Автопилот - Autopilot

Эта статья о системе самолета. Для использования в других целях см. Автопилот (значения).

Панель управления автопилотом Боинг 747-200 самолет

An автопилот представляет собой систему, используемую для управления траекторией самолета, морского или космического корабля, не требуя постоянного ручного управления со стороны человека-оператора. Автопилот не заменяет людей-операторов. Вместо этого автопилот помогает оператору управлять транспортным средством, позволяя оператору сосредоточиться на более широких аспектах работы (например, отслеживании траектории, погоды и бортовых систем).[1]

Когда он присутствует, автопилот часто используется вместе с автомат тяги, система управления мощностью двигателей.

Система автопилота иногда в просторечии упоминается как "Джордж"[2] (например. "мы позволим Джорджу полетать на время"). В этимология прозвища неясно: некоторые утверждают, что это отсылка к изобретателю Джорджу Де Бисону, который запатентовал автопилот в 1930-х годах, в то время как другие утверждают, что королевские воздушные силы пилоты придумали термин во время Вторая Мировая Война чтобы символизировать, что их самолет технически принадлежал Королю Георг VI.[3]

Первые автопилоты

Смотрите также: Гироскопический автопилот
Эпоха Второй мировой войны Honeywell Панель управления автопилотом C-1

На заре авиации самолет требовал постоянного внимания пилота, чтобы летать безопасно. По мере того как дальность полета самолетов увеличивалась, позволяя выполнять многочасовые полеты, постоянное внимание приводило к серьезной усталости. Автопилот предназначен для выполнения некоторых задач пилота.

Первый автопилот самолета был разработан Sperry Corporation в 1912 году. Автопилот подключил гироскопический индикатор курса и индикатор отношения с гидравлическим приводом лифты и руль. (Элероны не были связаны как крыло двугранный рассчитывалось, чтобы обеспечить необходимую устойчивость к крену.) Это позволило самолету лететь прямо и горизонтально по курсу компаса без внимания пилота, что значительно снизило рабочую нагрузку пилота.

Лоуренс Сперри (сын известного изобретателя Элмер Сперри ) продемонстрировал его в 1914 году на конкурсе по авиационной безопасности в г. Париж. Сперри продемонстрировал надежность изобретения, управляя самолетом, держа руки подальше от управления и видимыми для посторонних. 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 держал самолет армейской авиации США на истинном курсе и высоте на три часа.[4]

В 1930 г. Royal Aircraft Establishment в объединенное Королевство разработал автопилот, названный помощник пилотов который использовал гироскоп с пневматическим вращением для перемещения органов управления полетом.[5]

Автопилот получил дальнейшее развитие, включая, например, улучшены алгоритмы управления и гидроусилители. Добавление большего количества инструментов, таких как средства радионавигации, позволило летать ночью и в плохую погоду. В 1947 году ВВС США С-53 совершил трансатлантический перелет, включая взлет и посадку, полностью под управлением автопилота.[6][7] Билл Лир разработал свой автопилот F-5 и систему автоматического управления приближением и был награжден Кольер Трофи на 1949 год.[8]

В начале 1920-х гг. Стандартное масло танкер J.A. Моффет стал первым кораблем, использующим автопилот.

В Пясецкий HUP-2 ретривер была первая постановка вертолет с автопилотом.[9]

В лунный модуль цифровой автопилот программы Apollo был ранним примером полностью цифровой системы автопилота в космических кораблях.[10]

Современные автопилоты

Современный блок управления полетом самолета Airbus A340

Не все пассажирские самолеты, летающие сегодня, имеют систему автопилота. Старше и меньше авиация общего назначения самолеты особенно все еще ручные, и даже маленькие авиалайнеры с менее чем двадцатью местами также могут быть без автопилота, поскольку они используются в краткосрочных полетах с двумя пилотами. Установка автопилотов на самолетах с более чем двадцатью местами обычно является обязательной в соответствии с международными авиационными правилами. В автопилотах для небольших самолетов есть три уровня управления. Одноосный автопилот управляет самолетом в рулон только ось; Такие автопилоты также известны в просторечии как «выравниватели крыла», что отражает их единственную способность. Двухосевой автопилот управляет самолетом в подача ось, а также крен, и может быть немного больше, чем выравниватель крыла с ограниченной способностью корректировать колебания шага; или он может получать входные данные от бортовых радионавигационных систем для обеспечения истинного автоматического наведения полета после того, как самолет взлетел, незадолго до посадки; или его возможности могут находиться где-то между этими двумя крайностями. Трехосный автопилот добавляет контроль над рыскание оси и не требуется во многих небольших самолетах.

Автопилоты в современных сложных самолетах трехосные и обычно делят полет на такси, фазы взлета, набора высоты, крейсерского полета (горизонтального полета), снижения, захода на посадку и посадки. Существуют автопилоты, которые автоматизируют все эти фазы полета, кроме руления и взлета. Управляемая автопилотом посадка на взлетно-посадочная полоса и управление самолетом при развертывании (то есть удержание его в центре взлетно-посадочной полосы) известны как посадка CAT IIIb или Автоленд сегодня доступны на взлетно-посадочных полосах многих крупных аэропортов, особенно в аэропортах, подверженных неблагоприятным погодным явлениям, таким как туман. Посадка, выкатывание и управление рулежкой к месту стоянки самолета известны как CAT IIIc. На данный момент это не используется, но может быть использовано в будущем. Автопилот часто является неотъемлемой частью Система управления полетом.

Использование современных автопилотов компьютер программного обеспечения для управления самолетом. Программное обеспечение считывает текущее положение самолета, а затем управляет система управления полетом для управления самолетом. В такой системе, помимо классического управления полетом, многие автопилоты включают в себя возможности управления тягой, которые могут управлять дросселями для оптимизации воздушной скорости.

Автопилот современного большого самолета обычно считывает свое положение и положение самолета с инерциальная система наведения. В инерционных системах наведения со временем накапливаются ошибки. 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. Погрешность гироскопов называется дрейфом. Это происходит из-за физических свойств внутри системы, будь то механическое или лазерное наведение, которые искажают данные о местоположении. Разногласия между ними разрешаются цифровая обработка сигналов, чаще всего шестимерный Фильтр Калмана. Шесть измерений обычно - это крен, тангаж, рыскание, высота, широта, и долгота. Самолеты могут летать по маршрутам, которые имеют требуемый коэффициент полезного действия, поэтому для выполнения полета по этим конкретным маршрутам необходимо контролировать количество ошибок или фактический коэффициент производительности. Чем дольше полет, тем больше ошибок накапливается в системе. Радиотехнические средства, такие как DME, обновления DME и GPS может использоваться для корректировки положения самолета.

Управление рулевым колесом

Серводвигатель для приложений автопилота

Вариант на полпути между полностью автоматизированным и ручным полетом - это Управление рулевым колесом (CWS). Несмотря на то, что в современных авиалайнерах он все реже используется в качестве отдельной опции, CWS все еще используется 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 данные от установки курса / высоты, радио и навигационных средств или от FMS (системы управления полетом). В режиме CWS пилот управляет автопилотом через входы на штурвале или ручке. Эти входные данные преобразуются в определенный курс и положение, которые автопилот будет удерживать до тех пор, пока не поступит иное указание. Это обеспечивает стабильность по тангажу и крену. Некоторые самолеты используют форму CWS даже в ручном режиме, например MD-11, который использует постоянный CWS в крене. Во многих отношениях современный электромеханический самолет Airbus в Нормальный закон всегда находится в режиме CWS. Основное отличие состоит в том, что в этой системе ограничения самолета охраняются бортовой компьютер, и пилот не может вывести самолет за эти пределы.[11]

Детали компьютерной системы

Аппаратное обеспечение автопилота варьируется от реализации к реализации, но, как правило, при проектировании в первую очередь учитываются избыточность и надежность. Например, система управления полетом автопилота Rockwell Collins AFDS-770, используемая на Боинг 777 использует троекратные микропроцессоры FCP-2002, которые прошли формальную проверку и изготовлены с использованием радиационно-стойкого процесса.[12]

Программное и аппаратное обеспечение автопилота строго контролируется, и проводятся обширные процедуры тестирования.

Некоторые автопилоты также используют разнообразие дизайна. В этой функции безопасности критически важные программные процессы будут выполняться не только на отдельных компьютерах и, возможно, даже с использованием разных архитектур, но на каждом компьютере будет выполняться программное обеспечение, созданное разными группами инженеров, часто запрограммированное на разных языках программирования. Обычно считается маловероятным, что разные инженерные команды совершат одни и те же ошибки. По мере того, как программное обеспечение становится более дорогим и сложным, разнообразие дизайнов становится менее распространенным, потому что меньшее количество инженерных компаний может себе это позволить. Компьютеры управления полетом на Космический шатл использовали эту схему: было пять компьютеров, четыре из которых с дублированием запускали идентичное программное обеспечение, а пятый резервное копирование выполняло программное обеспечение, которое было разработано независимо. Программное обеспечение пятой системы обеспечивало только основные функции, необходимые для управления шаттлом, что еще больше уменьшало любую возможную общность с программным обеспечением, работающим на четырех основных системах.

Системы повышения устойчивости

Система повышения устойчивости (SAS) - еще один тип автоматической системы управления полетом; однако вместо того, чтобы поддерживать самолет в заданном положении или траектории полета, SAS будет приводить в действие органы управления полетом, чтобы гасить удары самолета независимо от положения или траектории полета. SAS может автоматически стабилизировать самолет по одной или нескольким осям. Самый распространенный тип SAS - это Демпфер рыскания который используется для устранения Голландский ролл тенденция стреловидных самолетов. Некоторые демпферы рыскания являются неотъемлемой частью системы автопилота, а другие - автономными системами.

Демпферы рыскания обычно состоят из датчика скорости рыскания (гироскопа или углового акселерометра), компьютера / усилителя и сервопривода. В Демпфер рыскания использует датчик скорости рыскания, чтобы определить, когда самолет начинает крен голландца. Компьютер обрабатывает сигналы от датчика скорости рыскания, чтобы определить величину поворота руля направления, которая требуется для гашения голландского крена. Затем компьютер дает сервоприводу команду переместить руль направления на эту величину. Голландский крен смягчается, и самолет становится устойчивым относительно оси рыскания. Поскольку голландский крен - это нестабильность, присущая всем самолетам со стреловидным крылом, на большинстве самолетов со стреловидным крылом установлена ​​какая-то система демпфирования рыскания.

Есть два типа демпферов рыскания: последовательные демпферы рыскания и параллельные демпферы рыскания. Сервопривод параллельного демпфера рыскания будет приводить в действие руль направления независимо от педалей руля направления, в то время как сервопривод демпфера последовательного рыскания сцеплен с квадрантом управления рулем направления, и приведет к перемещению педали, когда система дает команду рулю направления на движение.

Некоторые самолеты имеют системы повышения устойчивости, которые стабилизируют самолет более чем по одной оси. В Боинг Б-52, например, требуется SAS как по тангажу, так и по рысканию, чтобы обеспечить стабильную платформу для бомбометания. Многие вертолеты имеют системы SAS по тангажу, крену и рысканью. Системы SAS по тангажу и крену работают почти так же, как описанный выше демпфер рыскания; однако вместо того, чтобы гасить голландский крен, они будут гасить колебания тангажа и крена или бафтинга, чтобы улучшить общую устойчивость самолета.

Автопилот для посадки по системе ILS

Инструментальные приземления определены в категориях Международная организация гражданской авиации, или ИКАО. Они зависят от требуемого уровня видимости и степени, в которой посадка может производиться автоматически без участия пилота.

CAT I - Эта категория позволяет пилотам приземляться с высота решения 200 футов (61 м) и прямой видимости или дальности видимости на ВПП (RVR) 550 метров (1800 футов). Автопилоты не требуются.[13]

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 требуют пассивного отказа.

CAT IIIa -Эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения всего 50 футов (15 м) и RVR 200 метров (660 футов). Ему нужен отказоустойчивый автопилот. Должно быть только 10−6 вероятность приземления за пределами установленной зоны.

CAT IIIb - То же, что и IIIa, но с добавлением автоматического разворачивания после приземления, когда пилот берет на себя управление 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 с прямой видимостью 250 футов (76 м) в Европе (76 метров, сравните это с размерами самолетов, некоторые из которых теперь превышают 70 метров ( 230 футов) в длину) или 300 футов (91 м) в США. Для помощи при посадке без принятия решения необходим аварийный автопилот. Для этой категории необходима какая-то система наведения на ВПП: по крайней мере, отказоустойчивую, но она должна быть исправной для посадки без высоты принятия решения или для RVR ниже 100 метров (330 футов).

CAT IIIc - То же, что и IIIb, но без минимальных значений высоты решения или видимости, также известных как «ноль-ноль». Еще не реализовано, так как это потребовало бы от пилотов руления при нулевой видимости. Самолет, способный приземлиться в CAT IIIb, оснащенный автотормоз сможет полностью остановиться на взлетно-посадочной полосе, но не сможет рулить.

Отказоустойчивый автопилот: в случае отказа самолет остается в управляемом положении, и пилот может взять его под свой контроль, чтобы обойти или завершить посадку. Обычно это двухканальная система.

Автопилот с отказом в работе: в случае отказа ниже аварийной высоты заход на посадку, сигнализация и посадка могут быть выполнены автоматически. Обычно это трехканальная система или двухканальная система.

Радиоуправляемые модели

В радиоуправляемое моделирование, и особенно RC самолет и вертолеты, автопилот обычно представляет собой набор дополнительного оборудования и программного обеспечения, которое занимается предварительным программированием полета модели.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Автоматизированное управление полетом» (PDF). faa.gov. Федеральная авиационная администрация. Получено 20 февраля 2014.
  2. ^ «Георгий Автопилот». Исторические Крылья. Томас Ван Харе. Получено 18 марта 2014.
  3. ^ Бейкер, Марк (1 апреля 2020 г.). «ПОЗИЦИЯ ПРЕЗИДЕНТА: ДЕЛАТЬ ДЖОРДЖУ ПЕРЕРЫВ». aopa.org. Ассоциация владельцев самолетов и пилотов. Получено 16 мая 2020.
  4. ^ «Сейчас - автопилот» Ежемесячный научно-популярный журнал, Февраль 1930 г., стр. 22.
  5. ^ "Пилот-робот держит самолет на истинном курсе" Популярная механика, Декабрь 1930 г., стр. 950.
  6. ^ Стивенс, Брайан; Льюис, Франк (1992). Управление самолетом и моделирование. Нью-Йорк: Вили. ISBN  978-0-471-61397-8.
  7. ^ Flightglobal / Архив[1][2][3][4]
  8. ^ Награды Collier Trophy
  9. ^ "HUP-1 Retriever / H-25 Army Mule Helicopter". boeing.com. Боинг. Получено 1 ноября 2018.
  10. ^ Уильям С. Видналл, том 8, вып. 1, 1970 (октябрь 1970). "Цифровой автопилот лунного модуля, журнал космических аппаратов". Дои:10.2514/3.30217. Получено 7 сентября 2019. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  11. ^ https://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/steering-wheel-controls.htm. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  12. ^ "Система управления полетом автопилота Rockwell Collins AFDS-770". Рокуэлл Коллинз. 3 февраля 2010 г. В архиве из оригинала 22 августа 2010 г.. Получено 14 июля 2010.
  13. ^ «Руководство по аэронавигационной информации». faa.gov. FAA. Получено 16 июн 2014.
  14. ^ Алан Парех (14 апреля 2008 г.). «Самолет с автопилотом». Взломанные гаджеты. В архиве из оригинала 27 июля 2010 г.. Получено 14 июля 2010.

внешняя ссылка