파랑 중 선박의 충돌회피 성능에 관한 연구

Abstract

최근 자율 시스템 관련 기술의 발전 및 센서 정확도 향상에 따라 다양한 분야에 적용성이 증대되었고, 이에 따라 신뢰성 높은 무인화 기술개발의 수요가 증가하고 있다. 조선/항해 분야에서도 선박의 운항 과정에서 인적 요인에 의한 해상사고의 최 소화, 장기간 해상 데이터의 수집, 해상 운송의 효율성 증대 등을 목적으로 자율 운항 시스템을 도입한 선박의 개발 및 운용 을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 임무를 수행하기 위해서는 자율적인 장애물 충돌회피 능력을 갖추어야 하며, 이에 따라 선박의 충돌회피 시스템에 관한 연구가 필요하다. 또한 중앙해양안전심판원 에서 집계한 최근 5년간의 운항사고 통계는 운항자의 과실에 의해 발생하는 선박 사고 중 66%가량이 충돌사고로 이어진다는 것을 보여주어, 무인선 개발뿐만 아니 라 운항자의 과실에 의한 충돌사고 예방을 위하여 선박의 충돌회피 시스템에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 기존에 수행되었던 선박의 충돌회피 알고리즘에 관한 연구의 한 계점을 극복하고자 두 가지 연구 방향을 설정하였다. 첫째, 정확한 선박의 충돌회피 성능을 평가하기 위하여 정교한 선박 조종 동역학 모델을 기반으로 조종 시뮬레이 션 프로그램을 구축하고 검증하고자 하였다. 선박의 동역학을 정교하게 반영하기 위해서는 구속모형실험 및 자유항주 시험을 바탕으로 검증된 동역학 모델을 이용하 는 것이 바람직하며, 유체력 미계수 및 자유항주 시험 결과가 제시되어있는 선박을 이용하여 충돌회피 시뮬레이션을 진행하였다. 둘째, 파랑에 의한 충돌회피 성능의 변화 특성을 고찰하기 위하여 조종 시뮬레이션 모델에 파랑표류력을 환경외란으로 추가로 고려하여 선박의 충돌회피 성능을 비교 분석 하였다. 기존 연구에서는 대부 분 환경외란을 고려하지 않은 채로 알고리즘 중심의 연구를 진행하거나, 바람 또는 조류만을 반영하여 충돌회피 시뮬레이션을 진행하였다. 하지만 대부분의 운항 조건 에서 파랑 표류력이 지배적이며, 이를 고려하기 위해서는 선박의 내항성능 평가가 선행되어야 한다. 파랑의 파고, 파장, 그리고 파향에 따른 선박의 충돌회피 수치 시 뮬레이션을 통해 충돌회피 성능을 평가하고자 하였다. 또한 선박의 제어기 성능이 제한된 상황에서의 충돌회피 성능에 관해 살펴보고자 하였다. 파랑 표류력에 의해 선박의 추진기 성능 저하가 일어날 수 있으므로 프로펠러의 회전수를 변화시켜가 며 충돌 회피 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 위해, 최소추진출력 사례 연구(case study)를 바탕으로 최소추진출력보다 추력이 작은 경우 충돌회피 성능에 관해 살펴 보고자 하였다. 본 연구에서는 최근접점 방법을 이용하여 충돌회피 시점을 결정하였으며, 속도 장애물(Velocity obstacle, VO)에서 확장된 형태인 WVO 방법을 이용하여 충돌회 피 경로계획을 진행하였다. 경로 추종 알고리즘으로는 Line-of-Sight(LOS) guidance 를 이용하였으며, 프로펠러 회전수와 타각을 이용하여 선속과 선수각을 제어하였 다. 국제해상충돌예방규칙(International Regulation for Preventing Collisions at Sea, COLREGs)에서 권고하는 조우상황 별 요구 조건을 준수하도록 충돌회피 알고리즘 을 구성하였다. 선박의 충돌회피 성능을 정량적으로 평가하기 위한 지표로 횡방향 이탈 거리(Cross track error, XTE)와 장애물과의 상대 거리(Relative distance)를 이 용하였다. 구성된 선박의 조종 시뮬레이션과 충돌회피 알고리즘을 결합하여 선박의 충돌회피 시뮬레이터를 구성하였다. 우선, 정수 중 다양한 충돌회피 상황을 통해 충 돌회피 시뮬레이터의 유효성을 확인하였다. 이후 다양한 파랑 조건에서 충돌회피 시뮬레이션을 수행하고 파랑을 구성하는 파고, 파장, 그리고 파향의 영향에 대해 평 가하였다. 이를 바탕으로 파랑의 영향에 따른 충돌회피 성능 변화를 선박의 동역학 측면에서 분석하였다.