Автопилот — это система, используемая для управления траекторией движения транспортного средства без необходимости постоянного ручного управления со стороны человека-оператора. Автопилоты не заменяют людей-операторов. Вместо этого автопилот помогает оператору управлять транспортным средством, позволяя оператору сосредоточиться на более широких аспектах операций (например, мониторинге траектории, погоды и бортовых систем). [1]
При наличии автопилота он часто используется совместно с автоматом тяги — системой управления мощностью, вырабатываемой двигателями.
Систему автопилота иногда в разговорной речи называют «Джордж» [2] (например , «мы дадим Джорджу полетать некоторое время»; «Джордж сейчас управляет самолетом». ). Этимология прозвища неясна: некоторые утверждают, что это отсылка к американскому изобретателю Джорджу Де Бисону (1897 - 1965), который запатентовал автопилот в 1930-х годах, в то время как другие утверждают, что пилоты Королевских ВВС придумали этот термин во время Второй мировой войны , чтобы обозначить, что их самолет технически принадлежал королю Георгу VI . [3]
На заре авиации самолеты требовали постоянного внимания пилота для безопасного полета. По мере того, как дальность полета самолетов увеличивалась, позволяя совершать многочасовые полеты, постоянное внимание приводило к серьезной усталости. Автопилот предназначен для выполнения некоторых задач пилота.
Первый автопилот для самолета был разработан корпорацией Sperry в 1912 году. [4] Автопилот соединял гироскопический указатель курса и указатель положения с гидравлическими рулями высоты и направления . ( Элероны не были соединены, поскольку двугранный угол крыла должен был обеспечить необходимую устойчивость по крену.) Он позволял самолету лететь прямо и горизонтально по компасу без внимания пилота, что значительно снижало его нагрузку.
Лоуренс Сперри , сын известного изобретателя Элмера Сперри , продемонстрировал его в 1914 году на конкурсе по безопасности полетов, проходившем в Париже . Сперри продемонстрировал надежность изобретения, управляя самолетом, держа руки подальше от органов управления и находясь на виду у наблюдателей. Элмер Сперри-младший, сын Лоуренса Сперри, и капитан Ширас продолжили работу над тем же автопилотом после войны, и в 1930 году они испытали более компактный и надежный автопилот, который удерживал самолет Воздушного корпуса армии США на истинном курсе и высоте в течение трех часов. [5]
В 1930 году Королевское авиационное предприятие Великобритании разработало автопилот, называемый помощником пилота , который использовал пневматически вращаемый гироскоп для перемещения органов управления полетом. [6]
Автопилот был доработан, включив, например, улучшенные алгоритмы управления и гидравлические сервомеханизмы. Добавление большего количества приборов, таких как радионавигационные средства, сделало возможным полет ночью и в плохую погоду. В 1947 году самолет ВВС США C-53 совершил трансатлантический перелет, включая взлет и посадку, полностью под контролем автопилота. [7] [8] Билл Лир разработал свой автопилот F-5 и систему автоматического управления заходом на посадку, за что был награжден Collier Trophy в 1949 году. [9]
В начале 1920-х годов танкер Standard Oil JA Moffet стал первым судном, использовавшим автопилот.
Piasecki HUP-2 Retriever был первым серийным вертолетом с автопилотом. [10]
Цифровой автопилот лунного модуля программы «Аполлон» является ранним примером полностью цифровой системы автопилота в космических кораблях. [11]
Не все пассажирские самолеты, летающие сегодня, имеют систему автопилота. Старые и небольшие самолеты авиации общего назначения, особенно самолеты, все еще управляются вручную, и даже небольшие авиалайнеры с количеством мест менее двадцати могут также быть без автопилота, поскольку они используются в коротких полетах с двумя пилотами. Установка автопилотов на самолетах с количеством мест более двадцати, как правило, является обязательной согласно международным авиационным правилам. Существует три уровня управления в автопилотах для небольших самолетов. Одноосный автопилот управляет самолетом только по оси крена ; такие автопилоты также известны в разговорной речи как «выравниватели крыла», что отражает их единственную возможность. Двухосный автопилот управляет самолетом по оси тангажа , а также по крену и может быть немного больше, чем выравниватель крыла с ограниченной способностью коррекции колебаний тангажа; или он может получать входные данные от бортовых радионавигационных систем для обеспечения истинного автоматического управления полетом после взлета самолета и до момента незадолго до посадки; или его возможности могут находиться где-то между этими двумя крайностями. Трехосевой автопилот обеспечивает дополнительный контроль по оси рыскания и не требуется во многих небольших самолетах.
Автопилоты в современных сложных самолетах являются трехосными и обычно делят полет на фазы руления , взлета, набора высоты, крейсерского полета (горизонтального полета), снижения, подхода и посадки. Существуют автопилоты, которые автоматизируют все эти фазы полета, кроме руления и взлета. Управляемый автопилотом подход к посадке на взлетно-посадочную полосу и управление самолетом при выкате (т. е. удержание его в центре взлетно-посадочной полосы) известен как Autoland, где автопилот использует систему посадки по приборам (ILS) Cat IIIc, которая используется при нулевой видимости. Эти подходы доступны на взлетно-посадочных полосах многих крупных аэропортов сегодня, особенно в аэропортах, подверженных неблагоприятным погодным явлениям, таким как туман . Самолет обычно может останавливаться самостоятельно, но для того, чтобы покинуть взлетно-посадочную полосу и вырулить к выходу на посадку, потребуется отключение автопилота. Автопилот часто является неотъемлемым компонентом системы управления полетом .
Современные автопилоты используют компьютерное программное обеспечение для управления самолетом. Программное обеспечение считывает текущее положение самолета, а затем управляет системой управления полетом , чтобы направлять самолет. В такой системе, помимо классических средств управления полетом, многие автопилоты включают возможности управления тягой, которые могут управлять дросселями для оптимизации скорости полета.
Автопилот в современном большом самолете обычно считывает свое положение и положение самолета с инерциальной системы наведения . Инерциальные системы наведения накапливают ошибки с течением времени. Они будут включать системы уменьшения ошибок, такие как карусельная система, которая вращается один раз в минуту, так что любые ошибки рассеиваются в разных направлениях и имеют общий эффект обнуления. Ошибка в гироскопах известна как дрейф. Это связано с физическими свойствами внутри системы, будь то механическая или лазерная, которые искажают позиционные данные. Разногласия между ними разрешаются с помощью цифровой обработки сигнала , чаще всего шестимерного фильтра Калмана . Шесть измерений обычно - это крен, тангаж, рыскание, высота , широта и долгота . Самолеты могут летать по маршрутам, которые имеют требуемый коэффициент производительности, поэтому необходимо контролировать величину ошибки или фактический коэффициент производительности, чтобы летать по этим конкретным маршрутам. Чем длиннее полет, тем больше ошибок накапливается в системе. Для коррекции положения самолета могут использоваться такие радиосредства, как DME, обновления DME и GPS .
.jpg/1280px-EBACE_2019,_Le_Grand-Saconnex_(EB190664).jpg)
Вариантом, находящимся на полпути между полностью автоматизированным полетом и ручным управлением, является штурвал управления ( CWS ). Хотя он становится все менее используемым в качестве отдельной опции в современных авиалайнерах, CWS все еще является функцией на многих самолетах сегодня. Как правило, автопилот, оснащенный CWS, имеет три положения: выключено, CWS и CMD. В режиме CMD (командный) автопилот полностью контролирует самолет и получает свои входные данные либо от настройки курса/высоты, радио и навигационных средств, либо от FMS (система управления полетом). В режиме CWS пилот управляет автопилотом с помощью входных данных на штурвале или ручке управления. Эти входные данные преобразуются в определенный курс и положение, которые автопилот затем будет удерживать до тех пор, пока не получит указание сделать иначе. Это обеспечивает стабильность по тангажу и крену. Некоторые самолеты используют форму CWS даже в ручном режиме, например, MD-11, который использует постоянный CWS по крену. Во многих отношениях современный самолет Airbus с электродистанционной системой управления в нормальном режиме всегда находится в режиме CWS. Главное отличие состоит в том, что в этой системе ограничения самолета контролируются компьютером управления полетом , и пилот не может вывести самолет за эти пределы. [12]
Аппаратное обеспечение автопилота различается в зависимости от реализации, но, как правило, разрабатывается с учетом избыточности и надежности в качестве основных соображений. Например, система управления полетом автопилота Rockwell Collins AFDS-770, используемая на Boeing 777, использует тройные микропроцессоры FCP-2002, которые были официально проверены и изготовлены в радиационно-стойком процессе. [13]
Программное и аппаратное обеспечение автопилота строго контролируется, и проводятся обширные процедуры тестирования.
Некоторые автопилоты также используют разнообразие дизайна. В этой функции безопасности критические программные процессы будут не только работать на отдельных компьютерах и, возможно, даже с использованием разных архитектур, но каждый компьютер будет запускать программное обеспечение, созданное разными инженерными группами, часто запрограммированное на разных языках программирования. Обычно считается маловероятным, что разные инженерные группы будут совершать одни и те же ошибки. По мере того, как программное обеспечение становится все более дорогим и сложным, разнообразие дизайна становится все менее распространенным, поскольку все меньше инженерных компаний могут себе это позволить. Компьютеры управления полетом на Space Shuttle использовали эту конструкцию: было пять компьютеров, четыре из которых избыточно запускали одинаковое программное обеспечение, а пятый резервный запускал программное обеспечение, которое было разработано независимо. Программное обеспечение на пятой системе предоставляло только основные функции, необходимые для управления Shuttle, что еще больше уменьшало любую возможную общность с программным обеспечением, работающим на четырех основных системах.
Система повышения устойчивости (SAS) — это еще один тип системы автоматического управления полетом; однако вместо поддержания требуемой высоты или траектории полета самолета SAS перемещает поверхности управления самолетом для гашения неприемлемых движений. SAS автоматически стабилизирует самолет по одной или нескольким осям. Наиболее распространенным типом SAS является демпфер рыскания , который используется для уменьшения тенденции к голландскому крену самолета со стреловидным крылом. Некоторые демпферы рыскания являются частью системы автопилота, в то время как другие являются автономными системами. [14]
Демпферы рыскания используют датчик для определения скорости вращения самолета (гироскоп или пара акселерометров), [15] компьютер/усилитель и привод. Датчик определяет, когда самолет начинает рыскающую часть голландского крена. Компьютер обрабатывает сигнал от датчика, чтобы определить отклонение руля направления, необходимое для гашения движения. Компьютер дает команду приводу переместить руль направления в противоположном направлении движению, поскольку руль направления должен противостоять движению, чтобы уменьшить его. Голландский крен гасится, и самолет становится устойчивым относительно оси рыскания. Поскольку голландский крен является неустойчивостью, которая присуща всем самолетам со стреловидным крылом, большинству самолетов со стреловидным крылом требуется какой-либо демпфер рыскания.
Существует два типа демпферов рыскания: последовательный демпфер рыскания и параллельный демпфер рыскания. [16] Привод параллельного демпфера рыскания будет перемещать руль направления независимо от педалей руля направления пилота, в то время как привод последовательного демпфера рыскания соединен с квадрантом управления рулем направления и будет приводить в движение педали при перемещении руля направления.
Некоторые самолеты имеют системы повышения устойчивости, которые стабилизируют самолет более чем по одной оси. Например, Boeing B-52 требует как тангажа, так и рыскания SAS [17] для обеспечения устойчивой платформы для бомбометания. Многие вертолеты имеют системы тангажа, крена и рыскания SAS. Системы тангажа и крена SAS работают во многом так же, как демпфер рыскания, описанный выше; однако вместо того, чтобы гасить голландский крен, они гасят колебания тангажа и крена, чтобы улучшить общую устойчивость самолета.
Посадки по приборам определяются в категориях Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Они зависят от требуемого уровня видимости и степени, в которой посадка может быть выполнена автоматически без участия пилота.
CAT I – Эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения 200 футов (61 м) и видимостью вперед или видимостью на взлетно-посадочной полосе (RVR) 550 метров (1800 футов). Автопилоты не требуются. [18]
CAT II – эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения от 200 футов (61 м) до 100 футов (30 м) и RVR 300 метров (980 футов). Автопилоты имеют пассивное требование к отказу.
CAT IIIa - эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения не ниже 50 футов (15 м) и RVR 200 метров (660 футов). Требуется отказоустойчивый автопилот. Вероятность посадки за пределами предписанной зоны должна быть всего 10 −6 .
CAT IIIb – как IIIa, но с добавлением автоматического выкатывания после приземления, включенного с пилотом, берущим управление на себя на некотором расстоянии вдоль взлетно-посадочной полосы. Эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения менее 50 футов или без высоты принятия решения и видимостью спереди 250 футов (76 м) в Европе (76 метров, сравните это с размером самолета, некоторые из которых сейчас имеют длину более 70 метров (230 футов)) или 300 футов (91 м) в Соединенных Штатах. Для помощи при посадке без принятия решения необходим отказоустойчивый автопилот. Для этой категории необходима некоторая форма системы наведения на взлетно-посадочную полосу: по крайней мере отказоустойчивая, но она должна быть отказоустойчивой для посадки без высоты принятия решения или для RVR ниже 100 метров (330 футов).
CAT IIIc – Как IIIb, но без высоты принятия решения или минимумов видимости, также известных как «ноль-ноль». Пока не реализовано, так как это потребует от пилотов руления при видимости ноль-ноль. Самолет, способный приземлиться в CAT IIIb, оборудованный автоматическим торможением, сможет полностью остановиться на взлетно-посадочной полосе, но не будет иметь возможности рулить.
Пассивный автопилот: в случае отказа самолет остается в контролируемом положении, и пилот может взять управление на себя, чтобы уйти на второй круг или завершить посадку. Обычно это двухканальная система.
Отказоустойчивый автопилот: в случае отказа ниже аварийной высоты заход на посадку, выравнивание и посадка все еще могут быть выполнены автоматически. Обычно это трехканальная система или двухканальная система.
В радиоуправляемом моделировании , особенно в радиоуправляемых самолетах и вертолетах , автопилот обычно представляет собой набор дополнительных аппаратных и программных средств, которые занимаются предварительным программированием полета модели. [19]
Пилотажный директор (FD) является очень важным компонентом, когда речь идет об управлении самолетом. Он считается важнейшим компонентом в системе авионики самолета. Основная функция пилотажа — предоставлять визуальное руководство пилоту, который управляет самолетом вручную. С ручным управлением или нет, пилотажный директор используется со всеми системами автопилота сегодня. Когда пилотажный директор включен, он показывает розовый треугольник вдоль середины PFD, его также можно назвать или считать «перекрестием». FD — это компьютер самолета, дающий инструкции пилоту, управляющему самолетом вручную, о том, как управлять самолетом и куда поместить указатель положения. Когда пилот, управляющий самолетом вручную, совмещает свой указатель положения с розовым перекрестием FD, этот пилот летит по правильной траектории полета, указанной компьютерами самолета. Пилотажный директор нужен, чтобы помочь вам поддерживать множество вещей в зависимости от ситуации. Он может помочь вам поддерживать вертикальную скорость, определенную высоту, направление и/или навигационное отслеживание — все в одном. Пилотажные директора чрезвычайно полезны, когда речь идет о заходах на посадку по приборам, когда вы должны выдерживать точный курс на посадку, поскольку они покажут вам, как именно расположить ваш самолет на правильном курсе. Насколько полезны эти пилотажные директора в аспекте полета, настолько они еще и очень безопасны. Они помогают пилоту быть в курсе событий и помогают минимизировать рабочую нагрузку на командующего пилота, особенно в сложных условиях полета, будь то облачность или плохая погода.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)