KR102594519B1 - Estimation and visualization method of rudder angle rage with collision risk using the time-space domain of turning for collision prevention in the auto-remote of maritime autonomous surface ships - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자율운항선박 원격제어에서 선박의 타(Rudder)의 각도(타각)를 이용한 충돌회피에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자율운항선박의 운항시, 원격지에서 운영되는 원격제어시스템을 이용한 원격제어 과정에서 선박 응답지연, 데이터 송수신지연, 원격제어자 반응지연 등의 지연과 충돌상황 발생시, 원격제어 과정에서 획득한 데이터를 이용하여 지연시간을 추정하여 지연이 고려된 충돌회피의 제어시점을 결정한 후, 이 제어시점을 좌표 원점으로 정한 선회시공간 도메인(domain)을 이용하여 원격제어자가 명령한 제어타각에 의해서 다른 선박과 충돌하는 위치를 구하고, 충돌위치를 기준으로 환경변화에 따라 변할 것으로 예상하는 충돌위험 타각의 범위를 선회시공간에서 추정한 후, 원격제어자가 사용하려는 제어타각과 충돌위험 타각의 범위 양쪽을 화면에 가시화시키고 충돌위험 여부를 경고함으로써 원격제어자의 충돌회피를 지원하여 충돌예방에 기여하기 위한 것이다.The present invention relates to collision avoidance using the rudder angle of the ship in remote control of autonomous ships. More specifically, remote control using a remote control system operated at a remote location when operating an autonomous ship. In the process, when delays such as vessel response delay, data transmission/reception delay, remote controller reaction delay, etc., and collision situations occur, the delay time is estimated using the data acquired during the remote control process, and the control point for collision avoidance considering the delay is determined. , using the turning time-space domain that sets this control point as the coordinate origin, the collision position with another vessel is obtained by the control rudder angle commanded by the remote controller, and the collision is expected to change according to environmental changes based on the collision position. After estimating the range of the dangerous rudder angle in turning time and space, both the control rudder angle that the remote controller wants to use and the range of the collision risk rudder angle are visualized on the screen and warn of the risk of collision, thus contributing to collision prevention by supporting the remote controller's collision avoidance. It is for.
현재 해상에서는 육상의 자율주행 자동차와 마찬가지로, 자율운항선박에 대한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 자동화시스템으로 물류의 흐름을 최소 10% 이상 빠르게 할 수 있고, 전체 해양사고의 82%나 차지하는 인적과실 사고를 해소할 수 있으며, 인건비 절감 등으로 약 60% 이상의 비용을 절감할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 자율운항선박은 국제해사기구(International maritime Organization, IMO)에서 MASS(Maritime Autonomous Surface Ship)로 지칭하고 있으며, 통상 4레벨로 구분하고 있는데, 레벨1은 기존 선박에서 선원의 의사결정을 지원하기 위한 수준이고, 레벨2는 선박에 선원이 승선한 상태에서 원격제어가 가능한 수준이며, 레벨3은 선원이 승선하지 않거나 또는 최소인원만 승선한 경우 원격제어가 가능하고 기관이 자동화된 수준이다. 끝으로 레벨4는 선박에 사람이 없는 완전 무인화 수준인데, 국내외적인 개발목표는 기존 유인선박(사람이 제어하는 선박)에 원격제어 장치를 부가하여 원격에서 제어 가능한 수준2와 수준 3 사이에 있다. 수준 2와 3 사이에서 요구되는 기술은 원격으로 자율운항선박을 안전하게 조종하는 것인데 이를 위해 자율운항선박 원격제어 과정에서 발생하는 제어지연에 의한 해양사고는 예방되어야 한다.Currently, research and development on autonomous ships is being actively conducted at sea, similar to autonomous vehicles on land. Automation systems can speed up the flow of logistics by at least 10%, and human error accounts for 82% of all maritime accidents. It has been found that accidents can be resolved and costs can be reduced by more than 60% through reduced labor costs. These autonomous ships are referred to as MASS (Maritime Autonomous Surface Ship) by the International Maritime Organization (IMO), and are usually divided into four levels, with level 1 being designed to support crew decision-making on existing ships. Level 2 is the level at which remote control is possible with a crew member on board the ship, and Level 3 is the level at which remote control is possible when there is no crew member on board or only a minimum number of people are on board and the engine is automated. Lastly, Level 4 is a completely unmanned level where there are no people on board the ship, and the domestic and international development goals are between Level 2 and Level 3, where remote control is possible by adding a remote control device to an existing manned ship (a ship controlled by humans). The technology required between levels 2 and 3 is to safely control autonomous ships remotely, and for this purpose, marine accidents due to control delays that occur during the remote control of autonomous ships must be prevented.
한편, 현재 국내외에서는 레벨2와 레벨3 중간 정도의 자율운항선박을 대상으로 설계가 진행되고 있을 뿐, 아직까지 자율운항선박 형태로 건조된 선박은 전무한 실정이며, 이는 국제규정에 의하면 현재 국제해상운송에 종사하는 모든 선박은 인간(선원)에 의해서 제어해야 하는 것으로 정해져 있기 때문이다.Meanwhile, design is currently underway at home and abroad for autonomous ships that are between level 2 and level 3, and there are no ships built as autonomous ships yet, which are currently considered international maritime transportation according to international regulations. This is because it is determined that all ships engaged in must be controlled by humans (seafarers).
이에, 자율운항선박의 운항 안전성과 실효성을 확보하기 위한 방안으로 육상원격 제어시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 이것은 육상원격 제어시스템을 통해 자율운항 시스템의 고장 또는 기능의 고장 또는 여하 한의 이유로 인하여 자율운항이 불가능한 경우 이를 대비하기 위함이다. 아울러 현존하는 모든 선박의 경우에도 육상제어가 필요한데, 그 것은, 선박 간 충돌, 화재, 항로이탈, 음주운항 등 다양한 상황에서 항해사가 선박을 직접 조종할 수 없는 경우가 발생하기 때문이다.Accordingly, research on land remote control systems is being actively conducted as a way to ensure the operational safety and effectiveness of autonomous ships. This is to prepare for cases where autonomous operation is not possible due to this reason. In addition, land control is necessary for all existing ships, because there are cases where the navigator cannot directly control the ship in various situations such as collision between ships, fire, departure from route, and drunk driving.
한편, 자율운항선박의 원격제어는 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자)로 구성되고, 3요소 사이의 순환적이고 반복적인 제어에 의해서 실행됨에 따라 이들 간의 유기적인 동작에 어떠한 지연 현상이 발생될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 이러한 지연 현상은 다양한 환경(선박의 반응지연, 통신 네트워크의 고장과 지연, 제어시스템의 신호처리 지연, 원격제어자에 의한 의사결정 지연 등)에 의해서 발생할 수 있다.Meanwhile, the remote control of an autonomous ship consists of three elements (ship, control system, and remote controller), and as it is executed through cyclical and repetitive control between the three elements, any delay phenomenon occurs in the organic operation between them. It is known that this delay phenomenon can occur due to various environments (ship reaction delay, communication network failure and delay, control system signal processing delay, decision-making delay by remote controller, etc.).
원격제어에서 지연이 발생하면 두 가지 주요 문제가 발생하는데, 그 것은 상황인식 실패와 원격제어 실패이다. 상황인식 실패는 자율운항선박 주변의 현재 상황이 원격제어자에게 전송될 때까지 지연되어 원격제어자가 현재 상황을 인지할 수 없기 때문에 발생하고, 원격제어 실패는 원격제어자의 제어명령이 선박에 도달할 때까지 지연되어 원격제어자가 원하는 시점에서 선박이 제어되지 못하기 때문에 발생한다. 그 결과 선박은 충돌, 좌초 등의 사고가 발생할 수 있고, 계획된 항로에서 이탈하여 항해 거리가 증가할 수 있다.Delays in remote control cause two major problems: failure of situational awareness and failure of remote control. Situational awareness failure occurs because the current situation around the autonomous ship is delayed until it is transmitted to the remote controller, and the remote controller cannot recognize the current situation. Remote control failure occurs when the remote controller's control command does not reach the ship. This occurs because the ship cannot be controlled at the desired time by the remote controller due to delays until the desired time. As a result, accidents such as collisions and strandings may occur, and the sailing distance may increase due to deviating from the planned route.
따라서 자율운항선박의 운항 중 제어지연으로 인한 해양사고 발생을 미연에 방지하고 계획된 항로를 추정할 수 있는 대안 마련이 시급한 실정이며, 특히 과학적이고 정량적으로 원격제어자의 제어행위에 대한 충돌위험을 추정하고 결정하여 가시화하는 방법에 대한 연구를 통해 자율운항선박의 운항 안전성과 경제성을 확보할 필요가 있다.Therefore, there is an urgent need to prevent marine accidents due to control delays during the operation of autonomous ships and to prepare alternatives that can estimate the planned route. In particular, it is necessary to scientifically and quantitatively estimate the risk of collision due to the remote controller's control actions. There is a need to secure the operational safety and economic feasibility of autonomous ships through research on how to make decisions and visualize them.
한편, 제어타각은 자율운항선박을 제어하기 위한 타의 각도를 의미하는 것으로, 충돌회피는 제어타각을 이용하여 주로 수행하는데, 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험을 평가하는 방법은, 1) 오랜 시간 동안의 선박조종 경험을 토대로 평가하는 방법, 2) 선박조종 시뮬레이터를 이용하여 평가하는 방법, 3) 선박조종 모델을 이용하여 수치적으로 평가하는 방법이 있다.Meanwhile, the control rudder angle refers to the rudder angle for controlling an autonomous ship. Collision avoidance is mainly performed using the control rudder angle. The method of evaluating the risk of collision based on the control rudder angle of the remote controller is: 1) Long-term rudder angle There are 2) evaluation methods based on years of ship handling experience, 2) evaluation methods using a ship handling simulator, and 3) numerical evaluation methods using a ship handling model.
그러나, 상기 오랜 시간 동안의 선박조종 경험을 토대로 평가하는 방법은 무인선박을 추구하는 자율운항선박의 원격제어에 적합하지 않고,However, the above-mentioned evaluation method based on long-term ship operation experience is not suitable for remote control of autonomous ships pursuing unmanned ships,
상기 선박조종 시뮬레이터를 이용하여 평가하는 방법은 고가의 선박조종 시뮬레이터가 필요하고 충돌위험 평가에 많은 시간이 걸리는 문제가 있으며,The method of evaluating using the ship handling simulator has the problem of requiring an expensive ship handling simulator and taking a lot of time to evaluate the risk of collision.
상기 선박조종 모델을 이용하여 수치적으로 평가하는 방법은 복잡한 수치해석이 필요함과 동시에 평가에 시간이 걸리는 문제가 있었다.The method of numerical evaluation using the ship handling model had the problem of requiring complex numerical analysis and taking time for evaluation.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제어하려는 선박이 정해진 경우에는 선박의 제원(길이, 폭, 속력 등)과 선회권을 이용하여 사전에 구축한 선회시공간 도메인을 이용함으로써 신속하게 제어타각에 대한 충돌위험을 평가할 수 있는 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법을 제공하는데 있다.The present invention was created to solve the problems of the prior art as described above. The purpose of the present invention is to establish a ship in advance using the ship's specifications (length, width, speed, etc.) and turning power when the ship to be controlled is determined. The purpose of this study is to provide a method for estimating and visualizing the collision risk range using the turning space-time domain to prevent collisions in the remote control of autonomous ships that can quickly evaluate the collision risk for the control angle by using the turning space-time domain.
또한, 본 발명은, 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험의 추정과 가시화 방법 및 절차와, 원격제어 데이터를 이용하여 충돌회피의 시작시간을 추정하는 방법과, 선박 선회권을 이용한 선회시공간 도메인의 구축과 구현 방법과, 원격제어자의 제어타각을 이용하여 충돌타각의 범위를 결정하는 방법과, 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험을 경고하는 방법과, 충돌타각 범위와 충돌위험을 화면에 가시화하는 방법과, 충돌타각 범위와 충돌위험을 모니터링하기 위한 가시화 화면의 구성도로 이루어진 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법을 제공하는데 있다.In addition, the present invention includes a method and procedure for estimating and visualizing the risk of collision with respect to the control angle of the remote controller, a method for estimating the start time of collision avoidance using remote control data, and a method for estimating the start time of collision avoidance using the ship's right of turn. A construction and implementation method, a method of determining the range of the collision angle using the remote controller's control angle, a method of warning of the risk of collision based on the remote controller's control angle, and a method of visualizing the collision angle range and collision risk on the screen. The purpose is to provide a method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning time-space domain for collision prevention in remote control of autonomous ships, which consists of a method and a diagram of a visualization screen for monitoring the collision angle range and collision risk.
상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시례에 따른 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법은, 제어과정에서 발생하는 모든 원격제어 데이터를 수득하여 저장하는 원격제어 절차과정과, 상기 수득한 원격제어 데이터를 호출하여 충돌회피 시간을 추정하여 충돌회피의 필요여부를 결정하는 충돌타각의 범위 추정과 가시화 과정으로 수행되는 제어타각의 충돌위험 경고단계;The method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships according to a preferred embodiment of the present invention for realizing the above purpose is to control all remote control that occurs during the control process. A control angle collision performed through a remote control procedure process of obtaining and storing data, and a range estimation and visualization process of the collision avoidance angle that calls the obtained remote control data to estimate the collision avoidance time and determines whether collision avoidance is necessary. Danger warning stage;
데이터 송수신 과정에서 발생하는 지연과, 제어과정에서 원격제어자의 반응지연과, 선박제어 과정에서 선박의 반응지연에 따른 원격제어 데이터 획득 단계;A remote control data acquisition step due to delays occurring in the data transmission and reception process, response delays of the remote controller in the control process, and response delays of the ship in the ship control process;
지연된 시간 이후에 제어타각이 유효하게 선박제어에 적용되어 충돌회피를 시작하는 시간을 추정하기 위한 충돌회피 시작시간 추정단계;A collision avoidance start time estimation step for estimating the time at which the control rudder angle is effectively applied to ship control after the delayed time and collision avoidance starts;
충돌회피에 실패할 수 있는 충돌타각 및 항해상황과 제어지연을 반영한 충돌타각의 범위를 추정하는 충돌타각 범위의 추정단계;An estimation step of the collision angle range for estimating the range of the collision angle that reflects the collision angle at which collision avoidance may fail and the navigation situation and control delay;
선회시공간 도메인의 구축과정과, 현재 제어상태에서의 제어시점 데이터 획득과정과, 충돌회피 시작시간의 추정과정과, 충돌회피 시작시간에서 선박위치 계산과정과, 충돌회피 필요성의 판단과정과, 본선 선회에 의한 충돌시간 계산과정과, 충돌위치 계산과정과, 충돌타각의 범위 계산과정과, 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험의 결정과정으로 이루어진 충돌타각 범위 추정의 구현단계;A process of constructing a turning time-space domain, a process of acquiring control point data in the current control state, a process of estimating the collision avoidance start time, a process of calculating the ship position at the start time of collision avoidance, a process of determining the need for collision avoidance, and turning the ship. Implementation step of collision angle range estimation consisting of a collision time calculation process, a collision position calculation process, a collision radius calculation process, and a collision risk determination process for the remote controller's control angle;
상기 제어타각과 추정한 충돌타각 범위 및 원격제어자의 제어타각으로 이루어진 충돌타각 범위의 가시화단계로 구성된 것을 그 특징으로 한다.It is characterized in that it consists of a visualization step of the collision angle range consisting of the control angle, the estimated collision angle range, and the remote controller's control angle.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 원격제어 절차과정은, 원격제어자는 원격제어장치와 송수신 장치(STx, CRx, CTx, SRx) 그리고 통신망(LTE, LTE-M, V-SAT)로 구성된 원격제어 시스템을 이용하여 선박(MASS)을 지속적으로 반복하여 제어하고, 이 제어과정에서 발생한 모든 원격제어 데이터는 데이터베이스에 저장하는 것에 있다.As a preferred feature of the present invention, in the remote control procedure, the remote controller is a remote control consisting of a remote control device, a transmitting and receiving device (STx, CRx, CTx, SRx), and a communication network (LTE, LTE-M, V-SAT). The system is used to control the ship (MASS) continuously and repeatedly, and all remote control data generated during this control process is stored in the database.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌타각의 범위 추정과 가시화 과정은, 제어과정에서 발생한 원격제어 데이터가 저장된 데이터베이스에서 원격제어 데이터를 호출하여 충돌회피 시작시간을 추정하고;, 상기 추정한 충돌회피 시작시간에서 본선(MASS)과 타선(충돌회피 대상이 되는 다른 선박이나 물체) 사이의 상대거리를 계산하여 충돌회피의 필요 여부를 결정하고;, 충돌회피가 필요하다고 결정되면, 제어타각에 의해서 본선이 선회하는 경우 타선과 충돌할 수 있는 위치를 선회시공간 도메인을 이용하여 결정하고;, 충돌타각의 범위와 제어타각의 충돌위험 수준을 평가하고 결정한 후 가시화하여 충돌위험을 경고하는 과정으로 이루어진 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, the process of estimating and visualizing the range of the collision angle of impact includes estimating the start time of collision avoidance by calling remote control data from a database storing remote control data generated during the control process; and estimating the start time of collision avoidance. At the start time, the relative distance between the main ship (MASS) and other ships (other ships or objects subject to collision avoidance) is calculated to determine whether collision avoidance is necessary; if it is determined that collision avoidance is necessary, the main ship is determined by the control rudder angle. When making this turn, the location at which a collision may occur with another vessel is determined using the turning space-time domain; the range of the collision angle and the collision risk level of the control angle are evaluated and determined, and then visualized to warn of the risk of collision. .
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 원격제어 데이터 획득 단계는 하기의 (method 1)을 이용하여 수행되는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, the remote control data acquisition step is performed using (method 1) below.
(method 1)(method 1)
1) 시간 T1에서 선박 제어결과와 항해상황이 포함된 선박제어 데이터(S-data)를 송신기(STx)로 전송하고 시간 T2에서 수신기(CRx)로 수신.1) At time T1, ship control data (S-data) including ship control results and navigation status is transmitted to the transmitter (STx) and received at time T2 by the receiver (CRx).
2) 시간 T2에서 수신한 S-data를 원격제어장치에 입력하여 시간 T1의 항해상황을 가시화시키고, 원격제어자는 T1의 항해상황을 보면서 원격제어를 실시하여 제어데이터(C-data)를 생성한 후 시간 T2에 송신기(CTx)로 입력.2) The S-data received at time T2 is input to the remote control device to visualize the navigation situation at time T1, and the remote controller performs remote control while viewing the navigation situation at T1 to generate control data (C-data). After input to the transmitter (CTx) at time T2.
3) 시간 T3에서 C-data를 송신기(CTx)를 통해 전송하고 시간 T4에서 선박은 C-data를 수신.3) At time T3, C-data is transmitted through the transmitter (CTx), and at time T4, the ship receives C-data.
4) 시간 T4에 입력된 C-data를 이용하여 선박은 제어되고 그 제어결과와 항해상황을 포함한 선박제어 데이터(S-data)를 시간 T1에서 송신기(STx)에 입력.4) The ship is controlled using C-data input at time T4, and ship control data (S-data) including the control results and navigation status is input to the transmitter (STx) at time T1.
5) 위의 1)과 마찬가지로 S-data를 시간 T1에서 송신기(STx)로 전송하고 시간 T2에서 수신기(CRx)로 수신.5) Similar to 1) above, S-data is transmitted to the transmitter (STx) at time T1 and received by the receiver (CRx) at time T2.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 원격제어 데이터는 위의 5과정을 지속적으로 반복하면서 수시로 발생하는 3종의 데이터{S-data, C-data, T-data}의 형태로 D/B에 저장되고;,As another preferred feature of the present invention, the remote control data is stored in the DB in the form of three types of data {S-data, C-data, T-data} that are generated from time to time while continuously repeating the above five processes. become;,
상기 T-data는 T1, 선박데이터 송신시간; T2, 선박데이터 수신시간; T3, 제어데이터 송신시간; T4, 제어데이터 수신시간으로 이루어진 시간 데이터를 나타낸 것으로, 시간 데이터에 포함되는 시간들은 S-data와 C-data의 송수신 과정에서 GPS를 이용하여 측정한 시간이며,The T-data includes T1, ship data transmission time; T2, vessel data reception time; T3, control data transmission time; T4 indicates time data consisting of control data reception time. The times included in the time data are times measured using GPS during the transmission and reception of S-data and C-data.
상기 S-data는 OS-MMSI, 본선 식별번호; OS-time, 본선 시간; OS-position, 본선 위치; OS-heading, 본선 선수방위; OS-speed, 본선 속력; OS-rudder-angle, 본선 타각; OS-Radar, 본선 레이더 영상 데이터; OS-ECDIS, 본선 엑디스 영상 정보; OS-CCTV, 본선 CCTV 영상 데이터; TS-MMSI, 타선 식별번호; TS-time, 타선 시간; TS-position, 타선 위치; TS-heading, 타선 선수방위; TS-speed, 타선 속력 중 어느 하나 이상을 포함하며,The S-data includes OS-MMSI, ship identification number; OS-time, main line time; OS-position, ship position; OS-heading, final heading; OS-speed, own ship speed; OS-rudder-angle, main line angle; OS-Radar, own ship radar image data; OS-ECDIS, main line ECDIS video information; OS-CCTV, main line CCTV video data; TS-MMSI, batting line identification number; TS-time, batting time; TS-position, batting line position; TS-heading, batting line direction; Includes one or more of TS-speed and batting line speed,
상기 C-data는 C-time, 제어명령 발생 시각; C-speed, 제어 속력; C-heading, 제어 선수방위; C-rudder-angle, 제어타각 중 어느 하나 이상을 포함하는 것에 있다.The C-data is C-time, control command generation time; C-speed, control speed; C-heading, controlled heading; It includes one or more of C-rudder-angle and control rudder angle.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌회피 시작시간 추정단계에서, 상기 충돌회피 시작시간은 n제어상태에 있는 Operator(n)을 기준으로 과거에 GPS를 이용하여 측정한 것으로,As another preferred feature of the present invention, in the collision avoidance start time estimation step, the collision avoidance start time was measured in the past using GPS based on Operator (n) in the n control state,
T2(n-1): n-1상태에서 선박데이터(S-data)를 원격제어자가 수신한 시간;,T2(n-1): Time when the remote controller receives ship data (S-data) in n-1 state;,
T3(n): n상태에서 제어데이터(C-data)를 원격제어자가 송신한 시간;,T3(n): Time when the remote controller transmits control data (C-data) in n state;,
T4(n): n상태에서 제어데이터(C-data)를 선박에서 수신한 시간;,T4(n): Time when control data (C-data) is received from the ship in n state;,
T1(n): n상태에서 선박데이터(S-data)를 선박에서 송신한 시간;,T1(n): Time when ship data (S-data) is transmitted from the ship in n state;,
T2(n): n상태에서 선박데이터(S-data)를 원격제어자가 수신한 시간;,T2(n): Time when the remote controller receives ship data (S-data) in n state;,
으로 이루어진 5종의 시간(T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n))을 이용하여 추정하는 것에 있다.It is estimated using five types of times (T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)).
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌타각 범위의 추정단계에서, 상기 충돌타각의 범위는 사전에 구축한 선박의 선회권(본선이 제어타각에 반응하여 선회시 나타나는 위치의 궤적)을 이용하여 구현한 선회시공간 도메인(타각(Rudder Angle)과 시간(Time)의 조합에 대한 선회권을 x-y 평면좌표에 나타낸 시공간)을 적용하여 추정한 것으로, 상기 선회시공간 도메인의 구축방법은 하기의 (method 2)를 이용한 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the estimation step of the collision angle range, the collision angle range is implemented using the ship's turning circle (trajectory of the position that appears when the ship turns in response to the control rudder angle) established in advance. It is estimated by applying a turning space-time domain (space-time showing the turning circle for the combination of rudder angle and time in x-y plane coordinates), and the method of constructing the turning space-time domain is as follows (method 2). It is in the use of .
(method 2)(method 2)
x-축과 y-축은 미터 단위로 나타낸 선회권의 x-축과 y-축 거리를 각각 나타내고, x-축의 위와 y-축의 좌측에 나타낸 시간은 선회시간(t)을 나타낸다.The x-axis and y-axis represent the x- and y-axis distances of the turning circle in meters, respectively, and the time shown above the x-axis and to the left of the y-axis represents the turning time (t).
본선(0,0)은 x-y 좌표 원점(0,0)을 나타낸 것으로, 이 원점은 T4(n+1)에서 제어타각을 수신할 때의 선박 위치를 나타낸다.The ship (0,0) represents the x-y coordinate origin (0,0), and this origin represents the ship's position when receiving the control rudder angle at T4(n+1).
선회시공간은 T4(n+1) 이후의 시간에 나타날 수 있는 선회권의 위치를 나타낸다.The turning time and space indicates the position of the turning circle that may appear at a time after T4(n+1).
본선의 침로는 실제 침로에 관계없이 y-축 방향을 선수방위 영(0)도로 고정하여 나타낸다.The ship's course is indicated by fixing the y-axis direction to the heading zero (0) degrees, regardless of the actual course.
본선(0,0)을 기준으로 시간 증가에 따른 선회권(TC)을 x-y 위치의 조합을 8개의 점선으로 나타낸 곡선으로 표시하고, 시간과 거리가 조합된 선회권의 시간거리선(Time-Distance Line, TDL)을 6개의 실선으로 표시한다.Based on the main ship (0,0), the turning circle (TC) according to the increase in time is displayed as a curve with 8 dotted lines for the combination of x-y positions, and the turning circle's time-distance line (Time-Distance) is a combination of time and distance. Line, TDL) is displayed as six solid lines.
최 외곽의 반원에 나타낸 숫자는 타각(Rudder Angle(deg.))을 나타낸 것으로, 우현으로 사용하는 타각을 0도부터 35도까지 나타내고, 좌현으로 사용하는 타각은 0도부터 10도까지의 일부분만 나타낸다.The number shown in the outermost semicircle represents the rudder angle (deg.). The rudder angle used on the starboard side is from 0 degrees to 35 degrees, and the rudder angle used on the port side is only a portion of the range from 0 degrees to 10 degrees. indicates.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 선회시공간 도메인의 구축과정은 선회시공간 도메인(TC-domain)은 원격제어를 실시하기 이전에 본선의 선회권(Turning Circle, TC)을 이용하여 미리 구축하되, TC는 다음 하기의 수식(1)의 조건을 본선의 선박조종 모델(Ship-model)에 주고 x-y 평면좌표계에서 획득하고, 하기의 수식(2)의 조건을 수식(1)에 주었을 때의 TC를 이용하여 구축하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the process of constructing the turning time-space domain, the turning time-space domain (TC-domain) is established in advance using the turning circle (TC) of the ship before remote control is performed, but the TC The conditions of Equation (1) below are given to the ship's ship control model (Ship-model) and obtained in the x-y plane coordinate system, and the TC obtained when the conditions of Equation (2) below are given to Equation (1) is used. It is about building it.
수식(1) TC(x,y,v,d) = [Ship-model | v,d]Formula (1) TC(x,y,v,d) = [Ship-model | v,d]
여기서 v는 선박의 허용 속력을 나타낸 것으로, v = v-min,… v-max(v-min은 최소 속력, v-max는 최대 속력)이고, d는 선박의 허용 타각을 나타낸 것으로, d = 1,2,… d-max(d-max는 최대 허용 타각으로 일반적으로 30도 내외).Here, v represents the allowable speed of the ship, v = v-min,… v-max (v-min is the minimum speed, v-max is the maximum speed), and d represents the allowable rudder angle of the ship, d = 1,2,… d-max (d-max is the maximum allowable steering angle, generally around 30 degrees).
수식(2) TC-domain(x,y,v,d,t) = [TC(x,y,v,d) | t]Formula (2) TC-domain(x,y,v,d,t) = [TC(x,y,v,d) | t]
여기서, t는 본선의 선회시간을 나타낸 것으로, t = 0,… TC-time(TC-time은 1회의 선회에 소요된 시간).Here, t represents the turning time of the ship, t = 0,… TC-time (TC-time is the time required for one turn).
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 현재 제어상태에서의 제어시점 데이터 획득과정에서, 상기 제어시점 데이터는 원격제어 과정 중에 수시로 데이터베이스에 저장한 3종의 데이터 중에서 시간데이터(T-data)를 이용하여 n제어상태에서 원격제어자가 선박데이터를 수신한 시간(T2(n))을 기준으로 하는 시간데이터(T2-data(n,m))를 다음과 같이 n×m의 매트릭스 형태로 구성하여 획득하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the process of acquiring control point data in the current control state, the control point data is obtained by using time data (T-data) among the three types of data stored in the database at any time during the remote control process. In the n control state, the time data (T2-data(n,m)) based on the time (T2(n)) at which the remote controller received the ship data is obtained by configuring it in the form of an n×m matrix as follows. It's in the thing.
T2-data(n,m) ∈ {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)}T2-data(n,m) ∈ {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)}
여기서, n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태)이고, m은 데이터 번호로서 m=1,2,… M(M은 총 데이터 수로서 M=5)이고, 각 시간은 선박과 원격제어자 사이의 시간동기화를 위해 GPS 시간을 이용하여 측정한 것.Here, n is the control state identification number, where n = 1, 2,… N (N is the final control state), and m is the data number, where m=1,2,... M (M is the total number of data, M=5), and each time is measured using GPS time for time synchronization between the ship and the remote controller.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌회피 시작시간의 추정과정에서, 상기 충돌회피 시작시간 T1(n+1)은 n-1제어상태와 n제어상태에서 발생한 T2(n-1)부터 T2(n)사이의 지연시간(Delay Time, DT)을 이용하여 하기의 수식(3) 내지 수식(8)을 이용하여 추정하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the estimation process of the collision avoidance start time, the collision avoidance start time T1 (n+1) is calculated from T2 (n-1) occurring in the n-1 control state and the n control state to T2 ( It is estimated using the following equations (3) to (8) using the delay time (DT) between n).
수식(3) T1(n+1) = T1(n) + DTFormula (3) T1(n+1) = T1(n) + DT
여기서, DT는 하기의 수식(4)을 이용하여 계산한다.Here, DT is calculated using equation (4) below.
수식(4) DT = DT-T12 + DT-T23 + DT-T34 + DT-T41Formula (4) DT = DT-T12 + DT-T23 + DT-T34 + DT-T41
여기서 우측 4개 항은 하기의 수식(5)부터 수식(8)까지를 이용하여 계산한 지연시간(Delay Time, DT)을 나타낸다.Here, the four terms on the right represent the delay time (DT) calculated using equations (5) to (8) below.
수식(5) DT-T12 = T2(n) - T1(n)Formula (5) DT-T12 = T2(n) - T1(n)
수식(6) DT-T23 = T3(n) - T2(n-1)Formula (6) DT-T23 = T3(n) - T2(n-1)
수식(7) DT-T34 = T4(n) - T3(n)Formula (7) DT-T34 = T4(n) - T3(n)
수식(8) DT-T41 = T1(n) - T4(n)Formula (8) DT-T41 = T1(n) - T4(n)
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌회피 시작시간에서 선박위치 계산과정은, 상기 충돌회피 시작시간 T1(n+1)에서 본선 위치 OS-T1(n+1)과 타선 위치는 TS-T1(n+1)은 하기의 수식(9) 내지 (12)를 이용하여 계산하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, the process of calculating the ship position at the collision avoidance start time includes the own ship position OS-T1 (n+1) and the other ship position TS-T1 ( n+1) is calculated using equations (9) to (12) below.
수식(9) OS-T1(n+1) = OS-T1(n)) + OS-del(x,y)Formula (9) OS-T1(n+1) = OS-T1(n)) + OS-del(x,y)
수식(10) TS-T1(n+1) = TS-T1(n)) + TS-del(x,y)Formula (10) TS-T1(n+1) = TS-T1(n)) + TS-del(x,y)
여기서, OS-T1(n)과 TS-T1(n)은 시간 T1(n)에서 GPS를 이용하여 측정한 본선 위치와 타선위치를 미터 단위를 갖는 x-y 평면좌표계로 변환시킨 위치를 각각 나타내고, OS-del(x,y)과 TS-del(x,y)은 지연시간(DT) 동안 본선 또는 타선이 이동한 위치를 나타낸 것으로, 이들의 x-축 값과 y-축 값은 다음 식(11)과 식(12)을 이용하여 계산한다.Here, OS-T1(n) and TS-T1(n) represent the positions obtained by converting the home ship position and the other ship position measured using GPS at time T1(n) into an x-y plane coordinate system with meter units, respectively, and OS -del(x,y) and TS-del(x,y) indicate the position to which the main ship or other ships moved during the delay time (DT), and their x-axis and y-axis values are expressed in the following equation (11) ) and equation (12).
수식(11 x = v×sin(course)×DT)Formula (11 x = v×sin(course)×DT)
수식(12 y = v×cos(course)×DTFormula (12 y = v×cos(course)×DT
여기서 v와 course는 본선(또는 타선)의 속도와 선수방위를 각각 나타낸다.Here, v and course represent the speed and heading of the main line (or other line), respectively.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌회피 필요성의 판단과정은, 충돌회피 필요성은 T1(n+1)에서 두 선박 사이의 상대거리(DT)가 기준 상대거리(RD-ref)와 비교하여 작은 경우로 정하되, 충돌회피의 판단은 하기의 알고리즘 (1)을 이용하여 Col=1이면 충돌회피가 필요하고, Col=0이면 충돌회피가 필요 없는 것으로 결정하는 것에 있다.As another desirable feature of the present invention, the process of determining the need for collision avoidance is that the need for collision avoidance is determined when the relative distance (DT) between the two ships at T1 (n+1) is small compared to the reference relative distance (RD-ref). However, the determination of collision avoidance is made by using the algorithm (1) below to determine that collision avoidance is necessary if Col = 1, and that collision avoidance is not necessary if Col = 0.
알고리즘 (1) if (RD ≤ RD-ref) then, Col = 1 else, Col = 0Algorithm (1) if (RD ≤ RD-ref) then, Col = 1 else, Col = 0
여기서, RD-ref는 실험과 통계를 통해 결정한 값으로, 일반적으로 선박길이의 3.25배로 정해져 있고, RD는 하기의 수식(13)을 이용하여 계산한다.Here, RD-ref is a value determined through experiment and statistics, and is generally set at 3.25 times the ship length, and RD is calculated using the formula (13) below.
수식(13) RD = sqrt[ (OS-x - TS-x)^2 + (OS-y - TS-y)^2 ]Formula (13) RD = sqrt[ (OS-x - TS-x)^2 + (OS-y - TS-y)^2 ]
여기서 sqrt는 자승평균(square root)을 나타내고, OS-x, TS-x, OS-y, TS-y는 OS의 x-축 값, TS의 x-축 값, OS의 y-축 값, TS의 y-축 값을 각각 나타낸다.Here, sqrt represents the square root, and OS-x, TS-x, OS-y, and TS-y are the x-axis value of OS, the x-axis value of TS, the y-axis value of OS, and TS. Indicates the y-axis values of .
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 본선 선회에 의한 충돌시간 계산과정은, T1(n+1)에서 본선이 원격제어자의 제어타각을 이용하여 선회하는 경우 타선과 충돌하는 시간은 선회시공간 도메인을 이용하여 도출하는 것으로, 충돌시간은 선회시공간에서 본선이 d의 제어타각을 이용하여 선회하는 시간(t) 동안 타선이 이동할 때, TC-domain(x,y,v,d,t)과 TS(x,y,t)가 서로 일치하는 선회시간(t)으로 정한다. 충돌시간(Col-time)은 하기의 조건부 수식(14)을 이용하여 계산한다.As another preferred feature of the present invention, the process of calculating the collision time due to the main ship turning is that, when the main ship turns using the control rudder angle of the remote controller at T1 (n+1), the time of collision with the other ship uses the turning time-space domain. The collision time is derived by calculating the TC-domain(x,y,v,d,t) and TS(x ,y,t) are set as the turning time (t) that coincides with each other. Collision time (Col-time) is calculated using the conditional formula (14) below.
수식(14) Col-time = [t|TC-domain(x,y,v,d,t)-TS(x,y,t)=0], (0≤t< TC-time)Formula (14) Col-time = [t|TC-domain(x,y,v,d,t)-TS(x,y,t)=0], (0≤t< TC-time)
여기서 TS(x,y,t)는 선회시간(t) 동안 타선이 이동한 위치를 나타낸 것으로, x-축 값과 y-축 값은 하기의 수식(15)과 수식(16)을 이용하여 각각 계산한다.Here, TS(x,y,t) represents the position the other ship moved during the turning time (t), and the x-axis and y-axis values are calculated using the following equations (15) and (16), respectively. Calculate.
수식(15) x = v×sin(course)×tFormula (15) x = v×sin(course)×t
수식(16) y = v×cos(course)×tFormula (16) y = v×cos(course)×t
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌위치 계산과정에서 상기 충돌위치(PSN-Col)는 선회시공간 도메인에서 충돌시간(Col-time)에 해당하는 위치로 결정하는데, 하기의 조건부 수식(17)을 이용하여 계산하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the collision position calculation process, the collision position (PSN-Col) is determined as a position corresponding to the collision time (Col-time) in the turning time-space domain, using the following conditional equation (17) It is calculated using .
수식(17) PSN-Col(x,y) = [(x,y) | TC-domain(x,y,v,d,t)(t=Col-time)]Formula (17) PSN-Col(x,y) = [(x,y) | TC-domain(x,y,v,d,t)(t=Col-time)]
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌타각의 범위 계산과정에서, 상기 충돌타각의 범위는 충돌위치(PSN-Col)에서 반경(r)과 theta(theta = 0,1.2,… 2×3.14)의 호도 각을 갖는 충돌-원(Collision Circle, CC)을 이용하여 구한다. 먼저, CC(x,y,theta)의 x(theta)와 y(theta)를 하기의 수식(18)과 수식(19)을 이용하여 각각 계산하고, 충돌타각의 범위(Col-RA-range)는 CC에 포함되는 모든 타각(d)을 이용하여 정하는데, 이 타각은 하기의 조건부 수식(20)을 이용하여 계산하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the process of calculating the range of the collision angle, the range of the collision angle is determined by the radius (r) and theta (theta = 0, 1.2,... 2×3.14) at the collision location (PSN-Col). It is obtained using a collision circle (CC) with an arc angle. First, calculate x(theta) and y(theta) of CC(x,y,theta) using Equation (18) and Equation (19) below, respectively, and calculate the range of collision angle (Col-RA-range) is determined using all steering angles (d) included in CC, and these steering angles are calculated using the conditional formula (20) below.
수식(18) x(theta) = [r×sin(theta)] + [x | Col-psn(x,y)]Formula (18) x(theta) = [r×sin(theta)] + [x | Col-psn(x,y)]
수식(19) y(theta) = [r×cos(theta)] + [y | Col-psn(x,y)]Formula (19) y(theta) = [r×cos(theta)] + [y | Col-psn(x,y)]
여기서 반경 r은 실험과 통계를 통해서 결정한 것으로, 일반적으로 선박 길이의 3.25배 내지 선박 폭의 1.0배가 확보될 수 있는 원의 반경으로 정해진다. 아울러, 반경 r은 지연시간과 항해환경, 선박의 제원 등에 따라서 변한다.Here, the radius r is determined through experiment and statistics, and is generally set as the radius of a circle that can be secured from 3.25 times the length of the ship to 1.0 times the width of the ship. In addition, the radius r varies depending on delay time, navigation environment, ship specifications, etc.
수식(20) Col-RA-range(theta) = [d(theta) | TC-domain(x,y,v,d,t) ≤ CC(x,y,theta)]Formula (20) Col-RA-range(theta) = [d(theta) | TC-domain(x,y,v,d,t) ≤ CC(x,y,theta)]
그리고 충돌타각 범위의 상한 값(RA-Upper)과 하한 값(RA-Lower)은 Col-RA-range(theta) 중에서 최댓값(maximum)과 최솟값(minimum)으로 각각 정한다.And the upper limit (RA-Upper) and lower limit (RA-Lower) of the collision angle range are determined by the maximum and minimum values, respectively, of the Col-RA-range (theta).
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험의 결정과정에서, 상기 원격제어자의 제어타각(C-rudder-angle)에 대한 충돌위험은 하기의 알고리즘 (2)을 이용하여 결정하는 것에 있다.As another preferred feature of the present invention, in the process of determining the collision risk with respect to the control angle of the remote controller, the collision risk with respect to the control angle (C-rudder-angle) of the remote controller is determined using the following algorithm (2). It's about deciding.
알고리즘 (2) if (RA-Lower ≤ C-rudder-angle ≤ RA-Upper) then, RW = 1,else RW = 0Algorithm (2) if (RA-Lower ≤ C-rudder-angle ≤ RA-Upper) then, RW = 1,else RW = 0
여기서 RW는 제어타각의 충돌위험 경고(Rudder Warning) 여부를 나타낸 것으로, RW=1이면 제어타각(C-rudder-angle)이 충돌타각의 범위(RA-Lower, RA-Upper) 내에 있어서 위험함을 나타내고, RW=0은 안전함을 나타냄.Here, RW indicates whether there is a collision risk warning (Rudder Warning) of the control rudder angle. If RW = 1, it is dangerous because the control rudder angle (C-rudder-angle) is within the range of the collision angle (RA-Lower, RA-Upper). and RW=0 indicates safety.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 충돌타각 범위의 가시화단계에서,As another preferred feature of the present invention, in the visualization step of the collision angle range,
원격제어자의 제어타각과 추정한 충돌타각 범위를 가시화하는 표시영역과, 원격제어자의 제어타각만을 가시화하는 표시영역 그리고 충돌타각의 하한 값(Lower)과 상한 값(Upper), 우현(S, starboard) 또는 좌현(P, port) 각도 중 어느 하나 또는 하나 이상으로 구성된 가시화창을 포함하여 구성된 것에 있다.A display area that visualizes the remote controller's control angle and estimated collision angle range, a display area that visualizes only the remote controller's control angle, and the lower and upper limits of the collision angle (Lower) and starboard (S, starboard). Or, it is configured to include a visualization window consisting of one or more of the port (P, port) angles.
본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법은, 자율운항선박의 원격제어에서 제어지연에 따른 원격제어자의 잘못된 타각 사용을 방지함으로써 충돌을 예방하여 자율운항선박의 안전항해를 확보할 수 있고, 지연된 선박 위치에서 충돌예방을 위해 사용이 금지되어야 하는 타각의 범위를 선회시공간을 이용하여 평가할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있으며, 제어지연에 따른 충돌위험 타각의 범위를 추정하여 가시화할 수 있는 자율운항선박(MASS)의 원격제어 시스템에 관한 상용화 기술을 확보할 수 있는 이점이 기대된다.The method for estimating and visualizing the collision risk range using the turning space-time domain in the remote control of an autonomous ship according to the present invention prevents collisions by preventing the remote controller from using an incorrect rudder angle due to control delay in the remote control of an autonomous ship. By doing so, safe navigation of autonomous ships can be secured, source technology can be secured using turning time and space to evaluate the range of rudder angles that should be prohibited from being used to prevent collisions at the delayed ship's location, and The advantage of securing commercialization technology for the remote control system of autonomous navigation ships (MASS) that can estimate and visualize the range of collision risk is expected.
또한, 현재 운항 중인 선박을 자율운항선박으로 개조하거나 또는 향후 자율운항선박으로 규정된 선박에 대해서 적용하여 충돌위험 타각의 범위 추정과 가시화가 가능하므로 기술의 적용 자유도가 높은 이점이 기대된다.In addition, the advantage of high freedom of application of the technology is expected as it is possible to estimate and visualize the range of collision risk by converting ships currently in operation into autonomous ships or applying it to ships defined as autonomous ships in the future.
또한, 자율운항선박의 해양사고(충돌, 좌초, 접촉 등)로 인한 심각한 손상과 그에 따른 환경오염과 경제적인 손실을 방지할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.In addition, it is expected to have a useful effect in preventing serious damage caused by maritime accidents (collision, stranding, contact, etc.) of autonomous ships and the resulting environmental pollution and economic losses.
또한 본 발명의 자율운항선박의 원격제어에서 충돌위험 타각의 범위 추정과 가시화 방법은 원격제어 과정에서 획득한 데이터 자체를 이용함으로 별도의 장비를 추가하지 않고도 자율운항선박에서 발생할 수 있는 예상치 못한 위험을 대폭 감소시킬 수 있어 신뢰성을 담보할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.In addition, the method of estimating and visualizing the range of collision risk angle in the remote control of autonomous ships of the present invention uses the data itself obtained during the remote control process to eliminate unexpected risks that may occur in autonomous ships without adding additional equipment. It is expected to have a useful effect that can significantly reduce reliability and ensure reliability.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be interpreted in their usual, dictionary meaning, and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.
도 1은 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 원격제어자의 제어타각 충돌위험 경고방법을 설명하기 위한 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 충돌회피 시작시간 추정 방법을 설명하기 위한 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 선회시공간 도메인의 구성을 설명하기 위한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 선회시공간 도메인에서 충돌타각의 범위 추정 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 충돌타각 범위 가시화 창(visualization window)의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 충돌타각 범위 가시화의 실시례를 나타낸 모식도.1 is a schematic diagram illustrating a remote controller's control angle collision risk warning method in remote control of an autonomous ship according to the present invention;
Figure 2 is a schematic diagram illustrating the collision avoidance start time estimation method according to the present invention;
Figure 3 is a configuration diagram for explaining the configuration of the orbital space-time domain according to the present invention;
Figure 4 is a diagram illustrating a method for estimating the range of collision angle in the turning space-time domain according to the present invention;
Figure 5 is a diagram showing the configuration of a collision angle range visualization window according to the present invention;
Figure 6 is a schematic diagram showing an example of visualization of the impact angle range according to the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the configuration and operation of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, it is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this application, terms such as “include” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but not one or more other features, steps, or operations. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of components, parts, or combinations thereof. That is, throughout the specification, when a part "includes" a certain component, this means that it does not exclude other components but may further include other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Additionally, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Here, repeated descriptions, known functions that may unnecessarily obscure the gist of the present invention, and detailed descriptions of configurations are omitted in order to not obscure the gist of the present invention. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.
먼저, 도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법 을 설명하기 위한 도면이다.First, Figures 1 to 6 are diagrams to explain a method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 자율운항선박의 원격제어에서 원격제어자의 제어타각 충돌위험 경고방법을 설명하기 위한 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram illustrating a remote controller's control angle collision risk warning method in remote control of an autonomous ship according to the present invention.
도면에는 자율운항선박 원격제어 과정 중에 충돌회피를 위하여 원격제어자가 명령한 제어타각에 대한 충돌위험의 경고방법을 나타낸 것으로 (A)에 나타낸 원격제어 절차와 (B)에 나타낸 충돌타각의 범위 추정과 가시화 절차로 이루어진 구성이 도시되어 있다.The drawing shows a warning method of collision risk for the control angle commanded by the remote controller to avoid collision during the remote control process of an autonomous ship, including the remote control procedure shown in (A) and the range estimation of the collision angle shown in (B). The composition of the visualization procedure is shown.
도 2는 본 발명에 따른 충돌회피 시작시간 추정 방법을 설명하기 위한 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram for explaining the collision avoidance start time estimation method according to the present invention.
도면에는, 도 1에 나타낸 (A)원격제어절차에서 시간에 따라 발생할 수 있는 3종의 제어상태가 도시되어 있다.The drawing shows three types of control states that can occur over time in the remote control procedure (A) shown in Figure 1.
도 3은 본 발명에 따른 선회시공간 도메인의 구성을 설명하기 위한 구성도로서, 도면에서 x-축과 y-축은 미터 단위로 나타낸 선회권의 x-축과 y-축 거리를 각각 나타내고, x-축의 위와 y-축의 좌측에 나타낸 시간은 선회시간(t)을 나타내며, OS(0,0)은 x-y 좌표 원점(0,0)을 나타낸 것으로, 이 원점은 T4(n+1)에서 제어타각을 수신할 때의 선박 위치가 도시되어 있다.Figure 3 is a configuration diagram for explaining the configuration of the turning space-time domain according to the present invention. In the figure, the x-axis and y-axis represent the x-axis and y-axis distance of the turning circle in meters, respectively, and x- The time shown above the axis and to the left of the y-axis represents the turning time (t), and OS(0,0) represents the x-y coordinate origin (0,0), which is the control angle at T4(n+1). The vessel's position at the time of reception is shown.
도 4는 본 발명에 따른 선회시공간 도메인에서 충돌타각의 범위 추정 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 타선(TS)은 본선(OS)에 대해서 270도 방향(즉, 좌표 원점을 기준으로 우현에서 좌현으로)으로 항해하는 상황을 가정한 구성이 도시되어 있다.Figure 4 is a diagram illustrating a method of estimating the range of collision angle in the turning space-time domain according to the present invention. The other ship (TS) is oriented 270 degrees with respect to the main ship (OS) (i.e., from starboard to port based on the coordinate origin). ) A configuration assuming a sailing situation is shown.
도 5는 본 발명에 따른 충돌타각 범위 가시화 창(visualization window)의 구성을 나타낸 도면으로서, 도면에서 위의 반원(RUDDER ANGLE RANGE (degree))은 원격제어자의 제어타각과 추정한 충돌타각 범위를 가시화하는 부분이고, 아래 긴 사각형 박스(RUDDER ANGLE RANGE (Order)(degree))는 원격제어자의 제어타각만을 가시화하는 부분을 나타낸 것이다.Figure 5 is a diagram illustrating the configuration of a visualization window for the collision angle range according to the present invention. In the drawing, the upper semicircle (RUDDER ANGLE RANGE (degree)) visualizes the control angle of the remote controller and the estimated collision angle range. This is the part where the long square box below (RUDDER ANGLE RANGE (Order)(degree)) shows the part that only visualizes the control angle of the remote controller.
도 6은 본 발명에 따른 충돌타각 범위 가시화의 실시례를 나타낸 모식도로서, 도면에서 원격제어자의 제어타각은 우현 25.0도이고, 우현 25.0도는 우현 19.6도와 우현 31.5도 사이의 충돌타각 범위에 해당하고, 그래서 타 경고(Rudder Warning)에 적색을 표시하여 원격제어자가 현재의 제어타각을 충돌회피에 적용하는 경우 충돌할 수 있음을 경고한 것이다. 이와 반대로, 제어타각이 충돌타각 범위 내에 해당하지 않으면, 타 경고(Rudder Warning)에 청색을 표시하여 안전함을 나타낸 구성이 도시되어 있다.Figure 6 is a schematic diagram showing an example of visualization of the collision angle range according to the present invention. In the drawing, the control angle of the remote controller is 25.0 degrees starboard, and 25.0 degrees starboard corresponds to the collision angle range between 19.6 degrees starboard and 31.5 degrees starboard, Therefore, the rudder warning is displayed in red to warn that a collision may occur if the remote controller applies the current control rudder angle to collision avoidance. On the contrary, if the control rudder angle does not fall within the collision angle range, a rudder warning is displayed in blue to indicate that it is safe.
본 발명은 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법 을 구현하기 위한 것으로, 자율운항선박 원격제어는, 원격제어 3요소(선박, 제어시스템, 원격제어자)로 구성되고, 이들 3요소 사이의 순환적이고 반복적인 제어에 의해서 실행되면서 다양한 지연이 발생한다. 이러한 지연은 기술적인 한계 또는 자연적인 현상에 의해서 어쩔 수 없이 발생하는 근본적인 지연(Latency)에 더하여 원격제어자의 제어기술 미숙으로 인한 제어반응 지연, 태풍과 기상악화로 인한 선박 제어응답의 지연, 대용량 데이터 송수신에 따른 통신지연 등이 종합하여 나타난다.The present invention is intended to implement a method for estimating and visualizing the collision risk range using the turning time-space domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships. Remote control of autonomous ships involves three remote control elements (ship, control system, It is composed of a remote controller) and various delays occur as it is executed by circular and repetitive control between these three elements. In addition to fundamental delays that inevitably occur due to technical limitations or natural phenomena, these delays include delays in control response due to the remote controller's lack of control technology, delays in ship control response due to typhoons and bad weather, and large amounts of data. Communication delays due to transmission and reception appear collectively.
원격제어에서 표준 이상의 과도한 지연은 상황인식 실패와 원격제어 실패의 주요한 원인으로 작용하여 다양한 해양사고를 야기할 수 있다. 특히, 지연 발생시, 원격제어자는 지연 발생 시점에서 몇 도의 타각을 선박에 적용해야 충돌회피가 가능한지 알기 어렵고, 더욱이 충돌회피를 위해 적용하려는 타각이 충돌회피에 적합한지 아니면 오히려 충돌을 야기할지를 판단하기 곤란하다.Excessive delays beyond the standard in remote control can act as a major cause of situational awareness failure and remote control failure, causing various maritime accidents. In particular, when a delay occurs, it is difficult for the remote controller to know what rudder angle should be applied to the ship at the time of the delay to avoid collision, and furthermore, it is difficult to determine whether the rudder angle to be applied for collision avoidance is suitable for collision avoidance or will actually cause a collision. do.
즉, 본 발명의 주요한 기술적 특징은, 자율운항선박 원격제어에서 충돌회피의 시작시간을 추정하고, 추정한 충돌회피 시작시간에서 충돌이 발생할 수 있는 충돌타각의 범위를 추정하여 원격제어자에게 가시화시켜서 알려줌으로써 지연에 따른 충돌위험 타각의 사용을 방지하여 충돌을 예방하기 위한 것이다.In other words, the main technical feature of the present invention is to estimate the start time of collision avoidance in remote control of an autonomous ship, estimate the range of collision angle at which a collision can occur from the estimated collision avoidance start time, and visualize it to the remote controller. This is to prevent collisions by notifying the use of collision risk due to delay.
이하에서는 충돌위험 타각의 범위 추정과 가시화의 구현 방법은 다음 순서로 설명하기로 한다. 먼저, 1.1 제어타각의 충돌위험 경고방법을 설명하고, 1.2 원격제어 데이터 획득 방법을 설명하며, 1.3 충돌회피 시작시간 추정 방법을 설명한 후, 1.4 충돌타각 범위의 추정 방법을 설명한다. 그런 후, 2. 충돌타각 범위 추정의 구현 수단을 설명하고, 마지막으로 3. 충돌타각 범위의 가시화 방법을 설명한다.Below, the range estimation and visualization method of the collision risk angle will be explained in the following order. First, 1.1 explains the collision risk warning method of the control angle, 1.2 explains the remote control data acquisition method, 1.3 explains the collision avoidance start time estimation method, and then 1.4 explains the estimation method of the collision angle range. Then, 2. We explain the implementation means of estimating the impact angle range, and finally, 3. We explain the visualization method of the impact angle range.
1.1. 제어타각의 충돌위험 경고방법1.1. Control angle collision risk warning method
원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험 경고방법은 도 1을 이용하여 설명한다.The collision risk warning method for the remote controller's control angle is explained using FIG. 1.
도 1은 자율운항선박 원격제어 과정 중에 충돌회피를 위하여 원격제어자가 명령한 제어타각에 대한 충돌위험의 경고방법을 나타낸 것으로 (A)에 나타낸 원격제어 절차와 (B)에 나타낸 충돌타각의 범위 추정과 가시화 절차로 구성한다.Figure 1 shows a warning method of collision risk for the control angle commanded by the remote controller to avoid collision during the remote control process of an autonomous ship. The remote control procedure shown in (A) and the range estimation of the collision angle shown in (B) are shown. and visualization procedures.
이하, 제어타각의 충돌위험 경고절차를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the collision risk warning procedure of the control angle is explained as follows.
먼저, (A)원격제어 절차에서, 원격제어자(Operator)는 원격제어장치(Auto-Remote Controller)와 송수신 장치(STx, CRx, CTx, SRx) 그리고 통신망(LTE, LTE-M, V-SAT 등)으로 구성된 원격제어 시스템을 이용하여 선박(MASS)을 지속적으로 그리고 반복하여 제어하고, 제어과정에서 발생한 모든 원격제어 데이터는 데이터베이스(D/B)에 저장된다.First, in (A) the remote control procedure, the remote controller (Operator) uses a remote control device (Auto-Remote Controller), a transceiver device (STx, CRx, CTx, SRx), and a communication network (LTE, LTE-M, V-SAT). The ship (MASS) is continuously and repeatedly controlled using a remote control system consisting of (e.g., etc.), and all remote control data generated during the control process is stored in the database (D/B).
다음으로, (B)충돌타각의 범위 추정과 가시화 절차에서, D/B에 저장된 원격제어 데이터를 호출하여 충돌회피 시작시간을 추정하고, 추정한 충돌회피 시작시간에서 본선(MASS를 의미함)과 타선(충돌회피 대상이 되는 다른 선박이나 물체를 의미함) 사이의 상대거리를 계산하여 충돌회피의 필요 여부를 결정한다. 충돌회피가 필요하다고 결정되면, 제어타각에 의해서 본선이 선회하는 경우 타선과 충돌할 수 있는 위치를 선회시공간 도메인을 이용하여 결정하고, 충돌타각의 범위와 제어타각의 충돌위험 수준을 평가하고 결정한 후 가시화하여 충돌위험을 경고한다.Next, in the (B) collision avoidance range estimation and visualization procedure, the remote control data stored in D/B is called to estimate the collision avoidance start time, and the main ship (meaning MASS) is connected at the estimated collision avoidance start time. Determine whether collision avoidance is necessary by calculating the relative distance between other ships (meaning other ships or objects subject to collision avoidance). If it is determined that collision avoidance is necessary, the location where the ship may collide with another ship when turning according to the control rudder angle is determined using the turning time-space domain, and the range of the collision angle and the collision risk level of the control rudder angle are evaluated and determined. Visualizes and warns of collision risk.
위의 과정을 통해 원격제어자는 제어타각의 충돌위험을 인지하여 충돌을 예방할 수 있다. 여기서 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 준수하여 충돌을 회피하는 경우, 선박의 속력 또는 타각 중 어느 하나 또는 속력과 타각 양쪽 모두에 의해서 수행하는 것으로 명시되어 있는데, 본 발명에서는 타각만을 이용하여 충돌을 회피하는 것으로 정한다.Through the above process, the remote controller can prevent collisions by recognizing the risk of collision at the control angle. Here, when avoiding a collision by complying with the International Collision Prevention Rules at Sea (COLREGs), it is specified that this is done by either the speed or the rudder angle of the ship, or both the speed and the rudder angle. In the present invention, collision is avoided using only the rudder angle. Decide to avoid it.
1.2. 원격제어 데이터 획득 방법1.2. How to acquire remote control data
원격제어 데이터는 도 1의 (A)원격제어 절차를 이용하여 다음 5단계 과정으로 획득한다.Remote control data is obtained in the following five steps using the remote control procedure in Figure 1 (A).
단계 1: 시간 T1에서 선박 제어결과와 항해상황이 포함된 선박제어 데이터(S-data)를 송신기(STx)로 전송하고 시간 T2에서 수신기(CRx)로 수신한다. 이러한 데이터 송수신과정에서 지연이 발생한다.Step 1: Ship control data (S-data) including ship control results and navigation conditions is transmitted to the transmitter (STx) at time T1 and received by the receiver (CRx) at time T2. Delay occurs during this data transmission and reception process.
단계 2: 시간 T2에서 수신한 S-data를 원격제어장치에 입력하여 시간 T1의 항해상황을 가시화시키고, 원격제어자는 T1의 항해상황을 보면서 원격제어를 실시하여 제어데이터(C-data)를 생성한 후 시간 T2에 송신기(CTx)로 입력한다. 이러한 제어과정에서 원격제어자의 반응지연이 발생한다.Step 2: Enter the S-data received at time T2 into the remote control device to visualize the navigation situation at time T1, and the remote controller performs remote control while viewing the navigation situation at T1 to generate control data (C-data). After that, input it to the transmitter (CTx) at time T2. During this control process, a response delay of the remote controller occurs.
단계 3: 시간 T3에서 C-data를 송신기(CTx)를 통해 전송하고 시간 T4에서 선박은 C-data를 수신한다. 이러한 데이터 송수신과정에서 지연이 발생한다.Step 3: At time T3, C-data is transmitted through the transmitter (CTx) and at time T4, the ship receives C-data. Delay occurs during this data transmission and reception process.
단계 4: 시간 T4에 입력된 C-data를 이용하여 선박은 제어되고 그 제어결과와 항해상황을 포함한 선박제어 데이터(S-data)를 시간 T1에서 송신기(STx)에 입력한다. 이러한 선박제어 과정에서 선박의 반응지연이 발생한다.Step 4: The ship is controlled using the C-data input at time T4, and the ship control data (S-data) including the control result and navigation situation is input to the transmitter (STx) at time T1. During this ship control process, ship response delays occur.
단계 5: 단계 1과 마찬가지로 S-data를 시간 T1에서 송신기(STx)로 전송하고 시간 T2에서 수신기(CRx)로 수신한다.Step 5: As in Step 1, S-data is transmitted to the transmitter (STx) at time T1 and received by the receiver (CRx) at time T2.
원격제어 데이터는 위의 5단계 과정을 지속적으로 반복하면서 수시로 발생하는 3종의 데이터{S-data, C-data, T-data}의 형태로 D/B에 저장되는데, 여기서 T-data는 시간 데이터를 나타낸 것으로, 시간 데이터에 포함되는 시간들은 S-data와 C-data의 송수신 과정에서 GPS(Global Positioning System)를 이용하여 측정한 시간이다.Remote control data is stored in the DB in the form of three types of data {S-data, C-data, T-data} that are generated from time to time while continuously repeating the above 5-step process, where T-data is time It represents data, and the times included in the time data are times measured using GPS (Global Positioning System) during the transmission and reception of S-data and C-data.
S-data는 다음과 같은 정보의 세트로 구성한 것인데, 영문자 앞에 붙인 OS(Own Ship)와 TS(Target Ship)는 각각 본선과 타선을 식별하기 위한 것이다.S-data is composed of the following set of information. The OS (Own Ship) and TS (Target Ship) preceding the English letters are used to identify the own ship and other ships, respectively.
S-data{OS-MMSI, 본선 식별번호; OS-time, 본선 시간; OS-position, 본선 위치; OS-heading, 본선 선수방위; OS-speed, 본선 속력; OS-rudder-angle, 본선 타각; OS-Radar, 본선 레이더 영상 데이터; OS-ECDIS, 본선 엑디스 영상 정보; OS-CCTV, 본선 CCTV 영상 데이터; TS-MMSI, 타선 식별번호; TS-time, 타선 시간; TS-position, 타선 위치; TS-heading, 타선 선수방위; TS-speed, 타선 속력}. S-data{OS-MMSI, ship identification number; OS-time, main line time; OS-position, ship position; OS-heading, final heading; OS-speed, own ship speed; OS-rudder-angle, main line angle; OS-Radar, own ship radar image data; OS-ECDIS, main line ECDIS video information; OS-CCTV, main line CCTV video data; TS-MMSI, batting line identification number; TS-time, batting time; TS-position, batting line position; TS-heading, batting line direction; TS-speed, batting line speed}.
아울러, C-data는 다음과 같은 정보의 세트로 구성한다.In addition, C-data consists of the following set of information.
C-data{C-time, 제어명령 발생 시각; C-speed, 제어 속력; C-heading, 제어 선수방위; C-rudder-angle, 제어타각}.C-data{C-time, control command occurrence time; C-speed, control speed; C-heading, controlled heading; C-rudder-angle, control angle}.
그리고 T-data는 다음과 같은 정보들의 세트로 구성한다.And T-data consists of the following set of information.
T-data{T1, 선박데이터 송신시간; T2, 선박데이터 수신시간; T3, 제어데이터 송신시간; T4, 제어데이터 수신시간}.T-data{T1, vessel data transmission time; T2, vessel data reception time; T3, control data transmission time; T4, control data reception time}.
여기서, 자율운항선박의 원격제어 과정에서는 지연이 발생하는데, 이러한 지연은 항해환경(바람, 파도, 조유 등) 변화에 따른 선체반응지연의 변화, 통신 네트워크 상태(통신 속도, 데이터 용량에 따른 통신 시간 등)의 변화 그리고 항해 상황에 따른 원격제어자 반응지연의 변화 등이 수반되면서 각 단계별로 시간경과에 따라 변동한다.Here, delays occur in the remote control process of autonomous ships, and these delays include changes in hull response delay due to changes in the navigation environment (wind, waves, sailing, etc.), communication network status (communication speed, communication time depending on data capacity) etc.) and changes in the remote controller's response delay depending on the navigation situation, etc., fluctuate over time at each stage.
원격제어 과정에서 시간경과에 따라 변동하는 지연이 발생하면, 원격제어자의 항해상황 인식 실패와 원격제어 실패가 발생한다. 항해상황 인식 실패에 대한 예를 들면, 시간 T1에서 송신한 선박의 항해상황이 지연되어 시간 T2에 가시화되면, 원격제어자는 T1에서의 항해상황을 보기 때문에 항해상황 인식에 실패할 수 있다. 아울러, 원격제어의 실패를 예로 들면, 시간 T3에서 전송한 원격제어자의 제어명령이 지연되어 시간 T4에 선박에 전달되면 선박은 T3 시간에서의 제어명령을 수신하기 때문에 제어에 실패할 수 있다.If a delay that varies over time occurs during the remote control process, the remote controller fails to recognize the navigation situation and remote control fails. For example, if the navigation situation of a ship transmitted at time T1 is delayed and becomes visible at time T2, the remote controller may fail to recognize the navigation situation because it sees the navigation situation at T1. In addition, taking remote control failure as an example, if the control command of the remote controller transmitted at time T3 is delayed and is delivered to the ship at time T4, control may fail because the ship receives the control command at time T3.
아울러, 원격제어 과정에서 위와 같은 지연이 발생하면서 충돌상황이 발생하면, 원격제어자는 시간 T1의 상황을 이용하여 시간 T4에서 선박에 전달되는 제어명령을 고려하여 충돌회피를 해야 하는 문제가 발생한다. 문제 해결을 위해서는 먼저 충돌회피 시작시간을 추정해야 한다.In addition, if a collision situation occurs due to the above delay during the remote control process, a problem arises in which the remote controller must use the situation at time T1 to avoid collision by considering the control command delivered to the ship at time T4. To solve the problem, the collision avoidance start time must first be estimated.
1.3. 충돌회피의 시작시간 추정 방법1.3. How to estimate the start time of collision avoidance
원격제어에서 지연이 발생하면, 충돌회피를 위한 원격제어자의 제어타각 역시 지연된 시간 이후에 변화될 것으로 예상한 항해 상황을 고려하여 결정해야 한다. 이를 위해서는 먼저, 지연된 시간 이후에 제어타각이 유효하게 선박제어에 적용되어 충돌회피를 시작하는 시간을 알아야 한다.If a delay occurs in remote control, the remote controller's control angle for collision avoidance must also be determined considering the navigation situation expected to change after the delayed time. To do this, first, it is necessary to know the time at which the control rudder angle is effectively applied to ship control and collision avoidance begins after the delayed time.
충돌회피의 시작시간 추정 방법은 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는 위의 도 1에 나타낸 (A)원격제어절차에서 시간에 따라 발생할 수 있는 3종의 제어상태를 나타낸 것으로, 3종의 제어상태는 과거 어느 시점을 의미하는 n-1의 제어상태, 현재 시점을 의미하는 n의 제어상태 그리고 미래 어느 시점을 의미하는 n+1의 제어상태이다. 도의 상단 부분은 한 척의 본선이 계획된 침로(Planned course)를 따라서 이동할 때 각 제어상태별 이동하는 모습을 나타내고, 하단 부분은 원격제어 데이터 송수신 시점과 그 때의 원격제어자(Operator)를 나타내고, 제일 아래 부분은 n제어상태의 원격제어자(Operator(n))를 중심으로 알고 있는 제어상태(Known states)와 모르는 제어상태(Unknown states)로 구분한 것이다.The method of estimating the start time of collision avoidance is explained using FIG. 2. Figure 2 shows three types of control states that can occur depending on time in the (A) remote control procedure shown in Figure 1 above. The three types of control states are a control state of n-1, which means a certain point in the past, The control state of n refers to the present time and the control state of n+1 refers to some point in the future. The upper part of the diagram shows the movement of a ship in each control state as it moves along the planned course, the lower part shows the time of remote control data transmission and reception and the remote operator (operator) at that time, and the first part of the diagram shows the movement of each control state when the ship moves along the planned course. The part below divides the remote controller (Operator(n)) into n control states into known states and unknown states.
먼저, 도 2의 [제어대상 구역]에 나타낸 제어상태들을 이용하여 충돌회피 과정을 설명한다. 충돌회피는, 원격제어자가 n제어상태에서 T1(n)에 있는 선박의 항해 상황(Situation(n))을 인지한 후 제어타각을 T4(n+1)에 있을 것으로 추정한 선박에 전달하면 T1(n+1)에서 선박 반응(Ship response)이 시작되면서 수행된다. 따라서 충돌회피의 시작시간은 T1(n+1)이 되는데, 원격제어자(Operator(n))를 기준으로, T1(n)과 T2(n)는 알 수 있으나, T2(n)부터 T1(n+1)은 아직 발생하지 않은 시간들이기 때문에 모른다.First, the collision avoidance process will be explained using the control states shown in [Control target area] of FIG. 2. Collision avoidance occurs when the remote controller recognizes the navigation situation (Situation(n)) of the vessel at T1(n) in n control state and then transmits the control rudder angle to the vessel estimated to be at T4(n+1). It is performed when the ship response starts at (n+1). Therefore, the start time of collision avoidance is T1(n+1). Based on the remote controller (Operator(n)), T1(n) and T2(n) can be known, but from T2(n) to T1( n+1) are times that have not occurred yet, so we do not know.
충돌회피 시작시간은 n제어상태에 있는 Operator(n)을 기준으로 과거에 GPS를 이용하여 측정한 5종의 시간(T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n))을 이용하여 추정한다. 5종 시간의 의미는 다음과 같다.The collision avoidance start time is based on the operator (n) in the n control state and is based on five types of times (T2 (n-1), T3 (n), T4 (n), T1 (n) measured using GPS in the past. ), T2(n)) is used to estimate. The meaning of the 5 types of time is as follows.
T2(n-1): n-1상태에서 선박데이터(S-data)를 원격제어자가 수신한 시간T2(n-1): Time when the remote controller receives ship data (S-data) in n-1 state
T3(n): n상태에서 제어데이터(C-data)를 원격제어자가 송신한 시간T3(n): Time when the remote controller transmits control data (C-data) in n state
T4(n): n상태에서 제어데이터(C-data)를 선박에서 수신한 시간T4(n): Time when control data (C-data) is received from the ship in n state
T1(n): n상태에서 선박데이터(S-data)를 선박에서 송신한 시간T1(n): Time when ship data (S-data) is transmitted from the ship in n state
T2(n): n상태에서 선박데이터(S-data)를 원격제어자가 수신한 시간T2(n): Time when the remote controller receives ship data (S-data) in n state
1.4. 충돌타각 범위의 추정 방법1.4. How to estimate the collision angle range
5종의 시간(T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n))을 이용하여 충돌회피 시작시간 T1(n+1)이 추정된 후, T1(n+1)에서 충돌회피에 성공할 수 있는 제어타각을 T2(n)에서 결정해야 하는데, 이러한 제어타각은 충돌회피에 실패할 수 있는 타각(즉, 충돌타각) 이외의 타각이 된다. 여기서, 충돌회피를 위한 타각(충돌회피 타각)은 선박이 허용하는 타각의 범위 내에서 원격제어자가 결정하는데, 그 이유는 충돌회피 타각은 항해상황과 제어지연 등에 따라서 다양하게 변하기 때문에 최적의 충돌회피 타각을 결정할 수 없기 때문이다.After the collision avoidance start time T1(n+1) is estimated using 5 types of times (T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)), The control angle at which collision avoidance can be successfully avoided at T1(n+1) must be determined at T2(n), and this control angle is other than the steering angle at which collision avoidance can fail (i.e., the collision angle). Here, the rudder angle for collision avoidance (collision avoidance rudder angle) is determined by the remote controller within the range of rudder angles allowed by the ship. This is because the rudder angle for collision avoidance varies depending on navigation conditions, control delays, etc., so optimal collision avoidance is achieved. This is because the angle of attack cannot be determined.
따라서 원격제어에서 중요한 것은 충돌회피를 위한 타각을 원격제어자에게 제공하는 것이 아니라, 충돌회피에 실패할 수 있는 충돌타각은 물론 항해상황과 제어지연 등을 반영한 충돌타각의 범위를 제공하는 것이다.Therefore, the important thing in remote control is not to provide the remote controller with a steering angle for collision avoidance, but to provide a collision angle at which collision avoidance may fail as well as a range of collision angles that reflect the navigation situation and control delay.
충돌타각의 범위는 사전에 구축한 선회시공간 도메인(Turning Circle domain in a time and space, TC-domain)을 이용하여 추정한다. 여기서 선회시공간 도메인은 선박의 선회권(Turning Circle)을 이용하여 구현한 것으로, 선회권은 본선이 제어타각에 반응하여 선회할 때 나타나는 위치의 궤적(traces)을 의미하고, 선회시공간 도메인은 타각(Rudder Angle)과 시간(Time)의 조합에 대한 선회권을 x-y 평면좌표에 나타낸 시공간을 의미한다.The range of collision attack angle is estimated using a previously constructed turning circle domain in a time and space (TC-domain). Here, the turning time-space domain is implemented using the ship's turning circle. The turning circle refers to the traces of the position that appears when the ship turns in response to the control rudder angle, and the turning time-space domain is the rudder angle ( It refers to the space-time expressed in x-y plane coordinates of the turning circle for the combination of rudder angle and time.
선회시공간 도메인 구축 방법은 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 선회시공간 도메인의 구성도를 나타낸 것으로, x-축과 y-축은 미터 단위로 나타낸 선회권의 x-축과 y-축 거리를 각각 나타내고, x-축의 위와 y-축의 좌측에 나타낸 시간은 선회시간(t)을 나타낸다. OS(0,0)은 x-y 좌표 원점(0,0)을 나타낸 것으로, 이 원점은 T4(n+1)에서 제어타각을 수신할 때의 선박 위치를 나타낸다. 따라서 선회시공간은 T4(n+1) 이후의 시간에 나타날 수 있는 선회권의 위치를 나타낸다. 아울러, 본선의 침로는 실제 침로에 관계없이 y-축 방향을 선수방위 영(0)도로 고정하여 나타냈는데, 그 이유는 다양하게 서로 조우하는 본선과 타선의 위치 관계를 본선의 침로를 고정하여 간단하게 나타내기 위한 것으로, 타선의 위치는 본선을 기준으로 상대적인 위치로 나타난다.The method of constructing the orbital space-time domain is explained using FIG. 3. Figure 3 shows the configuration of the turning space-time domain, where the x-axis and y-axis represent the x-axis and y-axis distance of the turning circle in meters, respectively, and the time shown above the x-axis and to the left of the y-axis represents the turning time (t). OS(0,0) represents the x-y coordinate origin (0,0), and this origin represents the ship's position when receiving the control rudder angle at T4(n+1). Therefore, the turning time and space represents the position of the turning circle that may appear at a time after T4(n+1). In addition, the ship's course is shown by fixing the y-axis direction to the heading zero (0) degrees, regardless of the actual course. The reason is that the positional relationship between the ship and other ships that meet each other in various ways is simplified by fixing the ship's course. To indicate clearly, the position of the batting line is displayed relative to the home line.
8개의 점선으로 나타낸 곡선들은 OS(0,0)을 기준으로 시간 증가에 따른 선회권(TC)을 x-y 위치의 조합으로 나타낸 것이고, 6개의 실선으로 나타낸 반원은 시간과 거리가 조합된 선회권의 시간거리선(Time-Distance Line, TDL)을 나타낸다. 아울러 최 외곽의 반원에 나타낸 숫자는 타각(Rudder Angle(deg.))을 나타낸 것으로, 우현으로 사용하는 타각을 0도부터 35도까지 나타내고, 좌현으로 사용하는 타각은 0도부터 10도까지의 일부분만 나타낸 것으로, 이것은 충돌회피는 주로 우현 타각을 적용하는 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 반영하기 위한 것이다.The curves indicated by eight dotted lines represent the turning circle (TC) according to time increase based on OS(0,0) as a combination of x-y positions, and the semicircle shown by six solid lines represents the turning circle (TC) in combination with time and distance. It represents the Time-Distance Line (TDL). In addition, the number shown in the outermost semicircle represents the rudder angle (deg.), which indicates the rudder angle used on the starboard side from 0 degrees to 35 degrees, and the rudder angle used on the port side is a portion of 0 degrees to 10 degrees. This is intended to reflect the International Collision Prevention Regulations at Sea (COLREGs), which mainly apply the starboard rudder angle for collision avoidance.
도 4는 선회시공간 도메인을 이용한 충돌타각 범위의 추정 방법을 예시한 것으로, 타선(TS)은 본선(OS)에 대해서 270도 방향(즉, 좌표 원점을 기준으로 우현에서 좌현으로)으로 항해하는 상황을 가정한 것이다.Figure 4 illustrates a method of estimating the collision angle range using the turning space-time domain, in which the other ship (TS) sails in a direction of 270 degrees (i.e., from starboard to port based on the coordinate origin) with respect to the main ship (OS). It is assumed that
충돌타각의 범위는 다음과 같이 산출한다. (1)본선의 충돌회피 시작시간(T1(n+1))에서 본선 위치를 OS(0,0)로 정하고, 이때의 상대적인 타선 위치를 계산하여 TS(x,y)으로 둔 후, (2)원격제어자가 명령한 제어타각을 이용하여 본선이 선회하는 시간(t)동안 타선이 침로(TS-course)를 따라서 이동한 위치를 계산하고, (3)원격제어자의 제어타각(d)에 의한 선회권(TC(d))과 타선이 충돌하는 위치(PSN-Col)를 구한 후, (4)PSN-Col에서 반경 r을 갖는 충돌-원(Collision Circle, CC) 이내에 포함되는 모든 타각을 도출한 후, 이들 중에서 최댓값과 최솟값을 충돌타각 범위의 상한 값(RA-Upper)과 하한 값(RA-Lower)으로 정한다.The range of impact angle is calculated as follows. (1) At the collision avoidance start time (T1(n+1)) of the own ship, set the own ship's position as OS(0,0), calculate the relative position of the other ship at this time and set it as TS(x,y), (2) ) Using the control rudder angle commanded by the remote controller, calculate the position that the other ship moved along the course (TS-course) during the turn time (t) of the main ship, and (3) according to the control rudder angle (d) of the remote controller. After finding the turning circle (TC(d)) and the location where the rudder collides (PSN-Col), all rudder angles included within the collision circle (CC) with radius r are derived from (4) PSN-Col. Then, the maximum and minimum values among these are determined as the upper limit (RA-Upper) and lower limit (RA-Lower) of the collision angle range.
2. 충돌타각 범위 추정의 구현수단2. Implementation means for estimating the impact angle range
충돌타각 범위의 추정은 다음 9단계의 과정을 통해서 구현한다.Estimation of the collision angle range is implemented through the following nine steps.
단계 1: 선회시공간 도메인의 구축Step 1: Construction of orbital space-time domain
선회시공간 도메인(TC-domain)은 원격제어를 실시하기 이전에 본선의 선회권(Turning Circle, TC)을 이용하여 미리 구축한다. 먼저, TC는 다음 식(1)의 조건을 본선의 선박조종 모델(Ship-model)에 주고 x-y 평면좌표계에서 획득한다.The turning time-space domain (TC-domain) is established in advance using the ship's turning circle (TC) before conducting remote control. First, TC gives the conditions of the following equation (1) to the ship's ship-model and obtains it in the x-y plane coordinate system.
TC(x,y,v,d) = [Ship-model | v,d] ---------------------------------- (1)TC(x,y,v,d) = [Ship-model | v,d] ---------------------------------- (1)
여기서 v는 선박의 허용 속력을 나타낸 것으로, v = v-min,… v-max(v-min은 최소 속력, v-max는 최대 속력)이고, d는 선박의 허용 타각을 나타낸 것으로, d = 1,2,… d-max(d-max는 최대 허용 타각으로 일반적으로 30도 내외)이다.Here, v represents the allowable speed of the ship, v = v-min,… v-max (v-min is the minimum speed, v-max is the maximum speed), and d represents the allowable rudder angle of the ship, d = 1,2,… d-max (d-max is the maximum allowable steering angle, generally around 30 degrees).
TC-domain은 다음 식(2)의 조건을 위의 식(1)에 주었을 때의 TC를 이용하여 구축한다.The TC-domain is constructed using the TC when the conditions of the following equation (2) are given in the above equation (1).
TC-domain(x,y,v,d,t) = [TC(x,y,v,d) | t] -------------------------- (2)TC-domain(x,y,v,d,t) = [TC(x,y,v,d) | t] -------------------------- (2)
여기서, t는 본선의 선회시간을 나타낸 것으로, t = 0,… TC-time(TC-time은 1회의 선회에 소요된 시간)이다.Here, t represents the turning time of the ship, t = 0,… TC-time (TC-time is the time required for one turn).
단계 2: 현재 제어상태에서의 제어시점 데이터 획득Step 2: Acquire control point data in the current control state
제어시점 데이터는, 원격제어 과정 중에 수시로 D/B에 저장한 3종의 데이터 중에서 시간데이터(T-data)를 이용하여 n제어상태에서 원격제어자가 선박데이터를 수신한 시간(T2(n))을 기준으로 하는 시간데이터(T2-data(n,m))를 다음과 같이 n×m의 매트릭스 형태로 구성하여 획득한다.The control time data is the time (T2(n)) when the remote controller received the ship data in n control state using time data (T-data) among the three types of data stored in DB from time to time during the remote control process. The time data (T2-data(n,m)) based on is obtained by configuring it in the form of an n×m matrix as follows.
T2-data(n,m) ∈ {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)}T2-data(n,m) ∈ {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)}
여기서, n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태)이고, m은 데이터 번호로서 m=1,2,… M(M은 총 데이터 수로서 M=5)이고, 각 시간은 선박과 원격제어자 사이의 시간동기화를 위해 GPS 시간을 이용하여 측정한 것이다.Here, n is the control state identification number, where n = 1, 2,… N (N is the final control state), and m is the data number, where m=1,2,... M (M is the total number of data, M=5), and each time is measured using GPS time for time synchronization between the ship and the remote controller.
단계 3: 충돌회피 시작시간의 추정Step 3: Estimation of collision avoidance start time
충돌회피 시작시간 T1(n+1)은 n-1제어상태와 n제어상태에서 발생한 T2(n-1)부터 T2(n)사이의 지연시간(Delay Time, DT)을 이용하여 다음 식(3)으로 추정한다.The collision avoidance start time T1(n+1) is calculated using the delay time (DT) between T2(n-1) and T2(n) occurring in the n-1 control state and the n control state, using the following equation (3) ) is estimated.
T1(n+1) = T1(n) + DT ---------------------------------------------- (3)T1(n+1) = T1(n) + DT ------------------------------------- --------- (3)
여기서, DT는 다음 식(4)을 이용하여 계산한다.Here, DT is calculated using the following equation (4).
DT = DT-T12 + DT-T23 + DT-T34 + DT-T41 ---------------------------- (4)DT = DT-T12 + DT-T23 + DT-T34 + DT-T41 ---------------------------- (4)
여기서 우측 4개 항은 다음 식(5)부터 식(8)까지를 이용하여 계산한 지연시간(Delay Time, DT)을 나타낸다.Here, the four terms on the right represent the delay time (DT) calculated using equations (5) to (8) below.
DT-T12 = T2(n) - T1(n) -------------------------------------------- (5)DT-T12 = T2(n) - T1(n) ------------------------------------- ------- (5)
DT-T23 = T3(n) - T2(n-1) ------------------------------------------ (6)DT-T23 = T3(n) - T2(n-1) -------------------- ------- (6)
DT-T34 = T4(n) - T3(n) -------------------------------------------- (7)DT-T34 = T4(n) - T3(n) ------------------------------------- ------- (7)
DT-T41 = T1(n) - T4(n) -------------------------------------------- (8)DT-T41 = T1(n) - T4(n) ------------------------------------- ------- (8)
단계 4: 충돌회피 시작시간에서 선박위치 계산Step 4: Calculate vessel position from collision avoidance start time
충돌회피 시작시간 T1(n+1)에서 본선 위치 OS-T1(n+1)과 타선 위치는 TS-T1(n+1)은 다음 식(9)과 식(10)을 이용하여 각각 계산한다.At the collision avoidance start time T1(n+1), the own ship position OS-T1(n+1) and the other ship position TS-T1(n+1) are calculated using the following equations (9) and (10), respectively. .
OS-T1(n+1) = OS-T1(n)) + OS-del(x,y) ------------------------------ (9)OS-T1(n+1) = OS-T1(n)) + OS-del(x,y) ------------------------- ----- (9)
TS-T1(n+1) = TS-T1(n)) + TS-del(x,y) ----------------------------- (10)TS-T1(n+1) = TS-T1(n)) + TS-del(x,y) ------------------------- ---- (10)
여기서, OS-T1(n)과 TS-T1(n)은 시간 T1(n)에서 GPS를 이용하여 측정한 본선 위치와 타선위치를 미터 단위를 갖는 x-y 평면좌표계로 변환시킨 위치를 각각 나타내고, OS-del(x,y)과 TS-del(x,y)은 지연시간(DT) 동안 본선 또는 타선이 이동한 위치를 나타낸 것으로, 이들의 x-축 값과 y-축 값은 다음 식(11)과 식(12)을 이용하여 계산한다.Here, OS-T1(n) and TS-T1(n) represent the positions obtained by converting the home ship position and the other ship position measured using GPS at time T1(n) into an x-y plane coordinate system with meter units, respectively, and OS -del(x,y) and TS-del(x,y) indicate the position to which the main ship or other ships moved during the delay time (DT), and their x-axis and y-axis values are expressed in the following equation (11) ) and equation (12).
x = v×sin(course)×DT ------------------------------------------- (11)x = v×sin(course)×DT ---------------------------------------- --- (11)
y = v×cos(course)×DT ------------------------------------------- (12)y = v×cos(course)×DT ---------------------------------------- --- (12)
여기서 v와 course는 본선(또는 타선)의 속도와 선수방위를 각각 나타낸다.Here, v and course represent the speed and heading of the main line (or other line), respectively.
단계 5: 충돌회피 필요성의 판단Step 5: Determination of need for collision avoidance
충돌회피 필요성은 T1(n+1)에서 두 선박 사이의 상대거리(DT)가 기준 상대거리(RD-ref)와 비교하여 작은 경우로 정한다. 충돌회피의 판단은 다음 알고리즘을 이용하여 Col=1이면 충돌회피가 필요하고, Col=0이면 충돌회피가 필요 없는 것으로 결정한다.The need for collision avoidance is determined when the relative distance (DT) between two ships at T1(n+1) is small compared to the reference relative distance (RD-ref). Collision avoidance is determined using the following algorithm: if Col = 1, collision avoidance is necessary, and if Col = 0, collision avoidance is not necessary.
if (RD ≤ RD-ref) then, Col = 1 else, Col = 0if (RD ≤ RD-ref) then, Col = 1 else, Col = 0
여기서, RD-ref는 실험과 통계를 통해 결정한 값으로, 일반적으로 선박길이의 3.25배로 정해져 있고, RD는 다음 식(13)을 이용하여 계산한다.Here, RD-ref is a value determined through experiment and statistics, and is generally set at 3.25 times the ship length, and RD is calculated using the following equation (13).
RD = sqrt[ (OS-x - TS-x)^2 + (OS-y - TS-y)^2 ] ----------------- (13)RD = sqrt[ (OS-x - TS-x)^2 + (OS-y - TS-y)^2 ] ----------------- (13)
여기서 sqrt는 자승평균(square root)을 나타내고, OS-x, TS-x, OS-y, TS-y는 OS의 x-축 값, TS의 x-축 값, OS의 y-축 값, TS의 y-축 값을 각각 나타낸다.Here, sqrt represents the square root, and OS-x, TS-x, OS-y, and TS-y are the x-axis value of OS, the x-axis value of TS, the y-axis value of OS, and TS. Indicates the y-axis values of .
단계 6: 본선 선회에 의한 충돌시간 계산Step 6: Calculate collision time by vessel turn
T1(n+1)에서 본선이 원격제어자의 제어타각을 이용하여 선회하는 경우 타선과 충돌하는 시간은 선회시공간 도메인을 이용하여 구한다. 충돌시간은 선회시공간에서 본선이 d의 제어타각을 이용하여 선회하는 시간(t) 동안 타선이 이동할 때, TC-domain(x,y,v,d,t)과 TS(x,y,t)가 서로 일치하는 선회시간(t)으로 정한다. 충돌시간(Col-time)은 다음 조건부 식(14)을 이용하여 계산한다.At T1(n+1), when the ship turns using the remote controller's control angle, the collision time with the other ship is obtained using the turning time-space domain. The collision time is when the main ship moves during the turning time (t) using the control rudder angle of d in the turning time and space, TC-domain(x,y,v,d,t) and TS(x,y,t) is set as the turning time (t) that coincides with each other. Collision time (Col-time) is calculated using the following conditional equation (14).
Col-time = [t|TC-domain(x,y,v,d,t)-TS(x,y,t)=0], (0≤t< TC-time) - (14)Col-time = [t|TC-domain(x,y,v,d,t)-TS(x,y,t)=0], (0≤t< TC-time) - (14)
여기서 TS(x,y,t)는 선회시간(t) 동안 타선이 이동한 위치를 나타낸 것으로, x-축 값과 y-축 값은 다음 식(15)과 식(16)을 이용하여 각각 계산한다.Here, TS(x,y,t) represents the position the other ship moved during the turning time (t), and the x-axis and y-axis values are calculated using the following equations (15) and (16), respectively. do.
x = v×sin(course)×t -------------------------------------------- (15)x = v×sin(course)×t ---------------------------------------- ---- (15)
y = v×cos(course)×t -------------------------------------------- (16)y = v×cos(course)×t ---------------------------------------- ---- (16)
단계 7: 충돌위치 계산Step 7: Calculate collision location
충돌위치(PSN-Col)는 선회시공간 도메인에서 충돌시간(Col-time)에 해당하는 위치로 결정하는데, 다음 조건부 식(17)을 이용하여 계산한다.The collision location (PSN-Col) is determined as the location corresponding to the collision time (Col-time) in the orbit time-space domain, and is calculated using the following conditional equation (17).
PSN-Col(x,y) = [(x,y) | TC-domain(x,y,v,d,t)(t=Col-time)] -------- (17)PSN-Col(x,y) = [(x,y) | TC-domain(x,y,v,d,t)(t=Col-time)] -------- (17)
단계 8: 충돌타각의 범위 계산Step 8: Calculate the range of impact angle
충돌타각의 범위는 충돌위치(PSN-Col)에서 반경(r)과 theta(theta = 0,1.2,… 2×3.14)의 호도 각을 갖는 충돌-원(Collision Circle, CC)을 이용하여 구한다. 먼저, CC(x,y,theta)의 x(theta)와 y(theta)를 다음 식(18)과 식(19)을 이용하여 각각 계산한다.The range of the collision angle is obtained from the collision location (PSN-Col) using a collision circle (CC) with a radius (r) and an arc angle of theta (theta = 0,1.2,… 2×3.14). First, calculate x(theta) and y(theta) of CC(x,y,theta) using the following equations (18) and (19), respectively.
x(theta) = [r×sin(theta)] + [x | Col-psn(x,y)] ------------------ (18)x(theta) = [r×sin(theta)] + [x | Col-psn(x,y)] ------------------ (18)
y(theta) = [r×cos(theta)] + [y | Col-psn(x,y)] ------------------ (19)y(theta) = [r×cos(theta)] + [y | Col-psn(x,y)] ------------------ (19)
여기서 반경 r은 실험과 통계를 통해서 결정한 것으로, 일반적으로 선박 길이의 3.25배 내지 선박 폭의 1.0배가 확보될 수 있는 원의 반경으로 정해진다. 아울러, 반경 r은 지연시간과 항해환경, 선박의 제원 등에 따라서 변한다.Here, the radius r is determined through experiment and statistics, and is generally set as the radius of a circle that can be secured from 3.25 times the length of the ship to 1.0 times the width of the ship. In addition, the radius r varies depending on delay time, navigation environment, ship specifications, etc.
그런 후, 충돌타각의 범위(Col-RA-range)는 CC에 포함되는 모든 타각(d)을 이용하여 정하는데, 이 타각은 다음의 조건부 식(20)을 이용하여 계산한다.Then, the range of the collision angle (Col-RA-range) is determined using all the steering angles (d) included in CC, and this steering angle is calculated using the following conditional equation (20).
Col-RA-range(theta)=[d(theta)|TC-domain(x,y,v,d,t)≤CC(x,y,theta)]-(20)Col-RA-range(theta)=[d(theta)|TC-domain(x,y,v,d,t)≤CC(x,y,theta)]-(20)
그리고 충돌타각 범위의 상한 값(RA-Upper)과 하한 값(RA-Lower)은 Col-RA-range(theta) 중에서 최댓값(maximum)과 최솟값(minimum)으로 각각 정한다.And the upper limit (RA-Upper) and lower limit (RA-Lower) of the collision angle range are determined by the maximum and minimum values, respectively, of the Col-RA-range (theta).
단계 9: 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험의 결정Step 9: Determination of collision risk based on remote controller's control angle
원격제어자의 제어타각(C-rudder-angle)에 대한 충돌위험은 다음 알고리즘을 이용하여 결정한다.The collision risk for the remote controller's control rudder angle (C-rudder-angle) is determined using the following algorithm.
if (RA-Lower ≤ C-rudder-angle ≤ RA-Upper) then, RW = 1,else RW = 0if (RA-Lower ≤ C-rudder-angle ≤ RA-Upper) then, RW = 1, else RW = 0
여기서 RW는 제어타각의 충돌위험 경고(Rudder Warning) 여부를 나타낸 것으로, RW=1이면 제어타각(C-rudder-angle)이 충돌타각의 범위(RA-Lower, RA-Upper) 내에 있어서 위험함을 나타내고, RW=0은 안전함을 나타낸다.Here, RW indicates whether there is a collision risk warning (Rudder Warning) of the control rudder angle. If RW = 1, it is dangerous because the control rudder angle (C-rudder-angle) is within the range of the collision angle (RA-Lower, RA-Upper). and RW=0 indicates safety.
3. 충돌타각 범위의 가시화 방법3. How to visualize the impact angle range
충돌 타각의 범위(RA-Lower, RA-Upper)의 가시화 방법은 도 5와 도 6을 이용하여 설명한다. 도 5는 충돌타각 범위 가시화 창의 구성도를 나타내고, 도 6은 충돌타각 범위 가시화의 예를 나타낸다.A method of visualizing the range of collision angles (RA-Lower, RA-Upper) is explained using FIGS. 5 and 6. Figure 5 shows a configuration diagram of a collision angle range visualization window, and Figure 6 shows an example of impact impact angle range visualization.
도 5에서, 위의 반원(RUDDER ANGLE RANGE (degree))은 원격제어자의 제어타각과 추정한 충돌타각 범위를 가시화하는 부분이고, 아래 긴 사각형 박스(RUDDER ANGLE RANGE (Order)(degree))는 원격제어자의 제어타각만을 가시화하는 부분이다. 이러한 화면을 통해 원격제어자는 자신이 적용하고 있는 제어타각의 충돌위험을 쉽게 알 수 있다.In Figure 5, the upper semicircle (RUDDER ANGLE RANGE (degree)) is a part that visualizes the control angle of the remote controller and the estimated collision angle range, and the long rectangular box below (RUDDER ANGLE RANGE (Order) (degree)) is the part that visualizes the remote controller's control angle and the estimated collision angle range. This is the part that visualizes only the controller's control angle. Through this screen, the remote controller can easily see the collision risk of the control angle he or she is applying.
더욱 상세하게, (1)은 충돌타각의 하한 값(Lower)과 상한 값(Upper)의 표시 박스로서 S/P는 우현(S, starboard) 또는 좌현(P, port)을 나타내고, DD.d(DD는 2단위의 도, d는 1/10도)는 각도를 나타낸다. (2)는 충돌타각 범위의 가시화 창으로 0부터 35까지의 숫자는 우현 또는 좌현 타각의 각도를 나타낸다. (3)은 주황색으로 가시화한 충돌 타각의 범위를 나타내고, (4)는 청색으로 가시화한 원격제어자의 제어타각을 나타내고, (5)는 도수(DD.d)로 나타낸 제어타각 표시 박스이고, (6)은 막대그래프 형태로 나타낸 제어타각 표시 창이고, (7)은 제어타각의 충돌위험을 2색(청,적)으로 경고하기 위한 박스로서 청색은 안전함을 나타내고 적색은 위험함을 나타낸다.In more detail, (1) is a display box for the lower and upper limits of the collision angle, where S/P indicates starboard (S, starboard) or port (P, port), and DD.d ( DD represents 2 degrees, and d represents 1/10 of a degree. (2) is a visualization window of the collision angle range, and the numbers from 0 to 35 represent the starboard or port rudder angle. (3) represents the range of the collision angle visualized in orange, (4) represents the control angle of the remote controller visualized in blue, (5) is the control angle display box expressed in degrees (DD.d), ( 6) is a control angle display window shown in the form of a bar graph, and (7) is a box to warn of the risk of collision at the control angle in two colors (blue and red), with blue indicating safety and red indicating danger.
도 6은 충돌타각 범위 가시화의 예를 나타낸 것으로, 이것은 다음 상황을 가정한 것이다. 원격제어자의 제어타각은 우현 25.0도이고, 우현 25.0도는 우현 19.6도와 우현 31.5도 사이의 충돌타각 범위에 해당하고, 그래서 타 경고(Rudder Warning)에 적색을 표시하여 원격제어자가 현재의 제어타각을 충돌회피에 적용하는 경우 충돌할 수 있음을 경고한 것이다. 이와 반대로, 제어타각이 충돌타각 범위 내에 해당하지 않으면, 타 경고(Rudder Warning)에 청색을 표시하여 안전함을 나타낸다.Figure 6 shows an example of visualization of the impact angle range, which assumes the following situation. The remote controller's control rudder angle is 25.0 degrees to starboard, and 25.0 degrees to starboard corresponds to the collision angle range between 19.6 degrees to starboard and 31.5 degrees to starboard, so the rudder warning is displayed in red to alert the remote controller to the current control rudder angle. It is a warning that a conflict may occur if applied to avoidance. Conversely, if the control rudder angle does not fall within the collision angle range, the rudder warning is displayed in blue to indicate that it is safe.
이러한 충돌타각 범위의 가시화를 통해, 원격제어자는 자신이 충돌회피에 적용하고 있는 제어타각의 충돌위험을 쉽게 인지할 수 있을 뿐만 아니라 충돌이 발생할 수 있는 제어타각의 범위를 파악함으로써 충돌을 예방할 수 있다.Through visualization of this collision angle range, the remote controller can easily recognize the collision risk of the control angle that he or she is applying for collision avoidance, as well as prevent collisions by identifying the range of control angle where a collision can occur. .
한편, 본 발명은 기재된 실시례에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.Meanwhile, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be used by changing the application area, and various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those with knowledge. Accordingly, such variations or modifications should fall within the scope of the claims of the present invention.
Claims (17)
데이터 송수신 과정에서 발생하는 지연과, 제어과정에서 원격제어자의 반응지연과, 선박제어 과정에서 선박의 반응지연에 따른 원격제어 데이터 획득 단계;
지연된 시간 이후에 제어타각이 유효하게 선박제어에 적용되어 충돌회피를 시작하는 시간을 추정하기 위한 충돌회피 시작시간 추정단계;
충돌회피에 실패할 수 있는 충돌타각 및 항해상황과 제어지연을 반영한 충돌타각의 범위를 추정하는 충돌타각 범위의 추정단계;
선회시공간 도메인의 구축과정과, 현재 제어상태에서의 제어시점 데이터 획득과정과, 충돌회피 시작시간의 추정과정과, 충돌회피 시작시간에서 선박위치 계산과정과, 충돌회피 필요성의 판단과정과, 본선 선회에 의한 충돌시간 계산과정과, 충돌위치 게산과정과, 충돌타각의 범위 계산과정과, 원격제어자의 제어타각에 대한 충돌위험의 결정과정으로 이루어진 충돌타각 범위 추정의 구현단계;
상기 제어타각과 추정한 충돌타각 범위 및 원격제어자의 제어타각으로 이루어진 충돌타각 범위의 가시화단계로 구성된 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법.Obtaining and storing all remote control data generated during the control process, the remote controller is a remote control device consisting of a remote control device, a transmitting and receiving device (STx, CRx, CTx, SRx), and a communication network (LTE, LTE-M, V-SAT). A remote control procedure that continuously and repeatedly controls a ship (MASS) using a control system and stores all remote control data generated during this control process in a database, and estimates collision avoidance time by calling the obtained remote control data. A collision risk warning step of the control angle, which is performed through a process of estimating and visualizing the range of the collision angle to determine whether collision avoidance is necessary;
A remote control data acquisition step due to delays occurring in the data transmission and reception process, response delays of the remote controller in the control process, and response delays of the ship in the ship control process;
A collision avoidance start time estimation step for estimating the time at which the control rudder angle is effectively applied to ship control after the delayed time and collision avoidance starts;
An estimation step of the collision angle range for estimating the range of the collision angle that reflects the collision angle at which collision avoidance may fail and the navigation situation and control delay;
A process of constructing a turning time-space domain, a process of acquiring control point data in the current control state, a process of estimating the collision avoidance start time, a process of calculating the ship position at the start time of collision avoidance, a process of determining the need for collision avoidance, and turning the ship. An implementation step of collision angle range estimation consisting of a collision time calculation process, a collision position calculation process, a collision radius calculation process, and a collision risk determination process for the remote controller's control angle;
Estimation of the collision risk angle range using the turning time-space domain for collision prevention in remote control of autonomous ships, characterized in that it consists of a visualization step of the collision angle range consisting of the control angle, the estimated collision angle range, and the remote controller's control angle. and visualization methods.
(method 1)
1) 시간 T1에서 선박 제어결과와 항해상황이 포함된 선박제어 데이터(S-data)를 송신기(STx)로 전송하고 시간 T2에서 수신기(CRx)로 수신.
2) 시간 T2에서 수신한 S-data를 원격제어장치에 입력하여 시간 T1의 항해상황을 가시화시키고, 원격제어자는 T1의 항해상황을 보면서 원격제어를 실시하여 제어데이터(C-data)를 생성한 후 시간 T2에 송신기(CTx)로 입력.
3) 시간 T3에서 C-data를 송신기(CTx)를 통해 전송하고 시간 T4에서 선박은 C-data를 수신.
4) 시간 T4에 입력된 C-data를 이용하여 선박은 제어되고 그 제어결과와 항해상황을 포함한 선박제어 데이터(S-data)를 시간 T1에서 송신기(STx)에 입력.
5) 위의 1)과 마찬가지로 S-data를 시간 T1에서 송신기(STx)로 전송하고 시간 T2에서 수신기(CRx)로 수신.The method of claim 1, wherein the remote control data acquisition step is performed using the following (method 1): Estimation of the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collision in remote control of autonomous ships, and Visualization method.
(method 1)
1) At time T1, ship control data (S-data) including ship control results and navigation status is transmitted to the transmitter (STx) and received at time T2 by the receiver (CRx).
2) The S-data received at time T2 is input to the remote control device to visualize the navigation situation at time T1, and the remote controller performs remote control while viewing the navigation situation at T1 to generate control data (C-data). After input to the transmitter (CTx) at time T2.
3) At time T3, C-data is transmitted through the transmitter (CTx), and at time T4, the ship receives C-data.
4) The ship is controlled using C-data input at time T4, and ship control data (S-data) including the control results and navigation status is input to the transmitter (STx) at time T1.
5) Similar to 1) above, S-data is transmitted to the transmitter (STx) at time T1 and received by the receiver (CRx) at time T2.
상기 T-data는 T1, 선박데이터 송신시간; T2, 선박데이터 수신시간; T3, 제어데이터 송신시간; T4, 제어데이터 수신시간으로 이루어진 시간 데이터를 나타낸 것으로, 시간 데이터에 포함되는 시간들은 S-data와 C-data의 송수신 과정에서 GPS를 이용하여 측정한 시간이며,
상기 S-data는 OS-MMSI, 본선 식별번호; OS-time, 본선 시간; OS-position, 본선 위치; OS-heading, 본선 선수방위; OS-speed, 본선 속력; OS-rudder-angle, 본선 타각; OS-Radar, 본선 레이더 영상 데이터; OS-ECDIS, 본선 엑디스 영상 정보; OS-CCTV, 본선 CCTV 영상 데이터; TS-MMSI, 타선 식별번호; TS-time, 타선 시간; TS-position, 타선 위치; TS-heading, 타선 선수방위; TS-speed, 타선 속력 중 어느 하나 이상을 포함하며,
상기 C-data는 C-time, 제어명령 발생 시각; C-speed, 제어 속력; C-heading, 제어 선수방위; C-rudder-angle, 제어타각 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법.According to claim 4, the remote control data is stored in the DB in the form of three types of data {S-data, C-data, T-data} that are generated from time to time while continuously repeating the above 5 processes; ,
The T-data includes T1, ship data transmission time; T2, vessel data reception time; T3, control data transmission time; T4 indicates time data consisting of control data reception time. The times included in the time data are times measured using GPS during the transmission and reception of S-data and C-data.
The S-data includes OS-MMSI, ship identification number; OS-time, main line time; OS-position, ship position; OS-heading, final heading; OS-speed, own ship speed; OS-rudder-angle, main line angle; OS-Radar, own ship radar image data; OS-ECDIS, main ship ECDIS video information; OS-CCTV, main line CCTV video data; TS-MMSI, batting line identification number; TS-time, batting time; TS-position, batting line position; TS-heading, batting line direction; Includes one or more of TS-speed and batting line speed,
The C-data is C-time, control command generation time; C-speed, control speed; C-heading, controlled heading; A method for estimating and visualizing the collision risk rudder angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships, which includes one or more of C-rudder-angle and control rudder angle.
T2(n-1): n-1상태에서 선박데이터(S-data)를 원격제어자가 수신한 시간;,
T3(n): n상태에서 제어데이터(C-data)를 원격제어자가 송신한 시간;,
T4(n): n상태에서 제어데이터(C-data)를 선박에서 수신한 시간;,
T1(n): n상태에서 선박데이터(S-data)를 선박에서 송신한 시간;,
T2(n): n상태에서 선박데이터(S-data)를 원격제어자가 수신한 시간;,
으로 이루어진 5종의 시간(T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n))을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 자율운항선박 원격제어에서 충돌예방을 위하여 선회시공간 도메인을 이용한 충돌위험 타각 범위의 추정과 가시화 방법.The method of claim 1, wherein in the collision avoidance start time estimation step, the collision avoidance start time is measured in the past using GPS based on Operator (n) in the n control state,
T2(n-1): Time when the remote controller receives ship data (S-data) in n-1 state;,
T3(n): Time when the remote controller transmits control data (C-data) in n state;,
T4(n): Time when control data (C-data) is received from the ship in n state;,
T1(n): Time when ship data (S-data) is transmitted from the ship in n state;,
T2(n): Time when the remote controller receives ship data (S-data) in n state;,
Collision in remote control of autonomous ships, characterized in that it is estimated using five types of times (T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)). For prevention purposes, a method of estimating and visualizing the collision risk range using the turning space-time domain.
(method 2)
x-축과 y-축은 미터 단위로 나타낸 선회권의 x-축과 y-축 거리를 각각 나타내고, x-축의 위와 y-축의 좌측에 나타낸 시간은 선회시간(t)을 나타낸다.
본선(0,0)은 x-y 좌표 원점(0,0)을 나타낸 것으로, 이 원점은 T4(n+1)에서 제어타각을 수신할 때의 선박 위치를 나타낸다.
선회시공간은 T4(n+1) 이후의 시간에 나타날 수 있는 선회권의 위치를 나타낸다.
본선의 침로는 실제 침로에 관계없이 y-축 방향을 선수방위 영(0)도로 고정하여 나타낸다.
본선(0,0)을 기준으로 시간 증가에 따른 선회권(TC)을 x-y 위치의 조합을 8개의 점선으로 나타낸 곡선으로 표시하고, 시간과 거리가 조합된 선회권의 시간거리선(Time-Distance Line, TDL)을 6개의 실선으로 표시한다.
최 외곽의 반원에 나타낸 숫자는 타각(Rudder Angle(deg.))을 나타낸 것으로, 우현으로 사용하는 타각을 0도부터 35도까지 나타내고, 좌현으로 사용하는 타각은 0도부터 10도까지의 일부분만 나타낸다.According to claim 1, in the step of estimating the collision angle range, the collision angle range is a turn implemented using the ship's turning circle (trajectory of the position that appears when the ship turns in response to the control rudder angle) established in advance. It is estimated by applying the space-time domain (space-time showing the turning circle in xy plane coordinates for the combination of rudder angle and time), and the method of constructing the turning space-time domain is using (method 2) below. A method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships, characterized by:
(method 2)
The x-axis and y-axis represent the x- and y-axis distances of the turning circle in meters, respectively, and the time shown above the x-axis and to the left of the y-axis represents the turning time (t).
The ship (0,0) represents the xy coordinate origin (0,0), and this origin represents the ship's position when receiving the control rudder angle at T4(n+1).
The turning time and space indicates the position of the turning circle that may appear at a time after T4(n+1).
The ship's course is indicated by fixing the y-axis direction to the heading zero (0) degrees, regardless of the actual course.
Based on the main ship (0,0), the turning circle (TC) according to the increase in time is displayed as a curve with 8 dotted lines for the combination of xy positions, and the turning circle's time-distance line is a combination of time and distance. Line, TDL) is displayed as six solid lines.
The number shown in the outermost semicircle represents the rudder angle (deg.). The rudder angle used on the starboard side is from 0 degrees to 35 degrees, and the rudder angle used on the port side is only a portion of the range from 0 degrees to 10 degrees. indicates.
수식(1) TC(x,y,v,d) = [Ship-model | v,d]
여기서 v는 선박의 허용 속력을 나타낸 것으로, v = v-min,… v-max(v-min은 최소 속력, v-max는 최대 속력)이고, d는 선박의 허용 타각을 나타낸 것으로, d = 1,2,… d-max(d-max는 최대 허용 타각으로 일반적으로 30도 내외).
수식(2) TC-domain(x,y,v,d,t) = [TC(x,y,v,d) | t]
여기서, t는 본선의 선회시간을 나타낸 것으로, t = 0,… TC-time(TC-time은 1회의 선회에 소요된 시간).According to claim 1, in the process of constructing the turning time-space domain, the turning time-space domain (TC-domain) is established in advance using the turning circle (TC) of the ship before remote control is performed, and the TC is The conditions of Equation (1) below are given to the ship's ship control model (Ship-model), obtained in the xy plane coordinate system, and the conditions of Equation (2) below are given to Equation (1). Constructed using TC A method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships, characterized by:
Formula (1) TC(x,y,v,d) = [Ship-model | v,d]
Here, v represents the allowable speed of the ship, v = v-min,… v-max (v-min is the minimum speed, v-max is the maximum speed), and d represents the allowable rudder angle of the ship, d = 1,2,… d-max (d-max is the maximum allowable steering angle, generally around 30 degrees).
Formula (2) TC-domain(x,y,v,d,t) = [TC(x,y,v,d) | t]
Here, t represents the turning time of the ship, t = 0,… TC-time (TC-time is the time required for one turn).
T2-data(n,m) ∈ {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)}
여기서, n은 제어상태 구분번호로서 n=1,2,… N(N은 최종 제어상태)이고, m은 데이터 번호로서 m=1,2,… M(M은 총 데이터 수로서 M=5)이고, 각 시간은 선박과 원격제어자 사이의 시간동기화를 위해 GPS 시간을 이용하여 측정한 것.According to claim 1, in the process of acquiring control point data in the current control state, the control point data is n-controlled using time data (T-data) among three types of data stored in the database from time to time during the remote control process. In this state, the time data (T2-data(n,m)) based on the time (T2(n)) at which the remote controller received the ship data is obtained by configuring it in the form of an n×m matrix as follows. A method of estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships.
T2-data(n,m) ∈ {T2(n-1), T3(n), T4(n), T1(n), T2(n)}
Here, n is the control state identification number, where n = 1, 2,… N (N is the final control state), and m is the data number, where m=1,2,... M (M is the total number of data, M=5), and each time is measured using GPS time for time synchronization between the ship and the remote controller.
수식(3) T1(n+1) = T1(n) + DT
여기서, DT는 하기의 수식(4)을 이용하여 계산한다.
수식(4) DT = DT-T12 + DT-T23 + DT-T34 + DT-T41
여기서 우측 4개 항은 하기의 수식(5)부터 수식(8)까지를 이용하여 계산한 지연시간(Delay Time, DT)을 나타낸다.
수식(5) DT-T12 = T2(n) - T1(n)
수식(6) DT-T23 = T3(n) - T2(n-1)
수식(7) DT-T34 = T4(n) - T3(n)
수식(8) DT-T41 = T1(n) - T4(n)The method of claim 1, wherein in the estimation process of the collision avoidance start time, the collision avoidance start time T1(n+1) is calculated from T2(n-1) occurring in the n-1 control state and the n control state. Collision risk using the turning time-space domain to prevent collision in remote control of autonomous ships, which is characterized by estimating using the following equation (3) to (8) using the delay time (DT) between Method for estimating and visualizing the steering angle range.
Formula (3) T1(n+1) = T1(n) + DT
Here, DT is calculated using equation (4) below.
Formula (4) DT = DT-T12 + DT-T23 + DT-T34 + DT-T41
Here, the four terms on the right represent the delay time (DT) calculated using equations (5) to (8) below.
Formula (5) DT-T12 = T2(n) - T1(n)
Formula (6) DT-T23 = T3(n) - T2(n-1)
Formula (7) DT-T34 = T4(n) - T3(n)
Formula (8) DT-T41 = T1(n) - T4(n)
수식(9) OS-T1(n+1) = OS-T1(n)) + OS-del(x,y)
수식(10) TS-T1(n+1) = TS-T1(n)) + TS-del(x,y)
여기서, OS-T1(n)과 TS-T1(n)은 시간 T1(n)에서 GPS를 이용하여 측정한 본선 위치와 타선위치를 미터 단위를 갖는 x-y 평면좌표계로 변환시킨 위치를 각각 나타내고, OS-del(x,y)과 TS-del(x,y)은 지연시간(DT) 동안 본선 또는 타선이 이동한 위치를 나타낸 것으로, 이들의 x-축 값과 y-축 값은 다음 식(11)과 식(12)을 이용하여 계산한다.
수식(11) x = v×sin(course)×DT)
수식(12) y = v×cos(course)×DT
여기서 v와 course는 본선(또는 타선)의 속도와 선수방위를 각각 나타낸다.The method of claim 1, wherein the vessel position calculation process at the collision avoidance start time is: the own ship position OS-T1(n+1) and the other ship position TS-T1(n+) at the collision avoidance start time T1(n+1). 1) is a method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain for collision prevention in remote control of autonomous ships, which is calculated using the following equations (9) to (12).
Formula (9) OS-T1(n+1) = OS-T1(n)) + OS-del(x,y)
Formula (10) TS-T1(n+1) = TS-T1(n)) + TS-del(x,y)
Here, OS-T1(n) and TS-T1(n) represent the positions obtained by converting the main ship position and the other ship position measured using GPS at time T1(n) into the xy plane coordinate system with meter units, respectively, and OS -del(x,y) and TS-del(x,y) indicate the position to which the main ship or other ships moved during the delay time (DT), and their x-axis and y-axis values are expressed in the following equation (11) ) and equation (12).
Formula (11) x = v×sin(course)×DT)
Formula (12) y = v×cos(course)×DT
Here, v and course represent the speed and heading of the main line (or other line), respectively.
알고리즘 (1) if (RD ≤ RD-ref) then, Col = 1 else, Col = 0
여기서, RD-ref는 실험과 통계를 통해 결정한 값으로, 일반적으로 선박길이의 3.25배로 정해져 있고, RD는 하기의 수식(13)을 이용하여 계산한다.
수식(13) RD = sqrt[ (OS-x - TS-x)^2 + (OS-y - TS-y)^2 ]
여기서 sqrt는 자승평균(square root)을 나타내고, OS-x, TS-x, OS-y, TS-y는 OS의 x-축 값, TS의 x-축 값, OS의 y-축 값, TS의 y-축 값을 각각 나타낸다.According to claim 1, in the process of determining the need for collision avoidance, the need for collision avoidance is determined when the relative distance (DT) between the two ships at T1 (n+1) is smaller than the reference relative distance (RD-ref). However, collision avoidance is determined using the algorithm (1) below to determine that collision avoidance is necessary if Col = 1, and that collision avoidance is not necessary if Col = 0. Collision prevention in remote control of autonomous ships For this purpose, a method for estimating and visualizing the collision risk range using the turning space-time domain.
Algorithm (1) if (RD ≤ RD-ref) then, Col = 1 else, Col = 0
Here, RD-ref is a value determined through experiment and statistics, and is generally set at 3.25 times the ship length, and RD is calculated using the formula (13) below.
Formula (13) RD = sqrt[ (OS-x - TS-x)^2 + (OS-y - TS-y)^2 ]
Here, sqrt represents the square root, and OS-x, TS-x, OS-y, and TS-y are the x-axis value of OS, the x-axis value of TS, the y-axis value of OS, and TS. Indicates the y-axis values of .
수식(14) Col-time = [t | TC-domain(x,y,v,d,t) - TS(x,y,t) = 0], (0≤t< TC-time)
여기서 TS(x,y,t)는 선회시간(t) 동안 타선이 이동한 위치를 나타낸 것으로, x-축 값과 y-축 값은 하기의 수식(15)과 수식(16)을 이용하여 각각 계산한다.
수식(15) x = v×sin(course)×t
수식(16) y = v×cos(course)×tAccording to claim 1, in the process of calculating the collision time due to the main ship turning, when the main ship turns using the control rudder angle of the remote controller at T1(n+1), the collision time with the other ship is derived using the turning time-space domain. In other words, the collision time is the TC-domain(x,y,v,d,t) and TS(x,y) when the main ship moves during the turning time (t) using the control rudder angle of d in the turning time and space. ,t) is set as the turning time (t) that coincides with each other. Collision time (Col-time) is calculated using the conditional formula (14) below.
Formula (14) Col-time = [t | TC-domain(x,y,v,d,t) - TS(x,y,t) = 0], (0≤t< TC-time)
Here, TS(x,y,t) represents the position the other ship moved during the turning time (t), and the x-axis and y-axis values are calculated using the following equations (15) and (16), respectively. Calculate.
Formula (15) x = v×sin(course)×t
Formula (16) y = v×cos(course)×t
수식(17) PSN-Col(x,y) = [(x,y) | TC-domain(x,y,v,d,t)(t=Col-time)]According to claim 1, in the process of calculating the collision position, the collision position (PSN-Col) is determined as a position corresponding to the collision time (Col-time) in the turning time-space domain, using the following conditional equation (17). A method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain for collision prevention in remote control of autonomous ships, which is characterized by calculating.
Formula (17) PSN-Col(x,y) = [(x,y) | TC-domain(x,y,v,d,t)(t=Col-time)]
수식(18) x(theta) = [r×sin(theta)] + [x | Col-psn(x,y)]
수식(19) y(theta) = [r×cos(theta)] + [y | Col-psn(x,y)]
여기서 반경 r은 실험과 통계를 통해서 결정한 것으로, 일반적으로 선박 길이의 3.25배 내지 선박 폭의 1.0배가 확보될 수 있는 원의 반경으로 정해진다. 아울러, 반경 r은 지연시간과 항해환경, 선박의 제원 등에 따라서 변한다.
수식(20) Col-RA-range(theta) = [d(theta) | TC-domain(x,y,v,d,t) ≤ CC(x,y,theta)]
그리고 충돌타각 범위의 상한 값(RA-Upper)과 하한 값(RA-Lower)은 Col-RA-range(theta) 중에서 최댓값(maximum)과 최솟값(minimum)으로 각각 정한다.According to claim 1, in the process of calculating the range of the collision angle, the range of the collision angle is the arc angle of the radius (r) and theta (theta = 0, 1.2,... 2×3.14) at the collision location (PSN-Col). It is obtained using a collision circle (CC) with . First, calculate x(theta) and y(theta) of CC(x,y,theta) using Equation (18) and Equation (19) below, respectively, and calculate the range of collision angle (Col-RA-range) is determined using all rudder angles (d) included in CC, and this rudder angle is calculated using the conditional formula (20) below. In order to prevent collisions in remote control of autonomous ships, the turning space-time domain is used. Estimation and visualization method of collision risk range.
Formula (18) x(theta) = [r×sin(theta)] + [x | Col-psn(x,y)]
Formula (19) y(theta) = [r×cos(theta)] + [y | Col-psn(x,y)]
Here, the radius r is determined through experiment and statistics, and is generally set as the radius of a circle that can be secured from 3.25 times the length of the ship to 1.0 times the width of the ship. In addition, the radius r varies depending on delay time, navigation environment, ship specifications, etc.
Formula (20) Col-RA-range(theta) = [d(theta) | TC-domain(x,y,v,d,t) ≤ CC(x,y,theta)]
And the upper limit (RA-Upper) and lower limit (RA-Lower) of the collision angle range are determined by the maximum and minimum values, respectively, of the Col-RA-range (theta).
알고리즘 (2) if (RA-Lower ≤ C-rudder-angle ≤ RA-Upper) then, RW = 1,else RW = 0
여기서 RW는 제어타각의 충돌위험 경고(Rudder Warning) 여부를 나타낸 것으로, RW=1이면 제어타각(C-rudder-angle)이 충돌타각의 범위(RA-Lower, RA-Upper) 내에 있어서 위험함을 나타내고, RW=0은 안전함을 나타냄.The method of claim 1, wherein in the process of determining the collision risk for the control angle of the remote controller, the collision risk for the control angle (C-rudder-angle) of the remote controller is determined using the following algorithm (2). A method for estimating and visualizing the collision risk angle range using the turning space-time domain to prevent collisions in remote control of autonomous ships, characterized by:
Algorithm (2) if (RA-Lower ≤ C-rudder-angle ≤ RA-Upper) then, RW = 1,else RW = 0
Here, RW indicates whether there is a collision risk warning (Rudder Warning) of the control rudder angle. If RW = 1, it is dangerous because the control rudder angle (C-rudder-angle) is within the range of the collision angle (RA-Lower, RA-Upper). and RW=0 indicates safety.
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