자율운항 기반의 선박 군집항행시스템에 관한 연구

Abstract

자율운항선박 관련 기술개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 그러나, 통신, 사이버 보안, 예지보전 등 기술적으로 해결되지 못한 문제들이 아직 많이 남아있기 때문에, 자율운항선박이 상용화되기까지는 많은 시간이 필요할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 기술적으로 완전하지 않은 자율운항선박을 대양항해에 사용하기 위한 방법으로 한 척의 유인선박인 선도선박과 여러 척의 무인선박인 추종선박이 군집을 이루어 집단으로 항해하는 군집항행시스템에 관한 연구를 수행하였다. 군집항행시스템은 선도선박이 항해를 시작하면 다수의 추종선박이 직선 또는 쐐기 대형을 이루며 선도선박의 궤적을 자율적으로 추종하도록 설계되었다. 이를 위해 추종선박은 선도선박의 위치를 수신하여 추종점으로 저장하고 경로설정 알고리즘을 통해 추종점까지의 목표 침로를 계산한다. 그리고 PID 또는 PD 제어를 적용한 침로제어 알고리즘을 통해 타각을 자율적으로 제어하여 목표 침로를 추종한다. 또한, 속력제어 알고리즘을 통해 전방선박과의 거리를 계산하고, 거리에 따라 속력을 단순 제어하여 충돌을 방지한다. 대상선박은 실제 선박을 축소한 모형선박 및 길이 1m 급의 소형 모형보트로 하였으며, 한 척의 선도선박과 두 척의 추종선박으로 구성된 선박 군집항행시스템을 구현하고 시뮬레이션을 수행하였다. 모형선박의 시뮬레이션 결과, 추종선박은 선도선박의 궤적에서 평균 2.0m 이상 벗어나지 않고 추종하였으며, 전방선박과의 거리를 설정된 안전거리의 84~131% 범위 내에서 유지하였다. 모형보트의 시뮬레이션 결과에서는 추종보트가 선도보트의 궤적에서 평균 1.2m 이상 벗어나지 않고 추종하였으며, 전방선박과의 거리를 설정된 안전거리의 70~139% 범위 내에서 유지하였다. 실제 해상환경에서의 유효성을 검증하기 위해 모형보트를 이용한 해상실험을 수행하였다. 추종보트는 선도보트의 궤적에서 평균 1.5m 이상 벗어나지 않고 추종하였으며, 전방보트와의 거리를 설정된 안전거리의 87~137% 범위 내에서 유지하였다. 해상실험 결과, 모형보트가 외력의 영향과 탑재한 GPS 센서의 위치 오차 등의 영향을 받았음에도 불구하고 시뮬레이션 결과와 큰 차이 없이 추종보트가 선도보트의 궤적을 잘 추종하는 것을 확인하였다. 본 연구는 기술적으로 완전하지 않은 자율운항선박이 가지는 한계점을 극복하기 위해 대형선박의 특성과 목적에 적합한 군집제어 방안에 관한 연구를 수행하였다. 속력과 방향 제어에 대한 반응이 느린 대형선박에 적용할 수 있도록 대형을 유지하기 위한 별도의 제어동작 없이 추종선박이 선도선박의 궤적을 추종하는 알고리즘을 개발하였으며, 해상실험을 통해 실제 환경에서의 시스템의 유효성을 검증했다는 점에서 의미가 있다.|Technology development related to maritime autonomous surface ships(MASS) is actively progressing around the world. However, there are still numerous technical challenges to address, such as ship-to-shore communication, cybersecurity, equipment failure prediction and maintenance. So, it is expected to take a significant amount of time before MASS can be commercially deployed. This paper presents the ship platooning system as a method for utilizing technically incomplete MASS for ocean navigation. The system combines a manned ship as a leader with several unmanned ships as followers, forming a cohesive group for navigation. The ship platooning system is designed to enable multiple followers to autonomously follow the trajectory of a leader, forming a column or wedge formation, once the leader initiates navigation. The followers receive and store the position of the leader as a follow point, and a route planning algorithm is employed to calculate the desired course toward the follow point. Subsequently, a course control algorithm is implemented, utilizing PID or PD control, to autonomously regulate the rudder and follow the desired course. Moreover, a speed control algorithm is utilized to calculate the distance to the forward ship and adjust the speed accordingly, effectively preventing collisions. Scaled-down model ships based on actual vessels and small model boats with a length of approximately 1 meter were utilized to verify the system. A GNS consisting of one leader and two followers was implemented, and simulations and sea experiments were conducted. In the simulation results of the model ships, the followers maintained an average deviation of no more than 2.0 meters from the trajectory of the leader and maintained a distance from the forward ship within the range of 84% to 131% of the set safety distance. In the simulation results of the model boats, the followers followed the trajectory of the leader with an average deviation of no more than 1.2 meters and maintained a distance from the forward ship within the range of 70% to 139% of the set safety distance. In the results of sea experiments conducted to verify the effectiveness in real environments, the followers maintained an average deviation of no more than 1.5 meters from the leader's trajectory and maintained a distance from forward boats within the range of 87-137% of the specified safety distance. Despite the influence of environmental factors and the impact of GPS sensor position errors, the sea trial results showed that the followers successfully followed the leader's trajectory with minimal deviation, demonstrating close agreement with the simulation results. This study aimed to address the limitations of technically incomplete maritime autonomous surface ships by conducting research on formation control approaches suitable for the characteristics and objectives of large-scale vessels. This study is significant as it presents an algorithm for follower to follow the trajectory of a leader without the need for control maneuvers to maintain formation. The algorithm is specifically designed for large vessels with slow response in speed and direction control. Moreover, the system's effectiveness was verified through sea experiments, affirming its applicability in real-world environments.