4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 첨단기술이 산업 전반에 사용됨에 따라 자율운항선박기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 본 연구에서는 자율운항선박에 대한 기초 연구로써 모형 선박을 제작하고 드론에 사용되는 아두파일럿(Ardupilot)을 적용시켜 자율운항 제어 시스템을 구축하였다. 구축된 모형선을 활용하여 다양한 항해계획을 실행함으로써 자율운항 선박의 운항 자동제어 가능성을 확인하였다. 침로안정성 실험에서는 모형선이 정해진 침로를 똑바로 따라가지 못하고 지그재그(S자 형태)로 항행하면서 침로에서 최대 5.4 m(4.5 L) 이탈하였으며, 매개변수를 수정하여 이탈거리를 최대 1.8 m(1.5 L)까지 감소시켰다. 선회성능 실험에서는 선회권의 직경이 최대 약 9.3 m(7.8 L)로 나타났는데 매개변수를 수정하여도 큰 변화를 확인할 수 없었다. 하지만 WP 도착 전 감속하도록 실험한 결과 선회권의 직경이 최대 약 3.2 m(2.7 L)로 감소된 것을 확인할 수 있었다. 정지성능을 평가하기 위해 모든 실험의 마지막 정지 예정 위치와 실제 모형선이 정지한 위치를 상호 비교하였으며, 정지 예정 위치로부터 최소 0.4 m(0.3 L), 최대 6.2 m(5.2 L) 떨어진 지점에서 모형선이 정지하였음을 확인할 수 있었다. 추후 다양한 매개변수의 수정·보완을 통한 성능 향상이 이루어진다면 자동제어를 통한 자율운항선박의 자동접안을 위한 연구를 진행할 계획이다.
4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 첨단기술이 산업 전반에 사용됨에 따라 자율운항선박기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 본 연구에서는 자율운항선박에 대한 기초 연구로써 모형 선박을 제작하고 드론에 사용되는 아두파일럿(Ardupilot)을 적용시켜 자율운항 제어 시스템을 구축하였다. 구축된 모형선을 활용하여 다양한 항해계획을 실행함으로써 자율운항 선박의 운항 자동제어 가능성을 확인하였다. 침로안정성 실험에서는 모형선이 정해진 침로를 똑바로 따라가지 못하고 지그재그(S자 형태)로 항행하면서 침로에서 최대 5.4 m(4.5 L) 이탈하였으며, 매개변수를 수정하여 이탈거리를 최대 1.8 m(1.5 L)까지 감소시켰다. 선회성능 실험에서는 선회권의 직경이 최대 약 9.3 m(7.8 L)로 나타났는데 매개변수를 수정하여도 큰 변화를 확인할 수 없었다. 하지만 WP 도착 전 감속하도록 실험한 결과 선회권의 직경이 최대 약 3.2 m(2.7 L)로 감소된 것을 확인할 수 있었다. 정지성능을 평가하기 위해 모든 실험의 마지막 정지 예정 위치와 실제 모형선이 정지한 위치를 상호 비교하였으며, 정지 예정 위치로부터 최소 0.4 m(0.3 L), 최대 6.2 m(5.2 L) 떨어진 지점에서 모형선이 정지하였음을 확인할 수 있었다. 추후 다양한 매개변수의 수정·보완을 통한 성능 향상이 이루어진다면 자동제어를 통한 자율운항선박의 자동접안을 위한 연구를 진행할 계획이다.
In the era of the 4th Industrial Revolution, the interest in autonomous ship technology is increasing as high-tech technologies are being increasingly utilized throughout the industry. Therefore, we conducted a basic study on autonomous ships. In particular, a passenger ship model was produced and a...
In the era of the 4th Industrial Revolution, the interest in autonomous ship technology is increasing as high-tech technologies are being increasingly utilized throughout the industry. Therefore, we conducted a basic study on autonomous ships. In particular, a passenger ship model was produced and an autonomous navigation system was established by applying the ardupilot used for drones. The possibility of automatic control of the autonomous ship operations was confirmed by executing various voyage plans using the built model ship. In the performance test for maintaining the course the model ship could not follow the designated course straight and sailed up to 5.4 m away from the course while navigating in a zigzag (S-shape); however, after the parameters were modified, the deviation distance was reduced to a maximum of 1.8 m. In the turning performance test, the maximum diameter of the turning sphere was found to be approximately 9.3 m, but no significant change could be confirmed even after the parameters were modified. However, the results of our tests on slowing down the ship before arriving at the WP confirmed that the diameter of the turning sphere was reduced to a maximum of approximately 3.2 m. In order to evaluate the stopping performance, the last scheduled stopping position of all experiments was compared with the actual stopping position of the model ship and it was confirmed that the model ship stopped at a point at least 0.4 m and a maximum of 6.2 m away from the stopping position. In the future, improvement of course stability, turning performance, and stopping performance is required through modification and supplementation of various parameters. Moreover, a study on automatic berthing of the model ship through automatic control is planned.
In the era of the 4th Industrial Revolution, the interest in autonomous ship technology is increasing as high-tech technologies are being increasingly utilized throughout the industry. Therefore, we conducted a basic study on autonomous ships. In particular, a passenger ship model was produced and an autonomous navigation system was established by applying the ardupilot used for drones. The possibility of automatic control of the autonomous ship operations was confirmed by executing various voyage plans using the built model ship. In the performance test for maintaining the course the model ship could not follow the designated course straight and sailed up to 5.4 m away from the course while navigating in a zigzag (S-shape); however, after the parameters were modified, the deviation distance was reduced to a maximum of 1.8 m. In the turning performance test, the maximum diameter of the turning sphere was found to be approximately 9.3 m, but no significant change could be confirmed even after the parameters were modified. However, the results of our tests on slowing down the ship before arriving at the WP confirmed that the diameter of the turning sphere was reduced to a maximum of approximately 3.2 m. In order to evaluate the stopping performance, the last scheduled stopping position of all experiments was compared with the actual stopping position of the model ship and it was confirmed that the model ship stopped at a point at least 0.4 m and a maximum of 6.2 m away from the stopping position. In the future, improvement of course stability, turning performance, and stopping performance is required through modification and supplementation of various parameters. Moreover, a study on automatic berthing of the model ship through automatic control is planned.
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문제 정의
본 연구는 자율운항선박에 대한 기초 연구로써 여객선형의 모형 선박을 자체 제작하고, 이를 이용하여 항로계산 및 엔진 제어 등을 포함한 선박 자율제어 기술과 선박 자동 접· 이안 기술을 진행하기 위한 선행 연구를 실시하였다.
본 연구는 자율운항선박에 대한 기초 연구로써 여객선형의 모형 선박을 제작하고, 드론에 사용되는 아두파일럿을적용시켜 자율운항시스템을 구축였으며, 다양한 운항성능실험을 통해 자율운항 선박의 운항 자동제어 가능성을 확인하였다.
제안 방법
2개의 WP(waypoint)를 만들고 그 사이 지점에서 모형선이 출발하여 첫 번째 WP에서 두 번째 WP까지 직진하도록 항해계획을 수립하여 침로를 똑바로 유지하는 침로안전성이 얼마나 좋은지를 평가하였으며, 항해계획은 Fig. 10 및 Table 6 과 같다.
WP를 사각형 형태로 만들어 대각도 선회가 이루어지도록 항해계획을 수립함으로써 모형선이 90°에 가까운 변침을 실시할 때 선회성능이 얼마나 좋은지를 평가하였으며, 항해계획은 Fig. 11 및 Table 7과 같다.
2와 같이 연결하여 뼈대를 구성하고, 바깥 외판 부분은 스티로폼(1mm)을 붙여 순간접착제와 경화제를 사용하여 고착시키는 작업을 3차례(3 coating) 반복하여 선체를 완성하였다. 그 이후 추진용 모터와 프로펠러 및 샤프트, Rudder, Bow Thruster(물을 선저에서 흡입하여 측면으로 배출하는 형태로 제작; 향후 자동접안 실험 대비)를 부착하여 모형선을 완성하였다. Table 1은 모형선의 제원을 나타낸다.
모형선의 자율운항 실험을 위해 Mission Planner로 여러 가지 항해계획을 수립하고 모형선이 입력된 항해계획대로 운항하는지를 확인하였다. 실험 장소는 충분한 수역이 확보된 영산강 하구로 해당 장소는 수문이 폐쇄된 상태에서 유속은 거의 없으며, 실험은 풍속 2m/s 이내인 조건에서 실시되었다.
본 연구에서는 모형선에 픽스호크를 설치하여 자율운항시스템을 구축하였다.
선회성능 실험 결과는 Fig. 13과 같고, 선회를 제어하는 매개변수(NAVL1_PERIOD)를 변경 적용하였다. 매개변수는 그 값이 작을수록 급격한 선회가 이루어지도록 제어하는 변수이다.
선회성능은 WP를 사각형 형태로 만들어 모형선이 90°에 가까운 대각도 변침을 하도록 항해계획을 수립하여 실시하였다. 매개변수 값을 최대값으로 설정한 실험 D의 경우 변침점 인근에서 이탈거리는 최대 약 9.
정지성능은 실험 A~F까지 WP 반경을 0.5m로 설정한 상태에서 마지막 WP와 모형선의 정지 위치를 상호 비교하였으며, 실험 A~E까지는 WP 도착 전 1.8m(1.5L)~6.2m(5.2L) 지점에서 모형선이 정지한 반면 실험 F에서는 WP를 0.4m(0.3L) 지난 지점에서 정지하였다. 이와 같이 마지막 WP에서 정확히 정지하지 못하는 원인으로는 전진속력의 급격한 감소로 인한 위치제어 문제와 EP(end point)에서 제어기 임무 완수로 인해 해당 항해계획이 종료되었기 때문인 것으로 판단된다.
최종 WP에서 정확한 위치에 모형선이 정지하는가를 확인하기 위해서 실험 A~F까지의 마지막 WP와 모형선의 정지 위치를 상호 비교하였다. 자율운항선박의 운항은 크게 대양항해와 P/S에서 접안부두 전면까지의 항해 그리고 접안부두 전면에서 접안 완료(출항의 경우 반대)에 이르는 과정을 거치게 된다.
프로펠러는 일반적인 7.2V 스톡모터에 샤프트를 연결하여 고정하였으며, 조타기는 Rudder stock에 샤프트를 연결하고 Digital Servo로 제어하는 방식으로 구현하였다. 픽스호크, 모터 및 Digital Servo에 전원의 공급을 위해 리튬폴리머 배터리를 사용하였다.
대상 데이터
모형선은 목포해양대학교 실습선 세계로호를 대상 선박으로 하여 제작되었다. Fig.
확인하였다. 실험 장소는 충분한 수역이 확보된 영산강 하구로 해당 장소는 수문이 폐쇄된 상태에서 유속은 거의 없으며, 실험은 풍속 2m/s 이내인 조건에서 실시되었다.
2V 스톡모터에 샤프트를 연결하여 고정하였으며, 조타기는 Rudder stock에 샤프트를 연결하고 Digital Servo로 제어하는 방식으로 구현하였다. 픽스호크, 모터 및 Digital Servo에 전원의 공급을 위해 리튬폴리머 배터리를 사용하였다. 제품의 상세는 Fig.
이론/모형
본 연구에서는 모형선을 원격 제어하기 위한 지상 통제시스템으로 Mission Planner를 사용하였다. Mission Planner는 아두파일럿 오픈소스 자동 조종 장치(비행기, 헬리콥터 및 로버 등)를 제어하기 위한 지상국 소프트웨어로 Fig.
성능/효과
할 것으로 판단된다. 따라서 WP에서의 이탈 거리와 선속의 관계를 확인하기 위하여 실험 D와 E는 1.2m/s 의 속력을 지속적으로 유지했으며, 실험 F에서는 운항속도를 1.0m/s에서 WP 직전에 0.3m/s로 감속하도록 항해계획을 수립하였다.
본 연구에서는 오픈소스 기반 픽스호크를 사용하였으며, 하드웨어 및 오픈 소프트웨어(PX4 펌웨어, Ardupilot 펌웨어) 로 구성되어 기체를 제어할 수 있으며, 지상통제시스템 (Mission Planner, QGroundControl)를 통해 초기 설정과 실시간 비행데이터를 확인할 수 있다. 또한 펌웨어 수정을 통해 멀티콥터, 비행기, 자동차, 선박, 잠수함 등 다양한 기체에 적용 및 세팅할 수 있는 장점이 있다.
7L)로 축소된 것을 확인할 수 있었다. 실험 D, E, F 동안의 모형선 선속변화(Fig. 14)를 살펴보면 실험 D와 E에서는 모형선이 명령한 운항속도 1.2m/s를 평균적으로 잘 유지하고 있으며, 실험 F에서는 명령한 운항속도 1.0m/s를 유지하다가 WP 직전에 0.3m/s로 감속하였음을 확인할 수 있다.
3L) 지난 지점에서 정지하였음을 확인할 수 있다. 실험 F 를 제외한 대부분 실험에서 모형선은 마지막 WP인 정지 예정 지점과 상당한 이격거리를 두고 정지한 것으로 나타났다.
나타났다. 실험결과를 살펴보면, 매개변수 값을 1.0으로 설정한 실험 A의 경우가 항로로부터 5.4m(4.5L)로 가장 많이 이탈한 것으로 나타났으며, 매개변수 값을 3.0으로 설정한 실험 C의 경우 1.8m(1.5L)로 가장 적게 이탈한 것으로 확인되었다. 이와 같이 매개변수를 이용한 PID 제어를 통해 침로안정성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
5L)로 가장 적게 이탈한 것으로 확인되었다. 이와 같이 매개변수를 이용한 PID 제어를 통해 침로안정성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
침로안정성은 2개의 WP를 만들어 모형선이 그 사이를 직진하도록 항해계획을 수립하여 평가하였으며, 모형선은 직선으로 정해진 항로를 지그재그(S자 형태)로 항해하는 것으로 나타났다. 실험결과를 살펴보면, 매개변수 값을 1.
8L) 정도로 나타났고, 실험 E의 경우 매개변수를 최저값으로 변경하였음에도 불구하고 이탈 정도에는 큰 변화가 없었다. 하지만 매개변수를 최저값으로 하면서 동시에 WP 직전에서 속력을 0.3m/s로 감속하도록 계획한 실험 F에서는 이탈거리가 최대 3.2m(2.7L) 로 축소된 것을 확인할 수 있었다.
8L) 정도 이탈한 것으로 나타났고, 실험 E의 경우 매개변수를 최저값으로 변경하였음에도 불구하고 이탈 정도에는 큰 변화를 확인 할 수 없었다. 하지만 매개변수를 최저값으로 하면서 동시에 WP 직전에서 속력을 감속하도록 계획한 실험 F에서는 이탈 거리가 최대 3.2m(2.7L)로 축소된 것을 확인할 수 있었다. 실험 D, E, F 동안의 모형선 선속변화(Fig.
후속연구
자율운항선박의 운항은 크게 대양항해와 P/S에서 접안부두 전면까지의 항해 그리고 접안부두 전면에서 접안 완료(출항의 경우 반대)에 이르는 과정을 거치게 된다. 이와 같이 침로안정성과 선회성능 및 정지성능에서 자동 제어가 가능해지면, 그 다음 단계로는 자율운항 선박의 자동 제어에 의한 자동접안 연구가 이루어질 것이다.
향후 다양한 매개변수를 수정·보완한 실험을 통해 운항성능 향상이 이루어진다면 자동제어를 통해 자율운항 선박의 자동 접안에 대한 연구로 확대할 계획이다.
참고문헌 (8)
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