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지능형 자율운항제어를 위한 선박운동제어시스템
A Ship Motion Control System for Autonomous Navigation 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KISS : Computing practices. 컴퓨팅의 실제, v.9 no.6, 2003년, pp.674 - 682  

이원호 (㈜뮤콤) ,  김창민 (㈜삼진기술) ,  최중락 (국방과학연구소) ,  김용기 (경상대학교 컴퓨터학과)

초록
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선박 자율운항시스템(autonomous navigation system)이란 선박운항에 있어 항해계획을 수립하고 현재의 선박운항 상태를 파악하여 주변 상황변화를 예측하고 대처하는 항해 전문가의 능력을 전산화한 것이다. 선박 자율운항시스템은 항해, 충돌회피, 선체유지, 자료융합, 운동제어 그리고 이를 통합하는 아키텍처로 구성되어 있다. 운동제어시스템은 선박의 유체학적 특성을 고려하여 해도 상에 원하는 위치로 선박을 이동하기 위해서 추진 및 조타장치를 제어하는 시스템으로 자율운항제어시스템에 필수적인 구성 시스템 중에 하나이다. 본 논문은 운영플랫폼인 가상세계시스템을 기반으로 운영되는 선박자율운항시스템과 운동제어시스템의 연동과 구현에 관한 연구이다. 운동제어시스템은 충돌회피시스템으로부터 상위 레벨의 고수준제어 요구치를 전달받아 조타 및 추진치로 변환하고 조타장치와 추진장치를 제어하는 시스템이다. 본 논문에서 선박 운동 특성을 수학적으로 모방하는 Oldenburger의 제어 이론에 기반하여 선박운동제어기를 개발하고 성능검정을 위해 선박시뮬레이터에서 다양한 시나리오를 바탕으로 시뮬레이션 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ship autonomous navigation is designated as what computerizes mental faculties possessed of navigation experts, which are building navigation plans, grasping the situation, forecasting the fluctuation, and coping with the situation. An autonomous navigation system, which consists of several subsyste...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • TCA 및 GARCS의 목표는 다양한 이동 로봇에 적용할 수 있는 운영환경을 제공하는 것이다. 이 아키텍처들은 계층적 아키텍처에 기반하므로 태스크간 강한 직접과 빠■른 정보교환을 지향한다.
  • " data-before="된다" data-ocr-fix="">된다. [13-15], 본 연구에서는 선박 운동제어시스템을 테스트하기 위해서 가상적인 시나리오로 작성하고, 수학적 운동방정식을 기반으로 한 선박시뮬레이션시스템을 통하여 결과를 분석한다.
  • 본 논문에서는 수학적 제어이론[5]을 이용한 선박운동제어시스템을 제안한다. 수학적 제어이론은 고전적인 선박운동제어에 기반을 하고 있다.
  • 본 논문은 가상세계시스템 기반 선박 자율운항시스템과 연동하여 운영되는 선박운동제어시스템의 설계 및 구현에 관한 연구이다. 자율운항시스템은 다양한 인공지능기법이 적용된 다양한 서브시스템으로 구성된 복잡한 시스템이다 이와 같이 방대한 시스템을 개발하는데 있어서 효과적인 입 .
  • 특히, 선박운동제어시스템은 추진장치와 조타장치의 직접제어에 의한 선박의 유체역학적 특성을 반영하여 실제에 근접한 운동제어를 가능하게 하는 소프트웨어로서 선박자율운항시스템에서 없어서는 안될 중요한 부분중 하나이다. 본 연구에서는 가상세계시스템을 통하여 제공되는 고수준 선박 운동제어를 유체역학을 고려한저수준 제어로 변환하여 선박을 제어하는 선박운동제어시스템을 구현한다.
  • 본 연구에서는 블랙보드 아키텍처에 기반한 지능시스템 운영플랫폼인 가상세계시스템을 소개하고 이에 기반한 선박자율운항시스템을 설계, 구현한다. 선박자율운항시스템은 센서(sensors)와 액추에이터(actuators)와 같은 하드웨어와 항해시스템, 충돌회피시스템, 자료융합시스템, 선박운동제어시스템과 같은 소프트웨어로 구성된다.
  • 따라서 의도한 대로 선박의 운동 상태를 이끌어내기 위해서는 선박의 유체역학을 적용하여 추진장치와 조타장치를 조작하여야 한다. 연구에서는 선박의 운동에 관한 웨이포인트 형태의 고수준제어요구를 반영하기 위하여 추진치 및 조타치를 산출하고 이를 추진장치와 조타장치에 전달하는 역할을구현한 선박운동제어시스템을 구현한다. 본 연구의 선박운동제어시스템은 선박 운동 특성을 수학적으로 모방하는 Oldenburger의 이론에 기초한다.
  • 본 연구의 선박운동제어시스템은 선박자율운항시스템을 구성하는 다른 부시스템과 가상세계시스템을 통하여연결된다. 특히 , 선박운동제어 시스템은 충돌회피시스템과 매우 밀접한 관계를 가지는데, 선박운동제어시스템의입력으로 작용하는 고수준 제어치는 충돌회피시스템에서 생산된 정보이다H2].
  • 신뢰성 있는 선박운동제어기술은 선박의 정교한 조종을 가능하게 하므로, 선박 운항 자동화 기술에는 반드시 선박운동제어기술이 필요하다. 본 절에서는 가상세계시스템과 연동하는 선박운동제어시스템에 관하여 살펴본다,
  • 지능형 자율 운항제어 기술은 운항 중 발생할 수 있는 항해와 충돌회피문제를 해결하여 운송체를 자율적으로 조종하는 것으로서, 이를 위해서 다양한 인공지능 기법이 활용된다. 본절에서 반응형 및 숙고형 기법의 상호 융화 극대화와시스템 구성요소의 구조적 및 기능적 독립성 보장에 초점을 맞춘 RVC(Reactive layer-Virtual world- Considerative layer) 모형을 소개하고, 이에 기초한 지능시스템 운영 플랫폼인 가상세계시스템을 소개한다.
  • 지능형 자율운항시스템은 선박의 플랫폼통합관리체제 (IPMS, Integrated Platform Management System)를 마치 숙련된승조원이 작동하는 것처럼 제어하고 상황에 따라 적절한 대처안을 제시하는 자율 대처 능력을 갖춘 지능시스템이다. 이는 선박 운항에 소용되는 승조원의 수를 감축하는데 그 목적이 있다. 선박의 플랫폼통합관리체제 (IPMS)는 선박에 장착된 장비를 디지털화하고, 네트웍으로각 장비들을 연결, 감시, 제어할 수 있는 통합적 관리제어체제를 말한다.
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참고문헌 (15)

  1. 연구기관, 조종성능 추정 정도 향상을 위한 요소 기술 개발, 한국기계연구원 선박해양공학연구센터 자체연구보고서, 1997 

  2. Vaneck, T. W., 'Fuzzy Guidance Controller for an Autonomous Boat,' IEEE Control Systems, Vol. 17, No. 2, 1997 

  3. Rozhdestvensky, V. V., Submarine Dynamics.-Leningrad, Sudostroyenisye Publ., 1970 

  4. Sutulo, S. V., and Polukhin, K. V., Numerical Simulation of Ship Manoeuvring Motion, Shiffbauforschung, 1988 

  5. 이영호, 제어기 성능평가를 위한 연구용 비행 시뮬레이터 개발, 서울대학교 대학원 항공우주공학과, 석사학위논문, 1995 

  6. 성영재, An Investgation on the PMM Test Condition for the Estimation of the Manoeuvring Cofficients, 서울대학교 대학원 선박해양공학과, 석사학위논문, 1998 

  7. Gordon, G., Sysem simulation(second editon), Prentice-Hall, 1978 

  8. Nomoto, K., Taguchi, K., Honda, K. and Hirano, S., 'On the Steering Quality of Ships,' International Shipbuilding Progress, Vol. 4, pp. 354-370, 1957 

  9. TCA, http://www-2.cs.cmu.edu/afs/cs/project/TCA/release/tca.html. 

  10. GARCS, http://www.unt.edu/robotics/garcs.htm. 

  11. 김창민, 김용기, '무인자율항체를 위한 지능제어 아키텍처에 관한 연구', 한국군사과학기술학회지, Vol. 4, No. 2, pp.249-255, 2001 

  12. 김창민, 해양운송체를 위한 자율운항시스템의 지능시스템 아키텍처에 관한 연구, 경상대학교, 박사학위논문, 2003 

  13. Law, A. M., and Kelton, W. D., Simulation modeling and analysis, McGraw-Hill Book Company, 1982 

  14. Banks, J., and Carson, J. SII., Discrete-event system simulation, Prentice-Hall, 1984 

  15. 이원호, 김창민, 김용기, '지능형 자율운항제어시스템을 위한 시뮬레이션 구현', 한국 퍼지 및 지능시스템학회 추계학술대회 학술발표논문집, Vol. 11, No. 2, pp.169-172, 2001 

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