선박 자율운항 시스템은 운항 안전성 확보, 운항능률의 향상, 선내 노동력 감소 및 작업환경 개선에 목표로 두고 있으며, 궁극적으로는 운항 경제성 확보를 통한 승선 인원의 최소화에 그 목적이 있다. 최근에는 적응제어방법 등을 응용하여 선박의 다양한 비선형성을 보상하고 선박의 회두각 유지제어, 항로 추적제어, 롤-타각제어, 선박 위치제어, 선박 자동접이안 등의 분야에 관한 연구가 수행중이며 실제 선박을 대상으로 한 응용연구가 진행 중에 있다. 선박의 Steering Machine에 의해 조정되는 Rudder angle과 선박의 회두각의 관계와 Load Condition은 선박운항 파라메터에 영향을 주는 비선형적인 요소로서 작용한다. 또한 외란 요소인 파도의 유속과 방향, 풍속과 풍량 등은 선박의 운항을 힘들게 하는 주요 요인이 된다. 따라서 선박 자율운항 시스템에는 다양한 비선형성을 극복할 수 있는 강인한 제어 알고리즘을 필요로 한다. 본 논문에서는 퍼지 알고리즘을 이용하여 선박의 비선형적인 요인 및 외란을 극복할 수 있는 선박 자율운항 시스템을 설계하고 시뮬레이션을 통행 제안된 알고리즘의 우수성을 확인하였다.
선박 자율운항 시스템은 운항 안전성 확보, 운항능률의 향상, 선내 노동력 감소 및 작업환경 개선에 목표로 두고 있으며, 궁극적으로는 운항 경제성 확보를 통한 승선 인원의 최소화에 그 목적이 있다. 최근에는 적응제어방법 등을 응용하여 선박의 다양한 비선형성을 보상하고 선박의 회두각 유지제어, 항로 추적제어, 롤-타각제어, 선박 위치제어, 선박 자동접이안 등의 분야에 관한 연구가 수행중이며 실제 선박을 대상으로 한 응용연구가 진행 중에 있다. 선박의 Steering Machine에 의해 조정되는 Rudder angle과 선박의 회두각의 관계와 Load Condition은 선박운항 파라메터에 영향을 주는 비선형적인 요소로서 작용한다. 또한 외란 요소인 파도의 유속과 방향, 풍속과 풍량 등은 선박의 운항을 힘들게 하는 주요 요인이 된다. 따라서 선박 자율운항 시스템에는 다양한 비선형성을 극복할 수 있는 강인한 제어 알고리즘을 필요로 한다. 본 논문에서는 퍼지 알고리즘을 이용하여 선박의 비선형적인 요인 및 외란을 극복할 수 있는 선박 자율운항 시스템을 설계하고 시뮬레이션을 통행 제안된 알고리즘의 우수성을 확인하였다.
The autopilot system of vessel is proposed to take service safety and security, to elevate service efficiency, to decrease labor and to improve working environment. Ultimate purpose of the proposed system is to minimize the number of crew by guaranteeing economical efficiency of shipping service. Re...
The autopilot system of vessel is proposed to take service safety and security, to elevate service efficiency, to decrease labor and to improve working environment. Ultimate purpose of the proposed system is to minimize the number of crew by guaranteeing economical efficiency of shipping service. Recently, the research is being achieved to compensate various nonlinear parameters of vessel and apply it to course keeping control, track keeping control, roll-rudder stabilization, dynamic ship positioning and automatic mooring control etc. using optimizing control technique. Relation between rudder angle controlled by steering machine of vessel and ship-heading angle, and load condition of ship is nonlinear, which affects various parameters of shipping service. The speed and direction of waves, velocity and quantity of wind, which also cause the non-linearity of it. Therefore the autopilot system of ship requires the robust control algorithm can overcome various non-linearity. On this paper, we design the autopilot system of ship, which overcomes nonlinear Parameters and disturbance of it using Fuzzy Algorithm, evaluate the proposed algorithm and its excellence through simulation.
The autopilot system of vessel is proposed to take service safety and security, to elevate service efficiency, to decrease labor and to improve working environment. Ultimate purpose of the proposed system is to minimize the number of crew by guaranteeing economical efficiency of shipping service. Recently, the research is being achieved to compensate various nonlinear parameters of vessel and apply it to course keeping control, track keeping control, roll-rudder stabilization, dynamic ship positioning and automatic mooring control etc. using optimizing control technique. Relation between rudder angle controlled by steering machine of vessel and ship-heading angle, and load condition of ship is nonlinear, which affects various parameters of shipping service. The speed and direction of waves, velocity and quantity of wind, which also cause the non-linearity of it. Therefore the autopilot system of ship requires the robust control algorithm can overcome various non-linearity. On this paper, we design the autopilot system of ship, which overcomes nonlinear Parameters and disturbance of it using Fuzzy Algorithm, evaluate the proposed algorithm and its excellence through simulation.
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문제 정의
위치를 차지하고 있다.[1} 이러한 선박 운항 자동화 시스템은 선내 노동의 감소, 작업환경개선, 운항 안전성 확보 및 운항 능률의 향상을 목표로 하며, 궁극적으로는 운항경제성 확보를 위한 승선인원의 최소화에 그 목적이 있다고 하겠다.[2}
이는 본 논문에서 설계한 퍼지 제어기의 소속 함수, 규칙의 문제인 것으로 판단되며, 또한 이동궤적의 추조이 없는 회두각의 제어만으로는 원하는 위치로의 항해는 어렵다는 것을 의미한다. 따라서 향후 과제로는 회두각과 함께 이동궤적을 추 종하는 제어 시스템을 고찰하고자 한다.
본 논문에서는 비선형적인 외란에 노출되는 선박의 전달함수를 제시하고 이를 PID 제어기와 Fuzzy 제어기를 사용하여 그 응답 특성을 살펴 보았다. 그 결과 Fuzzy 제어기는 그 강인함에 의하여 PID 제어기에 비하여 좋은 응답특성을 나타내었다.
본 논문에서는 선박의 회 두각에 대한 전달함수를 제시하고 이를 일반적인 PID 제어기와 Fuzzy 제어기를 각각 사용하여 성능을 평가한다. 선박의 항해중에 발생하는 외란요소인 파도의 유속(流速)과 방향, 풍속과 풍량 등이 비선형적인 형태로 작용하므로 선박은 강인한 제어기를 요구한다.
본 논문에서는 퍼지 알고리즘을 이용하여 선박의 비선형적인 요인 및 외란을 극복할 수 있는 선박의 자율운항 시스템을 설계하고 시뮬레이션을 통해 그 결과를 살펴보았다
제안 방법
선박의 항해중에 발생하는 외란요소인 파도의 유속(流速)과 방향, 풍속과 풍량 등이 비선형적인 형태로 작용하므로 선박은 강인한 제어기를 요구한다. 따라서, 본 논문에서는 선박시스템을 Fuzzy 제어기를 설계하여 적용하였다. 그림 2는 본 논문에서 사용한 퍼지제어기를 결합한 전체 블록도를 나타낸 것이다.
선박의 운항에 있어서 풍속, 파고둥과 같이 여러 가지 외란 성분이 존재한다. 본 논문에서는 이러한 외란 성분들 중 풍속만을 사용하여 선박의 외란 성분으로 사용하였다. 그림 4(a)는 선박의 진행 방향에 대해 외란이 없는 경우로서 원하는 선박의 선회각에 대해 안정된 특성이 나타남을 확인하였다.
본 논문에서는 제시한 선박의 전달함수를 PID 제어기와 Fuzzy 제어기를 설계하여 적용하고, 그 응답특성을 비교하였다. Table 2는 시뮬레이션에 사용된 PID 제어기와 시스템의 계수들을 나타낸 것이다.
성능/효과
그림 4(a)는 선박의 진행 방향에 대해 외란이 없는 경우로서 원하는 선박의 선회각에 대해 안정된 특성이 나타남을 확인하였다. 그러나 원하는 시간 내에 선박의 선회가 매우 느리게 이루어졌으며, 그림 4(b), (c)는 선박의 진행방향쪽(+)으로 외란을 인가한 경우, 진행 방향과 반대방향(-)으로 외란을 인가한 경우로서 외란을 인가하지 않은 경우와 비교하여 응답 특성이 매우 불안정하게 나타남을 확인하였다.
그 결과 Fuzzy 제어기는 그 강인함에 의하여 PID 제어기에 비하여 좋은 응답특성을 나타내었다. 그러나 본 논문에서 설계한 퍼지 제어기가 PID 제어기 보다 우수한 특성이 나타나지만 선박의 운항각에 대해 매우 느린 응답특성 이 나타남을 확인하였다.
그 결과 Fuzzy 제어기는 그 강인함에 의하여 PID 제어기에 비하여 좋은 응답특성을 나타내었다. 그러나 본 논문에서 설계한 퍼지 제어기가 PID 제어기 보다 우수한 특성이 나타나지만 선박의 운항각에 대해 매우 느린 응답특성 이 나타남을 확인하였다. 이는 본 논문에서 설계한 퍼지 제어기의 소속 함수, 규칙의 문제인 것으로 판단되며, 또한 이동궤적의 추조이 없는 회두각의 제어만으로는 원하는 위치로의 항해는 어렵다는 것을 의미한다.
그림 5의 (a), (b), (C)는 앞서 살펴본 PID 제어기의 경우와 같은 조건에서 시뮬레이션한 결과로서 PID 제어기와 비교하여 응답 특성이 뛰어남을 확인하였다. 특히 외란을 인가한 경우와 그렇지않은 경우와 비교하여 큰 차이가 나지 않음을 확인하였다. 그러나 퍼지제어기를 사용한 경우 역시 선박의 원하는 운항각에 대해 매우 느린 응답특성이 나타남을 확인하였다.
참고문헌 (8)
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이병결, 김종화. 'The studying on the Track and Control Algorithm for the Autonoumous Tracking Control of the Ship' proc. of the 13th KACC, octorber 1998
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조성희, 최재원 'A Comparison study on GPS and LORAN for Water Vehicle Survey' proc. of the 14 KACC, octorber 1999
고운용, 황숭욱, 진강규 'Design and Stabilization of a Shipbord Staellite Antenna System. proc. of the 13th KACC, octorber 1998
'김영복, 채규훈, '선박 주행속도 변화를 고려한 Rudder-Roll Stabilization System 설계에 관한 연구', 제어 자동화 시스템 공학회, 8권 5호, pp. 365-372, 2002. 5
이병걸, 김종화, '선박의 자동 항로 추적 제어를 위한 추적 알고리즘과 제어 알고리즘에 관한 연구', Proc. of 13th, KACC, pp. 569-572, 1998, 10
Lefteri H. Tsoukalas, Rovert E.Uhrig 'Fuzzy and Neural Application in Enfineering' JOHN WILEY & SONS, INC. 1997
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