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.
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.
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...
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 subsystems such as navigation system, a collision avoidance system, several data fusion systems, and a motion control system, is based on an intelligent control architecture for the sake of integrating the systems. The motion control system, which is one of the most essential system in autonomous navigation system, controls its propulsion and steering gears to move the ship satisfying its hydrodynamic characteristics. This paper is the study on the ship movement control system and its implementation which are totally developed and run on virtual-world system. Receiving the high-level control values such as a waypoint presented from the collision avoidance system, the motion control system generates them to low-level control values for propulsion and steering devices. In the paper, we develop a ship motion controller using Oldenburger's theory based on mathematical fundamentals, and simulate it with various scenarios in order to verify its performance.
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 subsystems such as navigation system, a collision avoidance system, several data fusion systems, and a motion control system, is based on an intelligent control architecture for the sake of integrating the systems. The motion control system, which is one of the most essential system in autonomous navigation system, controls its propulsion and steering gears to move the ship satisfying its hydrodynamic characteristics. This paper is the study on the ship movement control system and its implementation which are totally developed and run on virtual-world system. Receiving the high-level control values such as a waypoint presented from the collision avoidance system, the motion control system generates them to low-level control values for propulsion and steering devices. In the paper, we develop a ship motion controller using Oldenburger's theory based on mathematical fundamentals, and simulate it with various scenarios in order to verify its performance.
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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. 본 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.
제안 방법
출력 설계와 소프트웨어 공학적 장점을 고려하기 위해서는 통합 아키텍처가 필요하다. 본연구에서는 RVC 모형을 소개하고 이에 기초한 가상세계 시스템을 선박자율 운항 시스템에 적용한다. 자율 운항 시스템을 구성하는 모든 부시스템은 가상세계를 통하여 통신하며 상호 독립적으로 수행된다.
지능 형 자율운항시스템에서는 다양한 인공지능기법을보다 효과적으로 통합하기 위해 RVC(Reactive Layer- Virtual World-Considerative Layer) 모형[11]을 제안한다. RVC 모델은 그림 1과 같이 기호기반 인공지능과행위기반 인공지능기법을 반응층과 인식층으로 구별하고, 반응충과 안식층 사이에 가상세계라는 공유정보저장영역을 둔 모형이다.
이론/모형
Oldenbur음er의 이론에 기초한다. 그리고, 비선형 운동체인 선박의 운동을 선형 운동모형으로 만들기 위해 nomoto 방정식 [8] 을 사용한다.
그러므로, 우선 비선형성과 불확실성을 고려하여 선박을 선형화하고, 그 후 수학적 제어이론과 종합하면 일정 수준의 선박조종이 가능하다 [1, 6, 7]. 본 논문에서는 선박 선형화를 위해서 nomoto방정식[8]을 사용하였고, 수학적 제어 이론은 Oldenburger 의 제어이론을 이용하여 선박운동 제어 시스템을 구성하였다.
본 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. 그리고, 비선형 운동체인 선박의 운동을 선형 운동모형으로 만들기 위해 nomoto 방정식⑻을 사용한다
그러므로 선박시뮬레이션시스템을 이용하여 선박의 이동 경로를 산출한다. 선박 시뮬레이션시스템은 수학적 kinematic운동방정식을 이용하여 선박의 상태를 산출한다[15]. 그림 13과 그림 14는 선박시뮬레이션시스템이 선박운동제어시스템의 출력을 입력으로 받아 선박의 위치변화를 나타낸 그림이다.
선박 제어는 크게 수학적 제어, 퍼지이론을 이용한 제어, 신경망을 이용한 제어로 구분할 수 있는데, 본 연구의 선박운동제어시스템은 선박 운동 특성을 수학적으로 모방하는 Oldenbur음er의 이론에 기초한다. 그리고, 비선형 운동체인 선박의 운동을 선형 운동모형으로 만들기 위해 nomoto 방정식 [8] 을 사용한다.
성능/효과
선박운동제어시스템 테스트를 위해서 가상시나리오를 구성하고 , 충돌회피시스템에서 제공된 고수준제어정보가 그에 적합한 조타 및 추진치로 변환되어 의도한 선박의조종이 이루어짐을 보였다.
후속연구
향후에는 약간 거친 운항결과를 보이는 수학적 기반의 운동제어이론 보다는 유연성과 강직성이 높은 퍼지제어나 실세계 조타수의 능력과 아주 유사하게 제어할수 있는 신경망 기법을 적용한 선박운동제어시스템을 설계하고 이를 가상세계시스템 기반 선박자율운항시스템에 적용하여 통합하여 보다 정교한 선박운동제어 모형을 적용하여야 한다.
참고문헌 (15)
연구기관, 조종성능 추정 정도 향상을 위한 요소 기술 개발, 한국기계연구원 선박해양공학연구센터 자체연구보고서, 1997
Vaneck, T. W., 'Fuzzy Guidance Controller for an Autonomous Boat,' IEEE Control Systems, Vol. 17, No. 2, 1997
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