KR20240045752A - 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법 - Google Patents

윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항해 중 윙 세일에서 발생되는 사이드 포스(side force)에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더의 제어를 자동화할 수 있는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법을 제안한다.

Description

윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법{Rudder Automation System And Method For Side Force Control Of Wing Sail}
본 발명은 항해 중 윙 세일에서 발생되는 사이드 포스(side force)에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더의 제어를 자동화할 수 있는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화물선과 같은 대형 선박의 연비를 향상시키기 위해 화물선의 화물창 위에 돛의 역할을 할 수 있는 에어포일을 설치하여 풍력을 활용하여 추력(推力)을 얻는 연구가 활발하다. 풍력에 의해 추진되는 선박에는 화물창의 상부에 마스트(mast)가 설치되고 이 마스트에 바람을 받는 에어포일이 설치될 수 있다. 에어포일은 유압 액츄에이터 등에 의해 바람을 최대로 받을 수 있는 각도로 회전될 수 있다.
이러한 에어포일은 리딩 에지(Leading edge) 부분과 트레일링 에지(trailing edge)부분이 마스트와 나란한 방향으로 배치될 수 있다.
그리고 에어포일은 액추에이터에 의해 회전되고 최대의 풍력을 받는 위치에 배치되면 바람을 받아 양력이 발생하고 이러한 양력은 최대 추력을 발생시킬 수 있다.
그러나 윙 세일의 경우, 바람에 의해 발생되는 힘은 선체 추진 방향으로 작용하는 추력(thrust)와 측면 방향으로 작용하는 측력(side force)로 구분될 수 있다.
측력(side force)의 경우, 선체 진행을 위한 추력에는 기여하지 않으며 항로 유지를 방해하는 요소로 작용하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1291122호(2013.08.01.)
본 발명의 목적은 항해 중 윙 세일에서 발생되는 사이드 포스(side force)에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더(rudder)의 제어를 자동화할 수 있는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법은, 선박의 속도와 풍향 및 풍속에 따른 선박의 사이드 포스를 산정하는 학습모델을 생성하는 학습모델 생성 단계; 윙 세일 구동 시 환경 센서를 통해 풍속 및 풍향 정보를 수신하는 환경 센서 정보 수신 단계; 상기 환경 센서 정보 수신 단계를 통해 획득된 풍속 및 풍향 정보와 상기 학습모델 생성 단계를 통해 산정된 사이드 포스에 대응하여 선박의 진행방향을 유지하기 위한 힘과 모멘트가 발생되도록 러더를 지정된 각도로 회전하도록 제어하는 러더 각도 제어 단계를 포함하며; 상기 러더 각도 제어 단계에서 제어부를 통해 지속적인 항로가 유지가 가능하도록 러더의 제어를 자동으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 학습 모델 생성 단계에서, 상기 윙 세일의 회전각도와 풍향 및 풍속에 따른 힘 계수와 받음각을 계산하여, 선박의 사이드 포스를 산정할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 러더 각도 제어 단계는, 상기 학습 모델 생성 단계에서 산정된 사이드 포스에 대응하여, 최대한의 양력과 최소한의 항력을 갖도록 러더 각도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 선박의 갑판에 설치되어 풍력에 의해 선박의 추력을 발생시키는 적어도 하나의 윙 세일; 선박의 속도와 풍향 및 풍속에 따른 선박의 사이드 포스를 산정하는 학습모델을 생성하는 학습모델부; 실시간 풍향 및 풍속을 측정할 수 있는 환경 센서; 및 상기 환경 센서에서 측정된 실시간 풍향 및 풍속 정보를 입력하여 상기 학습모델부를 통해 선박의 실시간 사이드 포스를 산정하며, 산정된 사이드 포스에 대응하여 선박의 진행방향을 유지하기 위한 힘과 모멘트가 발생되도록 러더를 지정된 각도로 회전하도록 제어하는 제어부를 포함하며; 상기 제어부는 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더를 자동으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 학습모델부는, 상기 윙 세일의 회전각도와 풍향 및 풍속에 따른 힘 계수와 받음각을 계산하여, 선박의 사이드 포스를 산정할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 학습 모델부에서 산정된 사이드 포스에 대응하여, 최대한의 양력과 최소한의 항력을 갖도록 러더 각도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 항해 중 윙 세일에서 발생되는 사이드 포스(side force)에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더의 조타 제어를 자동화할 수 있어 무인/유인 선박에 모두 적용 가능하며, 유인 선박의 경우 항해의 피로도를 낮출 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 윙 세일이 적용된 선박을 나타내는 도면이다.
도 2는 윙 세일의 추력(thrust)과 사이드 포스(side force)의 개념을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법을 살펴보고자 한다.
선박에 윙 세일은 적어도 하나 구비될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 윙 세일(100 내지 105)이 구비될 수 있음은 물론이다.
또한, 윙 세일을 이용한 선박은 선박의 속도계로부터 출력되는 선속 신호 및 환경센서로부터의 선박의 속도 및 풍속 및 풍향에 따라 윙 세일의 각도와 러더의 각도를 설정할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 윙 세일(100)이 구비되는 경우, 선박의 진행방향에 추력(thrust)이 작용하고, 측면 방향으로 사이드 포스(side force)가 작용한다.
이때 사이드 포스(side force)는 선체 진행을 위한 추력에는 기여하지 않으며 항로 유지를 방해하는 요소로 작용된다.
따라서, 윙 세일(100)을 이용하여 풍상(upwind)으로 세일링을 하거나 추력을 보조할 때 받음각(AoA: Angle of Attack)은 중요한 요소이다.
받음각(AoA)의 크기에 따라 세일에 작용하는 힘인 양력(lift)과 항력(drag)의 크기/비율이 조절된다.
즉, 목적지에 빨리 도달하기 위해서는 적절한 받음각이 필요하며, 최대한의 양력(lift)과 최소한의 항력(darg)을 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 양력을 최대한 높이기 위해서는 받음각(AoA)을 증가시키는 것이다. 하지만 받음각(AoA)가 커지면 항력 역시 천천히 증가한다.
그러므로 최적의 항력과 양력(Lift to Drag Ratio: L/D Ratio)의 비율을 찾아내야 한다.
결론적으로 본 발명에서는 선체 진행을 위한 추력에는 기여하지 않으며 항로 유지를 방해하는 사이드 포스(side force)를 고려하여, 사이드 포스에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더(rudder)의 조타를 자동화하여 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 윙 세일의 힘 계수(force coefficient)와 받음각(AoA)과 양력(lift)과 항력(drag) 대한 모델을 수립하고, 선체의 풍향 및 풍속을 측정하는 환경센서를 통해 윙 세일에 발생되는 사이드 포스(side force)를 산정할 수 있다.
윙 세일에 발생되는 사이드 포스가 산정되면, 이에 대응되는 힘(force) 및 모멘트(moment)가 발생되도록 러더(rudder)를 지정된 각도로 회전하도록 제어할 수 있다.
이것에 의해 윙 세일에서 발생되는 사이드 포스에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더의 조타 자동화를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템은, 도 3을 참조하면, 선박의 갑판에 설치되어 풍력에 의해 선박의 추력을 발생시키는 적어도 하나의 윙 세일(100)과, 선박의 선속을 측정하는 속도계(미도시)와 실시간 풍향 및 풍속을 측정할 수 있는 환경 센서(70)와 선박의 속도와 풍향 및 풍속에 따른 선박의 사이드 포스를 산정하는 학습모델을 생성하는 학습모델부(60)와 환경 센서(70)에서 측정된 실시간 풍향 및 풍속 정보를 입력하여 학습모델부(60)를 통해 선박의 실시간 사이드 포스를 산정하며, 산정된 사이드 포스에 대응하여 선박의 진행방향을 유지하기 위한 힘과 모멘트가 발생되도록 러더(200, rudder)를 지정된 각도로 회전하도록 제어하는 제어부(50)를 포함할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더(200)를 자동으로 제어할 수 있다.
또한, 학습모델부(60)는, 윙 세일(100)의 회전각도와 풍향 및 풍속에 따른 힘 계수와 받음각을 계산하여, 선박의 사이드 포스(side force)를 산정할 수 있다.
따라서, 제어부(50)는 학습모델부(60)에서 산정된 사이드 포스에 대응하여, 최대한의 양력과 최소한의 항력을 갖도록 러더 각도를 제어할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법의 흐름을 살펴보고자 한다.
본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법은, 선박의 속도와 풍향 및 풍속에 따른 선박의 사이드 포스를 산정하는 학습모델을 생성하는 학습모델 생성 단계(S101)와 윙 세일(100) 구동 시 환경 센서(70)를 통해 실시간 풍속 및 풍향 정보를 수신하는 환경 센서 정보 수신 단계(S103) 및 환경 센서 정보 수신 단계(S103)를 통해 획득된 실시간 풍속 및 풍향 정보와 상기 학습모델 생성 단계(S101)를 통해 산정된 사이드 포스에 대응하여 선박의 진행방향을 유지하기 위한 힘과 모멘트가 발생되도록 러더를 지정된 각도로 회전하도록 제어하는 러더 각도 제어 단계(S105)를 포함할 수 있다.
또한, 이후에 예상 이동 항로가 유지되는지 여부를 확인하는 항로 유지 확인 단계(S107)를 더 포함하여, 항로가 유지되는 경우 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화가 종료되고, 항로가 유지되지 않는 경우 러더 각도 제어 단계(S105)에서 제어부(50)를 통해 지속적인 항로가 유지가 가능하도록 러더(200)의 제어를 자동으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 학습 모델 생성 단계(S101)에서, 윙 세일(100)의 회전각도와 풍향 및 풍속에 따른 힘 계수(force coefficien)와 받음각(AoA)을 계산하여, 선박의 사이드 포스를 산정할 수 있다.
또한, 러더 각도 제어 단계(S105)는, 학습 모델 생성 단계(S101)에서 산정된 사이드 포스에 대응하여, 최대한의 양력과 최소한의 항력을 갖도록 러더 각도를 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 항해 중 윙 세일에서 발생되는 사이드 포스(side force)에 대해 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더의 조타 제어를 자동화할 수 있어 무인/유인 선박에 모두 적용 가능하며, 유인 선박의 경우 항해의 피로도를 낮출 수 있는 효과를 갖는다.
지금까지 본 발명에 따른 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템 및 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허 청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 프로펠러
50: 제어부
60: 학습모델부
70: 환경 센서
100: 윙 세일(wing sail)
200: 러더(rudder)

Claims (6)

  1. 러더 자동화 제어 방법에 있어서,
    선박의 속도와 풍향 및 풍속에 따른 선박의 사이드 포스를 산정하는 학습모델을 생성하는 학습모델 생성 단계;
    윙 세일 구동 시 환경 센서를 통해 풍속 및 풍향 정보를 수신하는 환경 센서 정보 수신 단계;
    상기 환경 센서 정보 수신 단계를 통해 획득된 풍속 및 풍향 정보와 상기 학습모델 생성 단계를 통해 산정된 사이드 포스에 대응하여 선박의 진행방향을 유지하기 위한 힘과 모멘트가 발생되도록 러더를 지정된 각도로 회전하도록 제어하는 러더 각도 제어 단계를 포함하며;
    상기 러더 각도 제어 단계에서 제어부를 통해 지속적인 항로가 유지가 가능하도록 러더의 제어를 자동으로 수행하는 것을 특징으로 하는 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 학습 모델 생성 단계에서,
    상기 윙 세일의 회전각도와 풍향 및 풍속에 따른 힘 계수와 받음각을 계산하여, 선박의 사이드 포스를 산정하는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 러더 각도 제어 단계는,
    상기 학습 모델 생성 단계에서 산정된 사이드 포스에 대응하여, 최대한의 양력과 최소한의 항력을 갖도록 러더 각도를 제어하는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 방법.
  4. 선박의 갑판에 설치되어 풍력에 의해 선박의 추력을 발생시키는 적어도 하나의 윙 세일;
    선박의 속도와 풍향 및 풍속에 따른 선박의 사이드 포스를 산정하는 학습모델을 생성하는 학습모델부;
    실시간 풍향 및 풍속을 측정할 수 있는 환경 센서; 및
    상기 환경 센서에서 측정된 실시간 풍향 및 풍속 정보를 입력하여 상기 학습모델부를 통해 선박의 실시간 사이드 포스를 산정하며, 산정된 사이드 포스에 대응하여 선박의 진행방향을 유지하기 위한 힘과 모멘트가 발생되도록 러더를 지정된 각도로 회전하도록 제어하는 제어부를 포함하며;
    상기 제어부는 지속적인 항로 유지가 가능하도록 러더를 자동으로 제어하는 것을 특징으로 하는 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 학습모델부는,
    상기 윙 세일의 회전각도와 풍향 및 풍속에 따른 힘 계수와 받음각을 계산하여, 선박의 사이드 포스를 산정하는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 학습 모델부에서 산정된 사이드 포스에 대응하여, 최대한의 양력과 최소한의 항력을 갖도록 러더 각도를 제어하는, 윙 세일의 사이드 포스 제어를 위한 러더 자동화 시스템.
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