[논문]선박 자동 이접안을 위한 비선형 제어알고리즘 연구

원문철; 홍성국; 정윤하; 김선영; 손남선; 윤현규

선박 자동 이접안을 위한 비선형 제어알고리즘 연구
A Study on a Nonlinear Control Algorithm for the Automatic Berthing of Ships 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.22 no.3 = no.82, 2008년, pp.34 - 40

원문철 (충남대학교 BK2l 메카트로닉스고급인력양성산학공동사업단) , 홍성국 (충남대학교 BK2l 메카트로닉스고급인력양성산학공동사업단) , 정윤하 (충남대학교 BK2l 메카트로닉스고급인력양성산학공동사업단) , 김선영 (한국해양연구원 해상교통안전연구사업단) , 손남선 (한국해양연구원 해상교통안전연구사업단) , 윤현규 (한국해양연구원 해상교통안전연구사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

his study discusses the design of an automatic berthing control algorithm for ships with a haw thruster and a stern thruster, as well as a rudder. A nonlinear mathematical model for the law speed maneuvering of ships was used to design a MIMO (multi-input multi-output) nonlinear control algorithm. The algorithm consists of two parts, the forward velocity control and heading angle control. The control algorithm was designed based on the longitudinal and yaw dynamic models of ships. The desired heading angle was obtained by the so-called "Line of Sight" method. An optimal control force allocation method forthe rudder and the thrusters is suggested. The nonlinear control algorithm was tested by numerical simulations using MATLAB, and showed good tracking performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

수학모형이 필요하다. 본 절에서는 컨테이너선과 같은 일반 선박에 대한 조종운동 수학모형에 대하여 나타내기로 한다.

가설 설정

4.2절에서의 시뮬레이션은 선박의 유체력 계수를 정확히 안다는 가정 하에 이루어졌다. 하지만 실제 선박에서는 유체력 계수를 정확히 구할 수 없는 경우가 얏丄기 때문에 이 절에서는 선박의 유 체력 계수에 불확실성 (Multiplicative uncertainty)을 곱한 후/ 시뮬레이션을 수행하였다.
식 (27)을 유도하는 데 에는 선수 및 선미 추진기가 같은 회전수에 대하여 동일한 회전 모우멘트를 발생시킴을 가정하였다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 식 ⑴, (2), 및 (3) 과 같이 전후 동요 좌우 동요 선수동요의 3자유도 운동방정식을 구성하였다. m(u—vr — X妒)=Xh+Xr + Xp
이러한 시간지연은 제어성능을 감소시키므로 이에 대한 영향이 고려되어야 한다. 본 논문에서는 액츄에이터들의 동력학을 다음과 같이 1차 선형 시스템으로 간단하게 모델링 하였다.
본 연구에서 이접안 제어기는 미리 설정된 경유점(Way points)을 선박이 따라가도록 설계되었다. 그리고 각각의 경유 점에서 원하는 선박속도(环)가 지정된다.
설계된 제어 알고리즘은 기본적으로 주 추진 프로펠러와 타, 선수선미 추진기를 갖는 선박에의 적용을 목표로 한다. 이러한 선박 제어는 다중입력 및 다중 출력 (Multi-input multi-output: MIMO) 시스템 문제가 된다.
설계된 제어 알고리즘을 검증하기 위하여 두 가지 경우의 시뮬레이션을 수행하였다.
제어 알고리즘의 검증은 대상 선박을 선정한 후, 선박의 유 체력 계수에 대한 불확실성이 없는 경우와 불확실성이 있는 경우에 대하여 시뮬레이션을 통하여 수행하였다.
2절에서의 시뮬레이션은 선박의 유체력 계수를 정확히 안다는 가정 하에 이루어졌다. 하지만 실제 선박에서는 유체력 계수를 정확히 구할 수 없는 경우가 얏丄기 때문에 이 절에서는 선박의 유 체력 계수에 불확실성 (Multiplicative uncertainty)을 곱한 후/ 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

대상 선박은 한국해양연구원에서 설계한 9000TEU급 컨테이너선(김선영 등, 2004)의 1/72 축척 모형으로 선정하였다. Table 1에 대상 선박의 주요목을 나타내었다.

이론/모형

1에 나타낸 편류각 月가 저속인 경우에는 ±180。까지 될 수 있다는 것이다. 따라서 수학모형 구조가 달라져야 하는데 본 연구에서는 Yoshimura(1986; 1988)의 교차 항력 모형에 기반하여 윤현규와 김선영(2005)이 수정한 저속 조종운동방정식을 사용하였다 식 ⑴, (2), (3)의 하첨자 H로 나타낸 선박의 조종 운동에 의하여 작용하는 동유체력 및 동유체모멘트는 다음과 같다.
본 연구에서 타 및 선수/선미 추진기를 갖는 선박의 MIMO (Multi-input multi-output) 자동 이접안 제어 알고리즘을 설계하였다. 제어기는 Line of sight(LOS) 개념을 이용하고, 주어진 경유 점과 해당 경유점에서 지정된 전진방향 속도를 주종하는형태이다.
본 연구에서는 컨테이너 선박의 저속 비선형 동역학 모델을 비선형 자동 이접안 제어 알고리즘 설계에 사용하였다. 본 연구에서 제시하는 비선형 제어 알고리즘은 간략화 된 선박 동역 학식을 사용하고 목표 전진방향속도와 지향각을 추종 제어 하는 방식을 사용하므로, 기존에 선박에 적용된 비선형 제어알고리즘(Le Minh-Duc et al.
비선형 제어기 설계(Fossen, 2002; Slotine and Li, 1991)에 운동방정식 ⑴, (2) 및 (3)이 사용되었다. 3.
식 (5)에 포함된 저속 수학모형에 대한 동유체력미계수는 Yoshimura(1986; 1988)의 컨테이너선에 대한 모형시험 결과를 적용하였고, 식 (7)~(13)의 타력, 추진력, 쓰러스터력에 포함된 실험 상수들은 Table 1의 모형선에 대한 구속모형시험 결과를 적용하였다.
타력 및 추진력은 Matsumoto and Yumuro(1987)가 정리한 수학모형을 사용하기로 하고, 본 절에서는 주요 수학모형식 만을 간략하게 언급하기로 한다.

성능/효과

여기서 추종 오차는 경유점들이 연결되는 모서리 점 근처에서 크다. LOS 길이를 dgie의 3배로 한 다른 시뮬레이션 결과에서는 이 오차가 3.0m보다 작음을 확인하였다.
3과 큰 차이 없이 제어가 잘 되는 것을 볼 수 있다. 따라서 유체력 계수들의 최대 ±20% 정도의 불확실성을 제어 알고리즘이 잘 극복해내는 것을 볼 수 있다.
자동 이접안 제어 알고리즘 설계에 사용하였다. 본 연구에서 제시하는 비선형 제어 알고리즘은 간략화 된 선박 동역 학식을 사용하고 목표 전진방향속도와 지향각을 추종 제어 하는 방식을 사용하므로, 기존에 선박에 적용된 비선형 제어알고리즘(Le Minh-Duc et al.z 2003; Bu et al., 2007) 보다 비교적 간단한 형태를 가진다는 장점이 있다.
제어기는 Line of sight(LOS) 개념을 이용하고, 주어진 경유 점과 해당 경유점에서 지정된 전진방향 속도를 주종하는형태이다. 선박의 비선형 동역학 모델을 이용하고, 최적화 과정을 통하여 타 및 선수/선미 추진기의 명령 분배 알고리즘이 적용된 제어 알고리즘은 수치 실험을 통하여 성능이 검증되었다.
이러한 선박 제어는 다중입력 및 다중 출력 (Multi-input multi-output: MIMO) 시스템 문제가 된다. 설계된 알고리즘은 MATLAB을 이용하여 수학적 시뮬레이션으로 효율성을 증명하였다.
수치 실험은 선박 비선형 모델에서 유체력 계수의 불확실성이 있는 경우와 없는 경우에 대하여 수행되었으며, 두 경우 모두에서 LOS 상수가 2이하인 경우 1.0m 이내의 궤적 추종 결과를 보여준다. 향후, 모형선 및 실선 실험을 통하여 설계된 제어기의 효율성이 검증될 예정이다.
시뮬레이션 결과를 보면 선박이 원하는 경로를 잘 추종하는 것을 확인할 수 있다 또한 전진 방향 속도와 지향각의 추종 오차가 거의 없다. 타각과 선수/선미 추진기의 회전속도는 t=100 ~200sec의 범위에서 채터링(Chattering)현상을 나타낸다.
첫 번째 시뮬레이션에서와 같이 전진방향 속도와 지향각 추종 오차는 거의 0임을 알 수 있으며 또한, 첫 번째 시뮬레이션 결과에서와 같이 최적제어 분배 알고리즘의 결과로 선수/선미 추진기에서 채터링 (Chattering) 현상을 볼 수 있다 약간의 제어 성능의 저하를 감수하면, 이러한 현상을 없애기 위해, 채터 ^(Chattering) 현상이 발생하는 부분에서 선수/선미 추진 기명 령을 0으로 해도 무방함을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다.

후속연구

0m 이내의 궤적 추종 결과를 보여준다. 향후, 모형선 및 실선 실험을 통하여 설계된 제어기의 효율성이 검증될 예정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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