3.3 무인 수상선의 항법제어시스템
3.3.2 무인 수상선의 항법제어시스템
- 무인 수상선 자율운항 제어 모듈 구성
무인 수상선을 목적지로 운행하기 위한 Fig 3.32의 주변장치 구성도 및 주변 장치로부터 제공된 위치와 방향정보를 지속적으로 연산하여 최적경로를 찾아 목적지로 운행하기 위한 자율운항 방법을 적용하였다.
Fig 3.32. Control H/W interface and GPS/IMU heading operation
무인 수상선 자율운항 제어 절차는 다음과 같다.
Step1. 현재 무인 수상선에 목적지 전송 운항명령
Step2. 자율운항 제어 최적의 1차 목적지(G1)를 설정하고, 현재 수상선의 헤딩 값을 계산(A) 선박 위치와 목적지 간의 각도(B1)와 거리(C1)를 계산
Step3. 변경할 무인 수상선의 헤딩 위치를 측정(A+B1) 하고 회전(각) 모터에 해 당 각도만큼 회전할 것을 전송 하고 실행
Step4. MCU는 무인 수상선이 추가 경로 목적지(G1,G2,G3)에 도착하면 서버는 다음 최적의 목적지(G2,G3,목적지) GPS 좌표를 MCU로 전송
Step5. Step 2~4를 동일한 동작을 반복 수행하면서 최적경로 생성
Step6. 무인 수상선이 최종 목적지에 도착하면 DP(Dynamic Position)를 수행하 여 위치 유지 후 다음 명령 대기
- A* 알고리즘
무인 수상선의 자율운항 알고리즘 개발과 관련하여 목표 목적지까지의 최적 경로를 탐지하기 위해 셀 구조 기반의 최적 경로추정 알고리즘인 A* 알고리즘 을 적용하여 Fig 3.33과 같이 운항 중 발생되는 변화에 실시간으로 대응하여 경유지 또는 목적지까지 무인 수상선의 최단경로를 생성하고 일정주기로 경로 재검색 및 경로 보정을 통하여 자율운항 할 수 있도록 알고리즘을 적용하였다.
Fig 3.33. Optimal routing algorithm processing
- AIS 기반 충돌 경로회피 및 자율운항 알고리즘
AIS 데이터를 이용한 선박 및 장애물 회피를 위한 동적 경로계획 및 생성 알 고리즘을 구현(타선 확인 및 해도기반 장애물 회피 목적지 경로 생성 자율운항 적용)하였으며, 무인 수상선에서 수신되는 AIS 정보를 바탕으로 타선 혹은 장애 물의 위치를 확인하고, 이를 근거로 AIS 송신 선박의 위험 반경에 따른 충돌 회피를 위한 실시간 경로 재설정 알고리즘을 적용하였다.
전자해도 기반의 해안선과의 근접 거리, 해상 시설물이나 장애물과의 접근 거 리 설정을 통한 무인 수상선 충돌 예방, 허용 Area(도착지점 주변의 허용 반경 내 영역)에 따른 도착지점 근접시 근접거리 도착에 따른 다음 지점으로의 이동 경로를 자동으로 전환하는 자율운항 방법을 적용하였다.
무인 수상선 시스템 고장 및 장애진단에 대한 대처 방안 구비 (긴급정지 또는 홈위치 복귀 등 기능 구현)
근거리 장애물과 거리에 따른 위험 인지에 대해 긴급 정지를 통한 출돌 회피 방안으로 라이다(Lidar) 적용 장애물 탐지 및 회피 자료로 추가 활용하였다.
현행 위치 유지 DP(Dynamic Position)는 Fig 3.34와 같이 최종 목적지에 도달하 였거나, 명령에 따른 동작시 외란에 의해 목표 반경 이탈시 선수의 방향각에 따라 외란 방향으로의 헤딩 변경, 이동하거나 회전 반경을 줄이기 위해 역추진 을 통하여 목표지점에 위치하도록 동적(dynamic) 대응 기능을 적용하였다.
Fig 3.34. Dynamic Position processing
- 전자해도 및 AIS/GPS 기반 자율운항 모니터링/운영 프로그램 구성
실제 운항중인 무인 수상선의 자율운항 상황을 원격에서 실시간으로 모니터링 및 운영하기 위한 프로그램을 Fig 3.35와 같이 구성하였다.
모니터링 운영 프로그램은 전자해도 기반으로 무인 수상선 상태 모니터링 경 로 설정 및 계획의 설정(시작지/경유지/목적지), 무인 수상선의 위치 정보, 상태 정보 및 진행 경로를 표시한다. 모니터링을 통한 무인선 제어(운항 제어 설정, 속도/진행각 설정 및 제어)를 통해 무인 수상선 Thruster 모터 속도 및 PAN 모 터 방향/각을 제어하고, 운항모드(자동/수동)로 주행 제어와 함께 무인 수상선의 정보 송신 주기를 설정하도록 구성하였다.
Fig 3.35. ENC Map base Auto pilot monitoring program
- 무인 수상선 자율운항(Auto Pilot) 시뮬레이터 프로그램 구성
실제 무인 수상선의 운행에 앞서 전자해도 및 GPS/AIS 기반의 자율운항 경로를
예측하기 위한 프로그램을 Fig 3.36과 같이 시험할 수 있도록 적용하였다.
시뮬레이션 주요 기능은 전자해도 기반으로 실제 사용자 경로 설정/변경/삭제/
저장을 수행 하도록 구성하였으며, 안전한 자율운항을 위한 위험구역 범위 설 정
경로 예측 알고리즘에 따른 예상 항행 경로 표시하도록 하였다.
항행경로 예시 Fig 3.36에서 A에서 C를 거쳐 F 목적지까지의 경로를 설정한 경 우 선박은 섬주변을 돌아갈 수 있도록 추가 경로 B를 생성하여 최적경로에서 자율운항을 통해 장애물을 회피하고 추가경로에 따른 모의주행 기능을 보여준 다.
프로그램에서 운항 후 무인 수상선으로부터 로그 데이터 불러오기를 통해 GUI 기반의 사후 항행 경로 재생 기능을 포함하며, 해도상 거리 측정 기능과, 운항 중 수집된 AIS 데이터를 이용하여 선박의 AIS 정보를 확인할 수 있도록 하였다.
A
B
C
F
Fig 3.36. USV auto pilot simulation program