운동 기준 장치(MRU)

MRU의 측정 항목

내부에는 3개의 가속도계와 3개의 각속도 센서가 있으며, 각 축에 각각 1개씩 배치됩니다. 각속도 센서는 선박의 회전 속도를 측정합니다. 가속도계는 선형 가속도와 중력 방향을 측정해 각도 드리프트를 억제합니다. 프로세서가 두 측정값을 결합하여 다음을 출력합니다:

• 각도: 중력 방향을 기준으로 한 롤과 피치.
• 히브: 해당 지점의 평균 위치를 기준으로 한 수직 변위와 수직 속도 및 가속도.
• 각속도와 가속도는 3개 축 모두에서 출력되며 제어기가 직접 사용합니다. DP 시스템은 롤과 피치를 이용해 위치 기준값을 보정합니다.

MRU는 선박의 위치를 알지 못합니다. 히브는 절대 높이가 아닌 평균 위치를 기준으로 측정합니다. 많은 장치는 요를 회전 속도로만 출력하며, 진방위는 자이로컴퍼스나 GNSS 컴퍼스에서 얻습니다. GNSS 위치 측정 기능을 더한 장치는 관성 항법 시스템으로 판매됩니다.

6자유도 운동

선박은 6가지 방식으로 움직입니다. 3개 축을 따라 병진 운동하고 같은 3개 축을 중심으로 회전합니다:

파랑 주기별 선박의 응답은 응답 진폭 연산자(RAO)로 나타냅니다. 자세한 내용은 선박 운동과 RAO.

MRU의 히브 산출 원리

MRU에는 높이 센서가 없습니다. 자체 축을 따라 가속도를 측정하고, 롤과 피치로 구한 수직 성분을 a_z로 나타냅니다. 중력 가속도를 제거하고 두 번 적분합니다:

이중 적분에서는 바이어스가 빠르게 커집니다. 0.001 m/s²만으로도 1분 만에 1.8 m의 가짜 히브가 발생합니다. (\tfrac{1}{2} b t^2). 따라서 히브 프로세서는 결과에 고역 통과 필터를 적용합니다. 파랑 주파수 대역의 운동은 유지하고 저주파 드리프트는 제거합니다. 다만 차단 주파수에 가까운 장주기 너울에서는 실시간 히브의 진폭이 줄고 실제 운동보다 위상이 앞섭니다. 제어기에서는 두 오차 모두 잔류 운동으로 나타납니다.

그래서 대부분의 MRU는 두 종류의 히브 출력을 제공합니다:

제어기는 실시간 히브만 사용할 수 있습니다. 위치만큼 속도도 중요합니다. 능동 히브 보상 장치는 히브 속도에 대응해 윈치나 실린더를 구동하며, 측정값을 앞질러 예측해 구동기의 지연을 보완합니다.

일반적인 정확도

여러 제조사의 데이터시트에는 현재 중급 및 고급 장치의 성능이 비슷한 수준으로 제시됩니다:

2020~2025년 공개 데이터시트 기준. 최고급 장치는 약 0.008° 및 지연 히브 1 cm 또는 1 %에 도달합니다. 이 값들은 일반적인 수치이며, 실제 성능은 선정한 장치의 데이터시트와 시험 조건에 따라 판단해야 합니다.

인양 작업에서는 센서 자체의 오차(5 %, 따라서 히브 2 m에서 약 10 cm)가 가장 큰 오차인 경우는 드뭅니다. 더 큰 오차는 대개 센서 외부에서 발생합니다. 레버 암이 잘못되었거나, 설치 방향이 틀어졌거나, 신호를 잘못된 지점의 운동으로 해석하는 경우입니다.

설치 위치와 레버 암

MRU는 고정된 지점의 운동을 보고합니다. 30 m 떨어진 크레인 선단은 회전 운동이 더해져 훨씬 크게 움직입니다. 선수가 1도 들리는 피치는 전방 30 m 지점을 다음만큼 들어 올립니다:

따라서 제어기는 선박의 각속도 \boldsymbol{\omega} 와 두 지점 사이의 레버 암 \mathbf{r}_{OP} 을 이용해 센서 O에서 크레인 선단 P로 운동을 변환합니다:

이 식은 선체에 고정된 지점에 적용됩니다. 크레인이 선회하거나 붐을 올리고 내리면 선단은 선체에 대해서도 움직이므로, 제어기는 크레인 자체의 각도 센서로 구한 속도를 더합니다. 히브 보상 장치는 수직 성분 v_{P,z}을 사용합니다. 많은 MRU는 설정한 원격 지점의 운동을 동일한 오프셋으로 계산해 출력할 수도 있습니다. 어느 방식을 쓰든 설치가 정확도를 좌우합니다:

• 설치 위치: 회전 중심 가까이의 강성이 높은 구조물에 설치하고, 엔진 등 진동원에서 멀리 둘 것.
• 축 정렬: 선박 좌표축과 맞추고 설치 오프셋을 기록할 것. 센서가 틀어지면 잘못된 축에 대한 롤과 피치를 보고하고 운동을 잘못된 지점으로 변환합니다.
• 오프셋 측량: MRU에서 운동 정보가 필요한 모든 지점까지의 오프셋을 측량하고, 부호와 단위를 제어기 좌표계와 대조할 것.
• 고장 대비: 인양 전에 두 번째 MRU와 신호 상실 또는 비정상 신호에 대한 대응 절차를 마련할 것. 작업 중에 정해서는 안 됩니다.

히브 보상에서의 MRU

크레인의 능동 히브 보상에서는 MRU가 입력 신호를 제공합니다. 제어기는 실시간 운동을 크레인 선단 위치로 변환하고, 구동기 지연을 고려해 앞선 시점의 운동을 예측한 뒤 윈치나 실린더를 반대 방향으로 구동합니다. 하중이 얼마나 안정적으로 매달리는지는 MRU의 정확도와 지연, 예측 성능, 구동기의 속도와 힘을 포함한 전체 시스템에 달려 있습니다. 센서만으로는 훅을 정지시킬 수 없습니다.

수동 히브 보상 장치에는 MRU가 필요하지 않습니다. 가스 스프링이 하중 자체에 반응하므로, 운동을 측정하지 않고도 크레인 선단의 히브로부터 하중을 격리합니다. ANTARES는 당사의 적응형 수동 히브 보상 장치로, 하중 지지는 수동으로 유지하면서 자체 센서로 감쇠를 자동 제어합니다. VEGA는 개발 중인 인라인 능동 히브 보상 장치로, MRU를 이용한 능동 실린더 제어와 자동 감쇠 제어를 결합합니다. 능동 및 수동 히브 보상 비교 에서는 각각 적합한 경우를 설명합니다.

IMU, VRU 또는 MRU

제조사마다 명칭이 겹치기도 하지만, 각 명칭은 장치의 신호 처리 수준을 나타냅니다:

능동 히브 보상에서는 명칭보다 필요한 출력이 중요합니다. 제어기가 요구하는 지점의 실시간 히브와 속도가 명시된 지연 시간 내에 제공되어야 합니다.