Growing demand for ocean resources has increased the need for ocean mining; ocean development has been moving into deeper water for decades. As station-keeping became a large obstacle to the use of conventional mooring systems in deep water, dynamic positioning (DP) control was introduced. DP control systems have seen many technological advancements since their emergence. Currently, DP control is applied to vehicles that are operated underwater or at the water's surface.
Using active thrusters, DP control systems automatically maintain the position and heading of floating structures subjected to environmental disturbances. DP systems are generally composed of a controller and a thrust allocator. Most DP-controlled ships are overactuated and the allocator decides how to distribute the thrust forces to each actuator device based on mechanical or operational constraints.
In 2014, the Maritime RobotX Challenge competition was held in Singapore. A catamaran surface vessel platform was provided to each participating team; however, propulsion and control systems were to be designed by each team. Some of the challenge missions required maneuvering skills such as station-keeping and weathervaning. Therefore, two thruster configurations were designed and examined so as to achieve DP maneuvering: one approach was to adopt a bow thruster; the other approach was to use azimuth thrusters. The design and experimental demonstration of these two DP systems are separately addressed.
Among various thruster configurations, azimuth thrusters or propeller/rudder pairs tend to make the allocation problem difficult to solve, because these types of propulsion systems include nonlinear constraints. Therefore, numerical optimization is generally required to perform thrust allocation. In addition, if there exists a non-convex constraint, the allocation problem becomes more complex. To solve these types of allocation problems, more elaborate techniques may be required.
In addition, twin-thruster vessels are conditionally underactuated unless the azimuth thrusters cannot rotate a full 360 degrees. This results because the thrust allocation problem does not have a feasible solution because of the angle constraint. This underactuation makes it harder to achieve DP control of a twin-thruster vessel. A path planning or nonlinear control law may be required so as to overcome the underactuation.
This thesis presents a dynamic positioning strategy for a twin-thruster ship that is propelled by two azimuthing thrusters. The geometrical configuration of a twin-thruster vessel makes it possible to simplify the thrust allocation problem. Based on this simplification, a thrust allocation method is proposed; this method does not require a numerical optimization solver. The proposed method directly determines actuator control input, and also indicates whether there is a feasible solution. Using this information, a heuristic approach that overcomes the underactuated property of a twin-thruster vessel is proposed.
Finally, the applicability of the proposed method is demonstrated through a set of experimental studies.
동적위치제어시스템(Dynamic Positioning System)은 유정사업이 점차 심해역으로 확대되어감에 따라 기존의 계류시스템을 대체할 수 있는 위치유지시스템으로서 개발되었다. 동적위치제어시스템은 추진기만을 이용하여 선박 또는 부유식 구조물이 바람, 파도, 조류 등의 환경외란을 극복하고 위치와 자세 제어를 할 수 있게끔 하는 시스템으로, 현재는 지속적인 기술 발전을 이루어 무인해양로봇에도 응용이 되고 있다.
추력분배(Thrust allocation)는 제어기와 더불어 동적위치제어시스템을 구성하는 중요한 요소 중 하나이다. 추력분배는 다수의 추진기가 장착된 선박이 제어 입력에 해당하는 추력을 효율적으로 발생시킬 수 있도록 각 추진기에 할당되는 추력을 결정하는 절차이다. 대부분 해양 운동체의 동적제어시스템은 내마모성, 내고장성, 연료 절약, 비용 절감 등을 목적으로 추력분배를 사용한다.
추력분배는 구동기들이 정해진 조건 하에서 특정 목적 함수를 최소화하는 방향으로 작동하도록 하는 최적화문제로 기술되고 풀이된다. 여기에서 구속조건은 보통 구동기의 작동 성능이 되며, 목적함수는 추진기가 소모하는 에너지가 된다. 추력분배에 대한 문제 기술 방법과 그 풀이 방법은 여러 가지가 있는데, 많은 경우가 수치 최적화 기법을 필요로 한다. 특히, 다수의 추진기에 대해 타각 제한이나 최대 추력 제한 등의 추진제약조건을 고려하면서 추력분배를 실시하기 위해서는 대부분의 경우가 수치 최적화 기법을 요구한다.
본 논문에서는 별도의 추가적인 추진장치 없이 두 개의 추진기만으로 구동되는 쌍축쌍타선의 추력분배문제를 해석적으로 풀이하는 방법을 소개한다. 제시하는 해석 방법을 두 개의 아지무스 추진기만으로 구동되는 쌍축쌍타선의 추력 분배에 적용함으로써, 추력 포화상태 및 타각 제한 조건을 유기적으로 고려하며 효율적인 추력분배를 가능케 하는 추력 해를 구하는 과정을 보인다.
본 논문은 쌍추진기 선박을 이용하여 수행된 다양한 위치제어 실험의 결과를 함께 제시한다. 먼저 2014년에 개최된 국제자율무인수상선 경연대회를 위해 설계된 동적위치제어시스템에 대한 일련의 위치제어 실험 결과들이 제시되며, 다음으로는 제안된 추력분배 기법을 적용한 쌍추진기 선박의 위치제어 실험 결과를 보인다. 이를 통해 무인선박에 적용되는 동적위치제어시스템의 두 가지 설계를 볼 수 있으며, 더불어 제안된 추력분배 기법의 유용성을 검증한다.
