Performance Improvement on Path following and Autopilot of ship using Unknown Disturbance Estimation and Separation Principle

Abstract

The most important thing in ship operation is to assure the stability of ship from sinking or collision that may occur during navigation, and is for ship to follow the designated route accurately even when environmental disturbances (current, wave, and wind) are applied. Accurate path following minimizes the loss of propulsion energy of the ship and allows it to reach the destination in the shortest time.

The PD type autopilot system, which is widely used in ships, has an overshoot when the rudder angle is large and acts as a cause that the position of ship deviates from the route. And also, the change of the rudder angle becomes rough so that energy loss of the ship is increased. To overcome these disadvantages, a velocity type fuzzy PID autopilot system is applied. However autopilot system is affected by noise, so that the performance of the autopilot system is degraded. To compensate for this, the separation principle using the Kalman filter is applied to improve the performance.

By the way, in actual navigation of the ship, if the forces and moments generated by environmental disturbances are applied to the ship, the ship can not follow the designated route correctly and deviates from the route. In order to compensate for this, if the existence of unknown disturbances are judged by using the innovation characteristic of the Kalman filer, the forces and moments are estimated in the fuzzy disturbance estimator and converted into the thrust and rudder angle controlling the ship.|선박 운항에 있어서 가장 중요한 사항은 항해중 발생할 수 있는 침몰 또는 충돌로부터 선박의 안정성을 확보하고 환경적 외란(파도, 바람, 해류등)이 인가된 경우에도 정해진 항로를 정확하게 추종하는 것이다. 정확한 항로 추종은 선박의 추진 에너지의 손실을 최소화 하며 목적지까지 최단시간에 도달하도록 한다.

현재 선박에 많이 사용되고 있는 회두각 유지 제어기로서 PD형 제어기는 변침각이 큰 경우 오버슈트를 발생시켜 항로에서 벗어나는 원인으로 작용하고 또한 잦은 조타와 변침각의 변화가 거칠게 일어나 선박의 에너지 손실을 증가시킨다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해서 속도형 퍼지 PID 오토파일럿 시스템을 적용하였다. 또한 실제의 오토파일럿 시스템은 잡음의 영향을 받아 성능이 저하되는데 이를 보완하기 위해서 Kalman 필터를 이용한 분리원리를 적용하여 성능을 개선시켰다.

그러나 실제 선박이 운항함에 있어서는 환경적 외란으로 인해 발생하는 힘과 모멘트가 선박에 인가되어 선박은 정해진 항로를 정확하게 추종할 수 없고 항로에서 이탈하게 된다. 이를 보완하기 위해서 Kalman 필터의 이노베이션 특성을 이용하여 미지의 외란의 존재가 판단되었으면 이를 퍼지 외란 추정기에서 힘과 모멘트를 추정하고, 이를 실제 선박을 제어하는 추력과 타각으로 변환하여 선박이 정해진 항로를 크게 벗어나지 않고 추종하도록 하였다.