[논문]선박 자율 운항을 위한 선박운동제어에 관한 연구

김경현; 김영복; 지상원

doi:10.3796/ksfot.2018.54.3.231

선박 자율 운항을 위한 선박운동제어에 관한 연구
A study on ship motion control system design for autonomous ship 원문보기

수산해양기술연구 = Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology, v.54 no.3, 2018년, pp.231 - 238

김경현 (부경대학교 수산과학대학) , 김영복 (부경대학교 기계시스템공학과) , 지상원 (건설기계부품연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a ship motion control system design method is introduced for autonomous ships. Some related research results and technologies for autonomous ships have already been developed and applied to ships. For example, the Norwegian Maritime Authority and the Coastal Administration have signed an agreement that allows to test of autonomous ships in the defined area (port to port). Many countries and industries are pursuing to realize the autonomous vessel in the real world. In this paper, the authors try to develop related technology. As basic research, a ship model of the pilot vessel is developed and physical parameters are identified by experiment and simulations. Using the mathematical ship model, a control system is designed and control performance is evaluated by simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

선박의 자율운항을 위해서는 다양한 기술의 융합이 필요하며, 특히 복잡한 항만환경에서도 설정된 경로를 따라 안벽까지 안전하고 신속하게 접안하기 위한 선박운동제어시스템 구축이 필수적이다. 그래서 본 연구에서는 두개의 사이드 스러스터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 실제 운항선박의 축소모델을 대상으로, 물리특성을 분석하고 제어기를 설계하여 선박접안을 위한 시뮬레이션평가를 수행하였다. 스러스터 및 주추진장치 등 각 액추에이터의 적절한 제어를 통해 우수한 선박운동제어성능을 달성할 수 있었다.
그러나 선박통행이 많고, 좁은 수로를 통과하거나 항내에 진입하여 접안을 하고자 할 경우에는 보다 복잡하고 고난도의 기술적용이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 추세와 문제점 등을 고려하여, 선박이 항내로 입항해서 안벽으로 접안을 완성하는 과정에서의 선박운동제어문제에 대해 고찰한다.
본 연구에서는 자율운항선박시스템 구축을 위한 핵심기술에 대해 고찰하였다. 선박의 자율운항을 위해서는 다양한 기술의 융합이 필요하며, 특히 복잡한 항만환경에서도 설정된 경로를 따라 안벽까지 안전하고 신속하게 접안하기 위한 선박운동제어시스템 구축이 필수적이다.
대표적인 기술이 사이드 스러스터 및 아지무스 추진장치이다. 본 연구에서는 자율운항선박시스템 구축을 위한 핵심기술의 하나로서, 복잡한 항만에서 안벽까지 안전하고 신속하게 접안하기 위한 선박운동제어시스템 구축문제에 대해 고찰한다. 제어대상 선박은 두개의 사이드 스러스터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 1:100 축소 모델을 이용한다.
상용선박에 대한 운동제어문제는 항만을 벗어난 비교적 넓은 해상환경에서 설정된 장거리 경로를 추종해 가도록 하는데 목적을 둔다. 물론 운항 중에 발생하는 방해요인에 대한 적절한 대처기술도 당연히 포함된다.
앞서 설명하였듯이 본 연구에서는 선박이 항해를 마치고, 항내로 진입하여 접안하는 과정에서의 선박운동을 적절히 제어하여 정해진 위치에 정지하도록 하는 것에 목표를 두고 있다. 시뮬레이션 방법은, Fig.

가설 설정

본 논문에서 고려하는 선박은 XY 평면에서 서로 대칭이고 무게 및 회전중심도 좌표중심 근처에 있다고 가정하고, 선박운동방정식을 다음과 같은 일반적인 선형모델로 나타낸다.

제안 방법

이를 위해 Fig. 6 (a)와 같이 서지방향으로 임펄스형의 힘을 가했을 때의 선박운동특성을 분석하였다. 즉, Fig.
kv , ku 값을 추정하기 위해 주추진장치를 최대출력상태로 해 두고, 추진장치의 회전각도를 0°에서 30°까지 변경해가면서 서지 및 스웨이방향 추진력분포를 계측하였다.
그리고 서지방향의 운동특성을 분석하여 관련된 파라미터를 추정한다. 이를 위해 Fig.
실험용 선박에서 동정해야할 물리파라미터는 식 (2) 와 식 (4)에 표현된 대부분이 해당된다. 동정을 위해서는, 선박의 스웨이 모션 및 서지방향 운동 특성을 분석하고, 스러스터 및 주추진장치 구동입력 및 출력간의 관계를 분석하도록 한다.
그리고 주추진장치는 아지무스 추진장치이므로, 선회를 위한 러더(rudder)기능을 포함하고 있다. 본 연구에서는 별도의 러더가 없고 주추진장치의 회전각도를 조절함으로써 선수각을 조절한다. 따라서 주추진장치의 회전각도에 따라 추력이 변하게 되므로 이러한 영향도 수식모델에 반영해야 하는데, 이것은 식 (4)에서 직압력T 와 평행력 N 으로 정의되고 다음 식으로 표현된다.
본 연구에서는 실험적 방법으로 각 파라미터를 추정하도록 한다.
앞서 설명하였듯이 본 연구에서는 선박이 항해를 마치고, 항내로 진입하여 접안하는 과정에서의 선박운동을 적절히 제어하여 정해진 위치에 정지하도록 하는 것에 목표를 두고 있다. 시뮬레이션 방법은, Fig. 10과 같이 A지점에서 출발하여, B점을 통과한 후 최종적으로 C점에서 선박이 정지하도록 경로를 설정하였다.
, 1997). 이 뉴럴제어기는 환경 교란의 영향 아래에서도 강인한 제어성능을 유지하기 위해 파라미터를 온라인으로 조정하도록 설계되었다. 그런데 선박운동 제어 관련 연구결과 중 가장 대표적인 것으로는, 4기의아지무스 추진장치(azimuth type propeller)를 갖는 선박운동제어시스템 구축에 관한 것이다(Fossen, 2002).
해당선박에 대한 물리특성은 실험을 통해 분석하여 수식모델을 구축하고 모델에 표현된 파라미터를 추정한다. 이를 기반으로 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 수행하여, 경로추종성능 등 자율운항 선박이 갖추어야 할 운동제어성능을 평가하도록 한다.
지금까지의 준비를 기초로 하여 시뮬레이션을 실행한다. 시뮬레이션에서 선박이 이동해야 할 경로를 Fig.
제어대상 선박은 두개의 사이드 스러스터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 1:100 축소 모델을 이용한다. 해당선박에 대한 물리특성은 실험을 통해 분석하여 수식모델을 구축하고 모델에 표현된 파라미터를 추정한다. 이를 기반으로 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 수행하여, 경로추종성능 등 자율운항 선박이 갖추어야 할 운동제어성능을 평가하도록 한다.

대상 데이터

1. An autonomous container ship (Yara Birkerland).
본 연구에서의 제어대상은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이사이드 스러스터와 아지무스 추진장치를 갖는 실험용 선박이며, 실제 운항중인 선박의 축소모델이기도 하다.
본 연구에서는 자율운항선박시스템 구축을 위한 핵심기술의 하나로서, 복잡한 항만에서 안벽까지 안전하고 신속하게 접안하기 위한 선박운동제어시스템 구축문제에 대해 고찰한다. 제어대상 선박은 두개의 사이드 스러스터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 1:100 축소 모델을 이용한다. 해당선박에 대한 물리특성은 실험을 통해 분석하여 수식모델을 구축하고 모델에 표현된 파라미터를 추정한다.

이론/모형

그리고 선박운동제어를 위한 제어기는 가장 일반적인 PID 제어기로, Matlab에서 최적 이득 조정기법을 이용하여 설계하였으며, PID 제어기의 각 이득은 다음 식과 같다.

성능/효과

4~Fig. 6의 결과에서 실험결과와 추정된 파라미터를 이용한 시뮬레이션결과의 유사도가 우수함을 알 수 있다. 즉, 추정된 파라미터는 실험선의 동적 특성을 충분히 반영하고 있음을 확인할 수 있다.
결론적으로 각 액추에이터 제어를 통해 선박운동을 제어하기 위한 제어력이 발생되고, 임의의 지점에서부터 접안지점까지 선박을 안전하고 정확하게 이동시킬 수 있음을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
그리고 선박이 설정된 경로를 추종하는 과정에서의 선수각 변화를 같은 그림의 좌 상단에 나타내었다. 설정된 선수각을 양호하게 추종하고 있을 뿐 아니라, 설정된 경로에 대한 선박의 추종성능도 상당히 우수함을 확인할 수 있다.
그래서 본 연구에서는 두개의 사이드 스러스터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 실제 운항선박의 축소모델을 대상으로, 물리특성을 분석하고 제어기를 설계하여 선박접안을 위한 시뮬레이션평가를 수행하였다. 스러스터 및 주추진장치 등 각 액추에이터의 적절한 제어를 통해 우수한 선박운동제어성능을 달성할 수 있었다. 향후에는 외란억제성능 및 불확실성에 강인한 제어기를 설계하여, 실제 접안환경에도 충분히 대응할 수 있는 제어시스템 구축을 위해 노력할 계획이다.
6의 결과에서 실험결과와 추정된 파라미터를 이용한 시뮬레이션결과의 유사도가 우수함을 알 수 있다. 즉, 추정된 파라미터는 실험선의 동적 특성을 충분히 반영하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고식 (4)에서, 스러스터 및 주추진장치의 추력특성(T_B, T_S, T_P )은 모터 인가전압과 추진력의 관계로부터 구하도록 한다.

후속연구

안전한 운항을 위해서는 계측기술 외, 충돌회피 기술 등이 필수적이나,해당 선박의 물리적 특성을 실시간으로 동정하고 보정하는 지능적인 알고리즘도 반드시 필요하다. 그 외 관련 기술을 융합하고 최적화함으로써 보다 효율적이고 안전한 자율운항선박 운용이 가능할 것이다. 비교적 넓은 해상, 즉 통상적인 항해경로에서의 자율운항은 현재에도 가능하다.
스러스터 및 주추진장치 등 각 액추에이터의 적절한 제어를 통해 우수한 선박운동제어성능을 달성할 수 있었다. 향후에는 외란억제성능 및 불확실성에 강인한 제어기를 설계하여, 실제 접안환경에도 충분히 대응할 수 있는 제어시스템 구축을 위해 노력할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박이 항만을 떠나 항해를 거쳐 완전한 접안이 완성되기까지의 과정을 간략히 나누면?	일반적으로 선박이 항만을 떠나 항해를 거쳐 완전한 접안이 완성되기까지의 과정은 크게 세가지 형태로 구분할 수 있다. 즉, 항만을 벗어나는 이안, 경로추종이 주가 되는 항해, 그리고 접안이다. 특히 접안은 외항에서의 항해과정과는 완전히 다른 개념으로 접근해야 한다.
	상용선박에 대한 운동제어문제의 목적은 무엇인가?	상용선박에 대한 운동제어문제는 항만을 벗어난 비교적 넓은 해상환경에서 설정된 장거리 경로를 추종해 가도록 하는데 목적을 둔다. 물론 운항 중에 발생하는 방해요인에 대한 적절한 대처기술도 당연히 포함된다.
	제어·계측공학기술의 발전에 따른 기여에는 어떠한 것이 있는가?	제어·계측공학기술의 발전은 모든 산업분야에서의자동화 수준을 향상시키는데 지대한 공헌을 하였고, 산업전반에 걸쳐 인간의 직접적 관여를 줄여 편이성을 극대화하는데 기여하고 있다. 자율 주행 자동차 등이 그 일례이며, 운행 안전성 확보를 위한 기술개발도 지속적으로 추진되고 있다.

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