기반의선체운동모니터링시스템개발을통한 항해안전성평가에관한연구 년 월한국해양대학교대학원운항시스템공학과김대해

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2 기반의선체운동모니터링시스템개발을통한 항해안전성평가에관한연구 년 월한국해양대학교대학원운항시스템공학과김대해

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4 본논문을김대해의공학박사학위논문으로인준함. 위원장工學博士金順甲 위원工學博士金世源 위원工學博士文聲培 위원工學博士李相旻 위원工學博士孔吉永 2014 년 8 월 한국해양대학교대학원

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6 목 차 서론 연구의배경및목적 관련연구동향 논문의구성 의선체운동계측수치계산이론 관성항법시스템의좌표계정의 선체좌표계 지구표면 좌표계 지구중심고정관성좌표계 선체운동계측계산 초기정렬 개략정렬 정밀정렬 - i -

7 선체운동좌표계변환 선체운동계측모델 오일러각을이용한좌표변환 방향코사인행렬을이용한자세계산 오일러각을이용한자세계산 쿼터니언을이용한자세계산 기반의선체운동계산알고리즘 오차보정을위한칼만필터링 이산형칼만필터시스템모델 칼만필터계산과정 항해안전성평가기술분석 항해안전성평가요소 해양파스펙트럼 내항성능평가요소와시스템적결합 내항성능평가요소의분산치 내항성능평가요소의발생확률및한계표준편차 내항성능평가치와위험도 평가치 위험도 최대위험도와상대위험도 - ii -

8 내항성능지표 내항성능평가요소의변환평가치 내항성능지표의정의 임의의대표적인요소에의한항해안전성평가 상하가속도계측에의한항해항전성평가 선체운동모니터링시스템제작및검증 선체운동모니터링시스템설계 선체운동계측부 자이로센서 가속도계센서 지자기센서 모듈 네트워크처리부 무선선체운동계측센서통신 데이터수집처리부 선체운동모니터링시스템의성능검증 회류수조실험개요 회류수조주요제원및성능 모형선박의제원 선체운동모니터링시스템성능검증을위한실험조건및 방법 - iii -

9 회류수조실험데이터계측및취득 센서를사용한모형선선체운동계측 회류수조실험의 센서성능분석및결과 기반의선체운동모니터링시스템을통한항해안전성평가 선체운동모니터링시스템의실선실험 실험대상선박의제원및계측방법 실험대상선박의제원 선체운동계측방법 계측된선체운동데이터의처리 실선시험을통한선체운동계측 실선시험개요 제 차실선실험 제 차실선실험 제 차실선실험 제 차실선실험 선체운동계측데이터분석및결과 횡요선체운동계측데이터분석 실험대상선박의횡요주기및풍압력에의한 최대횡경사계산 횡요선체운동계측분석및결과 - iv -

10 종요선체운동계측데이터분석 실험대상선박의종요주기계산 종요선체운동계측분석및결과 센서를이용한항행안전성평가 선체가속도를이용한항해안전성능평가 항해안전성의기준 상하가속도계측분석및항해안전성평가 가속도센서의상하가속도계측검증 상하가속도계측값을적용한내항성능지표 계산및평가 결론 참고문헌 - v -

11 Table 2-1 Comparison of Coordinate Conversion Method 23 Table 3-1 Factors Presently Adopted for Evaluating Seakeeping Performance and their Critical Values 36 Table 4-1 Specification of Gyroscope Sensor 55 Table 4-2 Specification of Accelerometer Sensor 59 Table 4-3 Specification of Magnetometer Sensor 62 Table 4-4 Specification of General AHRS 64 Table 4-5 Specification of Device Used for Wireless Sensor Communication 68 Table 4-6 Specification & General Performance of C.W.C 72 Table 4-7 Main Particulars of Test Model Ships 74 Table 4-8 Measurement Data of Ship Motion by CWC Test 82 Table 5-1 General Particulars of Training Ship (T.S. HANBADA) 87 Table 5-2 ASCII Output Data of AHRS Sensor 97 Table 5-3 Beaufort Scale Number and Wave Characteristics 99 Table 5-4 Schedule of Actual Ship Test 102 Table 5-5 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (1st Test) 103 Table 5-6 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (2nd Test) 105 Table 5-7 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (3rd Test) 106 Table 5-8 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (4th Test) 109 Table 5-9 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (1st Actual Ship Test, ~19.) 119 Table 5-10 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (2nd Actual Ship Test, ~22.) vi -

12 Table 5-11 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (3rd Actual Ship Test, ~20.) 125 Table 5-12 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (4th Actual Ship Test, ) 127 Table 5-13 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (1st Actual Ship Test, ~19.) 135 Table 5-14 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (2nd Actual Ship Test, ~22.) 138 Table 5-15 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (3rd Actual Ship Test, ~20.) 141 Table 5-16 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (4th Actual Ship Test, ) 143 Table 5-17 Seakeeping Criteria of ITTC 146 Table 5-18 Principal Specifications of the Mechanical Accelerometer 150 Table 5-19 Measurement Data of Vertical Acceleration (3rd Actual Ship Test, ~20.) 153 Table 5-20 Measurement Data of Vertical Acceleration (4th Actual Ship Test, ) 155 Table 5-21 Calculation Data of SPI (1st Actual Ship Test, ~19) 160 Table 5-22 Calculation Data of SPI (2nd Actual Ship Test, ~22) 165 Table 5-23 Calculation Data of SPI (3rd Actual Ship Test, ~20) 169 Table 5-24 Calculation Data of SPI (4th Actual Ship Test, ) vii -

13 Fig. 1-1 Block Diagram of General IMU Sensor 5 Fig. 1-2 Classification of Navigation Systems According to the Accuracy of the Sensor 6 Fig. 2-1 Ship Coordinate System 11 Fig. 2-2 Body Frame and NED Coordinate System 12 Fig. 2-3 Geodetic ECEF and Local NED Coordinate System 13 Fig. 2-4 Ship Coordinate & Eulerian Angles 18 Fig. 2-5 Quaternion Representation 22 Fig. 2-6 Block Diagram of AHRS Kalman Filter 27 Fig. 2-7 Block Diagram of Discrete Kalman Filter 28 Fig. 2-8 Flow Chart of Kalman Filter 30 Fig. 3-1 Serial Combination of Factors for Evaluating Seakeeping Performance 34 Fig. 4-1 Application Diagram of IMU 50 Fig. 4-2 Structure Block Diagram of MEMS AHRS 51 Fig. 4-3 ITG-3200 Gyroscope Sensor 52 Fig. 4-4 Function Block Diagram of Gyroscope 53 Fig. 4-5 Orientation of Axes of Sensitivity and Polarity of Rotation 54 Fig. 4-6 Circuit of MEMS Gyroscope 54 Fig. 4-7 ADXL345 Accelerometer Sensor 56 Fig. 4-8 Function Block Diagram of Accelerometer Sensor 57 - viii -

14 Fig. 4-9 Axes of Acceleration Sensitivity 58 Fig Comparison of Output Response and Orientation to Gravity 58 Fig HMC5883 Magnetometer Sensor 60 Fig Internal Schematic Diagram 61 Fig HMC5883 Performance 61 Fig Axes of AHRS 63 Fig Outline of AHRS 64 Fig Wireless Sensor Networking for Serial Device 65 Fig Wireless Communication Module 66 Fig Operation Procedure of Wi-Fi module 67 Fig Data Aquisition Program using NT-ARS 69 Fig Data Aquisition and Analysis S/W 70 Fig Body Frame of CWC 73 Fig Electric and Control System of CWC 73 Fig Model ship of 1,300 ton Class Barge Mockup 74 Fig Installation of AHRS Sensor at Model Ship 76 Fig Data Measurement S/W for AHRS 76 Fig CWC Test 1, Model Ship Test for Ship Motion Data Acquisition using AHRS Sensors (Full Load Condition, V=5 kts) 78 Fig CWC Test 2, Model Ship Test for Ship Motion Data Acquisition using AHRS Sensors (Full Load Condition, V=7 kts) 79 Fig Comparison of AHRS Rolling Angle by CWC Test 81 Fig Comparison of AHRS Pitching Angle by CWC Test 81 Fig Comparison of AHRS Yawing Angle by CWC Test 81 Fig. 5-1 Sea Trial of T.S. HANBADA 86 - ix -

15 Fig. 5-2 General Arrangement of T.S. HANBADA 87 Fig. 5-3 Lines of Body Plan (T.S. HANBADA) 88 Fig. 5-4 Lines of Sheer Plan (T.S. HANBADA) 88 Fig. 5-5 Lines of Half Breadth Plan (T.S. HANBADA) 88 Fig. 5-6 Flow Chart of the Measurement and Analysis System 90 Fig. 5-7 Position of AHRS Sensors at T.S. HANBADA 91 Fig. 5-8 Installation of AHRS Test Equipment at T.S. HANBADA 92 Fig. 5-9 Installation of AHRS Test Equipment at T.S. HANBADA 93 Fig Block Diagram of Integrated Seakeeping Performance Evaluation System 100 Fig Navigational Safety Evaluation S/W of Intergrated Ship Motion Monitoring System 101 Fig Track of Actual Ship Test (1st) 104 Fig Track of Actual Ship Test (2nd) 106 Fig Track of Actual Ship Test (3rd) 108 Fig Track of Actual Ship Test (4th) 110 Fig Maximum Heel Angle with Wind Speed 113 Fig AHRS Outputs and Actual Values of Roll Angle 115 Fig Measured Position of Sampling Data by AHRS Sensor 116 Fig Comparison of Rolling Angle by Measurement (1st Actual Ship Test, ~19.) 118 Fig Comparison of Rolling Angle by Measurement (2nd Actual Ship Test, ~22) 121 Fig Comparison of Rolling Angle by Measurement (3rd Actual Ship Test, ~20) x -

16 Fig Comparison of Rolling Angle by Measurement (4th Actual Ship Test, ) 127 Fig Comparison of Rolling Angle by Standard Deviation 128 Fig AHRS Outputs and Actual Values of Pitching Angle 132 Fig Comparison of Pitching Angle by Measurement (1st Actual Ship Test, ~19) 134 Fig Comparison of Pitching Angle by Measurement (2nd Actual Ship Test, ~22) 137 Fig Comparison of Pitching Angle by Measurement (3rd Actual Ship Test, ~20) 140 Fig Comparison of Pitching Angle by Measurement (4th Actual Ship Test, ) 143 Fig Comparison of Pitching Angle by Standard Deviation 144 Fig Photograph of Mechanical Accelerometer Measuring System 148 Fig Accelerometer Principle 149 Fig Comparison of Vertical Acceleration by Measurement (3rd Actual Ship Test, ~20.) 152 Fig Comparison of Vertical Acceleration by Measurement (4th Actual Ship Test, ) 155 Fig Comparison of Vertical Acceleration by Standard Deviation 156 Fig Comparison of SPI & Vertical Acceleration by Measurement (1st Actual Ship Test, ~19.) 159 Fig Evaluation Diagram of Navigation Safety (1st Actual Ship Test, :30 KST) xi -

17 Fig Calculation Input & Output Data using SPI (1st Actual Ship Test, :30 KST) 162 Fig Comparison of SPI & Vertical Acceleration by Measurement (2nd Actual Ship Test, ~22.) 164 Fig Evaluation of Navigation Safety using SPI (2nd Actual Ship Test, :30 KST) 166 Fig Comparison of SPI & Vertical Acceleration by Measurement (3rd Actual Ship Test, ) 168 Fig Evaluation of Navigation Safety using SPI (3rd Actual Ship Test, :00 KST) 170 Fig Comparison of SPI & Vertical Acceleration by Measurement (4th Actual Ship Test, ) 172 Fig Evaluation of Navigation Safety using SPI (4th Actual Ship Test, :00 KST) xii -

18 In the current era of the 21st, the shipbuilding technology has undergone many changes by the trends, shifting to more automatical, bigger, faster, greener and more IT technological with strong connection to E-navigation. Within these technologic, economic and environmental trends, the navigators on the other hand, must serve their duties to keep the safety of ship s navigation from irregular external force like wind and wave, and to prevent maritime accidents. When a ship underway meets a danger in rough sea, a system analyzing or evaluating the safety and risk of navigation using a standard scale according to certain conditions of ship, and weather and sea state will be essential but is absent in these days of outstanding development of shipbuilding. Typically, the ship handling in heavy weather involves three maneuvers: 1) - xiii -

19 alteration of both course and speed, 2) aleration of course and 3) alteration of speed. Today, the maneuvers are conducted depend on just experiences and subjective and intuitive judgements from the navigational officers.[1~2] But the research on setting up a evaluating system of seakeeping performances is ongoing and this promising project will allow navigators to test the ship's seakeeping performance and finally help to adjust the ship's operating speed and course in every sea condition based on the automation technology used in monitoring ship's motions. It is expected to define the navigation safety with more qualified and specialized evaluating system and therefore much better human experience. There is a model method for quantitative evaluation of navigation safety, based on idea of the ship's seakeeping performance. SPI(Synthetic Seakeeping Performance Index) which adopts specialized system, using seakeeping efficiency and reliability engineering, makes synthetic assessment of ship's navigation safety. By using theoretical equation, SPI is able to compute the occurrence possibility, evaluation value and a degree of risk of every each evaluation element of seakeeping performance which is effected by hull motions in the certain state of sea and weather. In case the risk rate of evaluation elements are the same, the elements' possibility of occurrence are also the same: and the relationship called reliability engineering. By the reliability engineering theory, it is possible to evaluate overall safety of navigation in all ship s condition irrespective of ship s type, load status of cargo, etc. in assessing only one random evaluation element of seakeeping performance. In this study, the ship motions monitoring system, equipped with AHRS as MEMS which can be applicable to real ship on the sea, is developed for practical use. AHRS is the one of inertia sensors and it is consist of an accelerometer measuring linear acceleration and a geomagnetic sensor - xiv -

20 measuring angular velosity. AHRS is widely used in the special fields of aeronautics, automobile engineering, ship engineering, military equipment and in the general field of home cleaning robot, portable telephone, personnel multimedia device, game console, etc. AHRS which can provide the attitude and direction of moving transportation like ships, vehicles, aircraft was recognized of being high-priced with IMU until early 2000s. However, in recent years, MEMS continues to grow and AHRS is now low-priced and have to be highly accurate and massively produced according to rising demands and extensive use like in recognition of robot motion. The inertial measurement unit is combined with a gyroscope, accelerometer, magnetic compass to design a low price and small size MEMS AHRS sensor that can be used in ship motions monitoring at sea. In order to deal with cumulative errors, the errors occur after a long-term operation, the kalman filtering sensor is chosen as a troubleshooting. To win a analysing software of ship motions monitoring with almost exact measuring value, the study goes through algorithmic treatment approach for ship motions monitoring. In addition, to measure the ship motions effectively in restricted circumstance, the SAN(Ship Area Network)is grafted onto the inertial measurement unit. At the end, the inertial measurement unit can offer a tool working for estimating the degree of safety of navigation with the measurement and calculation in 2-axis acceleration of ship s major motions and expressing the results visually. The Wireless hull motion monitoring system rooted in AHRS sensors that is devloped in this paper is tested and proves its accuracy in terms of assessing frequency and acceleration that may be helpful in limited installation circumstances of the ship. In the future, this technology will be not only the standard of the INS, VDR and other navigation equipments but also a ruling technology in the field of safety of navigation and maritime accident analysis. - xv -

21 Nomenclature E i Ei ET E TC : 좌표변환행렬 : 내항성능평가요소의평가치 : 내항성능평가요소의변환평가치 : 선박시스템의내항성능변환평가치 : 선박시스템의내항성능한계평가치 E X i E X ic H : 내항성능평가요소의평가치 : 내항성능평가요소의한계평가치 : 선체좌표계에서의가속도 : 중력가속도 : 유의파고 H X i V : 내항성능평가요소의응답함수 P i P T Q X ic QX i Qt S ωχ ζ ω : 파장 : 내항성능평가요소의신뢰도함수 : 내항성능평가요소의종합신뢰도함수 : 내항성능평가요소의한계발생확률 : 내항성능평가요소의발생확률 : 내항성능평가요소인현상이최저 1회발생할확률 : Rayleigh 분포의 1차원확률밀도함수 : 해상상태 : 내항성능평가요소의스펙트럼 : 장파정해양파스펙트럼 - xvi -

22 S SPI V X i X ic X i t σ X ic : 단파정해양파스펙트럼 : 내항성능지표 : 평균파주기 : 해양파와선박과의만남주기 (Encounter Period) : 종요주기 (Pitching period) : 횡요주기 (Rolling period) : 실제파도의주기 : 선박의속도 (Ship Speed), : 내항성능평가요소 : 내항성능평가요소의한계치 : 내항성능평가요소의확률과정 : 내항성능평가요소의표준편차 : 내항성능평가요소의한계표준편차 σ ij μ μ e χ : 내항성능평가요소의분산치 : 내항성능평가요소의상대위험도 : 내항성능평가요소의최대위험도 : 내항성능평가요소의위험도 : 지구자전각속도 : 파의원주파수 (Circular frequency) : 파와선체의만남주파수 : 선박과파와의만남각 (Encounter angle) - xvii -

23 Abbreviations acc. AHRS BF COG CWC DOF DVR ECEF HDG ICT IMU LBP : acceleration 가속도 : Attitude and Heading Reference System 자세방위결정시스템 : Beaufort scale of wind Force 보퍼트풍력계급 : Course Over the Ground 대지침로 : Circulating Water Channel 회류수조 : Degree Of Freedom 자유도운동 : Digital Video Recorder 디지털비디오영상기록장치 : Earth-Centered Earth-Fixed Coordinate System 지구중심고정관성좌표계 : Heading 침로 : Information and Communication Technology 정보통신기술 : Inertial Measurement Unit 관성측정장치 : Length Between Perpendiculars 수선 ( 垂線 ) 간의길이 LOA : Length Over-All 전장 ( 全長 ) LOG MCR MCU MEMS NCR NED PSN : Speed Logger 선속계 : Maximum Continuous Rating 엔진최대연속정격출력 : Micro Controller Unit 초소형조정장치 : Micro Electro Mechanical System 초소형관성센서 : Normal Continuous Rating 엔진상용출력 : North-East-Down Coordinate System 지구표면 NED좌표계 : Position 위치 - xviii -

24 RWD RWS SAN SOG SPI STW TCP TWD TWS UDP VA VDR : Relative Wind Direction 상대풍향 : Relative Wind Speed 상대풍속 : Ship Area Network 선박네트워크 : Speed Over the Ground 대지속력 : Seakeeping Performance Index 내항성능지표 : Speed Through Water 대수속력 : Transmission Control Protocol 전송제어프로토콜 : True Wind Direction 진풍향 : True Wind Speed 진풍속 : User Datagram Protocol 사용자데이터그램프로토콜 : Vertical Acceleration 상하가속도 : Voyage Data Recorder 항해기록장치 - xix -

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26 제 1 장서론 1.1 연구배경및목적 21세기조선기술은선박의자동화, 대형화, 고속화, 친환경화및 IT 기술을접목한 e-navigation 등의추세에맞추어여러분야에서급격하게변화하고있다. 이런변화하고있는환경속에서선박을운항하는해기사들은해상에서바람, 파랑등의불규칙한외력에대응하여선박의안전성을유지하면서, 항해의목적을달성하고해양사고를미연에방지하는등의주된임무를변함없이수행하고있다. 해상을항해하고있는선박에서바람과파랑등의외력으로인해위험현상이발생하는경우, 선장이하선박운항자가당시의선박상태와침로및속력그리고기상 해상상태에따른항해안전성과그위험도를정량적으로분석 평가하여대응할수있는시스템은조선기술이발전한지금시대에도선박에적용되고있지못하다. 황천시선박의안전을확보하기위한피항조선은감속과변침을동시에행하는방법이가장많고, 다음으로감속, 변침의순서로피항조치를취하고있다. 이러한조치는주로선박운항자들의경험적이고주관적판단을토대로실시되고있는것으로나타나있다.[1~2] 그러나고도화된선박자동화기술을이용하여어떤해상을항해하고있는선체운동을계측하고, 이를기초로내항성능을평가하여해상상황에따른선박의운항속도와침로를적절히조정할수있는기술이개발되고있다. 따라서항해하는선박의종합적인항해안전성평가를운항자의경험보다검증된항해안전성평가시스템을이용하여정량적으 - 1 -

27 로평가할수있을것으로판단된다.[3~7] 파랑중항해하는선박의안전성을평가하는방법으로내항성능 (Seakeeping performance) 을이용하고있다. 내항성능이란 선박이바람이나파랑등의외력을받으며항행할경우, 유효한평균선속의저하를최소로하여안전하고쾌적하게항해할수있는성질 또는 어떤해상상태에서예정속도를유지하고선체의손상이나성능의저하없이항해가가능한성질 이라정의하고있다.[8~17] 파랑중에서선박의내항성능을이용한항해안전성을평가하는대표적인방법으로서는선속감소에관한추진성능을포함한내항성능과신뢰성공학기법을이용한전문가시스템을도입하는것이다. 이시스템은선박의항해안전성을종합적으로평가할수있는내항성능지표 (SPI : Seakeeping Performance Index) 를이용하고있다. SPI는이론계산식을이용하여파랑중을항해하고있는선박의선체운동이원인이되어발생하는기존의각내항성능평가요소에대한발생확률을계산하고, 내항성능평가치, 위험도를계산한다. 그리고내항성능평가요소의위험도가같은경우그발생확률도같다는신뢰성공학이론을이용하여선박의종류, 적재상태등에관계없이어떠한운항상태에서도선박전체의항해안전성을임의의편리한한개의내항성능평가요소만을계측하여평가하는방법이다. [18~26] 본연구에서는지금까지개발된항해안전성평가방법을실용화하기위하여실제해역을항해중인선박에적용할수있는초소형관성센서 (MEMS: Micro Electro Mechanical System) 인자세방위결정시스템 (AHRS : Attitude and Heading Reference System) 을적용한선체운동모니터링시스템을개발하였다. AHRS는선형가속도를측정하는가속도계, 회전각속도를측정하는자이로, 지구지자기를감지하여방향을측정하는지자기센서로구성되어있다. 선박, 자동차, 항공기등의움직이는운송장비의자세와진행방향을제공하는 AHRS는 2000 년초반까지 AHRS 센서와그관성측정장치 (IMU : Inertial Measurement Unit) 가 - 2 -

28 고가여서널리이용되지못하였다. 근래에 MEMS 기술이발전하면서각종로봇이나모션인식과같이높은정확도가요구되는분야로범위가확대되어수요증가와대량생산을통해센서의정도가높아지고저가로시장에공급되고있는추세이다.[27~40] AHRS 장치를활용하여선박에서선체운동을계측하기위해선박의자세및진행방향계산은자이로센서로부터출력되는각속도를적분함으로써이루어진다. 그러나자이로출력값은바이어스오차를포함하고있기때문에이값을그대로이용할경우자세오차가크게발생하게된다. 그러므로이를보상하기위해가속도계센서를이용하게되었고, 진행방향에대한오차를보상하기위해지자기센서를이용한다.[41~43] 본연구에서는이런 AHRS 센서의단점을보완하기위해칼만필터를이용한쿼터니언기반의선박자세및진행방향추정알고리즘을적용하였다. 쿼터니언기반의선체운동계측알고리즘은오일러각을이용한필터에서발생하는특이점문제를해결할수있도록연산과필터구조를단순하게구성한것이특징이다.[44~46] 본연구에서는해상에서선체운동계측에이용할수있는저가의범용 MEMS 형 AHRS 센서를사용하여선체운동측정과항해안전성평가를할수있는선체운동모니터링시스템을설계및제작하였다. AHRS 센서자체의특성오차와장시간사용으로인한누적오차를보상하기위해칼만필터링기능이탑재된센서를선정하여시스템에적용하였다. 그리고, 선체운동계측알고리즘을적용하여정확도가높은선체운동측정값을산출하였으며, 이계측치를사용한선체운동해석알고리즘을개발프로그램에탑재하였다. 또한, 해상에서선박의주요선체운동과상하가속도값을계측하여실시간으로항해안전성을시각적으로쉽게인식할수있는툴을제공하였다. 특징으로는제한된환경인선박에서선체운동계측을효과적으로측정하기위하여선박네트워크 (SAN : Ship Area Network) 를접목시킨유 무선데이터통신방식을적용한선체운동모니터링시스템을개발하였다

29 1.2 관련연구동향황천등과같은거친해상상태에서운항중인선박의항해안전성을평가하는방법으로지금까지는선박의내항성능을이용하여평가해왔다.[47~66] 최근에는충분한이론적인연구성과를기초로기존의항해안전성평가방법에대한문제점을개선ㆍ보완하여, 실선에서임의선체운동의한요소만을계측하여선박전체의항해안전성을평가하는시스템이개발되었다.[67~69] 선박의항해및계류안전성평가에기초가되는선체운동요소와선박가속도값을계측하기위해서가속도계, 방위센서, 경사계, 초음파변위계등여러특정센서를이용한선체운동계측시스템을개발하려는노력이있어왔다.[70~75] 그러나, 다양한환경적변수가많은해상에서선체운동을계측하는것은많은기술적어려움과고가의특수센서로주로구현됨에따라일반상선에서는채택되지못했었다. 2000년대에들어서 MEMS의발달로저가이면서소형의관성센서들이많이개발되고센서데이터를처리할마이크로프로세서의처리속도도향상되어고성능제품으로시장에자리를잡아가고있는추세이다.[76~80] 관성측정장치 (IMU, Inertial Measurement Unit) 는가속도계, 각속도계등의관성센서를이용하여움직이는물체의위치, 자세, 속도, 가속도, 각속도의정량적인정보를취득할수있어서차량, 선박, 항공기등운송수단의항법에효과적으로이용할수있다. 최근에는가격이저렴한 MEMS AHRS 센서가여기에접목되어상용화되어가고있다.[81~86] IMU는계측대상장비및설비 ( 자동차, 항공기, 선박등 ) 에직접부착된자이로와가속도계의출력을이용하여기준좌표계에대한계측대상의상대적인위치, 속도및자세를항법컴퓨터로계산하는알고리즘이연구되어왔다.[87~93] AHRS와같은관성센서들은특성상해결해야할많은공학적인문제들을발생시킨다. 예를들면자이로나가속도계와같은센서보상 (Calibration) 방법에 - 4 -

30 대한문제와항법모드진입전에계측대상의초기자세를결정하는초기정렬이나항법모드중에발생하는항법오차를가속도계와자이로이외의보조센서를사용하여보정하는항행중정렬문제등이있으며, 이를해결하기위한연구가활발히진행되고있다.[94,95] 또한관성센서의신뢰성을높이기위한자이로나가속도계의고장검출및최적배치문제도해결해야할중요한문제로부각되고있다. Fig. 1-1은일반적인관성센서의블록선도를나타낸다. Fig. 1-1 Block Diagram of General IMU Sensor 관성항법시스템이사용되는응용분야에따라요구되는관성항법센서의정확도가결정되며, 관성항법센서의성능은일반적으로바이어스라는계수를통해판단된다. 즉, 일정시간동안변화하는신호의특성을의미하는데바이어스가크면클수록 Fig. 1-1에서자세계산과정이적분을사용하므로시간에따라누적되는오차를발생시키게된다.[44,96] - 5 -

31 보통항법시스템은사용되는센서의정확도에따라 Fig. 1-2와같이구분할수있다. 최근반도체제작기술의발전으로 MEMS, AHRS 기술을이용한항법장치의연구가활발하게이루어지고있다. 그결과계측센서의오차가낮은신뢰성이높은고성능제품이개발되고있다.[93,97] 하지만이정도의정확도로는장시간의운용범위를갖는관성항법시스템에서사용하기에는어려움이있다. MEMS형자이로와같은저가형센서는 IMU 또는 AHRS를구성하기위해서사용된다.[98~103] Fig. 1-2 Classification of Navigation Systems According to the Accuracy of the Sensor 선박의안전성평가에가장중요한요소는항행중외력에따른선체의동적동요를정량적인방법으로분석하여, 외력의크기와방향그리고선형에따라일반화하는일이라할수있다. 본논문은이러한항해안전성평가를위한선체운동을계측하기위하여최근정확도가향상되고경제적인가격대를형성하 - 6 -

32 고있는 AHRS 기반의선체운동계측알고리즘을적용한선체운동모니터링시스템개발에대하여연구하였다. 그리고, 이장비를선박에탑재하여선체운동정보를제공하는 AHRS 센서의정확성및신뢰도향상을위한선체운동계측알고리즘개발에대하여연구하였다. 그방법으로선박의각속도와가속도를측정하는자이로와가속도계등의관성센서와자세계산하드웨어그리고 AHRS 를기반으로한인터페이스를개발하였다. 개발과정중에발생하는오차를줄이기위한오차보정방법과선체운동모니터링소프트웨어를구성하기위한선체운동계측알고리즘에대한연구를수행하였다. 본연구는선박을운항하는항해사에게현재운항되고있는선박의운항성능과항해위험도를보다쉽게인지할수있도록선체운동의각종요소들의정량적인데이터를실시간으로확인할수있는정보를제공하여항해안전성을확보하는데목적이있다. 이런목적으로개발된선체운동모니터링시스템은상선뿐만아니라요트, 어선과같은소형선박에도적용되어선박의감항성평가기준으로활용될수있다. 또한, 해양사고발생시사고원인조사의객관적자료로활용가능하다. 이시스템을사용하여선박별또는해상상태별다양한형태로수집된선체운동계측치가데이터베이스화된다면, 해양사고예방을위한빅데이터 (Big data) 로서의역할도할수있을것으로판단된다

33 1.3 논문의구성본연구에서는최신정보통신기술 (ICT : Information and Communication Technology) 의개념을적용한 MEMS형 AHRS를이용하여선체운동계측및항해안전성평가를할수있는선체운동모니터링시스템을개발하였다. 이시스템은실제해상에서실시간으로선체운동을계측하고, 계측된데이터를분석과 SPI의산출을통하여선박의종합적인항해안전성을평가할수있다. 특히, 선박의종류와적재상태등에관계없이해상에서운항하는선박의전체항해안전성을평가할수있는알고리즘의독창적인기술을적용하였다. 이시스템을사용하여선박을운항하는항해사에게정량적인항해안전성기준을제시할수있으므로다양한해상상태에서운항자가선박의안전한진로를판단하기위한항해보조수단으로서효과적으로사용이가능하므로선박의안전운항에큰도움이될것으로판단된다. 제 1장은서론으로연구의배경및목적, 관련연구동향을소개하였으며, AHRS 기반의선체운동모니터링시스템에대한간략한연구내용과방법에관하여기술하였다. 제 2장에서는선체운동계측알고리즘의구현을위한수치계산이론을제시하였다. 계측센서의측정기준이되는좌표계에대한정의와 AHRS 센서의아날로그적인선체운동을계측하여디지털화하기위한일련의수치계산과정을나타내었다. 제 3장에서선체운동계측을통한항해안전성평가를위한기술에대해기술하였다. 선체운동이원인이되어발생하는기존의각내항성능평가요소에대한발생확률을계산하고, 내항성능평가치, 위험도의계산결과를나타낸다. 이계산결과를분석한결과인선박의항해안전성을손쉽게종합적으로평가할수있도록내항성능평가요소중상하가속도계측에의한 SPI를정의하였다. 이것은내항성능평가요소중한개의요소라도그한계발생확률을초과하면전체선박시스템의항해안전성이위험하게된다는성질을이용한것으로써, 대표적인 - 8 -

34 선체운동계측치인상하가속도를측정하여내항성능평가요소를종합적으로반영할수있는지표를구할수있다. 이방법은선체운동모니터링시스템의하드웨어제작시간편성, 편리성, 경제성을더할수있다. 제 4장에서는선체운동모니터링시스템의 AHRS 센서와유 무선통신모듈에대한하드웨어특성및시스템설계와제작에대한사항을다루고있다. 제작된장비는회류수조실험을통하여선체운동계측센서의성능평가에대한결과를분석하였다. 제 5장에서는 AHRS 기반으로제작된선체운동모니터링시스템의실선을대상으로실험을수행하였다. 이실험을통하여 AHRS 센서의선체운동계측성능을평가하였고, 실험대상선박의계측된선체운동측정값의분석및해석알고리즘을통한항해안전성평가를수행하였다. 실선실험은총 4차례에걸쳐실시하였고, 각각의실험마다실선실험의개요, 방법및결과를기술하였다. 제 6장에서는본논문의연구및실험결과로부터얻어진사항에대한요약과결론, 추후연구과제를기술하였다

35 제 2 장 AHRS 의선체운동계측수치계산이론 2.1 관성항법시스템의좌표계정의선박의위치, 속도및자세를표현하기위해서관성항법시스템에사용되는좌표계 (Frame or Coordinate system) 는몇가지종류로나눌수있다. 적절한좌표계의선정은관성항법식의간략화및계산량의감소, 목표로하는항법시스템의요구조건에따라서설계자가임의로선정하게된다. 일반적으로사용되는관성항법시스템에서사용되는좌표계는선박의운동식을표현하기위해서다음과같은좌표계를사용한다.[104~106] 선체좌표계 (Ship Coordinate System) 선체좌표계 (Ship Coordinate System or Body Frame) 는관성센서를위한좌표계로써선박의질량중심에원점을두고선박의운동방정식을유도하는데사용된다. 선박의경우선수방향을 X축, 좌우방향을 Y축, 상하방향을 Z축으로정의한다. 파랑중선체운동계산을위한좌표계는 Fig. 2-1과같다. O XYZ : 정지공간좌표계 O x y z O xyz G x b y b z b : 등속이동공간좌표계 : 원점을정지자유표면에놓은선체고정좌표계 : 원점을중심에놓은선체고정좌표계

36 Fig. 2-1 Ship Coordinate System 선박은파의진행방향에대해 x 각도로이루어지는직선상을속도 로서항 해를하고, 평균위치 의주위에서무게중심 가각각의축방향및축주 위로미소진폭의동요를한다고가정한다. 그리고위상각은파정이선체중앙의중심선에있을때를기준으로하며위상전진을 (+) 로정한다

37 2.1.2 지구표면 NED 좌표계 (NED Coordinate System) 지구표면 NED 좌표계 (North-East-Down, referred as NED Coordinate System) 는항법좌표계 (Navigation frame) 라고도하며, 원점이항법시스템의원점으로사용되며, 선박의실제적인궤적및위치를계산하는데사용된다. N 벡터는북쪽을가리키며, E 벡터는동쪽을, D 벡터는중력벡터방향이다. 즉선체의무게중심을원점으로북쪽 (N), 동쪽 (E), 그리고수직아래 (D) 방향을각각축으로한다.[107] 지구표면 NED 좌표계는 Fig. 2-2에수면상에선체좌표계와같이나타냈으며, Fig. 2-3에서는원형의지구표면상에 NED 좌표계를 3차원그림형태의녹색 화살표로나타내었다. 여기서, 은지구표면상의한점을원점으로하여, 은북쪽방향을 축으로, 은동쪽방향을 축으로, 은아래방향을 축 으로정의하였다. Fig. 2-2 Body Frame and NED Coordinate System

38 2.1.3 지구중심고정관성좌표계 (ECEF Coordinate System) 지구중심고정관성좌표계 (Earth-Centered Earth-Fixed, referred as ECEF Coordinate System) 는원점이지구중심을회전축으로한회전좌표계이며, 지구의자전과상관없이고정된좌표계이다.[107] ECEF 좌표계는 Fig. 2-3에 3차원그림형태의파란색화살표로나타내었다. 여기서 는지구중심을원점으로, 는그리니치자오선을 축으로, 는경도 90 동쪽방향을 축으로, 는지구의북극방향을 축으로정의하였 다. 그리고, 는위도 (Latitude), 는경도 (Longitude) 이다. Fig. 2-3 Geodetic ECEF and Local NED Coordinate System

39 2.2 선체운동계측계산 초기정렬초기정렬은크게개루프상태에서초기좌표변환행렬과초기자세각을구하는초기개략정렬 (Coarse alignment) 과칼만필터와같은최적의추정자를이용하여자세및자이로, 가속도계의오차를추정하여보정하는정밀정렬 (Fine alignment) 로구분된다.[94,95,108~111] 개략정렬 (Coarse alignment) 개략정렬은선박이정지한상태에서가속도계와자이로측정치를이용하여개루프상태에서항법좌표계와선체좌표계사이의초기좌표변환행렬과초기자세각을구하는과정으로, 정밀정렬전단계로이용된다. 선체가정지한경우선체좌표계에서의가속도 는다음과같이측정된다. f b f x f y f z C b n f n g (2-1) 에횡요 (Roll), 종요 (Pitch), 선수요 (Yaw) 각 (Angle) 을대입하면다음과같이 표현할수있다. f x f y C b n f n f z coscos cossin sin cossinsinsincos coscossinsinsin sincos (2-2) sinsincossincos sincoscossinsin coscos g gsin gsincos gcoscos

40 여기서, φ 는횡요각, θ 는종요각, 그리고 ψ 는선수요각을나타낸다. 다음과 같이횡요각과종요각을구한다. tan gsincos gcoscos f y tan (2-3) fz tan gsin gcos f x tan f y f z (2-4) 한편선수요각을얻기위해서는정지시선박에서측정되는지구자전각속도를이용한다. 먼저계산된횡요, 종요각을이용하여항법좌표계에서선체좌표 계로의좌표변환행렬 을다음과같이, 로나타낸다. C n b cos sin cos sin sinsin cos sincos sin cos C C (2-4) cossin sin coscos 또한선체에서측정되는지구자전각속도 는항법좌표계에서의지구자전 각속도 으로부터좌표변환과정을통하여다음과같이표현된다. b ie C b n n ie C T b n ie C ie n C C ie (2-5) 여기서 은다음과같다. n ie cos sin (2-6)

41 C T x y z N C D cos N sin N (2-7) D 의성분들은앞에서구한횡요, 종요각을이용하여쉽게구할수있으며,,, 를이용하여다음과같이선수요각 를구한다. tan (2-8) 저가형의정밀도가떨어지는 MEMS 자이로를사용하는 AHRS의경우자이로를이용하여지구자전각속도를측정하는것이어렵다. 이에지자기센서의 방향출력 와 방향출력 을이용하여다음과같이선수요각 를구한 다. H Y tan Hx (2-9) 정밀정렬 (Coarse alignment) 정밀정렬은선체가정지한경우에수행되는영속도보정 (Zero-velocity aiding) 알고리즘과선체가항해중에수행되는항행중정렬 (In-sailing alignment) 로분류될수있다. 영속도보정알고리즘의경우영속도정보를이용하여자세오차와센서오차를추정하며, 항행중정렬을위해서는별도의측정치를얻을수있는센서가필요하다. 칼만필터가자세오차추정에이용되며, 일반적으로정지상태에서의영속도정보는별도의속도측정치에비해상대적으로정확하다는점과선체의가속도및각속도에변화가있는항행중정렬의경우시스템의가관측성 (Observability) 이증가한다는장점이있다.[112]

42 2.2.2 선체운동좌표계변환 AHRS 센서를이용한선박의자세결정은항법좌표계에대한선체좌표계의각속도를시간에대해적분하여자세를계산한다. 선체운동계측을위한선박좌표는방향코사인행렬, 오일러각, 쿼터니언등의미분방정식을이용하여표현할수있다.[113,114] 선체운동계측모델 AHRS 는관성센서인자이로, 가속도계센서와지자기센서를이용한다. 본연 구에서고려하는관성센서모델은다음과같다. (2-10) 는각각자이로, 가속도계, 지자기센서로부터얻을수있는측정 치이고, 는각센서의바이어스오차를나타내며, 는각센서의측정치잡음을나타낸다. 각센서의오차는스케일팩터오차, 바이어스오차, 측정치잡음오차로분류할수있으며, 실제 AHRS 센서에서는바이어스오차가가장크게작용한다 오일러각을이용한좌표변환하나의좌표계가어떤회전을통해다른좌표계로변환되었을경우, 이회전을표현하는세가지의각도를정의하면, 회전관계를나타낼수있다. 선체에부착된 IMU으로부터측정한가속도 ( ) 와각속도 ( ) 을선체좌표계에서항법좌표계로변환을하는데, 이세회전각도를사용한다. 이를

43 오일러각 ( ) 이라고하며, 는 축을중심으로회전한각도를의미하고, 는 축을중심으로회전한각도이며, 는 축을중심으로회전한각도량이 다.[92, 106] Fig. 2-4 Ship Coordinate & Eulerian Angles 좌표변환을위하여오일러각을사용할때세축에대한회전관계는다음과 같이방향코사인행렬 (Direct cosine matrix) 을사용하여표현할수있다. 횡요 (Roll rotation) : R cos sin sin cos (2-11)

44 종요 (Pitch rotation) : cos sin R sin cos (2-12) 선수요 (Yaw rotation) : cos sin R sin cos (2-13) 방향코사인행렬을이용한자세계산선체좌표계에서항법좌표계로변환하기위해서회전하는단계를세부분으로나누어우선 x축을중심으로 각만큼회전한후, y축을중심으로 각만큼회전하고, 마지막으로 z축을중심으로 각만큼회전하면다음과같은결과를얻을수있다. c c c C bn R R R R c c c c c c coscos cossinsinsincos sinsincossincos cossin coscoscossinsin sinsincossinsin sin sincos coscos (2-14) 회전각이매우작을경우 sin sin sin, cos cos cos 이라고하면위식을다음과같이나타낼수있다. C bn I I (2-15) 방향코사인성분을이용하여오일러각을표현하면다음과같다

45 arctan arctan sincos coscos arcsin arcsinsin (2-16) arctan arctan cossin coscos 오일러각을이용한자세계산선체좌표계에서의 IMU으로부터측정한각속도를 이라고하고, 오일러각의변화율을 이라고하면선체좌표계에서의회전각속도와오일러각의변화율은다음과같은관계를가진다. p q R RR (2-17) r p sin q cos cossin r sin coscos (2-18) p q C pqr r (2-19) 를풀기위해서 \ 의역행렬을구하면다음과같다 C pqr sintan costan cos sin sinsec cossec (2-20) 따라서오일러각의변화율은다음과같이계산된다

46 C p q pqr r (2-21) 식 (2-20) 을대입하면다음과같은식을얻는다. sintan costan cos sin sinsec cossec (2-22) 정리하면다음과같다. pqsincostan qcos sin (2-23) qsincossec 쿼터니언을이용한자세계산쿼터니언은한개의스칼라량과 3개의벡터량으로좌표변환을나타낼수있다. 일반적인벡터계산과계산방식이비슷하고 4개의선형미분방정식을통해연속적인자세계산을수행할수있다. 쿼터니언은다음과같이표현된다.[44] q aibjckd (2-24) 는 Fig. 2-5 에서와같이벡터 와 사이의각으로정의되며다음과같이 나타낼수있다.[115] u v arccos uv (2-25)

47 Fig. 2-5 Quaternion Representation 쿼터니언 를성분으로표현하면다음과같다. a cos b sin q c sin d sin (2-26) 쿼터니언각을방향코사인으로표현하면다음과같다. a b c d bc ad bdac C bn bcad a b c d cd ab bd ac cdab a b c d (2-27) 오일러각과쿼터니언각사이의관계는다음과같다. c arctan c arctan abcd a b c d arcsin c arcsin arctan arctan adbc a b c d (2-28)

48 관성좌표계또는항법좌표계에서선체좌표계로변환시사용되고있는 3 가 지방법은사용되는선박의운동에따라선택적으로사용될수있으며, 일반적 으로다음의 Table 2-1 과같은특징을갖는다. Table 2-1 Comparison of Coordinate Conversion Method 좌표변환 오일 러각 장점 1 3개의미분방정식만필요 2 로부터직접초기화가능 단점 1 미분방정식이비선형 2 Singularity가 ± 에서존재 3 변환행렬을바로사용할수없음 4 좌표축회전순서가중요 방향 여현 1 미분방정식이선형 2 특이성 (Singularity) 이없음 3 변환행렬이바로계산됨 1 9개의선형미분방정식이필요 2 초기계산을위해오일러각을바로사용할수없음 3 계산이번거로움 쿼터 니언 1 4개의선형미분방정식만필요 2 특이성 (Singularity) 이없음 3 계산이단순함 1 초기좌표값이 0이아니면오일러각을사용하여계산하여야함 2 오일러각을바로사용할수없음 3 변환행렬을바로사용할수없음

49 2.3 AHRS 기반의선체운동계산알고리즘선박의선체운동계산에는방향여현, 오일러각, 쿼터니언등의방법이사용되며, 본논문에서는 4개의선형미분방정식을이용하여선체운동를계산하며정규화수행이쉽고, 특이성 (Singularity) 가없고, 계산이쉬운장점을갖는쿼터니언을이용한선박의선체운동을구하는알고리즘을사용하였다. 쿼터니언자세표현법을이용한쿼터니언 의미분방정식은다음과같다.[99] q q p (2-29) 여기서 p T q a b c d 식 (2-29) 의방정식은다음과같이행렬의형태로표현할수있다. q Wq (2-30) 여기서 p q r p r q W q r p r p q 이고 은자이로로부터측정된각속도이다. 회전벡터의원점이계산이갱신되는시간동안고정되어있는경우위방 정식의해는다음과같이나타낼수있다

50 q k exp tk t k Wdt qk (2-31) 여기서 tk t k Wdt x y z x z y y z x z y x 따라서식 (2-31) 는다음과같이간단히표현할수있다. q k exp q k (2-32) 지수항을전개하고위에서방향코사인행렬을얻기위해사용되는것과유사 한전개방법에의해서지수항이다음과같이쿼터니언항으로바뀔수있다 q k q k r k (2-33) c c a r k s x a s y a s z (2-34) a c cos (2-35) sin a s (2-36)

51 앞절에서쿼터니언과의비교에서 가벡터 에대한크기 의회전을표현하는것을볼수있다. 이것은 에서의선체좌표계에서 에서의선체좌표계로변환시키는쿼터니언이고, 는시간 에서선체좌표계와항법좌표계 (navigation axes) 와의관계를나타내는쿼터니언을나타낸다. 따라서쿼터니언 는자이로에서얻어지는선체운동 (Ship motion) 에대하여식 (2-33) 에서식 (2-36) 을반복적으로사용하는것에의해서갱신된다. 갱신된쿼터니언의수치적안정성을얻기위해서쿼터니언의정규화 (Normalization) 과정이필요하다. 쿼터니언은각항의제곱의합을 1과비교하는것에의하여정규화할수있다. 정규화오차는다음과같이주어진다. q q q (2-37) 쿼터니언은각항을 로나누는것에의하여정규화된다. 그러므로다 음과같이쓸수있다 q q q q q q q q (2-38) 정규화된쿼터니언으로부터다음변환식에의하여오일러각을구할수있다. c arctan c arctan abcd a b c d arcsin c arcsin arctan arctan adbc a b c d (2-39)

52 2.4 오차보정을위한칼만필터링칼만필터는대상시스템의확률적인모델과측정값을이용하여시스템의상태변수를찾아내는최적추정기법이다. 1960년대초에칼만필터가제안된이후로그응용범위는점점넓어져왔으며유도, 항법, 제어의여러문제에성공적으로적용되고있다 [116,117]. 특히위성궤도추정, 위성체자세결정, 관성항법, GPS, 관성항법과 GPS를혼합한통합항법등에서그진가를발휘하고있다. 칼만필터는상태식에의한시간전파와측정식에의한개선을통하여상태값을추정하게되는데, 이는실제상태값과추정된상태값의오차공분산을최소화하는알고리즘이다. 시스템이선형이고정규분포를갖는백색잡음에의해구동되는칼만필터는최소공분산을갖는편향되지않는최적의추정기로알려져있다.[116~119] Fig. 2-6은 AHRS 모듈의칼만필터를사용한자세각출력의과정을나타낸블록선도이다. Fig. 2-6 Block Diagram of AHRS Kalman Filter

53 2.4.1 이산형칼만필터시스템모델 일반적으로상태방정식은다음과같이연속시간에대해서기술된다. zt Htxtvt (2-40) xt Ftxtwt (2-41) 시스템의오차상태 (Error state) 에대한연속형시스템의상태방정식과측정방정식이식 (2-40) 과식 (2-41) 과같을때, 이산화과정을통하여식 (2-42) 와식 (2-43) 과같은이산형 (Discrete-time) 시스템방정식과측정방정식을얻을수있다.[120] x k k x k w k (2-42) z k H k x k v k (2-43) 한편 Fig. 2-7 은선체운동모니터링시스템에적용한이산형칼만필터변수의 시간에따른블록선도를나타낸다. Fig. 2-7 Block Diagram of Discrete Kalman Filter

54 잡음은정규분포 (Gaussian distribution) 를갖는영평균백색잡음이라고가정한 다. 상태잡음 (Process noise) 은외란또는모델의부정확성에기인하고, 공분산 은대칭행렬인 를갖는다. E w k Ew k w i T Q k k i k i (2-44) 측정잡음 (Measurement noise) 은센서의부정확성에기인하고, 공분산은대칭 행렬인 를갖는다 E v k Ev k v i T R k k i k i (2-45) 상태잡음과측정잡음은서로독립적으로발생하므로다음과같은직교특성 을만족한다. Ew k v i T, for all k and i (2-46) 이때오차상태와공분산행렬 (Covariance matrix) 의초기값은다음과같이표 현된다 Ex x (2-47) Ex x x x T P (2-48)

55 2.4.2 이산형칼만필터계산과정 이산형칼만필터의계산은 Fig. 2-8 과같은과정에의해이루어진다. Fig. 2-8 Flow Chart of Kalman Filter

56 먼저상태천이행렬 을이용하여오차상태를전파 (Propagation) 한다. x k k xk (2-49) 오차공분산행렬을전파한다. T P k k P k k Q k (2-50) 칼만이득행렬을계산한다. K k P k H k T H k P k H k T R k (2-51) 식 (2-51) 의계산된칼만이득행렬을이용하여오차공분산행렬을갱신 (Update) 한다. P k I K k H k P k (2-52) 다. 계산된칼만이득행렬과전파된오차상태를이용하여오차상태를갱신한 x k xk K k z k H k xk (2-53)

57 제 3 장항해안전성평가기술분석 3.1 항해안전성평가요소 해양파스펙트럼 불규칙적인해상상태는수많은규칙적인소성파들을중첩시켜표현할수있고, 개개의소성파들은각각의진폭, 진행방향과주파수및위상값들을가진다. 이러한소성파들의합성으로이루어진불규칙파의순간시간에대한파고의변동은 Gauss 분포를하며, 그진폭변동의극치는 Rayleigh 분포에따른다. 이와같은불규칙한해양파는스펙트럼분석방법에의해이론적특성해석이가능하다. 본연구개발에서는국제선체구조회의 (ISSC) 에서채용한장파정해양파스펙트럼인 P-M(Modified Pierson-Moskowitz) 형스펙트럼을채택하였으며, 스펙트럼식은다음과같이표현된다.[121] T S H T exp 여기서, T : 평균파주기 H : 유의파고 : 파의원주파수 (Circular frequency)

58 또한, 실제해상에가깝게표현하기위해식 (3-1) 에성분파의방향스펙트 럼을고려한단파정 (Short crested wave) 불규칙파로서다음과같은식으로나 타낼수있다. S S cos 선박이파도와의만남각 (Encounter angle) χ, 속도 V 로서항해중일때선체와 V 파와의만남주파수 ( e ) 와파도의원주파수 () 사이에는 e g cos 의관 계가성립하므로, 로써표현된파의스펙트럼 S 은만남주파수 e 로써 표현된 S e 로변형하여계산하며, 그식은다음과같이유도된다. d e d V g cos V d e g cosd 파도의원주파수 와이에대응하는 e 를갖는스펙트럼아래의면적은크 기가서로같아야함으로다음과같이나타낼수있다. S d S e d e d S e S de 따라서, 다음식으로정리할수있다. S e Vgcos

59 3.1.2 내항성능평가요소와그시스템적결합 불규칙한해상을항해하는선박의인명, 선체, 화물의안전을고려하여파랑 등의외력에대한선박의항해안전성을평가하기위해, 선체의운동으로부터발 생하는다음과같은현상을선박의내항성능평가요소로채택하였다.[122~124] Fig. 3-1 Serial Combination of Factors for Evaluating Seakeeping Performance

60 (1) 선수갑판침수 (Deck wetness) (2) 프로펠러레이싱 (Propeller racing) (3) 슬레밍 (Slamming) (4) 횡동요 (Rolling) (5) 좌우가속도 (Lateral acceleration) (6) 상하가속도 (Vertical acceleration) 파랑중을항해하는선박에서각내항성능평가요소는주어진한계치를초과할때에그현상이발생하고, 그발생확률이주어진한계발생확률을초과할때선박은파랑중에서기능을잃거나아니면위험하게된다. 이와같은각내항성능평가요소의시스템적결합은 Fig. 3-1에나타낸바와같이직렬결합 (Serial combination) 구조로서, 한가지요소만이라도발생확률이한계발생확률을초과할경우선박은전체내항성능기능을잃어위험한상태에도달하게된다.[125] 예를들어, 내항성능평가요소중하나인횡동요의경우한계치를 정수중흘수면에서 Bulwark top까지의높이 로정하여항해중에선체중앙부 Weather side의 Bulwark top으로해수가유입되면위험하다고볼수있는데그확률은 1/1,000로보는것이다. 즉, 그러한현상이 1,000번발생하였을경우그중한번은위험하게된다는것이다. 또한, 6가지의내항성능평가요소중하나만이라도이러한현상 ( 각각의내항성능평가요소마다한계치가설정되어있고, 그러한한계치를초과하는현상이발생하고, 이러한한계치를초과하는현상이해당발생확률에이르렀을경우 ) 이발생하면그선박은위험하게됨을의미한다. 한편, 이들각내항성능평가요소들에대해일반적으로적용되고있는한계치와한계발생확률은 Table. 3-1과같다. 여기에서각내항성능평가요소에대한한계발생확률이다르게제안되어져있다. 이것은각요소에대한연구가따로행하여져얻은결과이기도하고, 한편으로는내항성능평가시각요소의중요도를달리부여한의미도있다

61 Factors Presently Adopted for Evaluating Seakeeping Performance and their Critical Values 내항성능 평가요소 한계치 한계발생확률 Deck wetness 정수중항주시의수위상승을고려한선수수 선 (F.P) 의유효건현 Propeller racing 정수중항주시의상대수위상승을고려하지 않은상태에서프로펠러반경의 ⅓ 노출 Slamming S.S.8½에서선저노출과동시에, 파에돌입할때선저의파면에대한상대속도가한계속도를초과하는것단, Threshold velocity= 횡동요 선체중앙부 weather side 의 bulwark top 에해수 가유입되는것을한계상태로하여정수중흘 수선에서 bulwark top 까지의높이 좌우가속도선교에서좌우가속도가 0.6 를초과할경우 상하가속도선교에서상하가속도가 0.8 를초과할경우 (1) 선수갑판침수선수갑판침수의한계치는모형시험결과에의해해석된정수중항주시의수위상승을고려한선수수선 (F.P.) 의유효건현이다. 한계발생확률은 이다.[126]

62 (2) 프로펠러레이싱 Nakamura, Naito 등의실험에의하면프로펠러상단이수면가까이왔을때, 프로펠러특성상토크의급격한변화가일어난다. 따라서프로펠러레이싱의한계치는정수중항주시의상대수위상승을고려하지않은상태에서프로펠러반경의 ⅓이노출되는것이다. 한계발생확률은 10-1 이다.[127] (3) 슬래밍슬래밍의한계치는 S.S.8½에서의선저노출과동시에, 파에돌입할때의선저의파면에대한상대속도가한계속도 (threshold velocity) 를초과하는것을한계치로한다. 여기에서한계속도는 을채택한다. 한계발생확률은 10-2 이다. [128,129] (4) 횡동요횡동요의한계치는정수중항주시선체중앙부 Weather Side의 Bulwark Top에해수가유입하는것을한계상태로하여흘수면에서 Bulwark Top까지의높이이다. 한계발생확률은 10-3 이다.[130] (5) 좌우가속도항해하는선박에서인간은좌우가속도에대해민감하게반응한다는연구결과를바탕으로, 한계치는선교에서의운항자작업성을고려하여 0.6를적용한다. 한계발생확률은 10-3 이다.[131] (6) 상하가속도 선교에서작용하는상하가속도는선박길이에따른가속도의한계치를이용 하여 0.8 를적용한다. 한계발생확률은 10-3 이다.[132]

63 3.1.3 내항성능평가요소의분산치 선박이단파정불규칙파중을파에대하여일정한속도로일정한침로 χ를유지하면서항해하고있는경우, 선체운동응답계산을위한 NSM에의해구하여진임의의내항성능평가요소의확률과정 X i t의주파수응답함수를 H xi e V 라하면, 확률과정 X i t의 P-M형스펙트럼 ωχ는다음과같다.[133] S xi H xi V S d 또한확률과정 X i t 의분산치 X i X 는다음과같다. σ xi χ V S Sxi ω χ dω 여기에서식 (3-7) 의분산치를변화시키는변수는선박과파와의만남각 (χ), 선박의속도 (V), 해상상태 (S) 이다. 분산치를방향파성분을고려하여수치계산을할때, 근사적으로이용하는단 파정파에서의분산치 S 와장파정파에서의분산치 의관계는다음과같다. S o S o S o L o L o L o L o L o L o L o L o L o L o L o L o L o L o S o L o L o L o L o L o S o L o L o L o S o L o L o L o L o

64 스펙트럼이식 (3-3) 과같이표현될경우, 내항성능평가요소의확률과정 X i t 는다음과같이된다.[134] X i t Sxi d cos 여기서, i i i : 0~2π까지일양분포하는위상각선체운동은파와의만남주파수 e KVcos K 파수를이용하여계산한다 내항성능평가요소의발생확률및한계표준편차 내항성능평가요소의확률과정 X i t 의순간시간에대한진폭변동은 Gauss 분포를따르고, 그극치는 Rayleigh 분포에따른다. 임의의내항성능평가요소의 분산치 X i 이구해지면, 확률과정 X i t의극치가어떤일정한값 X 을초과할 확률 Q X i 는다음과같다. X i Q X i X X exp i exp 이것을표준편차 X i 에관하여풀면아래식이된다. X i ln 식 (3-11) 에각내항성능평가요소의한계치 X ic 를넘을확률인한계발생확률 Q X ic 를고려하면, 위험치가되는한계표준편차 X ic 를구할수있다. X ic ln

65 3.2 내항성능평가치와위험도 선박의내항성능평가는일반적으로각내항성능평가요소가그한계치를초과 하는발생확률로부터정의되는평가치, 위험도, 최대위험도, 상대위험도를적 용한다.[135,136] 평가치 임의내항성능평가요소의극치분포는 Rayleigh 분포로서, 그발생확률을 라고하면, 임의내항성능평가요소의평가치 E X i 는다음과같이정의된다. σ 평가치 E X i 가 0 이되면임의요소 X i 의신뢰도는 1 이되고, 가무한대가 되면 X i 요소의신뢰도는 0 이된다 위험도 임의 X i 요소의주어진한계발생확률에관한한계평가치를 E X ic 로하고, 한계 평가치 E X ic 에대한평가치 E X i 의비를 X i 요소의위험도 X i 라정의한다. X i X ic X i EX ic E X i X i X i X i X ic 여기서, σ X ic 는 X i 가위험하게되는한계표준편차 위험도 X i 는파에대한만남각 (χ), 선속 (V) 및해상상태 (S) 에따라변화한 다. 여기에서 μ X i 인경우 X i 요소가위험하고, μ X i 인경우는안전하다

66 는것을나타낸다 최대위험도와상대위험도 내항성능평가요소의위험도 X i 에서최대치를최대위험도 m 이라정의한다. m V S Maximum i V S 이 m 은어떤상황하에서 X i 의최고치인값으로서, 그값은각요소에대한상대치로비교되는값이다. 또한임의 X i X j 요소의위험도가 i j 인경우, 요소를기준으로하여나타낸 X j 요소의위험도의비를 요소에대한 요소의상대위험도 ij 라정의한다. X i μ σx i i μ ij μj X j α ij σj σ X ic σ X j σx σx jc i X ic E σx X jc ic 단, α ij EX ic X jc σx jc 여기에서 μ ij 인경우는 요소에비해 요소가더위험하고, μ ij 인경우는그반대의의미를갖는다. 이러한상대위험도 ij 를계산함으로써기준요소인 요소와임의요소 는상대적으로동등하게성능을평가할수있게된다. 그것은 요소의한계치를 α μ 배한값이 요소의겉보기한계치 X jc 로되기때문에기준으로한 요소로서임의의 요소의상태를평가할수있다

67 3.3 내항성능지표 파랑중을항해하는선박에서각내항성능평가요소는주어진한계치를초과할때앞의 6가지현상은발생하고, 그발생확률이주어진한계발생확률을넘었을때선박은파랑중에서그기능을상실하거나아니면위험하게된다. 그런데기존의연구에서내항성능평가요소에대한한계발생확률이각각다르게제안되어있고, Fig. 3-1과같이그시스템적결합은직렬결합이다. 따라서기존의내항성능평가요소를이용하여선박의항해안전성을평가하기위해서는모든내항성능평가요소를계측하여야한다. 그러나각요소의특성상계측을위한센서의설치가불가능한것도있고, 또모든요소에센서를설치하여평가하는것은경제적인면에서도문제가있다. Table 3-1에나타낸각내항성능평가요소에한계발생확률이주어져있는것은동일한위험도를가지는요소는위험하게되는정도가같다는것을의미한다. 이것은신뢰성공학에서시스템요소의고장발생확률이같은경우, 그고장률이동일하게되는것과같은의미를가진다. 이와같은각내항성능평가요소의위험도가같은경우, 그발생확률도같다는것으로변환하여계산하는것으로선박시스템전체의항해안전성을평가할수있는내항성능지표 (SPI: Seakeeping Performance Index) 가개발되었다. 이 SPI는선박의종류, 적재상태 ( 홀수상태 ) 등에관계없이, 어떤운항상태에서도한개의내항성능평가요소만을계측하여선박시스템전체의항해안전성을종합적으로평가할수있는지표이며, 임의의한개내항성능평가요소만을계측하여도 6개내항성능평가요소전체의최대위험도를계산할수있다. 따라서 6개요소를모두계측하지않아도전체선박시스템의항해안전성을평가할수있는지표이다. 또한이지표는기존의 6개내항성능평가요소의위험도가모두 1보다작은경우최대위험도를이용하면전체선박시스템이안전하게평가되는부분을보완하여, 6개내항성능평가요소를종합하여보다항해안전을

68 도모한평가가가능하게한다.[22~26] 내항성능평가요소의변환평가치 현재까지연구되어진바에따르면, 파랑중을항해하는선박시스템의내항성 능을평가할수있는요소의한계발생확률은각각다르게설정되어있다. 따라 서한계발생확률이큰내항성능평가요소에비해서작은요소의위험도가전체 선박시스템의내항성능평가에서무시되어위험한상태가안전한상태로평가되 는경우가있다. 이것을보완하기위해서는각내항성능평가요소들이한계발생 확률에도달하면, 그위험도가한계발생확률이가장큰프로펠러레이싱의한 계발생확률 (Q Pc =10-1 ) 에도달하는것과같은값으로변환하여평가하는것이다. 즉각내항성능평가요소의위험도가프로펠러레이싱의위험도와같은경우, 그발생확률도프로펠러레이싱의발생확률과동일하게되는각내항성능평가 요소의평가치 (E i ) 에대한변환평가치 ( ) 를다음과같이계산한다. (1) 프로펠러레이싱에대한변환평가치 EP E P PP E Pc E P EPc E P 여기서, E P : 프로펠러레이싱의평가치 P X P ln EP : 프로펠러레이싱의변환평가치 E Pc : 프로펠러레이싱의한계평가치 XP Pc ln

69 (2) 프로펠러레이싱이외의임의요소에대한변환평가치 Ei Ej E i E Pc Eic Ei i E Pc pi E j E Pc pj Ejc Ej j E Pc 여기서, Pi : 프로펠러레이싱과 i 요소의한계평가치의비 EPc E i i : i 요소의위험도 Eic E ic 식 (3-17), (3-18) 에서위험도가같은경우변환평가치도같아지며, 그발생 확률 Q i 도같은값을가지게됨을알수있다. i j E i E j Qi Q j 내항성능지표의정의 프로펠러레이싱에대한변환평가치를이용하여, N 개의내항성능평가요소 로구성되는전체선박시스템의변환평가치 ( ) 와한계평가치 (E Tc ) 에대한 개념을분석하여 SPI 를정의할수있다. 있다. 전체선박시스템의변환평가치 는다음과같이정리하여나타낼수

70 ET ln 여기서, P T n Pi i 선박의내항성능평가요소의신뢰도함수 P i 는다음과같이구할수있다. Pi exp exp exp QX i P i 여기서, QX i exp 그리고선박시스템의한계평가치 E Tc 는다음과같이나타낼수있다. E Tc ln 여기서, P Tc n i P ic P ic exp

71 P Tc : 내항성능신뢰도함수 Q X ic : 각요소의한계발생확률 (Rayleigh 분포 ) 따라서선박시스템전체의내항성능을평가하기위해서는식 (3-22) 의한계 평가치 E TC 와식 (3-23) 의변환평가치 E T 의비를 SPI 로정의하고, 다음과 같이나타낸다. SPI ET ln P Tc ETc n P T 여기에서 SPI 인경우선박시스템전체는위험하게되고, SPI 인경우시스템은안전한것으로평가할수있다. 또한이 SPI는내항성능평가요소중한개의요소라도그위험도가 1보다큰경우, SPI도 1보다크게되는성질을가지고있다. 따라서 SPI는내항성능평가요소의최대위험도와근사하는값이된다. 이것은한개의요소만을계측하여모든내항성능평가요소의최대위험도의근사치를구할수있다. SPI m V S Maximum i V S

72 3.4 임의의대표적인요소에의한항해안전성평가 내항성능평가요소중대표적인요소한가지에의해선박전체의항해안전성 을평가할수있다. 즉, 임의의대표적요소 로서신뢰도함수 를다음과 같이구할수있다. Pi exp exp exp exp Pi QX im ij 여기서, exp X im : 계측하는임의의내항성능평가요소 μ : 임의의 i 요소에대한임의 j 요소의상대위험도 α : 프로펠러레이싱에대한임의 요소의한계평가치의비

73 3.5 상하가속도계측에의한항해안전성평가 앞에서정의된 SPI 는기존의내항성능평가요소중한개요소만을계측하여 선박전체의항해안전성을평가할수있는지표이다. 따라서본장에서는기존 내항성능평가요소중계측하기편리하고, 화물의안전과승조원의작업성등에 직접적인영향을주는상하가속도한개의요소만을계측하여선박전체의항 해안전성을평가한다. 식 (3-21) 의 는상하가속도를계측하여구할수있으 며, 이것을이용하여 SPI 를다음과같이계산할수있다. Pi exp exp exp exp PAV QX AV AVi 여기서, σ β α μ μ : 상하가속도에대한각요소의상대위험도

74 α : 프로펠러레이싱에대한상하가속도의 한계평가치의비 그런데프로펠러레이싱과상하가속도의한계발생확률이각각 Q Pc = 10-1, Q AVc = 10-3 이므로, α 로되는값이다. 따라서식 (3-27) 은다음과같 이간단히나타낼수있다. Pi QX AV AVi 여기서, 전체선박시스템의변환평가치는아래식과같다. ET ln 계산된식 (3-28) 의변환평가치와식 (3-29) 의한계평가치를통해실선계측 결과에의한 SPI 를아래식과같이구한다. ET ln SPI ETC ln

75 제 4 장선체운동모니터링시스템제작및검증 4.1 선체운동모니터링시스템설계선체운동모니터링시스템은세부분으로구성하여설계하였다. AHRS를사용하여항해중인선박의횡요 (Roll), 종요 (Pitch), 선수요 (Yaw) 데이터를측정하는선체운동계측부분, 측정된데이터를유 무선네트워크를통하여전송하는네트워크처리부분과전송된데이터를수신하여정보를처리하는데이터수집처리부분이다 선체운동계측부 Fig. 4-1 Application Diagram of IMU 본연구에서실선에서의선체운동을실시간계측하기위해사용된 AHRS 의 관성센서는 3 축 MEMS 형가속도 (Accelerometer), 자이로스코프 (Gyroscope), 지자 기 (Magnetometer) 센서로구성되어있으며, 이는 3 축에직각으로배치되어총

76 9축이측정되므로각센서로부터선체운동을 6 자유도 (DOF : Degree Of Freedom) 요소를계측하여결과값을얻을수있다. 선체운동계측부에적용한센서는시중에서판매하는저가의상용제품인 32Bit MCU(Micro Controller Unit, 초소형조정장치 ) 를탑재한디지털타입의 AHRS 모듈센서와정밀도가높은 6 DOF 및범용 3 DOF 계측용 MEMS AHRS 센서를사용하였다. Fig. 4-1은구축된 AHRS 기반선체운동계측에대한구조도를나타내고있고, Fig. 4-2는 MEMS AHRS 센서의내부및외부데이터처리과정을보여주는도표이다.[137~139] Fig. 4-2 Structure Block Diagram of MEMS AHRS

77 자이로센서자이로 (Gyroscope) 센서는 3축회전각속도를측정하기위하여 INVENSENSE 사의 ITG-3200 디지털출력자이로스코프를탑재한 IC를사용하였다. 이센서는자이로출력을샘플링하기위한 16비트 ADC와사용자가선택가능한내부저역 (Low path) 필터와 Fast mode I 2 C(400Khz) 인터페이스를가지고있다.[140] Fig. 4-3은 ITG-3200 자이로센서의외형과내부구조도이다. (a) (c) (b) Fig. 4-3 ITG-3200 Gyroscope Sensor (a) Outline, (b) Pin Configuration(Top View), (c) Operating Circuit

78 Fig. 4-4 Function Block Diagram of Gyroscope Fig. 4-4는 3축자이로센서의신호처리를나타내는블록선도이다. ITG-3200 자이로센서는한개의 IC에의한디지털출력 X, Y, Z 축각속도센서 (Gyros) 를제공하며, 2.1V ~ 3.6V의 VDD 공급전압범위로 3축가속도신호를출력한다. 이신호는내부 ADC를통해 16bit 디지털데이터로변환되며, I 2 C 직렬통신인터페이스를통해출력된다. 자이로센서는가속도를출력하며, 보통이가속도를적분하여회전각을계산하는데이때미소한 Bias drift도적분으로누적되면결국큰오차가발생한다. 이 Bias drift를최소화하기위해 HDR(Heuristic Drift Reduction) 알고리즘과같이소프트웨어적으로해결한다. Fig. 4-5은자이로센서의축방향을나타내고, Fig. 4-6은회로도를보여준다. Table. 4-1은 ITG-3200 자이로센서의주요사양이다

79 Fig. 4-5 Orientation of Axes of Sensitivity and Polarity of Rotation Fig. 4-6 Circuit of MEMS Gyroscope

80 Table 4-1 Specification of Gyroscope Sensor Characteristics Conditions Min Typical Max Units GYRO SENSITIVITY Full-Scale Range FS_SEL=3 ±2000 Sensitivity Scale Factor FS_SEL= Nonlinearity GYRO ZERO-RATE OUTPUT (ZRO) Best fit straight line; 25 C 0.2 Power-Supply Sensitivity (1-10Hz) Power-Supply Sensitivity (10-250Hz) Power-Supply Sensitivity (250Hz - 100kHz) Linear Acceleration Sensitivity Sine wave, 100mVpp; VDD=2.2V Sine wave, 100mVpp; VDD=2.2V Sine wave, 100mVpp; VDD=2.2V Static 0.1 GYRO MECHANICAL FREQUENCIES X-Axis khz Y-Axis khz Z-Axis khz VDD POWER SUPPLY Operating Voltage Range V Power-Supply Ramp Rate 0 5 ms Typical Operating Circuit of Section 4.2, VDD = 2.5V, VLOGIC = 1.71V to VDD, TA=25 C

81 가속도계센서가속도계 (Accelerometer) 센서는 ANALOG DEVICE사의 ADXL345를사용하였다. 이센서는 3축 (axis) 가속도신호출력이가능하여 x, y, z 축의정보를따로따로받을수있는센서이며, 측정범위는 ±2g, ±4g, ±8g, ±16g 중의하나를선택하여계측할수있다.[141] Fig. 4-7는 ADXL345 가속도센서의외형과내부구조도이다. (a) (b) (c) Fig. 4-7 ADXL345 Accelerometer Sensor (a) Outline, (b) Pin Configuration(Top View), (c) Circuit

82 Fig. 4-8 Function Block Diagram of Accelerometer Sensor Fig. 4-8은 3축가속도계센서의신호처리를나타내는블록선도이다. ADXL345 가속도센서는 2.0 ~ 3.6V의사용전압을가지며, 3축가속도신호를출력한다. 이신호는내부 ADC를통해 12bit 디지털데이터로변환되며, I 2 C 직렬통신인터페이스를통해출력된다. 가속도센서는가속도를출력하는데있어중력가속도가포함되어있기때문에중력가속도를제거한후적분하여속도와위치를계산해야한다. 이때미소한 Scale factor의변화로인해중력가속도성분이제대로제거되지않고적분으로누적되면결국큰오차가발생한다. 이런오차는센서로부터가속도값을받아가속도오차를수정하기위해 HSR(Heuristic Scale Regulation) 알고리즘과같이소프트웨어적으로해결한다. Fig. 4-9는가속도센서의축방향을나타내고, Fig. 4-10은중력과방향별로가속도응답값을보여준다. Table. 4-2는 ADXL345 가속도센서의주요사양이다

83 Fig. 4-9 Axes of Acceleration Sensitivity Fig Comparison of Output Response and Orientation to Gravity

84 Table 4-2 Specification of Accelerometer Sensor Characteristics Conditions Min Typical Max Units Measurement Range User selectable -16 ~ +16 Nonlinearity Percentage of full scale dps (deg/s) ±0.5 % 2 g 10-bit resolution Sensitivity 4 g 10-bit resolution g 10-bit resolution g 10-bit resolution LSB/g 2 g 10-bit resolution Scale Factor 4 g 10-bit resolution g 10-bit resolution g 10-bit resolution mg/lsb BIAS Level x, y Each axis -150 ± LSB rms z Each axis -250 ± LSB rms Measurement Rate User selectable Hz Operating Voltage Range V Interface Voltage Range Vs 2.5 V v V Operating Temperature Range C Device Weight 20 mg

85 지자기센서지자기 (Magnetometer) 센서는 ±8 gauss의측정범위를갖는 Honeywell사의 HMC Axis Digital Compass IC를사용하였다. 이센서는 3축 (Axis) 을측정하며메인보드와의통신은 I 2 C 디지털직렬통신을한다. 사용전압은 2.5 ~ 3.3V이며, 출력은 15 ~ 116Hz이고, 선형성은 0.1% FS이다. Fig. 4-11은 HMC5883 지자기센서의외형과내부구조도이고, Fig. 4-12는내부회로도이며, Fig. 4-13은성능 (Performance) 그래프이다. Table. 4-3은 HMC5883 지자기센서의주요사양이다.[142] (a) (c) (c) Fig HMC5883 Magnetometer Sensor (a) Magnetometer Sensor Module Top View, (b) HMC5883 Sensor Outline, (c) Pin Configuration

86 Fig Internal Schematic Diagram Fig HMC5883 Sensor Performance

87 Table 4-3 Specification of Magnetometer Sensor μ

88 AHRS 모듈자이로센서는방위각을나타내는선수요및기울기를나타내는횡요와종요를모두측정하며, 가속도센서는지구중력가속도를이용하여센서의기울기인횡요와종요를계산할수있고, 지자기센서는지구의자기장을측정하여선수방향과같은방향각도를계산할수있다. AHRS 모듈은자이로센서, 가속도센서, 지자기센서로구성되어세종류의 3축 MEMS 센서가연동되어계측대상의자세및움직임을측정하여표현할수있는시스템이다. 본연구에서는상용화된 AHRS의두가지형태의제품을각각실험모델로선정하여수조실험과실선실험에적용하였다.[138, 139] Fig Axes of AHRS

89 (a) (b) Fig Outline of AHRS (a) Razor IMU AHRS Model, (b) EBIMU-9DOFV2 AHRS Model Table 4-4 Specification of General AHRS Parameter Value Unit Static accuracy (roll/pitch) < 0.2 deg Static accuracy (roll/pitch) * Magnetometer OFF < 0.02 deg Static accuracy (yaw) < 0.5 deg Dynamic accuracy (RMS) < 1.5 deg Dynamic accuracy (RMS) * Magnetometer OFF < 0.5 deg Angular resolution 0.01 deg roll -180 ~ +180 Output Ragne pitch -90 ~ +90 yaw -180 ~ +180 deg Output data rate 1Hz ~ 1000Hz Hz

90 4.1.2 네트워크처리부 Fig Wireless Sensor Networking for Serial Device 선체운동모니터링시스템의장비간통신은선박네트워크 (SAN : Ship Area Network) 를적용하였으며, 마이크로프로세서와메모리, 전원공급기, 무선통신기능을갖춘저전력디바이스인지능형소형센서노드들의집합으로구성된다. 이것은공간및위치에제약없이다양한공간에설치되어주위환경정보를수집한뒤센서노드들간의독립적인유선또는무선네트워크를통해목적지로전송할수있는기술이다. 특히선박의제한된환경에서이러한장점을지닌 SAN 을적용하여선박내 외부의근거리통신망의활용을통한선박환경에최적화된선체운동모니터링시스템의유 무선네트워크를구축하였다. Fig. 4-16은

91 AHRS 기반의선체운동모니터링시스템에서직렬통신처리를하는 AHRS 센서의유 무선센서네트워크구성도를나타낸다. 이시스템의네트워크프로토콜은 UART (Universal Asynchronous Receiver & Transmitter) 를사용하는센서장비와 Wi-Fi 네트워크를사용하는 TCP(Transmission Control Protocol) 또는 UDP(User Datagram Protocol) 기반의네트워크모델로제작되었다 무선선체운동계측센서통신무선선체운동계측센서의통신은전형적인무선통신방식과동일하게데이터를전송하는송신부와데이터를수신하는수신부로구성되어있다. 송신부에서는 MEMS AHRS 센서에의해획득한데이터를 WiFi-RS232C 변환모듈을사용하여직렬통신방식인 RS-232C를지원하는주변기기를손쉽게무선랜 (Wi-Fi) 을이용하는 SAN에접속하여통신한다. 수신부인 PC측에서도 SAN에접속하여 AHRS 센서부에직접연결하여선체운동계측데이터를수신받는다. 본연구에의해구현된무선선체운동계측통신을구성하는데사용된부품들의주요사양은 Table 4-5에나타내었다. Fig. 4-17의 (a) 는선체운동모니터링시스템의센서부와네트워크부를탑재한선체운동계측기의외형이고, (b) 는네트워크부의송신모듈인 WiFi-TTL 변환모듈이고, (c) 는 TTL-UART 변환모듈이다. Fig. 4-18은무선 Wi-Fi 통신의운영절차도이다.[143] (a) (b) (c) Fig Wireless Communication Module (a) AHRS Main Unit Body, (b) WiFi-RS232C Transmitter, (c) RS232C-TTL Convertor

92 Fig Operation Procedure of Wi-Fi module

93 Table 4-5 Specification of Device Used for Wireless Sensor Communication Item Wireless standard IEEE b/g Parameters Frequency range ~ GHz Wireless Receiver/Transfer b/g (11 Mbps / 54 Mbps) Output power 18±2 dbm (typical) Antenna Interface IPX Serial type UART Serial rate 1200 ~ bps Operating voltage 3.3 ± 0.3 V H/W Operating currnet 300 ma (typical) Storage temp. -40 ~ 85 Operating temp. 0 ~ 75 S/W Dimensions Network protocol Work mode Serical command mm TCP, UDP, ARP, ICMP, DHCP, HTTP auto / command AT + instruction set Max. sending rate 11 kbytes/s (TCP)

94 4.1.3 데이터수집처리부외력에따른선체의 6 DOF 중주요 3요소인횡요, 종요, 선수요와항해안전성에활용되는가속도를계측하기위한 AHRS 센서의데이터를취득하고분석하기위하여센서제작업체에서개발툴로제공하는 AHRS Property Editor와 Uni-Matrix의두가지프로그램을사용하였다. 이 S/W는 AHRS 센서를사용하여실험대상의계측데이터모니터링및수집작업을하였다. 이 S/W는 AHRS 센서데이터수집및제어가가능한프로그램으로서센서별통신포트설정, 센서보정, 주파수설정등의기능이있다. 그리고, 센서계측값의텍스트데이터, 그래프표시, 2D 그래프와 3D 그래픽구현이되어사용상편리성과결과데이터를다양하게가공할수있다. Fig. 4-19, 4-20은 AHRS 센서를이용하여실시간으로측정된선체운동계측데이터를표시하고저장하고있는모습을보여주고있는데이터취득프로그램 (DAQ) 을보여준다.[137,138,144] Fig Data Aquisition Program using NT-ARS

95 (a) (b) Fig Data Aquisition and Analysis S/W (a) AHRS Property Editor (b) Uni-Matrix

96 4.2 선체운동모니터링시스템의성능검증 제작된선체운동모니터링시스템의성능검증을위해국립수산과학원의회류수조 (CWC : Circulating Water Channel) 를사용하여모형선에선체운동계측센서모듈을탑재후각센서별탐지및정상기능요건의충족여부를확인하는실험을실시하였다 회류수조실험개요 선체운동모니터링시스템의성능을확인하기위해사용한회류수조는 2 임펠러방식의수직순환형회류수조로서임펠러로수로에유속을발생시켜모형선박및해양관련구조물을유체역학적인방법으로검증실험을할수있는시설이다. 회류수조의주요한특징은연속적으로장시간유체의흐름장설정이가능하므로, 실험에필요한만큼 무한하게긴수로 환경을제공할수있다. 그리고, 관측부에균일한유속분포를가지는흐름을설정할수있으므로, 모형선의선체운동과선박및해양구조물에대한유체흐름자체를근처에서관찰가능하여, 실험하고자하는현상을시각적으로볼수있으며정량적인데이터수집이가능하다. 실험에사용한회류수조는회류수조본체 (CWC Body Frame), 임펠러 & 구동시스템 (Impeller & Driving System), 표면류가속장치 (Surface Flow Accelerating System), 정류장치 (Flow Uni-former), 전기 & 제어시스템 (Electric & Control System) 으로구성되어있다

97 회류수조주요제원및성능 실험에사용한회류수조의주요제원과성능은 Table 4-6 과같으며, Fig ~ Fig 는국립수산과학원회류수조실의주요실험설비이다. Table 4-6 Specification & General Performance of CWC 항목 규격 형식 전체크기 시험부크기 2 임펠러방식수직순환형회류수조 4.50W * 8.27H * 25.12L (m) 2.80W * 1.80H * 8.00L (m) 시험부수심 1.40 (m) 주요장비용량유속범위유속분포정재파 Surging 수면경사난류강도 주전동기출력 ( 90 x 6P KW ) 임펠러직경 ( 1294 MM ) 0.05 ~ 3.00m/s 1.00m/s ± 2.0% ( 벽면과저면 100mm, 수면 20mm 제외 ) 2.00m/s ± 1.0% ( 상동 ) 1.00m/s에서 ± 2.0mm 이내 1.50m/s에서 ± 4.0mm 이내 2.50m/s에서 ± 40.0mm 이내 1.50m/s에서 ± 1.5mm 이내 1.00m/s에서 1/6000 이내 2.00m/s에서 1/2000 이내 1.00m/s에서 0.50% 이내

98 Fig Body Frame of CWC Fig Electric and Control System of CWC

99 모형선박의제원 본실험에활용한선박은 1,300 톤급바지선박을 1/50 축척으로제작한바지 선모델을사용하였고, 실제바지선과모형선에대한상세한제원및형상은 Fig 과 Table 4-7 에나타내고있다. Fig Model ship of 1,300 ton Class Barge Mockup Table 4-7 Main Particulars of Test Model Ships Items Actual Ship Dimensions Model Ship LOA 50.0 m 1.0 m LBP 50.0 m 1.0 m Breath 12.0 m 0.24 m Draft 2.8 m m Displacement 1,389.0 m m3-74 -

100 4.2.2 선체운동모니터링시스템성능검증을위한실험조건및방법 실선에서의선체운동모니터링시스템의신뢰성있는운용을위하여제작된계측장비의 AHRS 센서별감도및성능충족요건을테스트하는실험을실시하였다. 실제의선박과비슷한환경에서테스트하기위하여회류수조에서모형선에선체운동모니터링시스템의선체운동계측센서를장착하여모형선의선체운동을계측하였다. 수조실험에서선체운동모니터링시스템의선체운동계측센서는앞절에서기술한두가지타입의 AHRS 센서를대상으로하였다. 회류수조실험은실험대상선박이자유선체운동을하여야계측이가능하므로부선선박모델을선정하여선체운동의효과를줄수있도록예인하는형태로실험환경을설정하였다. 회류수조에서의모형선고정은유속이정지상태에서모형선을회류수조정중앙에위치시킨후수류가입사하는입구쪽에가상의예인점을선정하고이곳에예인삭을연결하였다. 실선의운항속도를 7 kts로선정하고, 조류의영향을고려하여 5 kts ~ 10 kts의선속범위에해당하는무한수심조건하에서수행하였다. 모형선박의횡동요, 종동요, 상하가속도의계측은회류수조에서유속의흐름에따른모형선의선체운동을계측하였다. 선수동요의계측은실험을시작하여유속을차츰증가시키면부선의브라이들특성에따라좌우회두운동이일정한주기로서반복되어나타나므로이상태에서모형선의선수동요값을계측하였다. 본실험의결과로서다음의 4가지의사항에대한선체운동계측값을도출하여제작한선체운동모니터링시스템의성능검증을실시한다. (1) AHRS 센서별횡동요각 (Roll Angle) 계측및비교 (2) AHRS 센서별종동요각 (Pitch Angle) 계측및비교 (3) AHRS 센서별선수동요각 (Yaw Angle) 계측및비교 (4) AHRS 센서별상하가속도 (Vertical Acceleration) 계측및비교

101 Fig Installation of AHRS Sensor at Model Ship Fig Data measurement S/W for AHRS

102 4.2.3 회류수조실험데이터계측및취득 AHRS 센서를사용한모형선선체운동계측실험대상인 AHRS 센서는앞절에서소개한 RuvaTech사의 RTxQ AHRS Model을 AHRS 센서 1로지정하였고, Razor IMU AHRS Model은 AHRS 센서 2 로지정하여실험을수행하였다. AHRS 센서의설치는모형선의선수부터 1/3 지점에수밀이되는케이스안에두가지타입의 AHRS 센서를같이장착하여모형선에고정하였고, 실험실시전에각방향별가속도센서의보정 (Calibration) 을실시하여횡요와종요값의 0점보정을하였다. 실선에서의선체는낮은주파수주기로움직이므로모형선의수조실험에서도선체의특성을감안하여각 AHRS 센서마다 Sampling rate를 20Hz로하여센서계측값을취득하였다. 모형선의테스트시선체운동데이터의수집은횡동요각, 종동요각, 선수동요각, 상하가속도값을측정하였으며, 실시간계측시그널을무선으로전송받아데이터수집컴퓨터에서처리및데이터저장을하였다. 본실험에서는 AHRS 센서가계측하는모형선의선체운동측정을 5분단위로저장하여기록하였다. AHRS 센서가탑재된모형선의초기상태는해면상태가정수 (Still water) 중에서 Starboard( 오른쪽 ) 방향으로 0.7 경사 (heeling) 가있었고, 0.1 선미트림이있는상태이었다. 이초기상태를기준점으로모형선의선체운동을계측하였다. 수조실험은 5 kts와 7 kts의다른선속을적용하여 2 차례에걸쳐수행하였다. Fig. 4-26은모형선이만재시선속 5 kts로예인되는상황에서선체운동을계측하는모습이며, Fig. 4-27은모형선이만재시선속 7 kts로예인되는상황에서선체운동을계측하는모습이다

103 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Fig CWC Test 1, Model Ship Test for Ship Motion Data Acquisition using AHRS Sensors (Full Load Condition, V=5 kts)

104 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Fig CWC Test 2, Model Ship Test for Ship Motion Data Acquisition using AHRS Sensors (Full Load Condition, V=7 kts)

105 4.2.4 회류수조실험의 AHRS 센서성능분석및결과 실선의선체운동중주요회전운동요소인횡요, 종요, 선수요의계측을위하여선행한모형선의수조실험의주요목적은실험대상인두가지타입의 AHRS 센서의선체운동계측에대한결과를서로비교분석하여센서의계측성능을확인하는데있다. AHRS 센서를일정한시간및간격에따라모형선의선체운동을일정시간간격으로계측하여두가지타입의 AHRS 센서가모형선의움직임에따른데이터를취득하였다. 각 AHRS 센서로부터취득된선체운동계측데이터를통계처리및비교분석하여 AHRS 센서의선체운동측정기능의성능을확인하였다. (1) AHRS 센서별모형선선체운동계측의샘플분석 Fig ~ Fig. 4-30은두개의 AHRS 센서를사용하여회류수조실험에대한모형선의횡요각, 종요각, 선수요각측정을약 3분간동안샘플링하여도시 하였다. 그래프에서 축은계측시간 (Hour) 을 10 초단위로는나타내고, 축은 횡요각, 종요각, 선수요각을도 (Degree) 단위로표시하였다. 샘플링구간에서의계측데이터의 AHRS 1 센서계측치는횡동요각 0.00 ~ 1.53, 종동요각 ( )0.49 ~ 0.76, 선수동요각 90.9 ~ 98.8 의범위에서측정되었다. AHRS 2 센서계측치는횡동요각 0.00 ~ 1.76, 종동요각 ( )0.59 ~ 0.91, 선수동요각 89.5 ~ 97.9 의범위에서계측되었다. 이그래프에서두센서의계측치를비교해보면 AHRS 1과 AHRS 2의센서계측값의유의치가비슷한값이고, 최대및평균진폭치또한유의수준 5% 에서유의하다는것을볼수있다. 그러므로이실험을통해서두 AHRS 센서가서로동일한성능을내고있는것을알수있고, 선체운동측정에대한계측값의신뢰성또한높다고판단된다

106 CWS Test : Comparison of AHRS Roll Angle AHRS 1 Roll Angle AHRS 2 Roll Angle Roll Angle (degree) Time (sec) Heel Center Fig Comparison of AHRS Rolling Angle by CWC Test CWS Test : Comparison of AHRS Pitch Angle AHRS 1 Pitch Angle AHRS 2 Pitch Angle Pitch Angle (degree) Trim Time (sec) Fig Comparison of AHRS Pitching Angle by CWC Test CWS Test : Comparison of AHRS Yaw Angle AHRS 1 Yaw Angle AHRS 2 Yaw Angle Yaw Angle (degree) Time (sec) Fig Comparison of AHRS Yawing Angle by CWC Test

107 (2) 회류수조실험의모형선선체운동계측결과및종합분석 Table. 4-8 은두가지타입의 AHRS 센서를탑재한모형선의선체운동을계 측한결과를보여준다. Table 4-8 Measurement Data of Ship Motion by CWC Test Test Ship Speed 5 kts (1st Test) 7 kts (2nd Test) AHRS Sensor Name AHRS 1 AHRS 2 AHRS 1 AHRS 2 Sensor Type Unit Max AHRS sensor gauge Significant S ⅓ Av.Amp. Av.Period Roll Degree Pitch Degree Yaw Degree V. Acc Roll Degree Pitch Degree Yaw Degree V. Acc Roll Degree Pitch Degree Yaw Degree V. Acc Roll Degree Pitch Degree Yaw Degree V. Acc

108 1 횡요계측결과회류수조실험에서모형선의횡요는 AHRS Roll Sensor로계측하였으며, AHRS 1, 2의센서가계측한 1차실험횡요각의유의치는 0.7, 횡요주기는 1.1 ~ 1.2 초로서로비슷한값이었고, 2차실험또한횡요각의유의치가 1.2,~ 1.3, 횡요주기는 1.3 ~ 1.4초로두센서가유의수준 5% 내에서비슷한값으로계측되었다. 2 종요계측결과실험모형선의종요는 AHRS Pitch Sensor로계측하였으며, AHRS 1, 2의센서가계측한 1차실험종요각의유의치는 0.5, 종요주기는 0.8초로서로동일한값이었고, 2차실험또한횡요각의유의치가 0.6, 횡요주기는 0.9초로두센서의계측값이일치하였다. 3 상하가속도계측결과실험모형선의상하가속도는 AHRS acceleration sensor로계측하였으며, AHRS 1, 2의센서가계측한 1차실험상하가속도의유의치는 0.04, 상하가속도평균진폭은각각 0.11, 0.12로서로비슷한값이었고, 2차실험또한상하가속도의유의치가 0.09, 상하가속도평균진폭은각각 0.16, 0.17로두센서가유의수준 5% 내에서비슷한값으로계측되었다. 4 선수요계측결과실험모형선의선수요는 AHRS magnetic sensor로계측하였으며, AHRS 1, 2 의센서가계측한 1차실험의선수요각의유의치는 16.5, 17.3 로서로비슷한값이었고, 2차실험또한선수요각의유의치가 21.8, 22.9 로두센서가비슷한값으로계측을되었다. 회류수조에서의실험에서모형선의선수방향은약 10초내외주기로 8자형태로좌우측방향으로회전운동을하였는데, 이때 AHRS 지자기센서가측정하

109 는선수방향의값이모형선의빠른움직임에대응하여추종되지못하였다. 이런선수요의차이가큰원인은 AHRS 지자기센서가지구의자기장을측정하여 Magnetic Heading으로방위각을계산하는데, 지구의자기장이약하기때문에이를측정하여방위로환산할경우높은오차를가지므로급격히방향이바뀔때에는방위측정이늦고오차또한크다. 이문제를해결하기위해서는지자기외란에대한보상또는주기적으로자이로를통한교정이필요하다.[145] 선박에서의환경은육상에서와는다르게선체가철재로구성되어있어지자기센서의지구자기장감지에대한측정오차가크게되므로, AHRS 지자기센서로측정된선수방위 (Heading) 계측값이실측치인자이로컴파스에의한값보다변동폭이크게나타날것으로추정된다. 그러므로 AHRS 지자기센서를이용한선수방위값에대한선수동요계산의정확도를향상시키기위해서는향후이에대한추가적인연구가필요한것으로판단되며, 현재까지개발된기술에서는정확도및신뢰도가낮으므로실선실험에서선수요계측에 AHRS 지자기센서를적용하지않는것으로하였다

110 제 5 장 AHRS 기반의선체운동모니터링시스템을통한 항해안전성평가 5.1 선체운동모니터링시스템의실선실험 AHRS 기반의선체운동모니터링시스템을사용하여항해중인실선의항해안전성평가를수행하였다. 실선실험의목적은개발된시스템의선체운동계측부의정밀성및신뢰성을확인과실험대상선박의실제해상에서의선체운동계측을기준으로한항해안전성평가를하기위함이다. 실선실험은다양한해상및기상환경에서총 4회에걸쳐시행하였다. 실험선에탑재된 AHRS 선체운동계측모듈을사용하여횡요, 종요와같은선체의회전운동과상하가속도를계측하였다. 이실선실험에서측정데이터를이용한선체운동계측모듈에대한실선실험을통한검증과수치화된실험선의항해안전성평가를수행하였다. 실선실험은먼저 AHRS 선체운동계측센서를사용하여실선의선체운동을측정하여, 선체운동데이터수집및실시간모니터링을하였다. 실험항해구간별로계측된실험선의선체상하가속도를 30분단위로분산치를구하여, 이것을입력값으로한 SPI 산출에의한항해안전성평가를수행하였다

111 5.1.1 실험대상선박의제원및계측방법 실험대상선박의제원 AHRS 기반의선체운동모니터링시스템의실선해상실험대상으로한국해양대학교실습선인한바다호로선정하여실험을실시하였다. 실험선박은여객선형의선박으로서선형특성상수면상부의구조물이상대적으로큰면적을차지하므로 ( 중앙흘수 5.9m 기준에서측면투영면적의 6.3배 ) 일반적인화물선에비해풍압을많이받는편이어서풍향과풍속의외력요인에따라선박의횡요에영향을미친다. Fig. 5-1은실험대상선박인한바다호의시운전시의해상운항모습이며, Fig. 5-2와 Table 5-1은실험대상선박의일반배치도 (General Arrangement) 와주요제원을나타내었다. Fig. 5-3은정면도 (Body Plan), Fig. 5-4는측면도 (Sheer Plan), Fig. 5-5는반폭도 (Half Breadth Plan) 이다. Fig. 5-1 Sea Trial of T.S. HANBADA

112 Fig. 5-2 General Arrangement of T.S. HANBADA Table 5-1 General Particulars of Training Ship (T.S. HANBADA) Items Dimensions LOA / LBP Breath Mean Draft Displacement Max. Speed Service Speed Main Engine MCR(100%) Main Engine NCR(85%) m / m 17.8 m 5.9 m 6,434 ton 19.0 kts 17.5 kts 8,130 BHP 176 RPM 6,910 BHP 167 RPM Transverse Projected Area 300 m 2 Lateral Projected Area 1,480 m

113 Fig. 5-3 Lines of Body Plan (T.S. HANBADA) Fig. 5-4 Lines of Sheer Plan (T.S. HANBADA) Fig. 5-5 Lines of Half Breadth Plan (T.S. HANBADA)

114 선체운동계측방법 (1) 선체운동계측센서및모니터링시스템설치파랑중실선의항해시선박의횡요, 종요, 선수요는동시에변화하기때문에정확한선체운동계측을위해서는선체운동계측센서 (AHRS sensor) 를선박의무게중심점에설치하여데이터를획득하는것이좋다. 그러나, 현실적으로선박의구조상무게중심점에선체운동계측센서를설치하기가어렵고무게중심또한선박화물의적양하상황이나본선컨디션에따라변화하기때문에정확한위치에설치하는것은불가능하다. 본연구에적용한계측장비는크기가작고무선으로데이터처리가가능하여, 선교또는기타선내특정장소에쉽게설치할수있다. 따라서, 정밀도높은선체운동계측데이터의취득을위해실선실험에서는실습선한바다호의무게중심근처상부부근에위치한지점인 Boat Deck에위치한학생상담실, 선내병원, 우측복도중앙부의세장소를선정하여실험하였다. AHRS 센서기반선체운동계측센서의실험선박내에서의설치는보다정확한선체운동계측을하기위하여선수방향은선체의중심선상에, 좌우방향은선체중심선과수직이되도록설치하였다. 그리고선체의움직임으로인해실험장치의동요가생기지않도록고정을하였다. Fig. 5-6은 AHRS 기반의선체운동계측센서및모니터링시스템의전체적인구성도이다. 그리고, Fig. 5-7은무선선체운동모니터링시스템및 AHRS 센서를설치한선내위치 (Boat deck) 를표시하였고, Fig. 5-8은선체운동모니터링시스템의선체운동데이터수집및모니터링을하기위한시스템을설치한모습이며, Fig. 5-9은선내 AHRS 센서를장착한모습과실선의선체운동을아날로그타입으로경사계로계측한영상을 DVR로실시간저장하는모습이다

115 Fig. 5-6 Flow Chart of the Measurement and Analysis System

116 Fig. 5-7 Position of AHRS Sensors at T.S. HANBADA

117 (a) (b) (c) (d) Fig. 5-8 Installation of AHRS Test Equipment at T.S. HANBADA (a) Arrangement of AHRS, (b) Test Sensors of AHRS (c) Data Acquisition System No. 1, (d) Data Acquisition System No

118 (a) (b) (c) (d) (e) Fig. 5-9 Installation of AHRS Test Equipment at T.S. HANBADA (a) Boat Deck Passage, (b) Bridge, (c) Boat Deck Meeting Room (d) Arrangement of Inclinometer (e) Inclinometer & DVR

119 (2) 실선의 AHRS 기반의선체운동계측방법실선에서의운항중해상실험을하기위하여먼저출항전접안한부두에서 AHRS 선체운동계측센서의자세결정과선수각의오차를보정하기위해서고정판에각센서를고정하고, 횡요와종요값의 0점보정작업과침로 (Heading) 를선박의 Gyro Compass 값과일치시켜초기설정을하였다. 전용데이터수집 S/W를사용하여출항후 30분간격으로횡동요각 (Rolling angle), 종동요각 (Pitching angle), 선수동요각 (Yawing angle) 데이터를취득하여기록및저장하였다. AHRS 센서계측값의검증을위한실선에서의실제측정은선체중앙부부근에위치한지점에서 JIN HANG Marine Equipment사와 LILLEY & GILLIE사에서제작된눈금간격이 1 인아날로그형선박용경사계 (Clinometer for ship) 를설치하여횡요와종요를실측하였다. 선박용경사계를사용한횡경사각과종경사각의측정은경사계의지침을 CCTV로촬영하여기록하였다. 촬영영상은시간정보를포함하고있는 DVR(Digital Video Recorder) 시스템에기록하여실험후데이터분석시에시간대별검색이가능하도록하였다. 실험선의운항데이터는 ECDIS에서 NMEA-0183 표준포맷으로기록된 GYRO Compass(TokyoKeiki TG-8000 Model) 의선수방위 (Heading 값, 진방향 ), GPS의위치, COG, SOG 정보, 풍향풍속계의상대풍향풍속값, 선속계의대수속력값등을디지털데이터로전송받아기록하였다

120 계측된선체운동데이터의처리 (1) 선체운동계측데이터취득처리선체운동모니터링시스템에서디지털데이터의취득은 AHRS 선체운동계측센서에서수집되는데이터와선교에설치된주요항해보조장비 (Navigational Aids) 로부터의선박운항자료데이터를수집하여데이터베이스화하였다. AHRS 선체운동계측센서에서수집되는데이터는횡요자세각, 종요자세각, 선수요자세각, 가속도 X축, Y축, Z축출력값, 축가속도 X축, Y축, Z축출력값, 지자기 X축, Y축, Z축출력값, 자이로 X축, Y축, Z축출력값을 ASCII 문자출력방식인 Text로취득하였다. 계측된값은다음과같은디지털데이터형식인 Sentence로출력값을받을수있다. 여기서, 자세각은 0.1도 (deg.) 단위의오일러 (Euler) 각도 (Roll, Pitch, Yaw) 로출력되고, 자세출력값범위는 0 ~ 1799 로서각각 0.0 부터 까지표현된다. Table 5-2는 AHRS 선체운동계측센서의 ASCII 출력모드에대한설명을나타내었다. $RQ,10,-741,1143, 534, 321, , 0, 0, 0, 23, 32, 468, 0, 0, 0* 항해안전성평가시스템에서선체의상하가속도계측은중요한평가기초데이터이다. 특히이시스템에서는선박의내항성능평가요소중에서한개의평가요소만을계측한상하가속도의분산치를사용하여선박의종합적인항해안전성을평가하는 SPI를계산하기때문에상하가속도에대한적절한계측시간및계측간격등의설정이요구된다. 그러므로선박의상하가속도계측을포함한선체운동계측센서의계측간격을 10Hz로설정하여데이터를취득하였다. 선박운항자료데이터는 GPS로부터시간정보 (Date & Time), 위치정보 (PSN : Position), 대지침로 (COG : Cousrse of Ground), 대지속력 (SOG : Speed of Ground) 의데이터를받고, Gyro Compass에서침로 (HDG : Heading), 선속계

121 (Speed Logger) 에서대수속력 (STW : Speed thru Water), 풍향풍속계 (Anemometer) 에서는진풍향 (True Wind Direction) 과진풍속 (True Wind Speed) 데이터를 NMEA-0183 형식의디지털데이터로취득하였다. $GPRMC,183729,A, ,N, ,W,000.0,360.0,080301,015.5,E*6F $GPRMB,A,,,,,,,,,,,,V*71 $GPGGA,183730, ,N, ,W,1,05,1.6,646.4,M,-24.1,M,,*75 $GPGSA,A,3,02,,,07,,09,24,26,,,,,1.6,1.6,1.0*3D $GPGSV,2,1,08,02,43,088,38,04,42,145,00,05,11,291,00,07,60,043,35*71 $GPGSV,2,2,08,08,02,145,00,09,46,303,47,24,16,178,32,26,18,231,43*77 $PGRME,22.0,M,52.9,M,51.0,M*14 $GPGLL, ,N, ,W,183730,A*33 $PGRMZ,2062,f,3*2D $PGRMM,WGS 84*06 $GPBOD,,T,,M,,*47 $GPRTE,1,1,c,0*07 $GPRMC,183731,A, ,N, ,W,000.0,360.0,080301,015.5,E*67 $GPRMB,A,,,,,,,,,,,,V*71 $HCHDG,101.1,,,7.1,W*3C $GPZDA, ,04,07,2002,00,00*60 AHRS 선체운동계측센서와선박운항자료의수집데이터는실시간으로받아서데이터베이스화처리를하였으며, 30분단위의간격으로저장하였다. 저장파일명은파일의구분이쉽도록계측시작당시의년, 월, 일, 시간, 분을사용하여표기하였다. 참조자료로서선체운동계측및선박운항자료의취득된데이터목록은 부록-1 에수록하였다

122 필드 출력예시 Table 5-2 ASCII Output Data of AHRS Sensor 설명출력값범위비고 0 $ 시작기호 RQ 메시지헤더 Roll 자세 -1799~+1800 Roll 각도 Pitch 자세 0~900 Pitch 각도 Yaw 자세 -1799~+1800 Yaw 각도 가속도 X 출력 가속도 Y 출력 ~ ± 2G (1 만배율 ) 가속도 Z 출력 8 0 축가속도 X 출력 9 0 축가속도 Y 출력 ~ ± 1G (1 만배율 ) 10 0 축가속도 Z 출력 지자기 X 출력 지자기 Y 출력 지자기 Z 출력 14 0 자이로 X 출력 15 0 자이로 Y 출력 16 0 자이로 Z 출력 - 단위 : DPS 설정에따라다름 17 * 종료기호 \r\n 개행문자 - - 출력모드 ( 오일러각 ) 예시 $RQ,30,-32,,1387, 534, 321, , 0, 0, 0, 23, 32, 468, 0, 0, 0*

123 (2) 선체운동계측을통한선박항해안전성평가처리 3장에서정의한 SPI는내항성능평가요소중한개의요소만을계측하여선박전체의항해안전성을평가할수있는지표이다. 따라서, 내항성능평가요소중선박운항자들이감각적인면에서정량화된평가요소로채택하기쉬운선박의상하가속도를 AHRS 기반의선체운동모니터링시스템을통해계측및해석하여그중발생확률이큰한개의요소만을채택하여항해안전성평가를한다. 실선의선체운동계측에의한선박항해안전성평가시스템의구성은 Fig. 5-10과같다. 이시스템에서입력데이터로서선형요소, 파랑조건, 운항조건및실시간계측된선체운동의상하가속도값이필요하다. 각요소에대한세부내용은다음과같다. 1) 선형요소 선체의 AP 부터 FP 까지등분한각 Station 의반폭, 흘수, 단면적, 중심높이, 횡요주기, 관동반경등선박의기본선형요소 2) 파랑조건 파고 ( 의 ), 유의파고, 평균파주기 해상상태는 WMO 의 CODE 1100 을이용하였으며, 유의파고및평균파주 기는 Table 5-3 에나타낸다

124 3) 운항조건 파장과선체길이의비 λ, 선속, 파와의만남각 χ 위와같은입력데이터에의해실제해상에서의선속저하량및각내항성능 평가요소의확률과정특성이계산되고, 최종적으로 SPI 에의한선박의항행안 전성평가를하게된다. Table 5-3 Beaufort Scale Number and Wave Characteristics (WMO CODE 1100) Beaufort No. Wind Speed (kts) Description Mean Wave Period (sec) Significant Wave Height H⅓ (m) Light air Light breeze Gentle breeze Moderate breeze Fresh breeze Strong breeze Near gale Gale Strong gale

125 Fig Block Diagram of Integrated Seakeeping Performance Evaluation System

126 항해안전성평가를위한수치계산의첫번째방법은본선의운항실적을토대로하여실제항행중관측되어기록되었던정보를이용하여계산하고, 두번째방법으로실선의선체운동계측을통해얻은상하가속도값을이용하여수치계산을하였다. 항해안전성평가의수치계산은 2013년 1차및 2차실선실험과 2014년 3차및 4차실선실험에의한대상선박의운항결과및실선선체운동계측값을모델로하였다. 실선의선체운동계측모니터링시스템에서수집된데이터를사용한선박안전성평가를위한통계처리는 AHRS의가속도계측센서의디지털데이터로저장된상하가속도계측치의평균및분산치이며, 30분단위로저장된상하가속도계측데이터를기준으로평균과분산치를계산하여 SPI에반영하였다. 실선실험에서실험선의적재상태는부산항을출항하는시기에는 Full loaded condition이였으며, 목적항에서부산으로귀항시에는 Half loaded condition이어서항해안전성평가는두가지선박컨디션상태를기준으로적용하였다. Fig. 5-11은선체운동모니터링시스템의선체운동모니터링및항해안전성평가 S/W를보여주며, 캡쳐화면은 2014년 3월 19일 17시경에계측된데이터이다. Fig Navigational Safety Evaluation S/W of Intergrated Ship Motion Monitoring System

127 5.1.2 실선실험을통한선체운동계측 실선실험개요실선실험은한국해양대학교실습선한바다호의 2013년도제 1차연안항해 ( 제주항기항 ) 기간중인 3월 18일에서 3월 22일사이에부산 ~ 제주항해구간에서 1차실험, 제주 ~ 부산항해구간에서 2차실험을선상에서실시하였다. 동선박의 2014년도제 1차연안항해 ( 목포항기항 ) 기간인 3월 19일에서 3월 20일동안의목포 ~ 부산항해구간에서 3차실험을하였으며, 제 2차연안항해 ( 진해항기항 ) 기간중의 4월 3일에진해만 ~ 부산항해구간에서 4차실험을수행하였다. Table 5-4에 AHRS 기반의선체운동계측및항해안전성평가를위한한바다호의실선실험에대한주요사항을표시하였다. Table 5-4 Schedule of Actual Ship Test 항목 1차실선실험 2차실선실험 3차실선실험 4차실선실험 날짜 ~ ~ ~ 항해구간 부산 ~ 제주 제주 ~ 부산 목포 ~ 부산 진해 ~ 부산 날씨 흐림 맑음 흐림 흐림 바람 SW ~ W, 20 ~ 28 kts SW ~ S, 5 ~ 10 kts E ~ N, 10 ~ 22 kts S ~ SW, 5 ~ 10 kts 파고 3 ~ 4 m 0 ~ 1 m 2 ~ 3 m 0 ~ 1 m 외력 순조 순조 / 역조 순조 순조 항해거리 175 nm 195 nm 224 nm 40 nm 항해시간 16 Hrs 17 Hrs 22 Hrs 7 Hrs

128 제 1차실선실험제 1차실선실험은 2013년 3월 18일 ~ 19일, 2일에걸쳐한바다호의부산에서제주운항구간을대상으로하였다. 이기간동안에선박운항은 16시간, 175 해상마일을항진하였으며, 선체운동계측실험개시후종료시까지는총 14.5시간이소요되었다. 실험대상선박은남서방향으로항해하였으며, 실험당시의해상조건은풍향풍속계관측에의한최대풍속이 30노트이상, 풍향은남서 ~ 서풍계열이었고, 목측으로측정한파고가최대 3 ~ 4m 정도였다. 기상및해상상태는흐린날씨에풍랑이이는상황이었고, 대지속력과대수속력을비교하여측정한조류및해류에의한외력 (current) 은선박의진행방향에대하여순방향 ( 순조 ) 으로작용하였다. Table 5-5와 Fig. 5-12는제 1차실선실험의선박운항스케쥴과항해항적도를나타내었다. 부록 1-1 에 1차실선실험구간의자세한항해기록을수록하였다. Table 5-5 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (1st Test) 항구명 입항일시 출항일시 거리 (N.mile) 항해일수 부산 제주 : : d-16h

129 Fig Track of Actual Ship Test (1st)

130 제 2차실선실험제 2차실선실험은 2013년 3월 21일 ~ 22일, 2일에걸쳐한바다호의제주에서부산운항구간을대상으로하였다. 이기간동안에선박운항은 17시간, 195 해상마일을항진하였으며, 선체운동계측실험개시후종료시까지는총 16.5시간이소요되었다. 실험당시의해상조건은풍향풍속계관측에의한최대풍속이 20노트이상, 풍향은남서 ~ 서풍계열이었으며, 목측으로측정한파고는 1 ~ 2m 이하로작용하였다. 기상은맑은날씨에해상상태가비교적평온한편이었으며, 조류및해류에의한외력은출항후선박의진행방향에대하여순방향 ( 순조 ) 으로작용하였고, 부산인근해역에서는역방향 ( 역조 ) 으로작용하였다. Table 5-6과 Fig. 5-13은제 2차실선실험의선박운항스케쥴과항해항적도를나타내었다. 부록 1-2 에 2차실선실험구간의자세한항해기록을수록하였다. Table 5-6 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (2nd Test) 항구명 입항일시 출항일시 거리 (N.mile) 항해일수 제주 부산 : : d-17h

131 Fig Track of Actual Ship Test (2nd)

132 제 3차실선실험제 3차실선실험은 2014년 3월 19일 ~ 20일, 2일에걸쳐한바다호의목포에서부산운항구간을대상으로하였다. 이기간동안에선박운항은 22시간, 224 해상마일을항진하였으며, 선체운동계측실험개시후종료시까지는총 20시간이소요되었다. 실험당시의해상조건은풍향풍속계관측에의한최대풍속이 22노트이상, 풍향은동 ~ 북풍계열이었으며, 목측으로측정한파고는 3 ~ 4m 이하로작용하였다. 기상및해상상태는흐린날씨에풍랑이이는상황이었고, 조류및해류에의한외력은선박의진행방향에대하여순방향 ( 순조 ) 으로작용하였다. Table 5-7과 Fig. 5-14는제 3차실선실험의선박운항스케쥴과항해항적도를나타내었다. 부록 1-3 에 3차실선실험구간의자세한항해기록을수록하였다. Table 5-7 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (3rd Test) 항구명 입항일시 출항일시 거리 (N.mile) 항해일수 목포 부산 : : d-22h

133 Fig Track of Actual Ship Test (3rd)

134 제 4차실선실험제 4차실선실험은 2014년 4월 3일, 1일에걸쳐한바다호의진해만에서부산구간을대상으로하였다. 이기간동안에선박운항은 7시간, 40 해상마일을항진하였으며, 선체운동계측실험개시후종료시까지는총 4시간이소요되었다. 실험당시의해상조건은풍향풍속계관측에의한최대풍속이 14노트이상, 풍향은남 ~ 남서계열이었으며, 목측으로측정한파고는 0 ~ 1m 이하로작용하였다. 기상은맑은날씨에해상상태가평온한상황이었고, 조류및해류에의한외력은선박의진행방향에대하여순방향 ( 순조 ) 으로작용하였다. Table 5-8과 Fig. 5-15는제 4차실선실험의선박운항스케쥴과항해항적도를나타내었다. 부록 1-4 에 4차실선실험구간의자세한항해기록을수록하였다. Table 5-8 Coastal Navigation Schedule of T/S HANBADA (4th Test) 항구명 입항일시 출항일시 거리 (N.mile) 항해일수 부산 제주 : : d-7h

135 Fig Track of Actual Ship Test (4th)

136 5.2 선체운동계측데이터분석및결과 해상에는날씨및해상변화에따라차이는있으나항상파도가존재한다. 항해안전성은이러한파도위를항해하는선박의내항성능을나타내는것으로일반적으로파도에의해선박의동요가발생되고, 그동요로인해선원및승객의승선감과작업능력을저하시키고선속을떨어뜨리며심한경우에는선박의구조적손상을발생시켜침몰에이르기까지도한다. 해양파에기인한선박의동요중항해안전성평가의척도가되는횡동요 (Rolling) 와종동요 (Pitching) 의신뢰성있는정량적인계측을위해휴대성과가격대비성능이뛰어난 AHRS 센서기반의선체운동계측장치로 4차례에걸친성능실험을수행하였다. 다음에횡요와종요와같은주요선체운동을디지털데이터로출력이가능한계측센서로측정하여수치화하였다. 이선체운동과상하가속도계측을통한선박의항해안전성을정량화한 SPI의적용으로실선의항해안전성평가에대한실험결과를기술하였다 횡요선체운동계측데이터분석 실험대상선박의횡요주기및풍압력에의한최대횡경사계산 (1) 한바다호의횡요주기계산 실험대상선박인한바다호의적화상태 (Loading condition) 에따른횡요주기 (Rolling period ; T R ) 를식 (5-1) 에서구할수있다.[146,147]

137 (5-1) 여기서, 선폭 (B) = 17.8m 1) (Full loaded) = 1.931m 2) (1/3 consumed) = 1.498m 3) (90% consumed) = 1.131m 1), 2), 3) 조건을대입하여만재 (Full loaded) 시의횡요주기 (T R ) 는 10.2초, 선박적재 1/3 소비 ((1/3 consumed)) 시의횡요주기 11.6초, 선박적재 90% 소비 (90% consumed) 시의횡요주기 13.4초를얻을수있다. 실선실험에서횡요주기의수치계산은실선실험 1은한국해양대학교부두에서 Full Condition 상태로출항하여항해하는상태이므로만재상태를적용하였고, 실선실험 2 ~ 4는기항지에서적재물의추가보급없이모항인부산으로귀항하는상태이므로 1/3 consumed 상태의선박컨디션을적용하였다. (2) 한바다호의풍압력에의한최대횡경사계산실험대상선박인한바다호가전진속력이없는정선중에특정방향에서풍압력을받을경우의최대횡경사각은풍압경사모멘트와선박의복원모멘트와의관계를이용하여다음과같이산출할수있다. sin ² (5-2) 단, : 유동수영향을고려한 GM, : 횡경사각, : 배수량, Cy(θ ) : 측면풍압계수 h : 수면상부의풍압중심점과수면하부의중심점과의거리 (m)

138 Fig Maximum Heel Angle with Wind Speed Fig 은한바다호의흘수 d=5.9m 에대한최대횡경사각을풍속과풍향에 따라제시한것이다. 결과를분석하여보면정횡방향에서풍속이 10m/s, 20m/s, 30m/s 로작용할경우최대횡경사는각각 0.3, 1.6, 3.5 로분석되었다. 실선실험에서는한바다호의계산된횡요주기와풍압력에의한최대횡경사각은실선계측에서실제횡요각계측과비교하기위해참조요소로적용하였다. 실선실험이행해지는대부분의해상상태가불규칙적인해상파가이는상황이므로횡요각및횡요주기등의계산치와계측치는서로차이가있을것으로예상하였다

139 횡요선체운동계측분석및결과 불규칙적인해상위에서움직이는실선의선체운동요소중횡요 (Roll) 계측을위한실선실험의주요목적은 AHRS roll 센서와아날로그경사계를이용하여일정한시간및간격으로선박의횡요를주기적으로계측하고, 다양한해상환경과선박컨디션상황에서수집데이터의정확성및신뢰도를확률적인평가기법을통해검증하기위해실시되었다. 본실험결과에서는 AHRS roll 센서가계측하는선박의횡요운동과아날로그선박용경사계의횡요각측정값을 30분단위로저장하여데이터베이스화하였고, 같은해상상태조건에서일정한계측시간간격으로저장한계측데이터를대상으로횡동요의최대값 (Max) 과유의치 (Significant), 평균횡요진폭 (Av. Amp) 요소를상호비교하였다. 또한, 계측하여기록된파일을항해실험구간인한항차기간동안하루단위로분석하여그결과값을그래프로표시하였다. (1) 샘플구간의횡요선체운동계측분석 Fig. 5-17은 1차실험구간인 [ 부산 ~ 제주 ] 항해구간중에서횡요가심했던 2013년 3월 19일 04시 10분경 ( 한국표준시, KST), 실험선박위치 'N, 'E의지점 (Fig. 5-18에샘플계측지점표시 ) 에서약 3분간 (4시 10분 ~ 13분구간 ) 동안실험선의횡요의계측에대한샘플링을 AHRS roll 센서감지와아날로그선박용경사계를사용한실제측정치결과를함께도시하였다. 이샘플실험구간에서의실험선박인한바다호의횡요주기는계산값이 10.2 초 ( 만재시적용 ), 그당시기상외력에따른풍압력에의한추가경사도 1.6 ~ 3.5 로예측되었다. 아날로그경사계에의한실측횡요평균값은 8.6초로계측되었고, 선체가낮은주기로움직이므로각 AHRS 센서마다 Sampling rate를 10Hz로하여센서계측값을취득하였다

140 Fig AHRS Outputs and Actual Values of Roll Angle 샘플링구간에서 AHRS 센서를사용하여선박의횡요를계측한결과를분석하면, 계측치의최대 / 최소횡요각값은 ( )3 ~ 14 로계측되었고, 선박용아날로그경사계를사용한측정치의최대 / 최소의횡요각도는 ( )2 ~ 13 가측정되었다. Fig. 5-17에서보듯이 AHRS roll 센서계측치와아날로그선박용경사계의측정치가서로유사한최대및최소값을가지며, 그래프에서두계측치의패턴도또한비슷하게그려진것을볼수있다. 그러므로 AHRS 센서로계측된횡요값은실측치와전반적으로일치하며, 계측된횡요운동값의디지털데이터는실측치와비슷한패턴임을확인할수있으므로신뢰성있는횡요데이터로서아날로그횡요계측기를대체하여사용할수있는수준으로판단된다

141 Fig Measured Position of Sampling Data by AHRS Sensor

142 (2) 실험전체구간의횡요선체운동계측분석 Fig ~ 22와 Table 5-9 ~ 12는실선실험 1 ~ 4차의각구간별횡요각 (Roll angle) 을실측하여계측시간 30분단위로기록하였다. 이기록단위별실험대상장비인 AHRS roll 센서의계측값과아날로그경사계에서측정된횡요각의최대치 (Max), 유의치 (Significant), 평균횡요폭 (Av. Amp) 을통계처리하여각요소별로비교하여그래프로나타내었다. 그래프에서 축은계측시간 (hr) 을 30 분단위로나타내고, 축은횡요각을 1 도및 2 도단위로표시하였다. 그래프의심볼표시로 ( ) 는 AHRS roll 센서 로계측된횡요각의최대치와 ( ) 은유의치를, ( ) 은평균횡요폭을나타 내며, ( ) 은아날로그경사계로측정된횡요각의최대치와 ( ) 은유의치 를, ( ) 은평균횡요폭을나타낸다. 제 1 차실선실험의횡요선체운동분석 Fig. 5-19와 Table 5-9는제 1차실선실험 [ 부산 ~ 제주 ] 항해구간의횡요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 (B.F. Scale) 1 ~ 8 계급의풍랑이거센다양한기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각 (Encounter angle) 은선수정향파 (Head seas) 에서선수사파 (Bow seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.1 ~ 5.5미터사이의범위였다. AHRS roll 센서와선박용경사계에서계측된횡요각은 3월 18일 22시 30분데이터에각각 22.7도, 21도로최대치가기록되었다. 유의치와평균진폭치는 AHRS roll 센서에서측정된횡요값이평균적으로약 1.1배가량크게계측되었다. 횡요주기는두계측모두 6.8 ~ 14.7초사이에서진행되었으며, 선수정향파 (Head seas) 를받을때최대횡요주기가관측되었다

143 Roll Angle ( Degree) 26 Roll Angle : 1st Test Voyage (Busan ~ Jeju) AHRS Roll Max. AHRS Roll Sigificant AHRS Roll Av.Amp. Actual Roll Max. Actual Roll Sigificant Actual Roll Av.Amp Time (hr)

144 Table 5-9 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (1st Actual Ship Test, ~19.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Force (kts) Wave Encounter Angle Wave Height H⅓(m) Dir. (Point) AHRS Roll Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Roll Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 17: Beam : Bow : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Head : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Bow : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Beam Av. Period (sec)

145 제 2 차실선실험의횡요선체운동분석 Fig. 5-20과 Table 5-10은제 2차실선실험 [ 제주 ~ 부산 ] 항해구간의횡요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 5로비교적평온한일반적인기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은정횡파 (Beam seas) 에서선미추파 (Follow seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.3 ~ 2미터사이의범위였다. AHRS roll 센서와선박용경사계에서계측된횡요각은 3월 22일 3시 30분데이터에각각 13.5도, 12도로최대치가기록되었다. 유의치와평균진폭치는제 1차실선실험과비슷하게 AHRS roll 센서에서측정된횡요값이평균적으로약 1.1배가량크게계측되었다. 횡요주기는두계측모두 8.8 ~ 15.1초사이에서진행되었으며, 선미추사파 (Quartering seas) 를받을때최대횡요주기가관측되었다

146 Roll Angle ( Degree) 16 Roll Angle : 2nd Test Voyage (Jeju~Busan) AHRS Roll Max. AHRS Roll Sigificant AHRS Roll Av.Amp. Actual Roll Max. Actual Roll Sigificant Actual Roll Av.Amp Time (hr)

147 Table 5-10 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (2nd Actual Ship Test, ~22.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Wave Force (kts) Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Roll Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Roll Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 17: Follow : quartering : Follow : quartering : quartering : Follow : Follow : Follow : Follow : quartering : quartering : Follow : quartering : Follow : quartering : Follow : Follow : Follow : quartering : quartering : quartering : Beam : Beam : Bow : Bow : quartering : Follow : quartering : quartering : Beam Av. Period (sec)

148 제 3 차실선실험의횡요선체운동분석 Fig. 5-21과 Table 5-11은제 3차실선실험 [ 목포 ~ 부산 ] 항해구간의횡요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 6으로약간거친기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은선수정향파 (Head seas) 에서정횡파 (Beam seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.1 ~ 3미터사이의범위였다. AHRS roll 센서와선박용경사계에서계측된횡요각은 3월 19일 20시데이터에각각 14.9도, 14도로최대치가기록되었다. 유의치와평균진폭치는제 1차실선실험과비슷하게 AHRS roll 센서에서측정된횡요값이거의비슷하게계측되었다. 횡요주기는두계측모두 7.0 ~ 16.8초사이에서진행되었으며, 선수사파 (Bow seas) 를받을때최대횡요주기가관측되었다

149 Roll Angle ( Degree) 17 Roll Angle : 3rd Test Voyage (Mokpo~Busan) AHRS Roll Max. AHRS Roll Sigificant AHRS Roll Av.Amp. Actual Roll Max. Actual Roll Sigificant Actual Roll Av.Amp Time (hr)

150 Table 5-11 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (3rd Actual Ship Test, ~20.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Wave Force (kts) Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Roll Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Roll Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 16: quartering : quartering : Beam : quartering : Head : Bow : Bow : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Head : Beam : Beam : Bow : Head : Follow : Head : Follow : Beam : Head : Bow : Beam Av. Period (sec)

151 제 4 차실선실험의횡요선체운동분석 Fig. 5-22와 Table 5-12는제 4차실선실험 [ 진해 ~ 부산 ] 항해구간의횡요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 4로비교적평온한일반적인기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은정횡파 (Beam seas) 에서선미추사파 (Quartering seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.1 ~ 1미터사이의범위였다 AHRS roll 센서와선박용경사계에서계측된횡요각은 4월 5일 14시데이터에각각 6.7도, 6도로최대치가기록되었다. 유의치와평균진폭치는제 1차실선실험과비슷하게 AHRS roll 센서에서측정된횡요값이평균적으로약 1.1배가량크게계측되었다. 횡요주기는두계측모두 6.0 ~ 15.4초사이에서진행되었으며, 정횡파 (Beam seas) 를받을때최대횡요주기가관측되었다

152 Roll Angle ( 4th Test Voyage ) 8 AHRS Roll Max. AHRS Roll Sigificant AHRS Roll Av. Amp. Actual Roll Max. Actual Roll Sigificant Actual Roll Av. Amp. Roll Angle ( Degree) Time (hr) Fig Comparison of Rolling Angle by Measurement (4th Actual Ship Test, ) Table 5-12 Measurement Data of Ship s Rolling Motion (4th Actual Ship Test, ) Date Time B.F. Scal e Wind (True) Wave Force (kts) Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Roll Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Roll Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 12: Follow Av. Period (sec) 12: Follow : quartering : Bow : Beam : Beam : quartering : quartering : quartering : Beam

153 (3) 횡요선체운동계측실험결과 Fig. 5-23은제 1 ~ 4차실험전구간에계측한 AHRS roll 센서계측치와아날로그경사계실측치의표준편차를비교한표이다. 표준편차결과를살펴보면횡요의경우 AHRS 센서에의한계측값과실측값의편차가 0.46 이내로서로비슷한패턴을보이고있으며, 1차실험에서는해상상태가좋지않아횡요의진폭이 2차실험의평온한상태보다편차가크게나타났다. 이상의 4번에걸친횡요운동계측을위한실선실험의결과를종합하면, AHRS roll 센서와선박용경사계에서계측한 3가지요소의최대치 (Max), 유의치 (Significant), 평균횡요폭 (Av. Amp) 값은 Fig. 5-26의그래프에서와같이전반적으로비슷한패턴을보이고, 센서계측치의정량적인측정값은실측치와거의유사하다는것을알수있다. 유의수준 5% 에서유의한것으로나타나므로 AHRS 센서계측장비에대한신뢰도가높은수준으로판별된다. Fig Comparison of Rolling Angle by Standard Deviation

154 5.2.2 종요선체운동계측데이터분석 실험대상선박의종요주기계산 (1) 실험대상선박의종요주기계산최대종요주기 (Pitch period) 는해상상태와선박길이 ( 수선간장, LBP) 와의관계에따라결정된다. 실험대상선박인한바다호의종요주기 (Pitching period ; T P ) 를식 (5-3) 에서구할수있다. (5-3) 여기서, L = Length between perpendiculars( 수선간장 ) L.B.P. = 104.0m 식 (5-3) 에의한실험대상선박인한바다호의종요주기는 T p = 5.4초를얻을수있다. 해상에서의실제종요주기는선박컨디션상태및해상상황에따라변동되며, 일반적으로실제해상에서는계산된종요주기값의 1/3에서 2/3의값사이에서종요운동을하게된다. 길이가긴선박은상대적으로종요각의크기가작고, 일반적으로 Sea-state 4 에서 1 ~ 2 의종요각을가지며, Sea-state 8에서는약 5 ~ 11 를가진다. 일반적으로모든해상조건에서상선에적용하는한계종요각은 10 이내를기준으로하며, 선박건조시이제한한계기준을고려한선형디자인을적용하여외력에대해선체를보호한다. 실선실험에서는한바다호의계산된종요주기를기준으로 AHRS 센서와아날 로그경사계를사용한종요각계측을상호비교하기위해참조요소로적용하

155 였다. 실선실험이행해지는대부분의해상에서는불규칙적인해양파가발생하 는상황이므로종요각및종요주기등은계산치와실측치는차이가있을것으 로예상하였다. (2) 선체의운동응답특성선박의 6자유도선체운동은선박에고정된좌표계에대한왕복운동과회전운동으로정의되므로선박에대해진행하는해양파의방향에따라선체운동의양상이다르게나타난다. 선박의형상은길이가폭과깊이에비해매우큰세장체로서항해안전성에영향을미치는주요회전운동중의하나인선체에대한종요운동은특히해양파의진행방향에따라영향을많이받게된다. 예를들어, 선박이전진하는방향 (축) 과파가진행하는방향이이루는각을 입사각 (β) 이라가정하면, 파의진행방향이 축과평행한경우에는 축에대한운동은없음을알수있으며, 파의진행방향이 축과평행한경우에는 축에 대한운동이크게나타남을알수있다. 즉, 선체의운동응답은입사파의진폭에비례한다는것이다. 종요의크기는선속이있는경우에는실제파도의주기 ( ) 와해양파와선박과의만남주기 ( : Encounter Period) 에따라종속된다. 만남주기는식 (5-4) 에서구할수있다. cos (5-4) 여기서, = 선속 (Ship Speed), = 파장 배의전진방향과파의진행방향이반대인경우 (β=180 ) 를선수정향파또 는선수파 (Head Seas), β=90, 270 인경우를횡파 (Beam Seas), β=0 인경우 를선미추파또는선미파 (Follow seas), 선수정향파와횡파사이를선수사파

156 (Bow Seas), 선미추파와횡파사이를선미추사파또는선미사파 (Quartering Seas) 라한다. 이러한입사각의변화에따라선박과해양파의만남주기가바뀌 게된다. 즉, 선수파, 선수사파에서만남주기는실제파주기보다항상짧아지며, 횡파에서는만남주기와파주기는같게되지만선미파와선미사파에서는선속에따라다소복잡한양상을띠게된다. 식 (5-4) 에서 cos 의값이 1보다 크게되는선속 ( 선속이파의진행속도보다작은경우, cos < ) 에서는 만남주기가파주기보다길게되지만반대의경우에는오히려만남주기가파주 기보다짧게된다. 이와같이파도의진행방향과선속에따라배의운동응답 특성이다르게나타나므로항해하는선박의모든선속과파도의입사각조건에 따른선박의운동응답특성해석을하여선체운동을계산한다 종요선체운동계측분석및결과 종요 (Pitch) 계측을위한실선실험은앞절에서의종요의실험과동일한실험조건으로실시하였다. 실선실험방법도 AHRS pitch 센서와아날로그경사계를일정한시간및간격으로선박의종요를주기적으로계측하기위해 4 차례에걸쳐실험을수행하였다. 본실험결과에서는 AHRS pitch 센서가계측하는선박의종요운동과아날로그선박용경사계의종요각측정값을 30분단위로저장하여데이터베이스화하였고, 같은해상상태조건에서일정한계측시간간격으로저장한계측데이터를대상으로종동요의최대값 (Max) 과유의치 (Significant), 평균종요진폭 (Av. Amp) 요소를상호비교하였다. 그리고실험선의종요운동에대한해석및분석은계측하여기록된파일을항해실험구간인한항차기간동안하루단위로분석하여그결과값을그래프로표시하였다

157 (1) 샘플구간의종요선체운동계측분석 Fig. 5-24는 1차실험구간인 [ 부산 ~ 제주 ] 항해구간중에서종요가심했던 2013년 3월 19일 04시 10분경 ( 한국표준시, KST), 실험선박위치 'N, 'E의지점 (Fig. 5-18에샘플계측지점표시 ) 에서약 3분간 (04시 10분 ~ 13분 ) 동안실험선의종요의계측에대한샘플링을 AHRS pitch 센서감지와아날로그선박용경사계를사용한실제측정치결과를함께도시하였다. 실험선박인한바다호의종요주기는계산값이 5.4초, 실측평균값이 Sea-state 4 기준에서 2.4초의주기를가진다. AHRS pitch 센서의 Sampling rate 는 10Hz로하여센서계측값을취득하였다. 계측한결과샘플링구간계측 AHRS 센서계측치의최대 / 최소종요각값은 ( )3.6 ~ 5.7 를계측하였고, 실제측정치의최대 / 최소값은종요각도 ( )3 ~ 5 가측정되었다. Fig. 5-24에서보듯이 AHRS pitch 센서계측치와아날로그선박용경사계의측정치가서로유사하게최대및최소값을갖으며, 전반적인종요운동값이비슷한패턴임을확인할수있다. Fig AHRS Outputs and Actual Values of Pitching Angle

158 (2) 실험전체구간의종요선체운동계측분석 Fig ~ 28과 Table 5-13 ~ 17은실선실험 1 ~ 4차의각구간별종요각 (Pitch angle) 을실측하여계측시간 30분단위로기록하였고, 실험대상장비인 AHRS pitch 센서의계측값과비교할아날로그경사계에서측정된종요각의최대치 (Max), 유의치 (Significant), 평균종요폭 (Av. Amp) 을통계처리하여각요소별로비교한그래프를나타내었다. 그래프에서 축은계측시간 (hr) 을 30 분단위로는나타내고, 축은종요각을 0.5도단위로표시하였다. 그래프의심볼표시로 ( ) 는 AHRS pitch 센서로 계측된종요각의최대치와 ( ) 은유의치를, ( ) 은평균종요폭을나타내 며, ( ) 은아날로그경사계로측정된종요각의최대치와 ( ) 은유의치를, ( ) 은평균종요폭을나타낸다. 제 1 차실선실험의종요선체운동분석 Fig. 5-25와 Table 5-13은제 1차실선실험 [ 부산 ~ 제주 ] 항해구간의종요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 8계급으로풍랑이거센다양한기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은선수정향파 (Head seas) 에서선수사파 (Bow seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.1 ~ 5.5미터사이의범위였다. AHRS pitch 센서와선박용경사계에서계측된종요각은 3월 18일 22시 30분데이터에각각 7.6도, 8도로최대치가기록되었고, 유의치와평균진폭치는 AHRS pitch 센서에서측정된종요값이평균적으로약 1배에서 1.2배가량작게계측되었다. 종요주기는두계측모두 0.2 ~ 5.0초사이에서진행되었으며, 선수정향파 (Head seas) 를받을때최대종요주기가관측되었다

159 Pitch Angle (Degree) 8.0 Pitch Angle : 1st Test Voyage (Busan ~ Jeju) AHRS Pitch Max. AHRS Pitch Sigificant AHRS Pitch Av. Amp. Actual Pitch Max. Actual Pitch Sigificant Actual Pitch Av. Amp Time (hr)

160 Table 5-13 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (1st Actual Ship Test, ~19.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Force (kts) Encounter Wave Angle AHRS Pitch Sensor Gauge Analog Inclinometer Pitch Gauge Wave Height H⅓(m) Dir. (Point) Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 17: Beam : Bow : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Head : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Bow : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Beam Av. Period (sec)

161 제 2 차실선실험의종요선체운동분석 Fig. 5-26과 Table 5-14는제 2차실선실험 [ 제주 ~ 부산 ] 항해구간의종요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 5계급으로비교적평온한일반적인기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은주로정횡파 (Beam seas) 에서선미추파 (Follow seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.3 ~ 2미터사이의범위였다. AHRS pitch 센서와선박용경사계에서계측된종요각은 3월 22일 3시 30분데이터에각각 3.7도, 4도로최대치가기록되었고, 유의치와평균진폭치는 AHRS pitch 센서에서측정된종요값이실측치와거의비슷하게계측되었다. 종요주기는두계측모두 0.3 ~ 2.2초사이에서진행되었으며, 정횡파 (Beam seas) 를받을때최대종요주기가관측되었다

162 Pitch Angle ( Degree) Pitch Angle : 2nd Test Voyage (Jeju ~ Busan) AHRS Pitch Max. AHRS Pitch Sigificant AHRS Pitch Av. Amp. Actual Pitch Max. Actual Pitch Sigificant Actual Pitch Av. Amp Time (hr)

163 Table 5-14 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (2nd Actual Ship Test, ~22.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Wave Force (kts) Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Pitch Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Pitch Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 17: Follow : quartering : Follow : quartering : quartering : Follow : Follow : Follow : Follow : quartering : quartering : Follow : quartering : Follow : quartering : Follow : Follow : Follow : quartering : quartering : quartering : Beam : Beam : Bow : Bow : quartering : Follow : quartering : quartering : Beam Av. Period (sec)

164 제 3 차실선실험의종요선체운동분석 Fig. 5-27과 Table 5-15는제 3차실선실험 [ 목포 ~ 부산 ] 항해구간의종요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 6계급으로약간거친기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은선수정향파 (Head seas) 에서에서정횡파 (Beam seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.1 ~ 3미터사이의범위였다. AHRS pitch 센서와선박용경사계에서계측된종요각은 3월 19일 20시데이터에각각 4.1도, 4도로최대치가기록되었고, 유의치와평균진폭치는 AHRS pitch 센서에서측정된종요값이평균적으로약 ( )1.2배에서 1.2배가량계측되었다. 종요주기는두계측모두 0.1 ~ 3초사이에서진행되었으며, 선수정향파 (Head seas) 를받을때최대종요주기가관측되었다

165 Pitch Angle (Degree) Pitch Angle : 3rd Test Voyage (Mokpo ~ Busan) AHRS Pitch Max. AHRS Pitch Sigificant AHRS Pitch Av. Amp. Actual Pitch Max. Actual Pitch Sigificant Actual Pitch Av. Amp Time (hr)

166 Table 5-15 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (3rd Actual Ship Test, ~20.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Wave Force (kts) Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Pitch Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Pitch Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 16: quartering : quartering : Beam : quartering : Head : Bow : Bow : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Head : Beam : Beam : Bow : Head : Follow : Head : Follow : Beam : Head : Bow : Beam Av. Period (sec)

167 제 4 차실선실험의종요선체운동분석 Fig. 5-28과 Table 5-16은제 4차실선실험 [ 진해 ~ 부산 ] 항해구간의종요운동계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서는풍력계급 1 ~ 4계급으로비교적평온한일반적인기상및해상상황이었으며, 해양파와실험선간의만남각은정횡파 (Beam seas) 에서선미추사파 (Quartering seas) 사이의방향에서받았다. 파고는유의파고 0.1 ~ 1미터사이의범위였다. AHRS pitch 센서와선박용경사계에서계측된종요각은 4월 5일 16시데이터에각각 2.7도, 3도로최대치가기록되었고, 유의치와평균진폭치는 AHRS pitch 센서에서측정된종요값이평균적으로약 1.1배가량크게계측되었다. 종요주기는두계측모두 0.1 ~ 3초사이에서진행되었으며, 선미추사파 (Quartering seas) 를받을때최대종요주기가관측되었다

168 Pitch Angle ( 4th Test Voyage ) AHRS Pitch Max. AHRS Pitch Sigificant AHRS Pitch Av. Amp. Actual Pitch Max. Actual Pitch Sigificant Actual Pitch Av. Amp. Pitch Angle ( Degree ) Time (hr) Fig Comparison of Pitching Angle by Measurement (4th Actual Ship Test, ) Table 5-16 Measurement Data of Ship s Pitching Motion (4th Actual Ship Test, ) Date Time B.F. Scal e Wind (True) Wave Force (kts) Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Pitch Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) Av. Period (sec) Max (g) Analog Inclinometer Pitch Gauge S ⅓ (deg) Av.Amp (deg) 12: Follow Av. Period (sec) 12: Follow : quartering : Bow : Beam : Beam : quartering : quartering : quartering : Beam

169 (3) 종요선체운동계측실험결과 Fig. 5-29는제 1 ~ 4차실험전구간에계측한 AHRS pitch 센서계측치와아날로그경사계실측치의표준편차를비교한표이다. 표준편차결과를살펴보면횡요의경우 AHRS 센서에의한계측값과실측값의편차가 0.44 이내로서로비슷한패턴을보이고있으며, 제 1차와제 3차실험에서는해상상태가좋지않아종요의진폭이제 2차와제 3차실험의평온한상태보다편차가크게나타났다. 이상의 4번에걸친종요운동계측을위한실선실험의결과를종합하여보면, AHRS pitch 센서와선박용경사계에서계측한 3가지요소의최대치 (Max), 유의치 (Significant), 평균횡요폭 (Av. Amp) 값을그래프상에서비교해보면전반적으로비슷한패턴의양상을보인다. 그러므로센서계측치의정량적인측정값은실측치와거의유사하다는것을알수있어서계측장비에대한신뢰도가높은수준으로판별된다. Fig Comparison of Pitching Angle by Standard Deviation

170 5.3 AHRS 센서를이용한항해안전성평가 선체가속도를이용한항해안전성평가 항해안전성의기준파랑중을항해하는선박의항해안전성을평가하는일반적인방법은내항성능 (Seakeeping Performance) 평가를이용하는것이다. 선박의내항성능을고려할때설계자는승선하고있는선원및승객의안락함과관련된거주성 (Habitability), 선원이지정된임무를완수할수있도록설치된장치및장비를포함한선박의능력과관련된운항능력 (Operability), 선박과선원및화물의안전과관련된생존능력 (Survivability) 을고려해야한다. 내항성능을분석하는데있어필요한주요소는주어진고유한특성을지닌선박, 선박이해당임무를완수해야하는특정한해상조건 (Sea conditions), 선박이해당임무를효과적으로완수하는데있어초과해서는안되는운항기준 (Operational criteria) 등이있다. Table 5-17은 ITTC에서제시하고있는내항성능기준을나타내고있다. 본연구에서는이러한내항성능을평가하기위한주요요소인선수갑판침수, 슬래밍, 횡동요, 종동요, 상하가속도및좌우가속도를시스템적으로결합한수치화된정량적인지표모델로제시한 SPI를사용한다. 이 SPI를실선실험에적용하여실험선박의항해안전성평가를수행하였다

171 Table 5-17 Seakeeping Criteria of ITTC

172 5.3.2 상하가속도계측분석및항해안전성평가 상하가속도 (Vertical acceleration) 계측을위한실선실험은앞절에서의횡요및종요의실선실험과동일한실험조건으로실시하였고, 실선실험방법도 AHRS 가속도센서를이용하여일정한시간및간격으로선박의상하가속도를주기적으로계측하였다. 총 4 차례에걸쳐실험을수행하였으며, 각실험마다항해종료후항해안전성평가를위한계산및분석을하였다. AHRS 가속도센서로부터계측된상하가속도데이터는양과음의두개의극치 (Extreme value) 를취득할수있다. 이두개의상하가속도극치값에서이번실험에서항해안전성능평가에적용한입력데이터는상하가속도의양의극치값만을취하여분산치를구하였다. 그이유는일반적인선체의운동은기준점을중심으로상하대칭운동을하기때문에두값을다취하여계산할필요가없기때문이다. 그리고선박의운동특성상상하가속도는외력에의해선체가위로올라갈때가내려갈때보다가속도가크므로양의극치값데이터의취득이항해안전성능지표산출을위한데이터로선정하는것이적절하다. 본실험결과에서는 AHRS 가속도센서가계측하는선박의상하가속도측정값을 30분단위로저장하여데이터베이스화하였고, 같은해상상태조건에서일정한계측시간간격으로저장한계측데이터를대상으로상하가속도의최대값 (Max) 과유의치 (Significant), 평균종요진폭 (Av. Amp) 요소를통계처리하였다. 그리고실험선의종요운동에대한해석및분석은계측하여기록된파일을항해실험구간인한항차기간동안하루단위로분석하여그결과값을그래프로표시하였다

173 AHRS 가속도센서의상하가속도계측검증 (1) 가속도계측비교검증장비 ( 기계식방식의가속도측정센서 ) 본실험에사용된 AHRS 가속도센서의실선에서의가속도측정값의정확성을검증하기위하여, 실선을대상으로한항해안전성평가의선행된연구에서사용된기계식가속도계를제 3차와제 4차실선실험에서실험대상선박에탑재하여 AHRS 가속도센서의가속도계측값과비교하였다. AHRS 가속도센서의계측치를검증하기위해사용된가속도센서는한국해양대학교선박운항자동화연구실에서과거다년간선체운동계측에사용된계측장비로서외형은 Fig. 5-30과같으며, Fig. 5-31에서와같이진동질량 이센서패키지안의스프링에의해매달려있는구조로모델링할수있는일반적인기계식가속도계방식의센서이다. (a) (b) Fig Photograph of Mechanical Accelerometer Measuring System (a) External Apparatus(L275 B185 H140cm), (b) Internal Apparatus

174 기계식방식의가속도센서의계측원리는실험대상물체의움직임에따른가속도 () 를발생하여관성력에의해진동 Mass의상대적변위 () 가생기게되고, 이에따른전기적신호로서감지된다. 계측에대한운동방정식은아래의식 (5-5) 와같다. d x dx ma m dt dt kx 여기서, 는스프링상수, λ 는 Damping 상수 Fig Accelerometer principle

175 선체운동가속도계측의검증에사용된기계식가속도계의가속도센서의주 요사양은 Table 5-18 과같다. Table 5-18 Principal Specifications of the Mechanical Accelerometer Measured acceleration range Scale factor ±2 g 5 V/g Operating temperature -50 ~ +70 Power consumption Shock resistance Vibration strength (within a range of up to 500 Hz ) Supply voltage 0.5 W 30 g 5 g ±15 V Dimension ( mm ) Mass 115 (g) 참조로검증에비교한두가지타입의가속도센서의일반적인특징은기계식가속도센서는구조가복잡하면서크고무겁고, 같은규격의제품양산이어려우므로센서별일원화된측정결과치가달라져신뢰성이낮으며가격이높아그활용이제한된다. 반면에실리콘가속도센서 (AHRS 센서 ) 는실리콘의기계적성질이우수하고, 기존에확립된반도체집적회로공정기술을이용함으로써신뢰성과양산성이우수하며, 소자의소형화와경량화, 저가격화가가능하다는장점이있다

176 (2) AHRS 가속도측정센서의검증실험 Fig ~ 33과 Table 5-19 ~ 20은제 3차및제 4차실선실험의각구간별상하가속도 (Vertical Acceleration) 을실측하여계측시간 30분단위로기록하여실험대상장비인 AHRS 가속도센서의계측값과비교할기계식가속도계에서측정된상하가속도의최대치 (Max), 유의치 (Significant) 를통계처리하여각요소별비교그래프로나타내었다. 그래프에서 축은계측시간 (hr) 을 30 분단위로는나타내고, 축은상하가속 도를 단위로표시하였다. 그래프의심볼표시로 ( ) 는 AHRS 가속도센서로 계측된상하가속도값의최대치와 ( ) 은유의치를나타내며, ( ) 은기계식 가속도계로측정된상하가속도값의최대치와 ( ) 은유의치를나타낸다. AHRS의가속도센서와기계식가속도계의상하가속도의계측은 3차실선실험 [ 목포 ~ 부산 ] 항해구간의항해시작시기인 2014년 3월 19일 16시에서항해종료시점인 3월 20일 9시 30분까지실시되었다. 실험선박의상하가속도계측에대한 AHRS 가속도센서감지와기계식가속도센서를사용한측정치결과를상호비교하기위해 Fig. 5-32에함께도시하였다. Fig. 5-32와 Table 5-19는제 3차실선실험의상하가속도계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. AHRS 가속도센서와기계식가속도센서의 Sampling rate는동일하게 10Hz로상하가속도측정값을취득하였다

177 Acceleration ( g ) Vertical Acceleration : 3rd Test Voyage (Mokpo ~ Busan) AHRS Acc. Max. AHRS Acc. Sigificant Mechanical Acc. Max. Mechanical Acc. Sigificant Time (hr)

178 Table 5-19 Measurement Data of Vertical Acceleration (3rd Actual Ship Test, ~20.) Date Time B.F. Scale Wind (True) Force (kts) Wave Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Acc. Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (g) Mechanical Acc, Roll Gauge Max (g) S ⅓ (g) 16: quartering : quartering : Beam : quartering : Head : Bow : Bow : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Head : Bow : Bow : Bow : Bow : Bow : Head : Head : Beam : Beam : Bow : Head : Follow : Head : Follow : Beam : Head : Bow : Beam

179 3차실선실험결과 AHRS 가속도센서로측정된상하가속도값의범위는 ( )0.247 ~ (+)0.407에서계측되었고, 기계식가속도센서측정치는 ( )0.352 ~ (+)0.509의범위에서계측이되었다. 이항해구간에서는 3월 19일 18시경부터 22시경까지전항해구간에서비교적선체운동이많이있었다. AHRS 가속도센서와기계식가속도센서에서계측된가속도값은 3월 19일 20시기준기록데이터에각각 0.407, 0.509로상하가속도의최대치가기록되었고, 유의치는 AHRS 가속도센서에서측정된상하가속도값이기계식가속도센서에비해평균적으로약 1.1배에서 1.2배가량낮게계측되었다. 이실험구간에서의상하가속도의값이비교적높게계측된시간의 AHRS 가속도센서최대치는 3월 19일 18시경에 0.369, 20시경에 0.407, 3월 20일 0시 30분경에 0.242였고, 모두실험선과해양파와의만남각이선수정향파 (Head seas) 를받고있는상황이었다. Fig. 5-33과 Table 5-20은제 4차실선실험 [ 진해 ~ 부산 ] 항해구간의상하가속도계측결과데이터를시계열그래프로나타내었다. 이구간에서의 AHRS 가속도센서로측정된상하가속도값의범위는 ( )0.168 ~ (+)0.245에서계측되었고, 기계식가속도센서측정치는 ( )0.215 ~ (+)0.339의범위에서계측되었다. AHRS 가속도센서와기계식가속도계에서계측된상하가속도는 4월 5일 16 시시간대에측정된데이터에서각각 0.271, 0.339로최대치가기록되었고, 유의치는 AHRS 가속도센서에서측정된상하가속도값이평균적으로약 1.1배에서 1.2배정도가량낮게계측되어제 3차실선실험에서의상하가속도계측과같은범위였다. 이실험구간에서는날씨가비교적평온한상태이어서 ITTC에서규정하고있는작업가능기준치인상하가속도 0.4 이하로전항해구간에계측되어실험선의내항성능은안전한수준으로평가되었다

180 V.Acc. : 4th Test Voyage(Jinhae ~ Busan ) AHRS Acc. Max. AHRS Acc. Sigificant 0.6 Mechanical Acc. Max. Mechanical Acc. Sigificant 0.5 Acceleration ( g ) Time (hr) Fig Comparison of Vertical Acceleration by measurement (4th Actual Ship Test, ) Table 5-20 Measurement Data of Vertical Acceleration (4th Actual Ship Test, ) Date Time B.F. Scale Wind (True) Force (kts) Wave Wave Height H⅓(m) Encounter Angle Dir. (Point) AHRS Acc. Sensor Gauge Max (g) S ⅓ (g) Mechanical Acc, Roll Gauge Max (g) S ⅓ (g) 12: Follow : Follow : quartering : Bow : Beam : Beam : quartering : quartering : quartering : Beam

181 (3) 가속도측정센서의계측평가및검증결과 Fig. 5-34는제 3차및제 4차실험전구간에계측한 AHRS 가속도센서계측치와기계식가속도센서실측치의표준편차를비교한표이다. 표준편차결과를살펴보면, 상하가속도는 AHRS 가속도센서에의한계측값과기계식가속도센서의측정값의편차의차가 0.03 이내로서로비슷한모양을보이고있다. Fig Comparison of Vertical Acceleration by Standard Deviation Fig. 5-32와 Fig. 5-33의 AHRS 가속도센서와기계식가속도계에서계측한 2 가지요소최대치 (Max), 유의치 (Significant) 값을그래프상에서비교해보면, 전반적으로수치화된두요소의그래프패턴이동일한양상을보이고, Fig. 5-34의표준편자비교표에서도서로거의일치하는통계값을보이므로, AHRS 가속도센서계측치의정량적인측정값은선행연구에서검증된계측장비의측정치와거의유사하다는것을알수있어서 AHRS 가속도센서의상하가속도계측값의정확성이높은수준으로판별된다

182 상하가속도계측값을적용한 SPI 계산및평가본연구의목표인 AHRS 센서를활용한실선의주요항해안전성평가를위하여내항성능지표계산의주요선박자료수집요소인선체의상하가속도의신뢰성있는정량적인값을계측할수있는선체운동모니터링시스템을구현하였다. 이시스템을사용한항해안전성평가의방법으로제 1차 ~ 제 4차실선실험의각항행구간별로 AHRS 가속도센서로계측한실측상하가속도 (Vertical Acceleration) 를실시간으로취득하여 30분단위로기록및데이터베이스화한자료를각기록단위별로상하가속도의유의치를통계처리하여구하였다. 이실측된상하가속도유의치의정확도를검토하기위하여선박의운항데이터를기반으로한계산된상하가속도값을구하여비교하였다. 그리고, 계측된상하가속도유의치의분산값을입력데이터로하여 SPI 값을계산하여산출하였다. 실측된상하가속도의유의치와상하가속도계산값과의 SPI와의상관관계에대하여비교및분석하여실선의실제항해정보데이터값을기반으로한실제적인항해안전성을평가결과를 Table ~ Table. 5-24와같이도출하였다. 각실선실험구간별상하가속도계측값및항해안전성능평가에대한계산결과데이터의상세자료는 부록-2 에수록하였다. Fig. 5-35, 39, 41, 43 의그래프에서 축은계측시간 (hr) 을 30 분단위로나타 내고, 축은상하가속도 값과 SPI 를같이표시하였다. 그래프의심볼표시로 ( ) 는항해정보데이터를기반으로한상하가속도의계산값이고, ( ) 은 AHRS 가속도센서로계측된상하가속도의유의치이며, ( ) 은 SPI 를나타낸 다

183 (1) 제 1 차실선실험의항해안전성평가분석및결과 제 1차실선실험의 [ 부산 ~ 제주 ] 구간에서는기상및해상상태가 SW ~ W 계열의풍향과실험선과파랑의만남각은선수정향파 (Head seas) 에서선수사파 (Bow seas) 를받는상황으로남서방향으로항진하는실험선의진행방향에역행하는외력을받고있는운항상황이었다. Fig. 5-35와 Table 5-21은제 1차실선실험항해구간에서의 AHRS 가속도센서로계측한상하가속도유의치 (V.Acc. S⅓) 와항해데이터를기반으로계산된상하가속도값 (Cal.V.Acc.), 그리고계측된상하가속도의분산치 (V.Acc.Var.) 를사용하여평가된 SPI의산출결과데이터를시계열그래프및도표로나타내었다. 2013년 3월 18일 19시경에풍력계급은 7계급 (Near gale), 유의파고는 4m 정도되었고, 계측된상하가속도의최대유의치가 0.736이며, SPI는 로서 ITTC에서규정하고있는작업가능기준치 0.4의기준보다높아주의를요하는상황이었다. 앞절에서분석한횡 / 종요는이시각대에서 22.1, 7.4 의심한선체운동을하였고, 실험선의운항요건이안좋아짐에따라선장은선속의감속 (Engine Telegraph Nav. Full에서 Man. Full로변경 ) 과침로를변경하여만남각을선수정향파 (Head seas) 에서선수사파 (Bow seas) 를받도록조치를취하였다. 제 1차실험구간에서의 SPI의최대치는 2013년 3월 18일 22시 30분경에발생하였다. 이시기는풍력계급은 8계급 (Gale), 유의파고는 5.5m 정도되는아주강한폭풍이이는해상상태이었고, 만남각은선수정향파 (Head seas) 였다. 계측된상하가속도의최대유의치는 0.758로생존가능기준치에근접하였다

184 SPI & g SPI : 1st Test Voyage (Busan ~ Jeju) Calculate V. Acc. AHRS V. Acc. Sigificant SPI Dangerousness Survial Operational Time (hr)

185 Time Table 5-21 Calculation Data of SPI (1st Actual Ship Test, ~19) Ship Heading HDG (Deg.) Ship Speed SOG (Kts) Wind(True) Wave Encounter Angle Dir. (Point) B.F. Scale Wave Height H⅓(m) Dir. (Point) V. Acc. (AHRS Sensor) Max (g) Date : S ⅓ (g) Seakeeping Performance Caculation V.Acc. Var. Cal. V.Acc. 17: SW Beam : SW Bow : SW Head : SW Head : WSW Head : WSW Bow : WSW Bow : WSW Bow : WSW Bow : WSW Bow : W Head : W Head : WSW Head : W Head Date : : W Head : WNW Bow : WNW Bow : WNW Bow : WNW Bow : WNW Bow : WNW Bow : WNW Head : WNW Bow : W Head : NW Bow : SSW Bow : NW Bow : WNW Bow : SW Head : ESE Beam SPI

186 내항성능평가요소의한계치기준인 0.6를넘겼고, SPI는 로서위험조건인 SPI = 1.0의기준보다높아실험선의항해안전성에매우위험한상태를맞았다. 이에따라실험선의선장은감항성유지및선박의안전성을확보하기위해즉시선속감속및변침을하였고, 이런대처를통해선박의내항성을확보하였다. Fig Evaluation Diagram of Navigation Safety (1st Actual Ship Test, :30 KST) Fig. 5-36은이당시의상하가속도값의실선계측을통해산출한 SPI를이용하여항해안전성을나타낸평가도이다. 이항해안전성평가도에서붉은원형선 (SPI=1.0) 은 SPI의한계위험치를나타내고, 각도표시는본선과파도와의만남각을, 굵은파란색실선은 SPI를나타낸다. SPI가한계치인붉은색의원을초과할때이선박은위험에처하게된다. 즉, 녹색선안쪽의경우에는안전한상태 (SPI=0.5이하) 이고, 녹색선과적색선사이 (SPI=0.5 ~ 1.0) 는주의상태, 적색선

187 (SPI=1.0) 을넘어서면선박은위험한상태에있게되는것이다. Fig. 5-36의항해안전성평가도를해석해보면, 계측환경은선속 14.3kts, 침로 249.3, 해상상태는풍력계급 8계급 (Gale) 에상응하는등급의선박운항상황에서의파도와의만남각은 (Head seas) 와 SPI 값 을평가도에파란색굵은선으로만남각및 SPI 값을표시하고있다. 선박운항자는이런항해안전성평가도를이용하면그당시의항해위험도를시각적으로쉽게판정할수있으며, 항해의위험에대한사항을정량적으로판별할수있는객관적인의사결정수단으로서신뢰성있는유용한항해보조수단으로사용할수있다. Fig. 5-37은 SPI를계산하기위한항해안전성평가프로그램에서의입력값과계산결과값을보여준다. 여기서입력값은상하가속도의유의치의분산값, 본선의침로와선속, 풍향풍속값을입력하며, 항해안전성평가의계산결과는풍력계급 (NBF), 자선의만남각, 6가지내항성요소의한계치의계산값인 Vertical Acceleration (AVmu), Deck wetnetss(dmu), Propeller racing(rmu), Slamming(Smu), Rolling (ALmu), Lateral Acceleration(ATmu), SPI(ISPI) 값을계산하여출력한다. Fig Calculation Input & Output Data using SPI (1st Actual Ship Test, :30 KST)

188 (2) 제 2 차실선실험의항해안전성평가분석및결과 제 2차실선실험의 [ 제주 ~ 부산 ] 구간에서는기상및해상상태가 W ~ SW 계열의풍향이었고, 유의파고는 1미터내외의파고이었으며, 실험선과파랑의만남각은선미추파 (Follow seas) 에서선미추사파 (Quartering seas) 를받는상황으로북동방향으로항진하는실험선의진행방향에순행하는외력을받고있는운항상황이었다. Fig. 5-38과 Table 5-22는앞절의실선실험과동일한실험사항으로제 2차실선실험항해구간의상하가속도의유의치와분산치, SPI의산출결과데이터를시계열그래프및도표로나타내었다. 제 2차실험구간에서의 SPI의최대치는 2013년 3월 22일 3시 30분경에발생하였다. 이시기는풍력계급은 5계급 (Fresh breeze), 유의파고는 2m 정도되는약간의풍랑이이는해상상태이었고, 만남각은정횡파 (Beam seas) 였다. 계측된상하가속도의최대유의치는 0.367로작업가능기준치의기준선내의값이었으나, 바람과파도의외력이급격히거세지고파향이선미추사파에서정횡파로바뀌는영향으로 SPI는 으로높은값으로계산되었으며, 생존가능기준치인 0.8의기준보다높아실험선의항해안전성에있어서위험에주의및대비해야할상태를맞았다. 이에따라실험선의선장이취한조치사항으로선속감속및변침을하여선박의안전성을확보하였다. Fig. 5-39는이당시의상하가속도값의실선계측을통해산출한 SPI를이용하여항해안전성을나타낸평가도를나타낸다. 계측시의선박운항환경은선속 11.1kts, 침로 001.7도, 기상및해상상태는풍력계급 5계급에상응하는등급이었다. 파도와의만남각은 065.3도 (Beam seas) 와 SPI 값은 을평가도에파란색굵은선으로만남각및 SPI 값을표시하고있다

189 SPI & g SPI : 2nd Test Voyage (Jeju ~ Busan) Calculate V. Acc. AHRS V. Acc. Sigificant SPI Dangerousness Survial Operational Time (hr)

190 Time Table 5-22 Calculation Data of SPI (2nd Actual Ship Test, ~22) Ship Heading HDG (Deg.) Ship Speed SOG (Kts) Wind(True) Wave Encounter Angle Dir. (Point) B.F. Scale Wave Height H⅓(m) Dir. (Point) V. Acc. (AHRS Sensor) Max (g) Date : S ⅓ (g) Seakeeping Performance Caculation V.Acc. Var. Cal. V.Acc. 17: W Follow : WNW quarter : W Follow : WNW quarter : WNW quarter : W Follow : SW Follow : WSW Follow : W Follow : WNW quarter : W quarter : W Follow : W quarter : WSW Follow Date : : W quarter : SW Follow : W Follow : WSW Follow : WSW quarter : WSW quarter : WSW quarter : WSW Beam : WSW Beam : WSW Bow : WSW Bow : WSW quarter : WSW Follow : WSW quarter : WSW quarter : WSW Beam SPI

191 (a) Evaluation Diagram (b) Calculation Input & Output Data for SPI Fig Evaluation of Navigation Safety using SPI (2nd Actual Ship Test, :30 KST)

192 (3) 제 3 차실선실험의항해안전성평가분석및결과 제 3차실선실험의 [ 목포 ~ 부산 ] 구간에서는기상및해상상태가 E ~ NE 계열의풍향이었고, 유의파고는 1 ~ 3미터의파고, 실험선과파랑의만남각은선수정향파 (Head seas) 에서선수사파 (Bow seas) 를받는상황으로북동방향으로항진하는실험선의진행방향에역행하는외력을받고있는선박운항상황이었다. Fig. 5-40과 Table 5-23은앞절의실실선실험과동일한실험사항으로제 3 차실선실험항해구간의상하가속도의유의치와분산치, SPI의산출결과데이터를시계열그래프및도표로나타내었다. 제 3차실험구간에서의 SPI의최대치는 2014년 3월 19일 18시경에발생하였다. 이시기는풍력계급이 5계급 (Fresh breeze), 유의파고는 2m 정도되는약간의풍랑이이는해상상태이었고, 만남각은선수정향파 (Head seas) 였다. 계측된상하가속도의최대유의치는 0.369로 ITTC에서규정하는작업가능기준치의기준선내의값이었으나, SPI는 으로높은값으로계산되어안전 SPI 기준인 0.5 보다높으므로실험선의항해안전성에있어서위험에주의및대비해야할상태를맞았다. 이경우에도앞선실험에서와같이실험선의선장은선체의동요가발생함에따라조치사항으로선속감속및변침을하여선박의안전성을확보하였다. Fig. 5-41은이당시의상하가속도값의실선계측을통해산출한 SPI를이용하여항해안전성을나타낸평가도를나타내며, 계측시의선박운항환경은선속 18.0kts, 침로 097.0도, 기상및해상상태는풍력계급 5계급에상응하는등급이었다. 파도와의만남각은 165.0도 (Head seas) 와 SPI 값 을평가도에파란색굵은선으로만남각및 SPI 값을표시하고있다

193 SPI & g SPI : 3rd Test Voyage (Mokpo ~ Busan) Calculate V. Acc. AHRS V. Acc. Sigificant SPI Dangerousness Survial Operational Time (hr)

194 Time Table 5-23 Calculation Data of SPI (3rd Actual Ship Test, ~20) Ship Heading HDG (Deg.) Ship Speed SOG (Kts) Wind(True) Wave Encounter Angle Dir. (Point) B.F. Scale 0.3 Dir. (Point) V. Acc. (AHRS Sensor) Max (g) Date : S ⅓ (g) Seakeeping Performance Caculation V.Acc. Var. Cal. V.Acc. 16: NNW quarter : NW quarter : W Beam : NW quarter : ESE Head : E Bow : E Bow : E Head : E Head : E Head : E Head : E Head : E Head : E Head : ENE Head : ENE Head Date : : ENE Head : ENE Head : NE Bow : NNE Bow : NNE Bow : NNE Bow : N Bow : NNE Head : N Head : NNW Beam : NW Beam : NNW Bow : NW Head : S Follow : N Head : SW Follow : S Beam : ENE Head : N Bow : NNW Beam SPI

195 (a) Evaluation Diagram (b) Calculation Input & Output Data for SPI Fig Evaluation of Navigation Safety using SPI (3rd Actual Ship Test, :00 KST)

196 (4) 제 4 차실선실험의항해안전성평가분석및결과 제 4차실선실험의 [ 진해 ~ 부산 ] 구간에서는기상및해상상태가 SE ~ SW 계열의풍향이었고, 유의파고는 1미터이하의파고, 실험선과파랑의만남각은정횡파 (Beam seas) 에서선미추사파 (Quartering seas) 를받는상황으로북동방향으로항진하는실험선의진행방향에순행하는외력을받고있는선박운항상황이었다. Fig. 5-42와 Table 5-24는앞절의실실선실험과동일한실험사항으로제 4 차실선실험항해구간의상하가속도의유의치와분산치, SPI의산출결과데이터를시계열그래프및도표로나타내었다. 제 4차실험구간에서의 SPI의최대치는 4월 5일 14시경에발생하였다. 이시기는풍력계급이 3계급 (Gentle breeze), 유의파고는 0.6m 정도되는보통의해상상태이었고, 만남각은정횡파 (Beam seas) 였다. 계측된상하가속도의최대유의치는 0.182로작업가능기준치의기준선내의값이었고, SPI는 으로안전 SPI 기준인 0.5 보다이하에있어실험선의항해안전성은안전한것으로판별되었다. 이번실험은전항해구간이기상및해상이평온한상태이어서 SPI는최저값으로산출되었다. Fig. 5-43은이당시의상하가속도값의실선계측을통해산출한 SPI를이용하여항해안전성을나타낸평가도를나타내며, 계측시의선박운항환경은선속 13.0kts, 침로 090.7도, 기상및해상상태는풍력계급 3계급에상응하는등급이었다. 파도와의만남각은 119.7도 (Head seas) 와 SPI 값 를평가도에파란색굵은선으로만남각및 SPI 값을표시하고있다

197 SPI : 4th Test Voyage (Jinhae ~ Busan) 1.2 Calculate V. Acc. AHRS V. Acc. Sigificant SPI 1.0 Dangerousness 0.8 Survial SPI & g Operational Time (hr) Fig Comparison of SPI & Vertical Acceleration by Measurement (4th Actual Ship Test, ) Time Table 5-24 Calculation Data of SPI (4th Actual Ship Test, ) Ship Heading HDG (Deg.) Ship Speed SOG (Kts) Wind(True) Wave Encounter Angle Dir. (Point) B.F. Scale Wave Height H⅓(m) Dir. (Point) V. Acc. (AHRS Sensor) Max (g) S ⅓ (g) Seakeeping Performance Caculation V.Acc. Var. Cal. V.Acc. 12: SW Follow : N Follow : WNW quarter : SSE Bow : SSE Beam : S Beam : SSW quarter : SSW quarter : ENE quarter : E Beam SPI

198 (a) Evaluation Diagram (b) Calculation Input & Output Data for SPI Fig Evaluation of Navigation Safety using SPI (4th Actual Ship Test, :00 KST)

199 제 6 장결론 본논문에서는 ICT 융합기술을접목한 AHRS 센서기반의선체운동모니터링시스템개발을통한항해중인실선의선체운동을실시간으로계측하여내항성능지표에의한항해안전성평가시스템개발을위한연구를수행하였다. 본연구결과를요약하면다음과같다. (1) 파랑중을항해하고있는선박의실제적인항해안전성을효과적으로평가하기위하여기존선체운동계측에사용되고있는고가의고정밀가속도계를대체할수있는 MEMS형저가의범용관성센서인 AHRS 센서를사용한선체운동모니터링시스템을개발하였다. 이시스템을선박에탑재하여내항성능평가요소주요소인상하가속도를실시간계측하여데이터베이스화하였다. 이선체운동데이터를분석및해석한내항성능지표를적용하여선박의항해안전성을종합적으로평가할수있는항해안전성평가시스템을개발하였다. (2) 본연구에서구현한 AHRS 센서기반의선체운동모니터링시스템은항해안전성평가의주요평가요소인횡동요 (Rolling), 종동요 (Pitching) 의회전운동과상하가속도 (Vertical Acceleration) 값을계측함에있어, 모형수조실험과실제해상에서파랑을직접받는실선에서실험한결과충분한정확성과신뢰도를가지고있음을확인할수있었다

200 (3) 항해및운항정보디지털데이터의실시간취득처리는기존의평가처리방식이었던항해사가수기로기록하는갑판로그북기록위주의운항실적에의한평가기초자료수집방법을개선하였다. 이런개선된시스템을적용하여실시간내항성능지표산출을위한정도높은운항정보데이터의체계적인데이터베이스화로항해안전성평가의처리프로세스를고도화시켰으며, 그동안의관련분야에서의기초입력데이터의불명확성문제의해결및운항데이터의자동처리를통하여연구를실용화시켰다. (4) ICT 융합기술을접목한선체운동모니터링시스템에유선및무선데이터전송처리시스템을접목시킴으로써선박의제한된환경요건에서도다양한방법으로계측센서의설치가가능하도록하였다. 이시스템을사용하여선박의여러위치에서선체운동을계측할수있어실무적으로편리하게적용시킬수있는방안을마련하였다. (5) 국제해사기구 (IMO) 에서 2012년도에전자경사계의성능기준이채택되었다. 이장비를통해횡요주기및경사각의디지털데이터를항해자에게제공하고항해기록장치 (VDR : Voyage Data Recorder) 에기록하는국제규정이발효되었다. 본연구에서개발된 AHRS 기반의선체운동모니터링시스템은횡요와종요의경사각과주기등의여러요소를계측할수있는전자경사계의기능도수행할수있다. 이개발장비를사용하여실선실험을수행한결과검증된고정밀전자경사계개발기술을확보하였다. 또한, MEMS형 AHRS를사용한선체운동모니터링시스템개발기술을응용한관련여러목적으로활용할수있는기반기술의토대를마련하였다. 향후계속되어야할연구과제로는해상통신의환경이개선되어감에따라실 시간선체운동계측에따른항해안전성평가시스템에부가하여해상및기상

201 정보서비스의실시간연계가필요하다. 항해안전성평가시스템을기상정보와의연동에의한 24시간또는 48시간이후의선박운항상태를예측하여최적의선박안전과효과적인연료절감운항을위한정보서비스의제공에따른최적항로선정에대한개발이이루어져야할것으로생각된다. 본연구에적용한 MEMS형소형관성센서인 AHRS는향후 Hull stress monitor, Loading master, Electronic inclinometer, VDR 등에기초장비로적용될것으로전망된다. 이기술은 ICT 융합기술이접목된 e-navigation 체계에서여러선박안전시스템관련분야에서활용될수있을것으로기대된다

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213 본연구와관련하여발표된논문및보고서 (1) 김대해, 이상민, ~25 AHRS 센서기반의무선선체운동모니터링알고리즘의개발, 2013 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회논문집, pp.187 (2) 김대해, 이상민, 공길영, AHRS 를이용한무선선체운동측정시스템에관한연구, 한국항해항만학회지, 제 37 권 6 호, pp

214 부록 1 실험선박운항자료데이터 부록 1-1 실험선박운항자료데이터 : 제 1차실선실험 ( 부산 ~ 제주 ) 항해구간, ~ 19 부록 1-2 실험선박운항자료데이터 : 제 2차실선실험 ( 제주 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 22 부록 1-3 실험선박운항자료데이터 : 제 3차실선실험 ( 목포 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 20 부록 1-4 실험선박운항자료데이터 : 제 4차실선실험 ( 진해 ~ 부산 ) 항해구간,

215

216 부록 1-1 실험선박운항자료데이터 : 제 1 차실선실험 ( 부산 ~ 제주 ) 항해구간, ~ 19 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E SW 5 SW NAV-HBD N E SW 4 SW NAV-HBD N E SW 5 SW NAV-HBD N E SW 6 SW NAV-HBD N E WSW 7 SW NAV-HBD N E WSW 5 W NAV-HBD N E WSW 6 W NAV-HBD N E WSW 5 W NAV-HBD N E WSW 6 W NAV-HBD N E WSW 6 W NAV-HBD N E W 6 W NAV-HBD N E W 8 W NAV-HBD Save Time (Min) Remark Coast of Busan Port [ 부록 1] - 1

217 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E WSW 7 W NAV-HBD N E W 6 W NAV-HBD N E W 7 W NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E WNW 6 NW NAV-HBD N E W 5 NW NAV-HBD Save Time (Min) Remark [ 부록 1] - 2

218 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E NW 5 NW NAV-HBD N E NW 4 NW NAV-HBD N E NW 3 NW NAV-HBD N E WNW 2 NW NAV-HBD N E SW 1 NW NAV-HBD N E ESE 1 NW NAV-HBD Save Time (Min) Remark Coast of Jeju Port Arr. Jeju Port Pier [ 부록 1] - 3

219 부록 1-2 실험선박운항자료데이터 : 제 2 차실선실험 ( 제주 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 22 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E WNW 3 W NAV-HBD N E NNW 3 W NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E WNW 2 W NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E WNW 4 W NAV-HBD N E WNW 2 W NAV-HBD N E W 2 W NAV-HBD N E SW 1 SW NAV-HBD N E WSW 1 SW NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E WNW 2 W NAV-HBD Save Time (Min) Remark 30 Dep. Jeju Port Coast of Jeju Port [ 부록 1] - 4

220 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E W 3 W NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E WSW 3 W NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E SW 3 W NAV-HBD N E W 3 W NAV-HBD N E WSW 3 W NAV-HBD N E WSW 4 W NAV-HBD N E WSW 4 W NAV-HBD N E WSW 4 SW NAV-HBD N E WSW 5 SW NAV-HBD Save Time (Min) Remark [ 부록 1] - 5

221 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E WSW 5 W NAV-HBD N E WSW 4 W NAV-HBD N E WSW 4 W NAV-HBD N E WSW 3 W NAV-HBD N E WSW 4 SW NAV-HBD N E WSW 4 SW NAV-HBD N E WSW 4 SW NAV-HBD N E WSW 5 SW NAV-HBD N E W 5 SW NAV-HBD N E SW 4 SW NAV-HBD Save Time (Min) Remark Coast of Busan Port Arr. KMOU Pier [ 부록 1] - 6

222 부록 1-3 실험선박운항자료데이터 : 제 3 차실선실험 ( 목포 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 20 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E SE 3 SE NAV-HBD N E SSE 3 SE NAV-HBD N E SSE 3 SE NAV-HBD N E WNW 2 NW NAV-HBD N E NNW 2 NW NAV-HBD N E NW 2 NW NAV-HBD N E W 2 NW NAV-HBD N E NW 2 NW NAV-HBD N E ESE 5 E NAV-HBD N E E 5 E NAV-HBD N E E 4 E NAV-HBD N E E 6 E NAV-HBD Save Time (Min) Remark 30 Dep. Mokpo [ 부록 1] - 7

223 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E E 6 E NAV-HBD N E E 5 E NAV-HBD N E E 4 E NAV-HBD N E E 4 E NAV-HBD N E E 5 E NAV-HBD N E E 4 E NAV-HBD N E ENE 4 NE NAV-HBD N E ENE 4 NE NAV-HBD N E ENE 4 NE NAV-HBD N E ENE 4 NE NAV-HBD N E NE 3 NE NAV-HBD N E NNE 3 NE NAV-HBD Save Time (Min) Remark 30 거문도통과 간여암통과 30 [ 부록 1] - 8

224 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E NNE 3 NE NAV-HBD N E NNE 3 NE NAV-HBD N E N 3 N NAV-HBD N E NNE 2 N NAV-HBD N E N 1 N NAV-HBD N E NNW 2 N NAV-HBD N E NW 1 NW NAV-HBD N E NNW 1 NW NAV-HBD N E NW 1 NW NAV-HBD N E S NAV-HBD N E N NAV-HBD N E SW 1 S NAV-HBD Save Time (Min) Remark 30 국도통과 Drifting 30 Drifting 30 Drifting 30 Drifting 30 Drifting 30 Drifting 30 [ 부록 1] - 9

225 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E S 1 S NAV-HBD N E ENE 1 NW NAV-HBD N E N 2 N NAV-HBD N E NNW 3 N NAV-HBD N E NNW 2 N NAV-HBD N E W 2 NW NAV-HBD N E NW 2 NW NAV-HBD N E N 1 NW NAV-HBD Save Time (Min) Remark 30 매몰도통과 30 북여도통과 목도통과 부산항방파제 Arr. KMOU Pier [ 부록 1] - 10

226 부록 1-4 실험선박운항자료데이터 : 제 4 차실선실험 ( 진해 ~ 부산 ) 항해구간, Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) :00(KST) :30(KST) Position Ship Heading Ship Speed Wind(True) Wave(Sea State) HDG (Deg.) COG (Deg.) SOG (Kts) STW (Kts) Dir. (Deg.) Force (Kts) Dir. (Point) B.F. Scale Dir. (Point) Sea Scale Wave Height H⅓(m) Save File Name N E SW 1 N NAV-HBD N E N 1 N NAV-HBD N E WNW 0 N NAV-HBD N E SSE 3 S NAV-HBD N E SSE 3 S NAV-HBD N E S 3 S NAV-HBD N E SSW 3 S NAV-HBD N E SSW 4 NE NAV-HBD N E ENE 4 NE NAV-HBD N E E 4 NE NAV-HBD Save Time (Min) Remark Jinhae-man Anchoring 30 Dep.Jinhae-man Coast of Busan Port Arr. KMOU Pier [ 부록 1] - 11

227

228 부록 2 실험선박항해안전성평가도 부록 2-1 항해안전성평가도 : 제 1차실선실험 ( 부산 ~ 제주 ) 항해구간, ~ 19 부록 2-2 항해안전성평가도 : 제 2차실선실험 ( 제주 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 22 부록 2-3 항해안전성평가도 : 제 3차실선실험 ( 목포 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 20 부록 2-4 항해안전성평가도 : 제 4차실선실험 ( 진해 ~ 부산 ) 항해구간,

229

230 부록 2-1 항해안전성평가도 : 제 1 차실선실험 ( 부산 ~ 제주 ) 항해구간, ~ 19 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 1 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 1

231 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 1 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 2

232 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 1 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 3

233 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 1 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 4

234 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 1 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 5

235 부록 1-2 항해안전성평가도 : 제 2 차실선실험 ( 제주 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 22 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 2 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 6

236 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 2 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 7

237 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 2 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 8

238 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 2 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 9

239 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 2 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 10

240 부록 2-3 항해안전성평가도 : 제 3 차실선실험 ( 목포 ~ 부산 ) 항해구간, ~ 20 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 3 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 11

241 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 3 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 12

242 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 3 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 13

243 Evaluation Diagram of Navigation Safety / 항해안전성평가 / 3 차실선실험 Date & Time :00(KST) :30(KST) :00(KST) SPI Date & Time :30(KST) :00(KST) :30(KST) SPI [ 부록 2] - 14