하나 이상의 프로세서(500)를 포함한다.
'프로세서'(500)라는 용어는 데이터를 처리할 수 있는 디바이스를 지칭한다. 필요한 처리 능력에 따라서, 장치(100)는 병렬 프로세서, 다중코어 프로세서, 또는 여러 물리적 컴퓨터 유닛으로부터의 자원을 동시에 이용하는 컴퓨팅 환경(종종, 이들은 클라우드, 포그 또는 가상 컴퓨팅 환경으로 지칭된다)과 같은 여러 프로세서(500)를 포함할 수 있다. 프로세서(500)의 구현을 설계할 때, 해당 분야의 통상의 기술자는 예를 들어 장치(100)의 크기 및 전력 소비, 필요한 처리 용량, 생산 비용, 및 생산 체적을 위해서 설정된 요건을 고려할 것이다.
'메모리'(502)라는 용어는 데이터를 런-타임으로(= 작업 메모리) 또는 영구적으로(= 비휘발성 메모리) 저장할 수 있는 디바이스를 지칭한다. 작업 메모리 및 비휘발성 메모리는 RAM(랜덤 액세스 메모리), DRAM(동적 RAM), SRAM(정적 RAM), 플래시 메모리, SSD(솔리드 스테이트 디스크), PROM(프로그래밍가능 판독 전용 메모리), 적합한 반도체, 또는 전기 컴퓨터 메모리를 구현하는 임의의 다른 수단에 의해 구현될 수 있다.
프로세서(500) 및 메모리(502)를 위한 구현 기술의 비배타적인 목록은, 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 논리 구성요소, 표준 집적 회로, ASIC(주문형 집적 회로), SoC(시스템 온 칩), ASSP(주문형 표준 제품), 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서, 특수-목적 컴퓨터 칩, FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 및 다른 적합한 전자 구조를 포함한다.
컴퓨터 프로그램 코드(504)는 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 소프트웨어는 적합한 프로그래밍 언어로 작성될 수 있고, 생성된 실행가능 코드는 메모리(502) 내에 저장될 수 있고 프로세서(500)에 의해 실행될 수 있다.
실시예는, 하나 이상의 프로세서(500) 내로 로딩되고 하나 이상의 프로세서(500)에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서(500)가 도 6을 참조하여 설명되는 알고리즘/방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체(510)를 제공한다. 컴퓨터 판독가능 매체(510)는 적어도 다음을 포함할 수 있다: 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 하나 이상의 프로세서(500), 기록 매체, 컴퓨터 메모리, 판독 전용 메모리, 전기 캐리어 신호, 원격 통신 신호, 및 소프트웨어 분산 매체에 전달할 수 있는 임의의 개체 또는 디바이스. 일부 사법권에서, 법률 및 특허 관행에 따라, 컴퓨터 판독가능 매체(510)는 원격 통신 신호가 아닐 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독가능 매체(510)는 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독가능 매체(510)는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다.
컴퓨터 프로그램 코드(504)는 선박(102)의 추진을 제어하기 위한 알고리즘(526)을 구현한다. 컴퓨터 프로그램 코드(504)는, 예를 들어, C, C++, 또는 Java와 같은 고급 프로그래밍 언어, 또는 기계 언어, 또는 어셈블러와 같은 저급 프로그래밍 언어일 수 있는, 프로그래밍 언어를 이용하는 컴퓨터 프로그램(또는 소프트웨어)으로서 코딩될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 코드(504)는 소스 코드 형태, 객체 코드 형태, 실행가능 파일, 또는 일부 중간 형태일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 구조화하는 다수의 방식이 존재한다: 동작은 소프트웨어 설계 방법론 및 사용되는 프로그래밍 언어에 따라 모듈, 서브 루틴, 방법, 클래스, 객체, 애플릿, 매크로 등으로 분할될 수 있다. 현대의 프로그래밍 환경에서, 매우 다양한 표준 동작을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 코드(504)에 의해 이용될 수 있는 소프트웨어 라이브러리, 즉 이미 만들어진 함수의 컴파일이 존재한다. 또한, 운영 체제(범용 운영 체제 같은 것)는 컴퓨터 프로그램 코드(504)에 시스템 서비스를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 프로세서(500)는 집적 회로 상에 중앙 처리 유닛(CPU)의 기능을 구현하는 하나 이상의 마이크로프로세서로서 구현될 수 있다. CPU는 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 실행하는 논리 기계이다. CPU는 일련의 레지스터, 산술 논리 유닛(ALU) 및 제어 유닛(CU)을 포함할 수 있다. 제어 유닛은 (작업) 메모리(502)로부터 CPU로 전송된 컴퓨터 프로그램 코드(504)의 시퀀스에 의해 제어된다. 제어 유닛은 기본 동작을 위한 다수의 마이크로명령어를 포함할 수 있다. 마이크로명령어의 구현은 CPU 설계에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 장치(100)는 도 1에 도시되는 바와 같이 독립형 장치(100)일 수 있는데, 즉, 장치(100)는 선박 제어 시스템(106) 및 포일 휠 추진 시스템(104)과는 별개의 개별 통합 유닛이다.
그러나, 대안적인 실시예에서, 장치(100)의 구조의 적어도 일부가 다른 장치와 더 많이 또는 더 적게 분배될 수 있다. 일 실시예에서, 장치(100) 기능은 도 2에 도시되는 작동기 내에 분배된다. 결과적으로, 장치(100)는 독립형 장치(100) 내에서 및/또는 휠 제어기(200) 내에서 및/또는 하나 이상의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D) 내에서 구현될 수 있다. 이러한 방식에서, 분배된 처리 능력이 실제 구현예에 의해서 가능해지는 바와 같이 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 장치(100)는 통신 네트워크를 통해 접근가능한 네트워킹된 서버 장치이다. 네트워킹된 서버 장치(100)는 클라이언트-서버 아키텍처, 클라우드 컴퓨팅 아키텍처, 피어-투-피어 시스템, 또는 다른 적용가능한 컴퓨팅 아키텍처에 따라 선박 제어 시스템(106) 및 포일 휠 추진 시스템(104)과 상호동작하는 네트워킹된 컴퓨터 서버일 수 있다.
작동기(100, 104, 106, 108) 사이의 통신은 산업용 제어 버스, 이더넷, 블루투스, 저에너지 블루투스, Wi-Fi, WLAN, 지그비(Zigbee) 등과 같은 적합한 표준/사유 무선/유선 통신 프로토콜로 구현될 수 있다.
이제 도 6을 참조하여 알고리즘/방법을 검토한다.
방법은 600에서 시작하고 616에서 종료한다. 방법은 동작 610으로부터 다시 동작 602로 루핑(614)함으로써 필요한 만큼 (장치(100)의 시동 후 스위칭 오프까지) 실행될 수 있다는 것에 유의한다.
동작은 엄밀히 도 6의 시간 순서가 아니며, 동작 중 일부는 동시에 또는 주어진 것과 다른 순서로 수행될 수 있다. 예를 들어, 동작(602, 604, 606)은 상이한 순차적인 순서로 또는 심지어 병렬로 실행될 수 있다. 다른 기능이 또한 동작 사이에서 또는 동작 내에서 실행될 수 있으며 다른 데이터가 동작 사이에서 교환될 수 있다. 또한 동작 중 몇몇 또는 동작의 일부는 생략될 수 있거나 대응하는 동작 또는 동작의 일부에 의해서 대체될 수 있다. 처리 순서에 대한 논리적 요건으로 인해서 필요한 경우를 제외하고, 특별한 동작 순서가 요구되지 않는다는 것에 유의해야 한다.
602에서, 휠 제어기(200)로부터 휠 동작 상태(520)가 수신된다.
604에서, 복수의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)로부터 복수의 포일 동작 상태(522)가 수신된다.
606에서, 선박 제어 시스템(106)으로부터 명령(524)이 수신된다.
608에서, 휠 동작 상태(520)를 고려하여 명령(524)에 기초하여 포일 휠 추진 시스템(104)의 포일 피치 함수(532)를 제어하기 위해 휠 제어기(200)를 위한 휠 제어 데이터(528)가 생성된다.
610에서, 휠 동작 상태(520) 및 복수의 포일 동작 상태(522)를 고려하여 명령(524)에 기초하여 포일 휠 추진 시스템(104)의 포일 피치 함수(532)를 추가적으로 제어하기 위해서 복수의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530)가 생성된다. 610의 일부로서, 612에서, 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크가 포일 피드포워드 모델을 사용하여 생성된다.
본 명세서에서, "기준"은 설정되는(또는 희망하는) 제어 파라미터값에 대해서 사용되는 표기인 반면, "실제"는 측정되는 제어 파라미터값에 대해서 사용된다는 것에 유의한다.
포일 피드포워드 모델은 제어의 특성을 지칭한다: 선박 제어 시스템(106)으로부터의 명령(524)은 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 부하가 어떻게 반응하는지에 응답하지 않고 포일 피치 함수(532)의 사전규정된 제어를 야기한다. 제어는 수학적 모델 형태의 포일 피치 함수(532)에 관한 지식 및 교란에 관한 지식에 기초한다. 그러나, 피드백은 휠 동작 상태(520) 및 복수의 포일 동작 상태(522)의 사용에 의해 구현된다. 휠 동작 상태(520)는 휠(204)에 대한 (설정된) 기준 제어 파라미터값 및 (측정된) 실제 제어 파라미터값을 포함할 수 있다. 포일 동작 상태(522)는 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 (설정된) 기준 제어 파라미터값 및 (측정된) 실제 제어 파라미터값을 포함할 수 있다. 휠(204)의 제어는 휠 피드포워드 모델에 의해 구현될 수 있다는 것에 유의한다.
고성능(예를 들어, 고효율, 고추력 등) 동작을 달성하기 위해, 포일 휠 추진 시스템(104)은 높은 정확도로 미리규정된 포일 피치 함수(532)를 따를 필요가 있다. 그러나, 포일 휠 추진 시스템(104)의 운동 제어를 어렵게 만드는 몇 가지 문제가 있다. 첫 번째로, 포일 피봇 지점은 통상적으로 포일 주 관성축과 정렬되지 않는다. 이러한 오정렬 및 휠 회전으로 인해 원심 토크가 유도될 것이다. 두 번째로, 다수의 고효율 포일 피치 함수(532)는 포일 운동에 대한 높은 가속도 및 높은 가속도 변화율을 요구하는데, 이는 포일 모터(212A, 212B, 212C, 212D) 및 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)가 달성하기 어렵다. 세 번째로, 에피사이클로이드 궤적(410)(예를 들어, VSP에 의해서 이용됨)과 같은 일부 포일 피치 함수(532)에 대해, 포일 회전 속도는 회전 방향을 변화시키고, 이는 포일 모터(212A, 212B, 212C, 212D)가 마찰 토크를 보상할 필요가 있다는 것을 의미한다. 이러한 문제에 추가하여, 포일(214A, 214B, 214C, 214D) 상에 인가되는 유체역학적 부하가 또한 포일 피치 함수 추적 에러를 생성할 것이다. 특정 포일 피치 함수(532)를 따르는 에러는 프로펠러 성능 저하, 휠 모터 토크 증가 및 효율 감소로 이어질 것이다.
도 6의 장치(100) 및 방법은 포일 모터(212A, 212B, 212C, 212D)에 의해 동력을 공급받는 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 운동 제어 구성 방법을 구현한다. 장치(100)는 (더 높은 레벨의) 선박 제어 시스템(106)으로부터 명령(524)(추력 명령 또는 추진과 관련된 다른 유형의 명령)을 수신하고, 포일 동작 상태(522) 및 휠 동작 상태(520)를 수집하며, 그 후 포일 피치 함수(532)를 제어하기 위해 모든 개별 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530) 및 휠 제어기(200)를 위한 휠 제어 데이터(528)를 생성한다. 모든 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 위치 제어 모드에 있을 수 있고, 휠(204)은 속도 제어 모드 또는 위치 제어 모드에 있을 수 있다. 모든 포일(214A, 214B, 214C, 214D)을 위치 제어 모드로 제어하는 것은 포일 피치 함수(532)의 정밀한 제어를 가능하게 한다. 속도 모드로 휠(204)을 제어하는 것은 간단한 해결책인 반면, 위치 제어 모드로 휠(204)을 제어하는 것은 예를 들어 일부 추가 함수, 측력 보상(side force compensation)을 가능하게 할 수 있다. 포일 휠 추진 시스템(104)이 통합 유닛으로서 제어됨에 따라, 최적의 시스템 성능(효율, 추력 등에 관함)이 달성된다. 제어는 또한 1개 이상의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)이 고장 모드에 있는 경우에도 시스템 동작 성능을 유지하는 것 같은 추가의 기능을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 기준 토크는 다음과 같이 생성된다(612).
620에서, 실제 각도 휠 위치는 휠 동작 상태(520)의 일부로서 수신된다. 622에서, 실제 휠 속도가 휠 동작 상태(520)의 일부로서 수신되거나, 또는 대안적으로 630에서, 실제 휠 속도가 복수의 실제 각도 휠 위치에 기초하여 생성된다. 624에서, 기준 각도 포일 위치가 포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대해 수신된다. 626에서, 기준 포일 속도가 포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대해 수신된다. 628에서, 기준 포일 가속도가 포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대해 수신된다.
612에서, 피드포워드 모델을 사용하여 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530)의 기준 토크가 생성되고, 피드포워드 모델의 입력은 실제 각도 휠 위치, 기준 각도 포일 위치, 실제 휠 속도, 기준 포일 속도, 및 기준 포일 가속도이다. 기준 토크는 기준 각도 포일 위치와 실제 각도 포일 위치 사이의 토크 차이를 설명하는 위치 피드백 토크에 의해 그리고 기준 포일 속도와 실제 포일 속도 사이의 토크 차이를 설명하는 속도 피드백 토크에 의해 수정된다.
각각의 포일에 대한 기준 각도 위치(θ포일_i_기준)은 식 2로 정의될 수 있다:
Figure pct00002
, (2)
여기서, 상수는 다음과 같이 정의되고:
N = 휠 당 포일의 개수,
i = 휠 회전 방향을 따른 포일의 인덱스,
센서 측정 신호는:
θ휠 = 실제 각도 휠 위치(0 내지 360도),
θ포일_i_실제 = 제i 포일의 실제 각도 위치(0 내지 360도)이고,
제어 명령은:
ec = 기준 편심률,
ψ = 기준 요 각도, 및
τi_피드포워드 = 제i 포일에 대한 토크 피드포워드 명령이다.
제i 포일 모터에 대한 기준 토크(τi_총)는 식 3으로 정의될 수 있다.
Figure pct00003
, (3)
여기서,
τi_위치_피드백 = 제i 포일에 대한 위치 피드백 제어로부터의 토크값,
τi_속도_피드백 = 제i 포일에 대한 속도 피드백 제어로부터의 토크값,
τi_피드포워드 = 제i 포일에 대한 피드포워드 보상으로부터의 토크값,
Ω휠 = 실제 휠 속도(분당 회전수),
Ω포일_i_실제 = 제i 포일에 대한 기준 포일 속도,
Ω포일_i_기준 = 제i 포일에 대한 기준 포일 속도, 및
a포일_i_기준 = 제i 포일에 대한 기준 포일 가속도이다.
모델-기반 토크 피드포워드 보상을 채용하는 전술한 실시예는 원심 토크, 가속 토크, 마찰 토크 및 유체역학적 토크를 보상하기 위한 정확한 토크값을 제공하며, 이들 모두는 피드백 제어가 실현되기 어렵다.
이러한 실시예는 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D) 내에서 적어도 2개의 상이한 선택지로 배치될 수 있다. 제1 선택지에서, 외부 토크 제어 모드가 사용된다. 위치 루프, 속도 루프 및 피드포워드 계산이 장치(100)에서 수행된다. 위치 루프, 속도 루프 및 피드포워드값의 합이 토크 기준으로서 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)로 보내진다. 제2 선택지에서, 속도 제어기 모드가 사용된다. 속도 제어는 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D) 내에서 실행된다. 위치 제어 및 피드포워드 계산은 장치(100)에서 수행된다. 위치 루프와 피드포워드값의 합은 외부 토크 기준으로서 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)에 전송된다. 제2 선택지는 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D) 자원을 이용하고, 장치(100)에 대한 부하 및 장치(100)와 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D) 사이의 통신을 감소시킨다.
도 7 및 도 8을 참조하여 도시되는 일 실시예에서, 기준 토크는 다음과 같이 생성된다(612).
602에서, 실제 각도 휠 위치는 휠 동작 상태(520)의 일부로서 수신된다. 632에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 실제 각도 포일 위치가 포일 동작 상태(522)의 일부로서 수신된다. 634에서, 실제 포일 속도가 포일 동작 상태(522)의 일부로서 수신되거나, 대안적으로, 636에서, 실제 포일 속도는 복수의 실제 각도 포일 위치에 기초하여 생성된다. 638에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 실제 포일 토크가 포일 동작 상태(522)의 일부로서 수신된다. 640에서, 하나 이상의 파라미터가 포일 피치 함수(532)로부터 수신된다.
642, 644, 646에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도(810), 기준 각도 포일 위치(812) 및 기준 포일 가속도(814)가 실제 각도 휠 위치 및 하나 이상의 파라미터에 기초하여 생성된다.
612에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 토크(820)는 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도(810), 기준 각도 포일 위치(812), 및 기준 포일 가속도(814)에 기초하여 생성된다.
648에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 토크(820)의 조정(648)은 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 포일 토크(822)에 기초하여 조정된다.
선택적으로, 650에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도(810)는 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 포일 속도(816)에 기초하여 조정된다.
선택적으로, 652에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 각도 포일 위치(812)는 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 각도 포일 위치(818)에 기초하여 조정된다.
선택적으로, 654에서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 가속도(814)는 가속도 피드포워드 모델(804)을 사용하여 조정된다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 포일 피치 함수(532)는 휠 제어기(200)를 위해 그리고 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)의 추진 제어(700, 702)에 하나 이상의 파라미터(설정된 피치 함수 파라미터 같은 것)를 제공한다.
일 실시예에서, 추진 제어는 2개의 기능 블록: 운동 기준 생성 블록(700) 및 포일 운동 제어 블록(702)으로 분할될 수 있다. 이들 블록은 도 8에 더 상세히 도시되어 있다.
운동 기준 생성 블록(700)은 포일 피치 함수(532)로부터 하나 이상의 파라미터를 수신하고, 실제 각도 휠 위치(θ휠)에 기초하여, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 각도 포일 위치(θ포일_기준), 기준 포일 속도(Ω포일_기준) 및 기준 포일 가속도(a포일_기준)를 생성한다.
포일 피치 함수(532)(즉, 운동 기준)는 트로코이드 함수, 사이클로이드 함수, 사인곡선 함수, 스플라인 함수 또는 임의의 다른 유형의 적합한 주기 함수일 수 있다.
포일 피치 함수(532)의 주기는 실제 각도 휠 위치(θ휠)에 기초한다. 모든 회전(revolution)은 하나의 주기이다. 휠(204)은 또한 하나 이상의 파라미터에 기초하여 회전한다. 휠(204)에 대한 하나 이상의 파라미터는 예를 들어 회전 속도 또는 각도 위치의 스트리밍일 수 있다.
예를 들어, 포일 피치 함수(532)가 트로코이드 함수 또는 사이클로이드 함수인 경우, 하나 이상의 파라미터는 기준 휠 속도(Ω휠_기준), 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 편심률(ec) 및 요 각도(ψ)의 조합일 수 있다. 실제 각도 휠 위치(θ휠)에 기초하여, 운동 기준 생성 블록(700)의 출력, 기준 각도 포일 위치(θ포일_기준), 기준 포일 속도(Ω포일_기준) 및 기준 포일 가속도(a포일_기준)는 식 4, 5 및 6으로 정의될 수 있다:
Figure pct00004
(4)
Figure pct00005
(5)
Figure pct00006
, (6)
여기서,
Se는 편심률의 부호이다.
포일 운동 제어 블록(702)은 기준 각도 포일 위치(θ포일_기준), 기준 포일 속도(Ω포일_기준) 및 기준 포일 가속도(a포일_기준)를 수신하고, 실제 각도 포일 위치(θ포일_실제), 실제 포일 속도(Ω포일_실제) 및 실제 토크(τ실제)(또는 모터 전류)에 기초하여 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 기준 토크(τ기준)를 생성한다. 블레이드 운동 제어 블록(702)은 도 8에 도시되는 바와 같이 장치(100) 내에서 중앙식으로 구현될 수 있지만, 이는 또한 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D) 내에서 분산 방식으로 구현될 수도 있다.
일 실시예에서, 포일 운동 제어 블록(702)은 위치 제어 루프(818, 802), 속도 제어 루프(816, 800), 가속도 피드포워드(804) 및 토크 제어 루프(822, 806)를 포함한다. 위치 제어 루프(818, 802) 및 속도 제어 루프(816, 800)는 도 8에 도시되는 바와 같이 병렬로 연결될 수 있지만, 이들은 또한 직렬로 연결될 수도 있다. 이들 2개의 루프(818, 802 및 816, 800)의 출력은 입력 기준 토크를 설정하기 위해 가속도 피드포워드(804)와 함께 토크 제어 루프(822, 806)에 가산된다.
위치 제어 루프(818, 802) 및 토크 제어 루프(822, 806)는 폐쇄 피드백 루프일 수 있다. 가속도 피드포워드(804)는 개방 루프일 수 있다. 속도 제어 루프(818, 800)는 도 8에 도시되는 바와 같이 폐쇄 피드백 루프일 수 있지만, 이는 또한 개방 루프일 수도 있다. 폐쇄 제어 루프의 목적은 기준 신호와 실제 신호 사이의 에러를 최소화하는 것이다. 폐쇄 제어 루프에 사용되는 제어기는 PID(비례-적분-미분) 제어기, PI(비례-적분) 제어기, P(비례) 제어기, LQR(선형-이차 조절기) 제어기, 또는 임의의 다른 유형의 적합한 피드백 제어기일 수 있다.
도 9를 참조하여 도시되는 실시예에서, 기준 토크는 다음과 같이 생성된다(612).
656에서, 2차 미분(900)이 토크 보상 명령(910)을 생성하기 위해 포일 피치 함수(532)에 적용된다.
658에서, 토크 보상 명령은 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)에 대한 포일 제어 데이터(530)의 기준 토크(910)를 생성하기 위해 토크 보상 상수와 곱해진다.
계산에서, 포일 피치 함수(532)의 2차 미분(900)은 포일 피치 함수(532)의 미분의 미분이다. 2차 미분은 양(quantity)의 변화율이 어떻게 자체적으로 변하는지를 측정한다고 말할 수 있으며: 시간에 관한 실제 각도 포일 위치의 2차 미분은 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 순간 가속도이다.
이러한 토크 피드포워드 보상은 피치 제어 정확도를 향상시킬 수 있다. 토크 보상 명령은 포일 피치 함수(910)의 제어에 의해 생성된다. 2차 미분은 그 출력, 기준 각도 포일 위치(912) 또는 실제 각도 포일 위치(914) 대신 포일 피치 함수(532)에 적용된다. 토크 보상 명령은 기준 토크(910)를 얻기 위해 토크 보상 상수와 곱해진다. 기준 각도 포일 위치(912) 및 실제 각도 포일 위치(914)는 위치 제어 루프(914, 902) 및 또한 토크 제어 루프(916, 904)에 입력된다는 것에 유의한다.
예를 들어 포일 트로코이드 피치 함수(532)를 취하지만, 실시예는 다른 피치 함수에도 적용될 수 있다. 2차 미분이 포일 트로코이드 피치 함수(532)에 적용된 후에, 식 7이 얻어진다:
Figure pct00007
, (7)
여기서,
a포일은 실현된 포일 가속도 신호이고,
Ω휠은 실제 휠 속도이고,
ec는 포일의 편심률이고,
ψ는 요 각도이며,
θ휠은 실제 각도 휠 위치이다.
종래의 토크 피드포워드 보상 신호는 가속도 측정 또는 가속도 명령으로부터 온다. 보상은 위치 측정 또는 위치 명령에 대한 2차 미분에서 비롯된다. 문제는, 양 신호가 노이즈를 가지고, 결과적으로 그들의 2차 미분 신호가 또한 노이즈를 갖는다는 것이다. 실시예에 따른 신호는 종래 기술의 토크 보상 방법과 비교하여 노이즈 문제를 제거한다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여 도시되는 실시예에서, 포일 휠 추진 시스템(104)은 조향 보조기로서 이용될 수 있다. 본 실시예는 독립형 실시예로서 모든 다른 설명된 실시예와 독립적으로 사용될 수 있다는 것에 유의한다.
660에서, 선박 제어 시스템(106)으로부터, 포일 휠 추진 시스템(104)이 선박(102)을 조향하도록 지시하는 조향 명령이 수신된다.
608 및 610에서, 휠 제어기(200)를 위한 휠 제어 데이터(528) 및 복수의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530)가 조향 명령에 기초하여 생성된다.
따라서, 추진 제어 대신에 또는 추진 제어에 추가하여, 조향 제어가 장치(100)에 의해 수행될 수도 있다.
일 실시예에서, 주 추진이 정지되거나 상실되면, 개별 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 방향타처럼 제어될 수 있다. 주 추진은 휠(204)의 회전으로부터 발생할 수 있지만, 다른 추진 유닛이 주 추진으로서 작용할 수도 있다. 다른 추진 유닛은 다른 포일 휠 추진 시스템 또는 예를 들어 프로펠러 또는 방위각 추진 유닛 같은 다른 유형의 추진 유닛일 수 있다. 조향력은 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 수직 양력으로 증대될 수 있다. 이러한 방식으로, 이 실시예는 백업 방향타 기능을 구현하지만, 일부 경우에 이 실시예는 (주) 방향타 기능을 구현할 수 있다. 구현예에 따라서, 이용가능한 유동(1000)(= 선박 속도)에 따라서, 모든 또는 일부 조정 용량(manoeuvring capacity)이 이용될 수 있다.
도 10a에 도시되는 정상 동작에서, 휠(204)은 회전하고(1002), 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 추력 및 조향력을 생성한다.
도 10b에 도시되는 대안적인 동작에서, 휠(204)의 회전은 정지되고, 이에 의해 추진은 최소이고 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 방향타(들)처럼 제어된다. 추력이 이용가능하지 않을 때에도, 약간의 양의 조향력이 이용될 수 있을 것이다.
이 실시예는 선두-선미 대칭형 페리(double-end ferry)2개 이상의 포일 휠 추진 유닛(104)을 가짐)에서 이용될 수 있고, 전방 포일 휠 추진 유닛(104)은 그 항력을 최소화하도록 '방향타'로서 유지되는데, 이는 (선박의 전방에서는) 큰 추력 감소로 인해서 추력을 생성하는 것이 효율적이지 않기 때문이며, 반면에 후방 포일 휠 추진 유닛(104)은 추력을 생성하기 위해서 사용된다. 또한, 적어도 2개의 포일 휠 추진 유닛(104)을 갖는 선박(및 예를 들어 프로펠러에 대한 디젤-기계적 샤프트 연결)은 저속에서 최저 SFOC/kW(연료 소비율)를 위해 동작 디젤에 대한 부하를 최적화할 수 있다. 이러한 방식으로, 프로펠러의 항력은 최소화되거나(발전소/디젤에 대한 부하를 최적화하는 가능성을 제공함) 방향타로서 조향을 위해 사용될 수 있다.
조향 명령에 기초하여, 조향은 휠(204)이 활성화되고 포일(214A, 214B, 214C, 214D)이 로킹되게 함으로써, 또는 휠(204)이 로킹되고 포일(214A, 214B, 214C, 214D)이 활성화되게 함으로써, 또는 휠(204) 및 포일(214A, 214B, 214C, 214D)이 활성화되게 함으로써 생성될 수 있다. 마지막 선택지에서, 받음각은 최대 양력(조향을 위한 가장 큰 측력)을 생성하는 웨이크-필드(wake-field)에 따라 선택될 수 있다. 더 낮은 속도에서, 이 실시예는 고물측에서 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대해 더 큰 각도를 이용함으로써 측력을 향상시키는 플랩 방향타(flap rudder)와의 유사성을 제공한다. 플랩 방향타라는 용어는 힌지형 고물 섹션이 추가적인 제어 표면으로서 작용하는 다중 섹션 방향타를 지칭한다.
첨부 도면에 따른 하나 이상의 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 그러한 것으로 제한되지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 몇몇 방식으로 수정될 수 있다는 것이 명확하다. 모든 단어 및 표현은 넓게 해석되어야 하고, 이들은 예시적인 실시예를, 제한하지 않고, 예시하도록 의도된 것이다. 기술이 발전함에 따라, 본 발명의 개념은 다양한 방식으로 구현될 수 있음이 해당 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 선박(102)의 추진을 제어하기 위한 장치(100)이며,
    선박 제어 시스템(106)과 커플링가능한 선박 인터페이스(506);
    포일 휠 추진 시스템(104)을 제어하기 위한 제어 인터페이스(508)로서, 포일 휠 추진 시스템(104)은 휠 모터(202)에 의해 동력을 공급받고 휠 제어기(200)에 의해 제어되는, 회전가능한 휠(204), 휠(204)에 수직으로 부착되는 복수의 회전가능한 포일(214A, 214B, 214C, 214D)로서, 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)은 포일 모터(212A, 212B, 212C, 212D)에 의해 동력을 공급받고 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)에 의해 제어되는, 복수의 회전가능한 포일, 휠(204)의 실제 각도 휠 위치를 측정하기 위한 휠 센서(206), 및 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 각도 포일 위치를 측정하기 위한 복수의 포일 센서(216A, 216B, 216C, 216D)를 포함하는, 제어 인터페이스(508);
    컴퓨터 프로그램 코드(504)를 포함하는 하나 이상의 메모리(502); 및
    하나 이상의 프로세서(500)로서, 장치(100)가 적어도:
    휠 제어기(200)로부터 휠 동작 상태(520)를 수신하는 단계(602);
    복수의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)로부터 복수의 포일 동작 상태(522)를 수신하는 단계(604);
    선박 제어 시스템(106)으로부터 명령(524)을 수신하는 단계(606);
    휠 동작 상태(520)를 고려하여 명령(524)에 기초하여 포일 휠 추진 시스템(104)의 포일 피치 함수(532)를 제어하도록 휠 제어기(200)를 위한 휠 제어 데이터(528)를 생성하는 단계(608); 및
    휠 동작 상태(520) 및 복수의 포일 동작 상태(522)를 고려하여 명령(524)에 기초하여 포일 휠 추진 시스템(104)의 포일 피치 함수(532)를 추가로 제어하기 위해 복수의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530)를 생성하는 단계(610)로서, 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크는 포일 피드포워드 모델을 사용하여 생성(612)되는, 포일 제어 데이터(530)를 생성하는 단계(610)
    를 수행하게 하기 위해 컴퓨터 프로그램 코드(504)를 실행하는, 하나 이상의 프로세서(500)를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    장치(100)는,
    휠 동작 상태(520)의 일부로서 실제 각도 휠 위치를 수신하는 단계(620);
    휠 동작 상태(520)의 일부로서 실제 휠 속도를 수신하는 단계(622), 또는 복수의 실제 각도 휠 위치에 기초하여 실제 휠 속도를 생성하는 단계(630);
    포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 각도 포일 위치를 수신하는 단계(624);
    포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도를 수신하는 단계(626);
    포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 가속도를 수신하는 단계(628); 및
    피드포워드 모델을 사용하여 각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530)의 기준 토크를 생성하는 단계(612)로서, 피드포워드 모델의 입력은 실제 각도 휠 위치, 기준 각도 포일 위치, 실제 휠 속도, 기준 포일 속도, 및 기준 포일 가속도이고, 기준 토크는 기준 각도 포일 위치와 실제 각도 포일 위치 사이의 토크의 차이를 설명하는 위치 피드백 토크에 의해 그리고 기준 포일 속도와 실제 포일 속도 사이의 토크의 차이를 설명하는 속도 피드백 토크에 의해 수정되는, 기준 토크를 생성하는 단계(612)를 수행하게 되는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    장치(100)는,
    휠 동작 상태(520)의 일부로서 실제 각도 휠 위치를 수신하는 단계(620);
    포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 실제 각도 포일 위치를 수신하는 단계(632);
    포일 동작 상태(522)의 일부로서 실제 포일 속도를 수신하는 단계(634) 또는 복수의 실제 각도 포일 위치에 기초하여 실제 포일 속도를 생성하는 단계(636);
    포일 동작 상태(522)의 일부로서 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 실제 포일 토크를 수신하는 단계(638);
    포일 피치 함수(532)로부터 하나 이상의 파라미터를 수신하는 단계(640);
    실제 각도 휠 위치 및 하나 이상의 파라미터에 기초하여 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도(810), 기준 각도 포일 위치(812) 및 기준 포일 가속도(814)를 생성하는 단계(642, 644, 646);
    각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도(810), 기준 각도 포일 위치(812), 및 기준 포일 가속도(814)에 기초하여 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 토크(820)를 생성하는 단계(612); 및
    각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 포일 토크(822)에 기초하여 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 토크(820)를 조정하는 단계(648)를 수행하게 되는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    장치(100)는,
    각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 포일 속도(816)에 기초하여 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 속도(810)를 조정하는 단계(650);
    각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)의 실제 각도 포일 위치(818)에 기초하여 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 각도 포일 위치(812)를 조정하는 단계(652); 및
    가속도 피드포워드 모델(804)을 사용하여 각각의 포일(214A, 214B, 214C, 214D)에 대한 기준 포일 가속도(814)를 조정하는 단계(654)를 수행하게 되는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    장치(100)는,
    토크 보상 명령(910)을 생성하기 위해 포일 피치 함수(532)에 2차 미분(900)을 적용하는 단계(656); 및
    각각의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)에 대한 포일 제어 데이터(530)의 기준 토크(910)를 생성하기 위해 토크 보상 명령에 토크 보상 상수를 곱하는 단계(658)를 수행하게 되는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    장치(100)는,
    선박 제어 시스템(106)으로부터, 선박(102)을 조향하도록 포일 휠 추진 시스템(104)에 지시하는 조향 명령을 수신하는 단계(660); 및
    조향 명령에 기초하여, 휠 제어기(200)를 위한 휠 제어 데이터(528) 및 복수의 포일 구동부(210A, 210B, 210C, 210D)를 위한 포일 제어 데이터(530)를 생성하는 단계(608, 610)를 수행하게 되는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    휠 모터(202)는 전기 모터이고, 휠 제어기(200)는 전기 모터(202)에 전송되는 전기 에너지를 제어하도록 구성되는 휠 구동부인 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    휠 모터(202)는 엔진(114)이며, 휠 제어기(200)는 엔진을 전기적으로 제어하도록 구성되는 장치.
  9. 선박의 추진을 제어하기 위한 방법이며, 추진은 포일 휠 추진 시스템에 의해 적어도 부분적으로 구현되고, 포일 휠 추진 시스템은 휠 모터에 의해 동력을 공급받고 휠 구동부에 의해 제어되는 회전가능한 휠, 휠에 수직으로 부착되는 복수의 회전가능한 포일로서, 각각의 포일은 포일 모터에 의해 동력을 공급받고 포일 구동부에 의해 제어되는, 복수의 회전가능한 포일, 휠의 실제 각도 휠 위치를 측정하기 위한 휠 센서, 및 각각의 포일의 실제 각도 포일 위치를 측정하기 위한 복수의 포일 센서를 포함하고, 방법은,
    휠 구동부로부터 휠 동작 상태를 수신하는 단계(602);
    복수의 포일 구동부로부터 복수의 포일 동작 상태를 수신하는 단계(604);
    선박 제어 시스템으로부터 명령을 수신하는 단계(606);
    휠 동작 상태를 고려하여 명령에 기초하여 포일 휠 추진 시스템의 포일 피치 함수를 제어하기 위해 휠 구동부를 위한 휠 제어 데이터를 생성하는 단계(608); 및
    휠 동작 상태 및 복수의 포일 동작 상태를 고려하여 명령에 기초하여 포일 휠 추진 시스템의 포일 피치 함수를 추가로 제어하기 위해 복수의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(610)로서, 각각의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크는 포일 피드포워드 모델을 사용하여 생성되는, 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(612)를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    휠 동작 상태의 일부로서 실제 각도 휠 위치를 수신하는 단계(620);
    휠 동작 상태의 일부로서 실제 휠 속도를 수신하는 단계(622), 또는 복수의 실제 각도 휠 위치에 기초하여 실제 휠 속도를 생성하는 단계(630);
    포일 동작 상태의 일부로서 각각의 포일에 대한 기준 각도 포일 위치를 수신하는 단계(624);
    포일 동작 상태의 일부로서 각각의 포일에 대한 기준 포일 속도를 수신하는 단계(626);
    포일 동작 상태의 일부로서 각각의 포일에 대한 기준 포일 가속도를 수신하는 단계(628); 및
    피드포워드 모델을 사용하여 각각의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크를 생성하는 단계(612)로서, 피드포워드 모델의 입력은 실제 각도 휠 위치, 기준 각도 포일 위치, 실제 휠 속도, 기준 포일 속도, 및 기준 포일 가속도이고, 기준 토크는 기준 각도 포일 위치와 실제 각도 포일 위치 사이의 토크의 차이를 설명하는 위치 피드백 토크에 의해 그리고 기준 포일 속도와 실제 포일 속도 사이의 토크의 차이를 설명하는 속도 피드백 토크에 의해 수정되는, 기준 토크를 생성하는 단계(612)를 더 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    휠 동작 상태의 일부로서 실제 각도 휠 위치를 수신하는 단계(620);
    포일 동작 상태의 일부로서 각각의 포일에 대한 실제 각도 포일 위치를 수신하는 단계(632);
    포일 동작 상태의 일부로서 실제 포일 속도를 수신하는 단계(634), 또는 복수의 실제 각도 포일 위치에 기초하여 실제 포일 속도를 생성하는 단계(636);
    포일 동작 상태의 일부로서 각각의 포일에 대한 실제 포일 토크를 수신하는 단계(638);
    포일 피치 함수로부터 하나 이상의 파라미터를 수신하는 단계(640);
    실제 각도 휠 위치 및 하나 이상의 파라미터에 기초하여 각각의 포일에 대한 기준 포일 속도, 기준 각도 포일 위치, 및 기준 포일 가속도를 생성하는 단계(642, 644, 646);
    각각의 포일에 대한 기준 포일 속도, 기준 각도 포일 위치, 및 기준 포일 가속도에 기초하여 각각의 포일에 대한 기준 토크를 생성하는 단계(612); 및
    각각의 포일의 실제 포일 토크에 기초하여 각각의 포일에 대한 기준 토크를 조정하는 단계(648)를 더 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 포일의 실제 포일 속도에 기초하여 각각의 포일에 대한 기준 포일 속도를 조정하는 단계(650);
    각각의 포일의 실제 각도 포일 위치에 기초하여 각각의 포일에 대한 기준 각도 포일 위치를 조정하는 단계(652); 및
    가속도 피드포워드 모델을 사용하여 각각의 포일에 대한 기준 포일 가속도를 조정하는 단계(654)를 더 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    토크 보상 명령을 생성하기 위해 포일 피치 함수에 2차 미분을 적용하는 단계(656); 및
    각각의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크를 생성하기 위해 토크 보상 명령에 토크 보상 상수를 곱하는 단계(658)를 더 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    선박 제어 시스템으로부터, 선박을 조향하도록 포일 휠 추진 시스템에 지시하는 조향 명령을 수신하는 단계(660); 및
    조향 명령에 기초하여, 휠 구동부를 위한 휠 제어 데이터 및 복수의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(608, 610)를 더 포함하는 방법.
  15. 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 선박의 추진을 제어하기 위한 방법의 수행을 야기하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체이며, 추진은 포일 휠 추진 시스템에 의해 적어도 부분적으로 구현되고, 포일 휠 추진 시스템은 휠 모터에 의해 동력을 공급받고 휠 구동부에 의해 제어되는 회전가능한 휠, 휠에 수직으로 부착되는 복수의 회전가능한 포일로서, 각각의 포일은 포일 모터에 의해 동력을 공급받고 포일 구동부에 의해 제어되는, 복수의 회전가능한 포일, 휠의 실제 각도 휠 위치를 측정하기 위한 휠 센서, 및 각각의 포일의 실제 각도 포일 위치를 측정하기 위한 복수의 포일 센서를 포함하고, 방법은,
    복수의 포일 구동부로부터 복수의 포일 동작 상태를 수신하는 단계(604);
    선박 제어 시스템으로부터 명령을 수신하는 단계(606);
    휠 동작 상태를 고려하여 명령에 기초하여 포일 휠 추진 시스템의 포일 피치 함수를 제어하기 위해 휠 구동부를 위한 휠 제어 데이터를 생성하는 단계(608); 및
    휠 동작 상태 및 복수의 포일 동작 상태를 고려하여 명령에 기초하여 포일 휠 추진 시스템의 포일 피치 함수를 추가로 제어하기 위해 복수의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(610)로서, 각각의 포일 구동부를 위한 포일 제어 데이터의 기준 토크는 포일 피드포워드 모델을 사용하여 생성되는, 포일 제어 데이터를 생성하는 단계(612)를 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체.
KR1020237000667A 2020-06-11 2020-06-11 선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 KR20230021122A (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2020/066194 WO2021249645A1 (en) 2020-06-11 2020-06-11 Apparatus, method and computer program for controlling propulsion of marine vessel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230021122A true KR20230021122A (ko) 2023-02-13

Family

ID=71083646

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237000667A KR20230021122A (ko) 2020-06-11 2020-06-11 선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230234686A1 (ko)
EP (1) EP4164941B1 (ko)
JP (1) JP2023530256A (ko)
KR (1) KR20230021122A (ko)
CN (1) CN116406339A (ko)
DK (1) DK4164941T3 (ko)
WO (1) WO2021249645A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115268472B (zh) * 2022-09-28 2022-12-20 天津大学 一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE7022895U (de) * 1970-06-18 1971-06-03 Voith J Gmbh Steuervorrichtung eines Flügelradpropellers.
DE3539617A1 (de) * 1985-11-08 1987-05-14 Voith Gmbh J M Vorrichtung zur steuerung eines zykloidenpropellers fuer schiffe
IT1289310B1 (it) * 1996-09-17 1998-10-02 Piero Valentini Propulsore nautico ad asse verticale e flusso trasversale con auto- orientamento continuo delle pale,in grado di soddisfare nelle diverse
DE10060067A1 (de) * 2000-12-01 2002-06-13 Doczyck Wolfgang Propulsionsantrieb und Verfahren zum Antreiben eines Schiffs
US7686583B2 (en) * 2006-07-10 2010-03-30 Siegel Aerodynamics, Inc. Cyclical wave energy converter
EP2944556B1 (en) * 2014-05-12 2018-07-11 GE Energy Power Conversion Technology Ltd Cycloidal marine-propulsion system

Also Published As

Publication number Publication date
US20230234686A1 (en) 2023-07-27
WO2021249645A1 (en) 2021-12-16
DK4164941T3 (da) 2024-06-24
EP4164941A1 (en) 2023-04-19
EP4164941B1 (en) 2024-03-20
CN116406339A (zh) 2023-07-07
JP2023530256A (ja) 2023-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11169525B2 (en) Controlling marine vessel
US8473123B2 (en) Programmable surface
JP6223552B2 (ja) 複数のタービンを有する水中発電所
JPH10264897A (ja) 主ロータトルク補正装置
TW200920657A (en) Engine anticipation for rotary wing aircraft
KR20230021122A (ko) 선박의 추진을 제어하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램
JP2014070516A (ja) 風力発電システム
Nandy et al. On the heuristic based electronic control of marine cycloidal propeller
CN113685314A (zh) 变桨控制方法、系统和可读存储介质
Desai et al. A control scheme for 360° thrust vectoring of cycloidal propellers with forward speed
Nandy et al. PID-type controller for marine cycloidal propeller: a simulation study
Kadmiry et al. Fuzzy control of an autonomous helicopter
US3704961A (en) Control system for a cycloid propeller for ships
Gagnon et al. Feasibility assessment: a cycloidal rotor to replace conventional helicopter technology
JP2019098900A (ja) 近接二軸船
EP3745218B1 (en) Controlling a wind turbine using control outputs at certain time stages over a prediction horizon
KR20170110299A (ko) 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법
Nandy Design of nonlinear controllers and speed and angular position estimator for an electrically controlled cycloidal propeller
CN101476576B (zh) 汽轮机配汽机构的旋转伺服油马达
RU2622321C1 (ru) Система рулевых поверхностей с электромеханическими приводами для управления основными летными функциями самолета
US20220388617A1 (en) High-speed omnidirectional underwater propulsion mechanism
CN114537658B (zh) 一种动态响应的变转速旋翼降噪装置、方法及系统
US20230234690A1 (en) Method of Controlling Propulsion System of Marine Vehicle and Propulsion System
US11584520B1 (en) Method and system for regulation of speed and position of a rotor in wing-borne flight
US20220397916A1 (en) Multivariable airspeed and flight path angle control of a co-axial rotary wing aircraft with a pusher-propeller