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LabVIEW를 이용한 선박자동접안 시스템 구현에 관한 연구 |
해결 과제
본 연구는 작은 선박이 아닌 대형선박을 대상으로 생각하고 있으며, 연구를 위해 실제 컨테이너선의 100:1 축소 모형을 제작하여 자동접안을 위한 수학적 모델링을 명확히 하고자 한다.
솔루션
NI CompactRIO를 사용하기 전에는, 축소 모형에 설치된 센서 신호, 모터에 전달하는 제어 신호, 전원 공급 등을 위해 선박의 외부에서 유선으로 연결할 수밖에 없었다. 배에 연결하는 선이 적을 경우에는 별 문제가 없으나 많은 신호 및 전원공급선이 존재하는 경우 선박의 자유도에 영향을 줄 뿐만 아니라 본 연구의 목적인 수학적 모델링 해석에도 영향을 준다. 하지만 내쇼날인스트루먼트의 compactRIO와 배터리를 사용하여 본 실험을 위한 모든 제어 알고리즘 및 신호 처리하고 전원 공급을 모형 선박 내에서 가능토록 했으며, Access Point를 사용함으로써 필요한 파라미터 및 데이터를 무선으로 통신하여 선박의 완벽한 자유도를 구현할 수 있었다.
어플리케이션 요약
실제 선박을 통한 실험은 비용, 장소의 제약 등으로 많은 어려움이 있으므로 먼저 축소모형을 통한 실제 선박의 수학적 모델링을 구현현하고자 한다. 따라서 모형 선박에 NI CompactRIO와 배터리, 그리고 Access Point를 설치하여 가능한 최대한 실제 선박과 가깝도록 구현하였다.
개발 배경
접안이란 선박이 화물 등을 싣고 내리기 위해 부두로 접근하기 용이하도록 지원하는 과정을 말하며, 항해와는 엄밀히 구분되어야 한다. 오늘날 대형 선박의 경우, Tug-Boat 육상 지원팀과의 통신을 통해 접안작업을 하고 있으나 많은 시간을 필요로 한다. 만약 접안 중에 안벽충돌사고 등이 발생할 경우 엄청난 손실을 가져오므로 파일럿은 당연히 초긴장상태에 있을 수밖에 없다. 따라서 선박의 안전한 접안환경을 갖추는 것은 화주 및 선주들의 지대한 관심사 일수밖에 없다. 본 연구의 목적은 선박접안이라는 매우 위험할 뿐 아니라 이로 인해 장시간을 필요로 하는 작업을 인간의 감각이 아닌 센서를 통한 계측을 바탕으로 자동제어에 적용하여 더욱 안전하고 신속하게 처리할 수 있도록 하는 데 목적을 둔다.
본론
1.실험목적
본 실험의 목적은 선박모델의 컨트롤 시스템 디자인을 설계하고, Bow & Side Thruster의 순간적인 동적응답특성에 근거하여 2차 전달함수 모델을 구하는 데 있다. 따라서 주어진 목표에 대한 반응은 선박모델을 얻기 위한 데이터로 사용된다.
2. 프로그램 개요
1) 유저 인터페이스
2) cRIO 블록다이어그램
3. 실험방법
(1)구성장치 및 설명
- 컴퓨터 : 모형 선박 내에 장치된 Access Point를 통하여 Set Point(안벽과의 거리), PID Gain 파라미터 및 실험에 필요한 설정을 전송한다. 그리고 선수, 선미에 설치된 초음파 센서를 이용하여 안벽과의 거리에 대한 데이터를 실시간으로 수신하고 파일형태로 저장한다.
- Poo l : 약 지름 5미터 가량의 수조로써 실제 바다에 해당한다.
- 접안벽 : 검은 색 플라스틱판이며, 초음파가 반사되도록 지면과 수직이 되도록 설치하며 실제 항만의 접안 벽에 해당한다.
(2) 실제 선박사진
< 실험선박(측면) >
< 실험선박(평면) >
< 실험선박(등각) >
(3) 실험방법 설명
1) 실험준비
① Pool을 안정한 곳에 설치하고 물을 2/3가량 채운다.
② 1.1.1.1.2. 접안벽을 지면과 수직하게 설치하고 고정시킨다.
③ 선체가 Trim이 되는 부분이 없도록 장비배치를 조절하고 고정한 뒤, 배열자리를 기록한다.
④ Pool내 수면이 안정되면 접안벽과 1m50cm 가량 떨어진 곳에 비스듬히 선체를 위치시킨다. 이때, 선체를 Pool중앙에 오도록 하게 위치시키며, Pool이 원형이므로 선체의 초음파가 접안벽에서 벗어나지 않는 범위 내에 위치시킨다.
2) 실험순서(Gain값 선정 실험)
① ‘⑨ Controller 접속 상태 표시부’를 통해 컨트롤러와 접속상태를 확인한다.
②. ‘⑩ PID 파라미터 입력부’ 를 통해 여러 파라미터를 설정한다.
③. ‘⑧ Transfer to Controller’ 버튼을 눌러 설정값을 컨트롤러에 전송한다.
④. ‘⑪ Set Point 입력부’ 에 도달 거리를 입력한다.
⑤. 시험 데이터를 저장하고자 할 경우 ‘④ Data Logging’ 에 체크한다.
⑥. ‘③ Manual/Auto 버튼’을 눌러 시험을 시작한다.
⑦. 시험 종료 시 ‘⑤ Save Button’을 눌러 파일형태로 시험데이터를 저장한다.
4. 모형 선박 부품 구성도
< 모형 선박 부품 구성도 >
5. 실제 시험 데이터
결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
본 솔루션은 LabVIEW와 NI PCI-6154를 이용하여 고가의 상용장비와 동일한 성능을 가진 저가형 장비를 빠른 시간 내에 개발함으로써, 개발시간과 개발비용을 절감할 수 있었다. 특히, 상용 장비의 약 1/10정도의 비용으로 동일한 성능의 저가형 임피던스 분광시스템을 개발하여, EIS 실험이 필요한 곳에 널리 사용될 수 있는 가능성을 열었다. 임피던스 측정에 있어서도 핵심적인 역할을 하는 록인앰프(Lock-in Amplifier)를 디지털 방식의 소프트웨어로 구현함으로써 하드웨어를 대폭 간소화 할 수 있었고 LabVIEW가 갖고 있는 간편한 HMI 기능을 이용하여 프로그램 사용의 편리성을 도모하고 다양한 시각적인 효과를 통해 측정결과의 다각도 모니터링도 가능하도록 제작하였다. 본 솔루션은 다수의 전기화학적 전력기기에 대한 동시 측정이 필요한 곳에 활용될 수 있으며, 특히, 품질관리를 위한 생산라인이나 연구개발용으로 적용할 경우 매우 유용하다. 추후, 연료전지, 배터리, 수퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 소자의 수명 또는 건전상태(State of Health) 그리고 충전상태(State of Charge)를 판별하기 위한 응용 또는 각종 검사 장비용으로 사용이 가능할 것으로 기대된다.
