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ISSN : 1225-827X(Print)
ISSN : 2287-4623(Online)
Journal of the Korean Society of Fisheries Technology Vol.54 No.3 pp.231-238
DOI : https://doi.org/10.3796/KSFOT.2018.54.3.231

A study on ship motion control system design for autonomous ship

Kyong-Hyon KIM, Young-Bok KIM1, Sang-Won JI2*
College of Fisheries Sciences, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
1Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University, Busan 48547, Korea
2Korea Construction Equipment Technology Institute, Kunsan 54004, Korea
Corresponding author: realpneumatic@gmail.com, Tel: +82-63-447-2545, Fax: +82-63-467-0531
20180409 20180515 20180604

Abstract


In this study, a ship motion control system design method is introduced for autonomous ships. Some related research results and technologies for autonomous ships have already been developed and applied to ships. For example, the Norwegian Maritime Authority and the Coastal Administration have signed an agreement that allows to test of autonomous ships in the defined area (port to port). Many countries and industries are pursuing to realize the autonomous vessel in the real world. In this paper, the authors try to develop related technology. As basic research, a ship model of the pilot vessel is developed and physical parameters are identified by experiment and simulations. Using the mathematical ship model, a control system is designed and control performance is evaluated by simulations.



선박 자율 운항을 위한 선박운동제어에 관한 연구

김 경현, 김 영복1, 지 상원2*
부경대학교 수산과학대학
1부경대학교 기계시스템공학과
2건설기계부품연구원

초록


    National Research Foundation of Korea
    2015R1 1A1A09056885

    서 론

    제어·계측공학기술의 발전은 모든 산업분야에서의 자동화 수준을 향상시키는데 지대한 공헌을 하였고, 산 업전반에 걸쳐 인간의 직접적 관여를 줄여 편이성을 극 대화하는데 기여하고 있다. 자율 주행 자동차 등이 그 일례이며, 운행 안전성 확보를 위한 기술개발도 지속적 으로 추진되고 있다. 이러한 추세는 육상환경에 국한되 지 않고, 해상에서 운용되는 선박 등에 적용하고자 하는 노력도 오래전부터 추진되어 왔고, 관련기술도 상당한 수준에 이르렀다 할 수 있다. 이미 오래전에 무인선 운용 기술이 개발되었던 점을 고려하면 기술의 현장적용 면 에서는 육상보다 훨씬 앞섰다고 할 수 있다. 그러나 해상 에서의 자율운항이 가능한 무인화선박운용기술은 소형 선 및 특수 목적선(군사용)에 한정되어 있고, 상용선박 에 대해서는 파일로트의 피로도를 경감시켜 근무환경을 개선하기 위한 지원기술 정도로 활용되어져 왔다. 끊임 없는 기술개발노력의 결과로 상용선박에도 무인화기술 을 적용하여 운용효율성을 극대화 하려는 시도가 현실 로 다가오고 있다. 예를 들어 노르웨이, 핀란드 등 선진 외국에서는 무인화기술 실용화를 위한 실 해역 검증계 획을 수립하여 추진 중에 있는데, Fig. 1은 자율운항이 가능한 컨테이너 시험선을 나타내고 있다. 자율운항 및 무인화 기술의 실용화를 위해서는 제어기술뿐 만 아니 라, 선박상태, 해상환경상태 등을 실시간으로 계측하고 분석하는 기술이 기본적으로 필요하다. 안전한 운항을 위해서는 계측기술 외, 충돌회피 기술 등이 필수적이나, 해당 선박의 물리적 특성을 실시간으로 동정하고 보정 하는 지능적인 알고리즘도 반드시 필요하다. 그 외 관련 기술을 융합하고 최적화함으로써 보다 효율적이고 안전 한 자율운항선박 운용이 가능할 것이다. 비교적 넓은 해상, 즉 통상적인 항해경로에서의 자율운항은 현재에 도 가능하다. 그러나 선박통행이 많고, 좁은 수로를 통과 하거나 항내에 진입하여 접안을 하고자 할 경우에는 보 다 복잡하고 고난도의 기술적용이 필요하다. 본 연구에 서는 이러한 추세와 문제점 등을 고려하여, 선박이 항내 로 입항해서 안벽으로 접안을 완성하는 과정에서의 선 박운동제어문제에 대해 고찰한다.

    상용선박에 대한 운동제어문제는 항만을 벗어난 비교 적 넓은 해상환경에서 설정된 장거리 경로를 추종해 가도 록 하는데 목적을 둔다. 물론 운항 중에 발생하는 방해요 인에 대한 적절한 대처기술도 당연히 포함된다. 이러한 제어기술이 선박시스템에 적용되기 시작한 것은 1990년 대 초반부터이나, 주행속도변화가 작거나 거의 일정 속도 에서의 경로제어문제가 주된 이슈였다. 그리고 선박접안 관련 연구결과로는, 다층 피드 포워드 뉴럴(neural) 회로 망을 사용하여 자동으로 선박을 접안하기 위한 다 변수 뉴럴제어기 설계방법이 제시되었다(Yamato et al., 1990; Zang et al., 1997). 이 뉴럴제어기는 환경 교란의 영향 아래에서도 강인한 제어성능을 유지하기 위해 파라미터 를 온라인으로 조정하도록 설계되었다. 그런데 선박운동 제어 관련 연구결과 중 가장 대표적인 것으로는, 4기의 아지무스 추진장치(azimuth type propeller)를 갖는 선박운 동제어시스템 구축에 관한 것이다(Fossen, 2002). 가장 선 도적인 연구결과로 평가받고 있으나, 해당 연구결과는 일 반선박 보다는 FPSO, 드릴쉽 등 특수목적선의 자기위치 유지시스템(DPS : Dynamic Positioning System)으로 활용 되고 있다.

    그 외 연구결과도 이론적 접근방법이 다를 뿐, 주추진 장치와 러더 제어만으로 접안을 시도하는 방법이다 (Akasaka and Yamamoto, 1999; Bu et al., 2007; Duc, 2001; Kasasbeh et al., 1993; Takai and Yoshida, 1987).

    위의 선행연구결과에서는, 외항에서와 같이 항내에서 도 경로를 설정하여 설정된 경로를 추종하도록 하는데 제어목표를 두고 있다. 사이드 스러스터(side thruster) 없이 주추진장치와 러더만의 조작에 의한 연구결과이 며, 안벽으로 접근함에 따라 안벽과 선박간의 유체력특 성변화 등의 고려는 없다. 이러한 문제를 부분적으로 극복하기 위해 경로추종문제를 제외하고, 사이드 스러 스터만으로 안벽과 평행하게 선박을 이동시켜 접안의 마지막 단계를 완성하고자 하는 시도도 있었다(Bui et al., 2010). 그리고 4기의 터그보트를 원격으로 제어하여 접안하는 방법과(Bui et al., 2011; Bui and Kim, 2011; Hasegawa and Fukutomi, 1994), 사이드 스러스터 외 안 벽에 댐퍼형의 가이딩 장치를 도입하여 터그보트 지원 없이도 접안이 가능한 연구도 수행되었다(Tran et al., 2014). 이 연구결과는 접안의 최종단계에서 접안작업의 안정성을 극대화하려는 연구결과로 어떠한 접안기술을 도입하더라도 반드시 필요한 기술로 평가된다.

    일반적으로 선박이 항만을 떠나 항해를 거쳐 완전한 접안이 완성되기까지의 과정은 크게 세가지 형태로 구 분할 수 있다. 즉, 항만을 벗어나는 이안, 경로추종이 주가 되는 항해, 그리고 접안이다. 특히 접안은 외항에서 의 항해과정과는 완전히 다른 개념으로 접근해야 한다. 접안시작에서 완료까지의 이동구간은 짧으나 터그보트 등의 지원이 반드시 필요하며, 상대적으로 긴 시간이 소요되고 충돌 등 안전사고 위험이 높다. 자율운항선박 은 외적 도움이 없이 출항에서 접안까지의 모든 과정을 독립적으로 수행해야 하므로, 단순 경로추종기술만으로 는 목적달성이 불가능하다. 특히 선박이 접안을 위해 진입하는 항내 환경은 외항에서의 운항환경과 확연히 다르다. 상대적으로 얕은 항내 수심과, 선박이 안벽으로 접근하면서 발생하는 안벽과 선박간의 유체력 특성변화 는 예측이 어려울 정도로 복잡하여 접안작업을 어렵게 한다. 이러한 복잡한 환경변화에 적극적으로 대응하고 안전한 접안을 실현하기 위해서는 선박자체에 새로운 기술을 도입함으로써 그것이 가능하게 되었다. 대표적 인 기술이 사이드 스러스터 및 아지무스 추진장치이다. 본 연구에서는 자율운항선박시스템 구축을 위한 핵심기 술의 하나로서, 복잡한 항만에서 안벽까지 안전하고 신 속하게 접안하기 위한 선박운동제어시스템 구축문제에 대해 고찰한다. 제어대상 선박은 두개의 사이드 스러스 터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 1:100 축소 모델을 이용한다. 해당선박에 대한 물 리특성은 실험을 통해 분석하여 수식모델을 구축하고 모델에 표현된 파라미터를 추정한다. 이를 기반으로 제 어기를 설계하고 시뮬레이션을 수행하여, 경로추종성능 등 자율운항 선박이 갖추어야 할 운동제어성능을 평가 하도록 한다.

    제어대상의 모델링 및 파라미터 추정 제어대상의 수식적 표현

    본 연구에서의 제어대상은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 사이드 스러스터와 아지무스 추진장치를 갖는 실험용 선박이며, 실제 운항중인 선박의 축소모델이기도 하다.

    본 논문에서 고려하는 선박은 XY 평면에서 서로 대 칭이고 무게 및 회전중심도 좌표중심 근처에 있다고 가 정하고, 선박운동방정식을 다음과 같은 일반적인 선형 모델로 나타낸다.

    M v + D v = τ , η ˙ = R ( ψ ) v
    (1)

    여기서 M R 3 × 3 은 관성행렬이고, D R 3 × 3 는 댐핑행렬로 각각 식 (2)와 같이 표현된다.

    M = [ m X u 0 0 0 m Y v ˙ Y r 0 N v ˙ I z N r ˙ ] D = [ X u 0 0 0 Y v Y r 0 N v N r ]
    (2)

    그리고 η = [ x , y , ψ ] T R 3 는 지구고정좌표(Earth Fixed Frame)에서의 위치 ( x , y ) 와 각도 ψ 에 대한 관 성위치이다. 또한 v = [ u , v , r ] T R 3 는 선체고정좌표 (Body Fixed Frame)에서의 서지(surge), 스웨이(sway) 및 요우(yaw)방향 속도를 나타낸다. 그리고 R ( ψ ) 는 선박좌 표를 관성좌표로 변환시키는 변환행렬로 다음 식과 같다.

    R ( ψ ) = [ cos ψ sin ψ 0 sin ψ cos ψ 0 0 0 1 ]
    (3)

    선박에 작용하는 서지, 스웨이, 요우방향의 외력 및 모멘트 τ = [ τ 1 , τ 2 , τ 3 ] T R 3 는 두 개의 스러스터 및 주추진장치에 의해 발생되며, 각 요소 벡터는 다음 식으로 정리된다.

    τ 1 = T P + T + Δ u τ 2 = T B + T S + N + Δ v τ 3 = T B L B T S L S + N L R + Δ r
    (4)

    위 식 및 Fig. 2에 나타낸 각 파라미터를 다음과 같이 정리한다.

    • O ( x 0 , y 0 ) : 공간고정좌표계

    • G ( x , y ) : 선체고정좌표계

    • m : 선체질량

    • I z : 선체의 z 방향 관성모멘트

    • X u ˙ , Y v ˙ , Y v ˙ , Y r ˙ : 부가질량

    • N v ˙ , N r ˙ : 부가관성모멘트

    • u , v : x , y 방향 속도성분

    • ψ : 선수방위각

    • T P : 아지무스 프로펠러 추력(주추진장치 추력)

    • N , T : 아지무스 프로펠러의 직압력 및 평행력

    • T B , T s : 바우 및 스턴 스러스터 추력

    • L B , L S , L R : 각 스러스터 및 주추진장치 중심에서 선박무게중심까지 거리

    • δ : 주추진장치 회전각도(타각도)

    • Δ u , Δ v , Δ r : 정의되지 않는 불확실성(외란, 파라 미터 불확실성 등)

    파라미터 추정

    Fig. 2에 나타낸 제어대상 실험선의 물리적 특성을 나타내는 가장 기본적인 정보로는, 선체 질량, 선체길이 및 각 액추에이터가 설치된 위치 정도이다. 따라서 식 (1), (2), (4)에 포함된 그 외의 물리파라미터를 계산하거 나 추정해야 한다.

    본 연구에서는 실험적 방법으로 각 파라미터를 추정 하도록 한다.

    실험을 위해 제작한 선박과 선박에 장착된 제어 및 계측시스템을 Fig. 3에 나타내었고, 실험선박에 대한 제원은 Table 1에 요약하여 나타내었다.

    실험용 선박에서 동정해야할 물리파라미터는 식 (2) 와 식 (4)에 표현된 대부분이 해당된다. 동정을 위해서 는, 선박의 스웨이 모션 및 서지방향 운동 특성을 분석하 고, 스러스터 및 주추진장치 구동입력 및 출력간의 관계 를 분석하도록 한다.

    먼저 요우운동특성을 분석(동정)하기 위해 바우 및 스턴 스러스터에 펄스형의 구동전압을 인가했을 때의 응답을 Fig. 4 (bow thruster)와 Fig. 5 (stern thruster)에 나타내었다. 이 그림에서 실선은 실험결과이고, 파선은 파라미터 동정을 통해 구한 값을 검증하기 위한 시뮬레 이션결과를 나타내고 있다.

    그리고 서지방향의 운동특성을 분석하여 관련된 파라 미터를 추정한다. 이를 위해 Fig. 6 (a)와 같이 서지방향으 로 임펄스형의 힘을 가했을 때의 선박운동특성을 분석하 였다. 즉, Fig. 6 (b)는 (a)와 같은 힘이 작용했을 때의 서지 방향으로 선박이 이동하는 상태를 나타내고 있다. 그림에 서 실선은 실험결과이고 파선은 동정된 값을 이용한 시뮬 레이션결과이다. Fig. 4~Fig. 6의 결과에서 실험결과와 추 정된 파라미터를 이용한 시뮬레이션결과의 유사도가 우 수함을 알 수 있다. 즉, 추정된 파라미터는 실험선의 동적 특성을 충분히 반영하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 식 (4)에서, 스러스터 및 주추진장치의 추력특성 ( T B , T S , T P )은 모터 인가전압과 추진력의 관계로부 터 구하도록 한다. 그래서 각 추진장치에 다양한 전압을 인가하고 그때의 발생추력을 실험으로 구하였고, 그 중 대표적인 특성을 Fig. 7~Fig. 9에 나타내었다. Fig. 7은 바우측 스러스터, Fig. 8은 스턴측 스러스터, Fig. 9는 주추진장치로부터 발생된 추력을 각각 나타내고 있다. 이때 실선은 실험결과이며 파선은 추정값을 이용한 시뮬 레이션 결과를 나타내고 있다. 이때 동정결과로부터 구 한 입력전압과 추력과의 관계는 2차함수형식으로 표현 된다. 그러나 본 연구에서는 편이상 단순화하여 다음식 과 같이 선형적관계로 정의한다. 여기서 V B , V S , V P 는 각각 바우, 스턴 및 주추진장치 구동전압을 나타낸다.

    T B = 0.18 V B , T S = 0.26 V S , T P = 0.21 V P
    (5)

    그리고 주추진장치는 아지무스 추진장치이므로, 선회 를 위한 러더(rudder)기능을 포함하고 있다. 본 연구에서 는 별도의 러더가 없고 주추진장치의 회전각도를 조절 함으로써 선수각을 조절한다. 따라서 주추진장치의 회 전각도에 따라 추력이 변하게 되므로 이러한 영향도 수 식모델에 반영해야 하는데, 이것은 식 (4)에서 직압력 T 와 평행력 N 으로 정의되고 다음 식으로 표현된다.

    T = k v δ δ max max ( T P , δ = 0 ) N = k u δ δ max max ( T P , δ = 0 )
    (6)

    여기서, k v , k u 는 추정해야 할 상수값이며, max ( T P , δ = 0 ) 추진장치의 최대추력이다. k v , k u 값을 추정하기 위해 주추진장치를 최대출력상태로 해 두고, 추진장치의 회 전각도를 0° 에서 30° 까지 변경해가면서 서지 및 스웨 이방향 추진력분포를 계측하였다. 이때 각각의 계측값 은 0.73 k v 2.78 , 0.65 k u 1.61 이었고, 이 것의 평균값 k u = 1.61 , k u = 0.78 을 제어기 설계 및 시뮬레이션에 이용하기로 한다.

    결과적으로 실험 및 시뮬레이션으로 계산하고 추정한 식 (2)의 물리파라미터 행렬은 다음과 같다.

    M = [ 0.22 0 0 0 10.03 0 0 0 1.19 ] , D = [ 0.80 0 0 0 2.70 0 0 0 0.08 ]
    (7)

    시뮬레이션 및 고찰

    지금까지의 준비를 기초로 하여 시뮬레이션을 실행한 다. 시뮬레이션에서 선박이 이동해야 할 경로를 Fig. 10 과 같이 두 단계로 설정하였다. 이것은 선박이 항만으로 진입하여 접안이 완성되기까지의 일반적인 상황과 과정 을 고려한 것이다.

    그리고 선박운동제어를 위한 제어기는 가장 일반적인 PID 제어기로, Matlab에서 최적 이득 조정기법을 이용 하여 설계하였으며, PID 제어기의 각 이득은 다음 식과 같다.

    K P = [ 12.9 0 0 0 16.9 0.05 0 0.05 0 ] , K f = [ 0 2.70 0.09 0 0.09 0.53 4.13 0 0 ] , K D = [ 4.13 0 0 0 6.08 0.18 0 0.18 1.21 ]
    (8)

    지금부터는 시뮬레이션을 통해 설계된 제어계의 제어 성능을 평가하도록 한다.

    앞서 설명하였듯이 본 연구에서는 선박이 항해를 마 치고, 항내로 진입하여 접안하는 과정에서의 선박운동 을 적절히 제어하여 정해진 위치에 정지하도록 하는 것 에 목표를 두고 있다. 시뮬레이션 방법은, Fig. 10과 같이 A지점에서 출발하여, B점을 통과한 후 최종적으로 C점 에서 선박이 정지하도록 경로를 설정하였다.

    이때 최종목표지점 좌표는 ( x , y ) = ( 15 [ m ] , 10 [ m ] ) 이고, 선수각(요우각도)은 시작점에서 30° 이며, 최종적으 로는 접안 안벽과 선박이 평행하도록 0° 로 설정하였다.

    이렇게 설정한 값들을 기반으로 시뮬레이션을 실행하였다.

    먼저 설정된 이동경로에 대한 해당선박의 추종성능을 Fig. 11에 나타내었다. 그리고 선박이 설정된 경로를 추 종하는 과정에서의 선수각 변화를 같은 그림의 좌 상단 에 나타내었다. 설정된 선수각을 양호하게 추종하고 있 을 뿐 아니라, 설정된 경로에 대한 선박의 추종성능도 상당히 우수함을 확인할 수 있다.

    그리고 Fig. 12에는, 선박운동을 제어하기 위해 제어 기로부터 각 액추에이터(바우, 스턴 스러스터 및 주추진 장치)에 인가되는 제어전압을 나타내고 있다. Fig. 13은 선수각을 제어하기 위한 주추진장치의 회전각도를 나타 내고 있다. 여기서 주추진장치의 최대 회전각도는 30° 로 제한하였다. 여기서 주목해야 할 것은 Fig. 12에 나타 낸 각 액추에이터 구동전압이다. 접안하는 선박이 안벽 에 접근한 상태(Fig. 10에서 B-C구간)에서 사이드 스러 스터가 동작하고 있음을 알 수 있다. B-C구간에서는 주 추진장치의 회전각(러더각)이 0° 이다. 따라서 선수각 은 사이드 스러스터를 구동하여 조절해야 하며, 결국 스러스터 추진력으로 안벽과 평행을 유지하려 노력하고 있다는 것을 알 수 있다.

    결론적으로 각 액추에이터 제어를 통해 선박운동을 제어하기 위한 제어력이 발생되고, 임의의 지점에서부 터 접안지점까지 선박을 안전하고 정확하게 이동시킬 수 있음을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.

    결 론

    본 연구에서는 자율운항선박시스템 구축을 위한 핵심 기술에 대해 고찰하였다. 선박의 자율운항을 위해서는 다양한 기술의 융합이 필요하며, 특히 복잡한 항만환경 에서도 설정된 경로를 따라 안벽까지 안전하고 신속하 게 접안하기 위한 선박운동제어시스템 구축이 필수적이 다. 그래서 본 연구에서는 두개의 사이드 스러스터와 하나의 아지무스 추진장치(주추진장치)를 갖추고 있는 실제 운항선박의 축소모델을 대상으로, 물리특성을 분 석하고 제어기를 설계하여 선박접안을 위한 시뮬레이션 평가를 수행하였다. 스러스터 및 주추진장치 등 각 액추 에이터의 적절한 제어를 통해 우수한 선박운동제어성능 을 달성할 수 있었다. 향후에는 외란억제성능 및 불확실 성에 강인한 제어기를 설계하여, 실제 접안환경에도 충 분히 대응할 수 있는 제어시스템 구축을 위해 노력할 계획이다.

    사 사

    This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea Government (Ministry of Education) (No. NRF-2015R1 1A1A09056885).

    Figure

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    An autonomous container ship (Yara Birkerland).
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    System description.
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    Vessel with control and measurement apparatus.
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    Yaw rate responses by using bow thruster (solid: experiment, dashed: estimation).
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    Yaw rate responses by using stern thruster (solid: experiment, dashed: estimation).
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    Pulling force for moving the vessel in surge direction and vessel motion.
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    Propulsion force of bow thruster (solid: experiment, dashed: estimation).
    KSFOT-54-231_F8.gif
    Propulsion force of stern thruster (solid: experiment, dashed: estimation).
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    Propulsion force of azimuth propeller (solid: experiment, dashed: estimation).
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    Reference tracking root for controlled vessel.
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    Tracking performance of the vessel for the reference tracking root.
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    Electric control power inputs [V] to the three actuators (main propeller, bow and stern thrusters) during vessel root tracking.
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    Main propeller (azimuth) rotation angle during vessel root tracking.

    Table

    Specification of the vessel for experiment

    Reference

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