Автопилот: Система управления траекторией летательных аппаратов.

Введение

Система для поддержания траектории транспортного средства вместо прямого управления оператором – система воздушного судна.

Автопилот – это система, используемая для управления траекторией воздушного судна, морского судна или космического корабля без необходимости постоянного ручного управления человеком-оператором. Автопилоты не заменяют операторов. Вместо этого автопилот помогает оператору в управлении транспортным средством, позволяя оператору сосредоточиться на более широких аспектах работы (например, на мониторинге траектории, погоды и бортовых систем). При наличии автопилот часто используется в сочетании с автотягой, системой управления мощностью двигателей. Автопилот в разговорной речи иногда называют "Джордж" (например, "позволим Джорджу полетать немного"). Происхождение этого прозвища неясно: некоторые считают, что оно отсылает к изобретателю Джорджу Де Бисону, запатентовавшему автопилот в 1930-х годах, в то время как другие утверждают, что пилоты Королевских ВВС придумали этот термин во время Второй мировой войны, чтобы символизировать, что их самолет технически принадлежал королю Георгу VI.

Первые автопилоты

В первые дни авиации самолеты требовали постоянного внимания пилота для безопасного полета. По мере увеличения дальности полета, позволявшей совершать многочасовые перелеты, постоянное внимание приводило к серьезной усталости. Автопилот предназначен для выполнения части задач пилота. Первый самолетный автопилот был разработан компанией Sperry Corporation в 1912 году. Автопилот соединял гироскопический индикатор курса и индикатор тангажа с гидравлически управляемыми рулями высоты и рулем направления. (Айлероны не подключались, поскольку для обеспечения необходимой устойчивости к крену рассчитывали на диэдральность крыла.) Это позволяло самолету лететь прямо и горизонтально по заданному курсу без участия пилота, значительно снижая его нагрузку. Лоуренс Сперри, сын известного изобретателя Элмера Сперри, продемонстрировал его в 1914 году на конкурсе по авиационной безопасности, проходившем в Париже. Сперри подтвердил работоспособность изобретения, управляя самолетом, держа руки в стороне от органов управления и демонстрируя это зрителям. Элмер Сперри-младший, сын Лоуренса Сперри, и капитан Ширас продолжили работу над тем же автопилотом после войны, и в 1930 году они испытали более компактную и надежную версию, которая удерживала самолет ВВС армии США на заданном курсе и высоте в течение трех часов. В 1930 году Королевский авиационный институт в Великобритании разработал автопилот, названный «помощником пилота», который использовал пневматически вращающийся гироскоп для управления рулями. Автопилот был усовершенствован, например, за счет улучшения алгоритмов управления и гидравлических сервоприводов. Добавление дополнительных приборов, таких как радионавигационное оборудование, позволило совершать полеты ночью и в плохих погодных условиях. В 1947 году самолет C-53 ВВС США совершил трансатлантический перелет, включая взлет и посадку, полностью под управлением автопилота. Билл Лир разработал свой автоматический пилот F-5 и автоматическую систему управления заходом на посадку, за что был удостоен трофея Коллиера в 1949 году. В начале 1920-х годов танкер «J. A. Moffet» компании Standard Oil стал первым судном, использовавшим автопилот. Piasecki HUP-2 Retriever был первым серийным вертолетом, оснащенным автопилотом. Цифровой автопилот лунного модуля программы «Аполлон» является ранним примером полностью цифровой системы автопилота в космических аппаратах.

In the early days of aviation, aircraft required the continuous attention of a pilot to fly safely. As aircraft range increased, allowing flights of many hours, the constant attention led to serious fatigue. An autopilot is designed to perform some of the pilot's tasks. The first aircraft autopilot was developed by Sperry Corporation in 1912. The autopilot connected a gyroscopic heading indicator and attitude indicator to hydraulically operated elevators and rudder. (Ailerons were not connected as wing dihedral was counted upon to produce the necessary roll stability.) It permitted the aircraft to fly straight and level on a compass course without a pilot's attention, greatly reducing the pilot's workload. Lawrence Sperry, the son of famous inventor Elmer Sperry, demonstrated it in 1914 at an aviation safety contest held in Paris. Sperry demonstrated the credibility of the invention by flying the aircraft with his hands away from the controls and visible to onlookers. Elmer Sperry Jr., the son of Lawrence Sperry, and Capt Shiras continued work on the same autopilot after the war, and in 1930, they tested a more compact and reliable autopilot which kept a U. S. Army Air Corps aircraft on a true heading and altitude for three hours. In 1930, the Royal Aircraft Establishment in the United Kingdom developed an autopilot called a pilots' assister that used a pneumatically spun gyroscope to move the flight controls. The autopilot was further developed, to include, for example, improved control algorithms and hydraulic servomechanisms. Adding more instruments, such as radio navigation aids, made it possible to fly at night and in bad weather. In 1947, a U. S. Air Force C 53 made a transatlantic flight, including takeoff and landing, completely under the control of an autopilot. Bill Lear developed his F 5 automatic pilot and automatic approach control system, and was awarded the Collier Trophy in 1949. In the early 1920s, the Standard Oil tanker J. A. Moffet became the first ship to use an autopilot. The Piasecki HUP 2 Retriever was the first production helicopter with an autopilot. The lunar module digital autopilot of the Apollo program is an early example of a fully digital autopilot system in spacecraft.

Современные автопилоты

Не все пассажирские самолеты, находящиеся в эксплуатации сегодня, оснащены системой автопилота. Более старые и небольшие самолеты авиации общего назначения, в частности, все еще управляются вручную, и даже небольшие авиалайнеры с менее чем двадцатью местами могут быть без автопилота, поскольку используются на коротких рейсах с двумя пилотами. Установка автопилотов в самолетах, рассчитанных на перевозку более двадцати пассажиров, как правило, является обязательной в соответствии с международными авиационными правилами. Существует три уровня управления в автопилотах для небольших самолетов. Автопилот по одной оси управляет самолетом только по оси крена; такие автопилоты также в разговорной речи называют "стабилизаторами крыла", что отражает их единственную функцию. Двухосевой автопилот управляет самолетом по осям крена и тангажа и может быть не более чем стабилизатором крыла с ограниченной способностью корректировать колебания по тангажу; или он может получать данные от бортовых радионавигационных систем для обеспечения автоматического управления полетом после взлета и до непосредственной близости от посадки; или его возможности могут находиться где-то между этими двумя крайностями. Трехосевой автопилот добавляет управление по оси рыскания и не требуется на многих небольших самолетах. Автопилоты в современных сложных самолетах имеют три оси и обычно разделяют полет на этапы: руление, взлет, набор высоты, крейсерский полет (горизонтальный полет), снижение, заход на посадку и посадка. Существуют автопилоты, автоматизирующие все этапы полета, за исключением руления и взлета. Автоматизированный заход на посадку на взлетно-посадочную полосу и управление самолетом при пробеге (то есть удержание его на центральной линии полосы) называется "автопосадкой", при которой автопилот использует систему инструментальной посадки (ILS) Cat IIIc, применяемую при нулевой видимости. Такие заходы доступны на взлетно-посадочных полосах многих крупных аэропортов, особенно в аэропортах, подверженных неблагоприятным погодным условиям, таким как туман. Самолет обычно может остановиться самостоятельно, но для покидания взлетно-посадочной полосы и руления к месту стоянки потребуется отключение автопилота. Автопилот часто является неотъемлемой частью системы управления полетом (Flight Management System). Современные автопилоты используют компьютерное программное обеспечение для управления самолетом. Программное обеспечение считывает текущее положение самолета и затем управляет системой управления полетом для его навигации. В такой системе, помимо классических органов управления полетом, многие автопилоты включают в себя функции управления тягой, которые могут регулировать дроссельные заслонки для оптимизации скорости. Автопилот в современном крупном самолете обычно считывает свое положение и ориентацию самолета с инерциальной системы наведения. Инерциальные системы наведения со временем накапливают ошибки. Они включают в себя системы уменьшения ошибок, такие как система "карусель", которая вращается раз в минуту, чтобы любые ошибки рассеивались в разных направлениях и оказывали общий нивелирующий эффект. Ошибка в гироскопах известна как дрейф. Это связано с физическими свойствами системы, будь то механическая или лазерная, которые искажают данные о положении. Расхождения между ними устраняются с помощью цифровой обработки сигналов, чаще всего с помощью шестимерного фильтра Калмана. Шесть измерений обычно включают крен, тангаж, рыскание, высоту, широту и долготу. Самолеты могут летать по маршрутам, для которых требуется определенный уровень производительности, поэтому необходимо контролировать величину ошибки или фактический уровень производительности для полетов по этим маршрутам. Чем дольше полет, тем больше ошибок накапливается в системе. Для коррекции положения самолета могут использоваться радионавигационные средства, такие как DME, обновления DME и GPS.

Not all of the passenger aircraft flying today have an autopilot system. Older and smaller general aviation aircraft especially are still hand flown, and even small airliners with fewer than twenty seats may also be without an autopilot as they are used on short duration flights with two pilots. The installation of autopilots in aircraft with more than twenty seats is generally made mandatory by international aviation regulations. There are three levels of control in autopilots for smaller aircraft. A single axis autopilot controls an aircraft in the roll axis only; such autopilots are also known colloquially as "wing levellers", reflecting their single capability. A two axis autopilot controls an aircraft in the pitch axis as well as roll, and may be little more than a wing leveller with limited pitch oscillation correcting ability; or it may receive inputs from on board radio navigation systems to provide true automatic flight guidance once the aircraft has taken off until shortly before landing; or its capabilities may lie somewhere between these two extremes. A three axis autopilot adds control in the yaw axis and is not required in many small aircraft. Autopilots in modern complex aircraft are three axis and generally divide a flight into taxi, takeoff, climb, cruise (level flight), descent, approach, and landing phases. Autopilots that automate all of these flight phases except taxi and takeoff exist. An autopilot controlled approach to landing on a runway and controlling the aircraft on rollout (i. e. keeping it on the centre of the runway) is known as an Autoland, where the autopilot utilizes an Instrument Landing System (ILS) Cat IIIc approach, which is used when the visibility is zero. These approaches are available at many major airports' runways today, especially at airports subject to adverse weather phenomena such as fog. The aircraft can typically stop on their own, but will require the disengagement of the autopilot in order to exit the runway and taxi to the gate. An autopilot is often an integral component of a Flight Management System. Modern autopilots use computer software to control the aircraft. The software reads the aircraft's current position, and then controls a flight control system to guide the aircraft. In such a system, besides classic flight controls, many autopilots incorporate thrust control capabilities that can control throttles to optimize the airspeed. The autopilot in a modern large aircraft typically reads its position and the aircraft's attitude from an inertial guidance system. Inertial guidance systems accumulate errors over time. They will incorporate error reduction systems such as the carousel system that rotates once a minute so that any errors are dissipated in different directions and have an overall nulling effect. Error in gyroscopes is known as drift. This is due to physical properties within the system, be it mechanical or laser guided, that corrupt positional data. The disagreements between the two are resolved with digital signal processing, most often a six dimensional Kalman filter. The six dimensions are usually roll, pitch, yaw, altitude, latitude, and longitude. Aircraft may fly routes that have a required performance factor, therefore the amount of error or actual performance factor must be monitored in order to fly those particular routes. The longer the flight, the more error accumulates within the system. Radio aids such as DME, DME updates, and GPS may be used to correct the aircraft position.

Управление рулевым колесом

Вариант, находящийся между полностью автоматизированным полетом и ручным управлением, – управление по рулевому колесу (CWS). Хотя в современных авиалайнерах CWS все реже используется как самостоятельная опция, эта функция по-прежнему присутствует на многих самолетах. Обычно автопилот, оснащенный CWS, имеет три режима: выключен, CWS и CMD. В режиме CMD (Command) автопилот полностью контролирует самолет, получая команды от заданного курса/высоты, радио- и навигационного оборудования или системы управления полетом (FMS). В режиме CWS пилот управляет автопилотом посредством отклонений рулевого колеса или штурвала. Эти отклонения преобразуются в заданный курс и тангаж, которые автопилот будет удерживать до получения иных указаний. Это обеспечивает устойчивость по тангажу и крену. Некоторые самолеты используют форму CWS даже в ручном режиме, например, MD-11, который постоянно использует CWS по крену. Во многом современный самолет Airbus с электродистанционным управлением в нормальном режиме всегда находится в режиме CWS. Основное отличие заключается в том, что в этой системе ограничения самолета контролируются компьютером управления полетом, и пилот не может вывести самолет за эти пределы.

Подробности компьютерной системы

Аппаратное обеспечение автопилота варьируется в зависимости от реализации, но обычно проектируется с приоритетом избыточности и надежности. Например, система управления полетом и автопилот Rockwell Collins AFDS 770, используемая на Boeing 777, использует тройное резервирование микропроцессоров FCP 2002, которые прошли формальную верификацию и изготовлены по радиационностойкой технологии. Программное и аппаратное обеспечение автопилота подвергается строгому контролю и обширным процедурам тестирования. Некоторые автопилоты также применяют разнообразие архитектуры. В этой функции безопасности критически важные программные процессы выполняются не только на отдельных компьютерах, возможно, даже с использованием различных архитектур, но и каждый компьютер работает с программным обеспечением, разработанным разными инженерными группами, часто на разных языках программирования. Считается маловероятным, что разные инженерные группы допустят одни и те же ошибки. По мере удорожания и усложнения программного обеспечения разнообразие архитектуры становится менее распространенным, поскольку все меньше инженерных компаний могут себе это позволить. Компьютеры управления полетом космического шаттла использовали подобную конструкцию: было пять компьютеров, четыре из которых с резервированием выполняли идентичное программное обеспечение, а пятый – резервное программное обеспечение, разработанное независимо. Программное обеспечение пятой системы обеспечивало только базовые функции, необходимые для полета шаттла, что еще больше снижало вероятность общих ошибок с программным обеспечением, работающим на четырех основных системах.

Системы повышения стабильности

Система повышения устойчивости (SAS) — это еще один тип автоматической системы управления полетом; однако, в отличие от поддержания заданной высоты или траектории полета, SAS перемещает органы управления самолетом для гашения неприемлемых колебаний. SAS автоматически стабилизирует самолет по одной или нескольким осям. Наиболее распространенным типом SAS является демпфер рыскания, который используется для уменьшения склонности к голландскому крену самолетов со стреловидным крылом. Некоторые демпферы рыскания входят в состав системы автопилота, а другие являются самостоятельными системами. Демпферы рыскания используют датчик (гироскоп или пару акселерометров) для определения скорости вращения самолета, компьютер/усилитель и исполнительный механизм. Датчик обнаруживает начало фазы рыскания при голландском крене. Компьютер обрабатывает сигнал от датчика, чтобы определить необходимое отклонение руля направления для гашения колебаний. Компьютер дает команду исполнительному механизму отклонить руль направления в противоположную сторону движению, поскольку руль должен противодействовать движению для его уменьшения. Голландский крен гасится, и самолет становится устойчивым относительно оси рыскания. Поскольку голландский крен является присущей всем самолетам со стреловидным крылом неустойчивостью, большинству таких самолетов требуется демпфер рыскания. Существуют два типа демпферов рыскания: последовательный и параллельный. Исполнительный механизм параллельного демпфера рыскания перемещает руль направления независимо от педалей руля пилота, в то время как исполнительный механизм последовательного демпфера рыскания соединен с управляющим сектором руля и вызывает движение педалей при перемещении руля. Некоторые самолеты оснащены системами повышения устойчивости, которые стабилизируют самолет по нескольким осям. Например, Boeing B-52 требует SAS как по углу тангажа, так и по рысканию для обеспечения стабильной бомбардировочной платформы. Многие вертолеты имеют SAS по углу тангажа, крену и рысканию. Системы SAS по углу тангажа и крену работают аналогично описанному выше демпферу рыскания; однако вместо гашения голландского крена они гасят колебания по углу тангажа и крену для повышения общей устойчивости самолета.

A stability augmentation system (SAS) is another type of automatic flight control system; however, instead of maintaining the aircraft required altitude or flight path, the SAS will move the aircraft control surfaces to damp unacceptable motions. SAS automatically stabilizes the aircraft in one or more axes. The most common type of SAS is the yaw damper which is used to reduce the Dutch roll tendency of swept wing aircraft. Some yaw dampers are part of the autopilot system while others are stand alone systems. Yaw dampers use a sensor to detect how fast the aircraft is rotating (either a gyroscope or a pair of accelerometers), a computer/amplifier and an actuator. The sensor detects when the aircraft begins the yawing part of Dutch roll. A computer processes the signal from the sensor to determine the rudder deflection required to damp the motion. The computer tells the actuator to move the rudder in the opposite direction to the motion since the rudder has to oppose the motion to reduce it. The Dutch roll is damped and the aircraft becomes stable about the yaw axis. Because Dutch roll is an instability that is inherent in all swept wing aircraft, most swept wing aircraft need some sort of yaw damper. There are two types of yaw damper: the series yaw damper and the parallel yaw damper. The actuator of a parallel yaw damper will move the rudder independently of the pilot's rudder pedals while the actuator of a series yaw damper is clutched to the rudder control quadrant and will result in pedal movement when the rudder moves. Some aircraft have stability augmentation systems that will stabilize the aircraft in more than a single axis. The Boeing B 52, for example, requires both pitch and yaw SAS in order to provide a stable bombing platform. Many helicopters have pitch, roll and yaw SAS systems. Pitch and roll SAS systems operate much the same way as the yaw damper described above; however, instead of damping Dutch roll, they will damp pitch and roll oscillations to improve the overall stability of the aircraft.

Автопилот для посадки по ILS

Приборосопровождаемые посадки определены в категориях Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Они зависят от требуемого уровня видимости и степени, в которой посадка может быть выполнена автоматически без вмешательства пилота. CAT I – Эта категория позволяет пилотам совершать посадку с высотой принятия решения 200 футов (61 м) и не требует видимости передней перспективы или визуального диапазона взлетно-посадочной полосы (RVR). Автопилоты не требуются. CAT II – Эта категория позволяет пилотам совершать посадку с высотой принятия решения от 200 футов (61 м) до 100 футов (30 м) и RVR. Автопилоты должны иметь требование "отказ-пассивный". CAT IIIa – Эта категория позволяет пилотам совершать посадку с высотой принятия решения до 50 футов (15 м) и RVR. Требуется автопилот с отказом-пассивный. Вероятность посадки за пределами установленной зоны должна быть не более 10−6. CAT IIIb – Аналогично IIIa, но с добавлением автоматического выката после касания с последующим переходом управления пилотом на некотором расстоянии по взлетно-посадочной полосе. Эта категория позволяет пилотам совершать посадку с высотой принятия решения менее 50 футов или без высоты принятия решения и видимостью вперед 250 футов (76 м) в Европе (76 метров, сравните это с размером самолета, некоторые из которых сейчас превышают длину) или 300 футов (91 м) в Соединенных Штатах. Для посадки без системы принятия решений требуется автопилот с отказом-рабочий. Для этой категории необходима какая-либо система управления движением по взлетно-посадочной полосе: как минимум, отказоустойчивая, но для посадки без высоты принятия решения или при RVR ниже, она должна быть отказоустойчивой-рабочей. CAT IIIc – Аналогично IIIb, но без минимальной высоты принятия решения или видимости, также известной как "нуль-нуль". Пока не реализовано, так как это потребовало бы от пилотов руления в условиях нулевой видимости. Самолет, способный совершить посадку по схеме CAT IIIb и оснащенный автоматическим торможением, сможет полностью остановиться на взлетно-посадочной полосе, но не сможет рулить. Автопилот с отказом-пассивный: в случае отказа самолет остается в управляемом положении, и пилот может взять на себя управление для ухода на второй круг или завершения посадки. Обычно это система с двумя каналами. Автопилот с отказом-рабочий: в случае отказа ниже высоты предупреждения, заход на посадку, выравнивание и посадка могут быть завершены автоматически. Обычно это тройная или дублированная система каналов.

Instrument aided landings are defined in categories by the International Civil Aviation Organization, or ICAO. These are dependent upon the required visibility level and the degree to which the landing can be conducted automatically without input by the pilot. CAT I – This category permits pilots to land with a decision height of 200 feet (61 m) and a forward visibility or Runway Visual Range (RVR) of Autopilots are not required. CAT II – This category permits pilots to land with a decision height between 200 feet (61 m) and 100 feet (30 m) and a RVR of Autopilots have a fail passive requirement. CAT IIIa This category permits pilots to land with a decision height as low as 50 feet (15 m) and a RVR of It needs a fail passive autopilot. There must be only a 10−6 probability of landing outside the prescribed area. CAT IIIb – As IIIa but with the addition of automatic roll out after touchdown incorporated with the pilot taking control some distance along the runway. This category permits pilots to land with a decision height less than 50 feet or no decision height and a forward visibility of 250 feet (76 m) in Europe (76 metres, compare this to aircraft size, some of which are now over long) or 300 feet (91 m) in the United States. For a landing without decision aid, a fail operational autopilot is needed. For this category some form of runway guidance system is needed: at least fail passive but it needs to be fail operational for landing without decision height or for RVR below
CAT IIIc – As IIIb but without decision height or visibility minimums, also known as "zero zero". Not yet implemented as it would require the pilots to taxi in zero zero visibility. An aircraft that is capable of landing in a CAT IIIb that is equipped with autobrake would be able to fully stop on the runway but would have no ability to taxi. Fail passive autopilot: in case of failure, the aircraft stays in a controllable position and the pilot can take control of it to go around or finish landing. It is usually a dual channel system. Fail operational autopilot: in case of a failure below alert height, the approach, flare and landing can still be completed automatically. It is usually a triple channel system or dual dual system.

Модели с радиоуправлением

В радиоуправляемом моделировании, и особенно в моделях самолетов и вертолетов, автопилот обычно представляет собой дополнительное оборудование и программное обеспечение, предназначенное для предварительной настройки полета модели.

Директор полета

Летный директор (FD) — очень важный компонент при управлении самолетом. Он считается важнейшим элементом в системе авионики самолета. Основная функция летного директора — предоставлять визуальные указания пилоту, выполняющему ручное управление. Независимо от того, выполняется ли ручное управление или нет, летный директор используется со всеми современными системами автопилота. При включении летного директора на экране ПFD отображается розовый треугольник, который также называют "перекрестием". Летный директор — это бортовой компьютер, дающий пилоту, выполняющему ручное управление, инструкции о том, как управлять самолетом и куда располагать указатель положения. Когда пилот, выполняющий ручное управление, совмещает указатель положения с розовым перекрестием летного директора, он летит по правильной траектории, заданной бортовыми компьютерами. Летный директор помогает поддерживать множество параметров в зависимости от ситуации: вертикальную скорость, заданную высоту, курс и/или навигационное сопровождение – все одновременно. Летные директора особенно полезны при выполнении заходов на посадку по приборам, когда необходимо точно соблюдать курс, поскольку они показывают, как правильно расположить самолет. Помимо помощи в управлении, летные директора обеспечивают безопасность, повышая осведомленность пилота и снижая нагрузку на командира воздушного судна, особенно в сложных условиях полета, таких как облачная погода или турбулентность.