Many ideas from traditional robot navigation technology have been adopted to a ship navigation problem, in most cases, however, hydrodynamic or aerodynamic effects in ocean environment were not considered sufficiently, or even ignored sometimes in path planning. This could result in waste of enormous energy or sometimes could induce potential collision risk. Ocean environmental effects should be considered much more in path planning on ocean surface than that on land, since navigation of a vehicle in ocean environment is like to navigate the vehicle on the terrain where several different vector and scalar forces exist. Real-time control itself is essential indeed in the navigation problem to avoid unexpected collisions, however, we can save more energy and even reduce the collision risk by considering environmental effects earlier, in the path planning step. Considering external loads in the path planning step is also more desirable rather than doing in the path following step because computational resource is limited much more during field operations in many cases. By considering the shallow water effect as well as tidal current and wind for path planning of a marine surface vehicle, more economical and thus efficient path can be found. Moreover, the instruments on the surface vehicle can also confine both the trajectory and the goal state severely. Unnecessary efforts and collision risks due to misled path can be greatly reduced if the goal orientation is considered during the path planning step. In this thesis, a deterministic 2-dimensional path planning method considering various ocean environmental effects would be introduced firstly with the newly suggested cost function. And then, a 3-dimensional path planning considering heading angle of a vehicle would be proposed by applying the concept of 2-dimensional search to that of 3-dimensional search on 2-dimensional surface plane. Through a path planning system suggested, more realistic and practical route can be generated, and collision risk also can be reduced reasonably. The proposed path planning methods would be examined through computer simulations in various conditions for validation.
수상선의 자율 운항 시스템을 구축하기 위하여 로봇 공학에서 쓰이던 자율 주항 기술들이 많이 도입되어 왔다. 하지만 여지껏 경로 계획 단계에서 해양 환경의 수중 역학 및 기체 역학적인 영향들이 제대로 고려되어진 적은 없으며, 이로 인하여 불필요하게 연료를 낭비하게 되거나 잠재적인 충돌 위험이 유발되는 경로가 생성될 수도 있었다. 수상에서의 경로 계획은 육상에서의 단순한 경로 계획과는 많이 다르며, 수상선에 다양하면서도 큰 영향을 주는 해양 환경 요소들을 반드시 고려해야 한다. 예측 불가능한 충돌을 회피하기 위하여 실 운항 시의 제어는 필수적이긴 하지만, 그 이전의 단계인 경로 계획 단계에서 이러한 해양 환경 요소들을 미리 고려함으로써, 우리는 에너지를 절감할 수 있고, 잠재적인 충돌 위험 또한 줄일 수 있게 된다. 그리고 실제 현장 작업 수행 시에는 대부분의 경우 복잡한 연산을 수행할 시간적인 자원이 부족하므로, 경로 추종 단계가 아닌 경로 계획 단계에서 이를 고려하는 것이 더욱 바람직하다. 조류, 해상풍, 천수 효과 등의 해양 환경 요소들을 수상선의 경로 계획에 고려함으로써 더욱 경제적이며 효율적인 경로를 생성할 수 있게 된다. 더구나, 수상선에 설치된 여러 가지 설비들의 특성 상 방향적인 제한이 있는 경우가 많고, 이런 제한 요소들은 수상선의 동선 및 도착 시의 상태 등을 제한하게 된다. 도착점에서의 수상선의 선수각을 경로 계획에서 미리 고려함으로써, 이를 고려하지 않았을 경우의 경로에 의한 불필요한 혼란 및 충돌을 크게 줄일 수 있게 된다. 본 연구에서는 다양한 해양 환경 요소들의 영향을 고려한 결정적 2차원 경로 계획법이 새로운 비용 함수와 함께 제시되었다. 그리고 이러한 개념을 2차원 평면 상의 3차원 검색에 적용함으로써 수상선의 선수각까지 고려한 경로 계획법도 제안하고 있다. 제안된 경로 계획법들은 다양한 환경에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 검증하였으며, 제시된 경로 계획법이 기존의 널리 쓰이고 있는 거리 기반의 경로 계획법에 비하여 더욱 사실적이며 경제적인 충돌 회피 경로를 생성한다는 것을 확인하였다.
