Автопилот

Автоматически, как правило , программируемая система управления называется как автопилот , который автоматически бычков средства передвижения по запросу без людей , имеющих вмешаться в управление , а автопилот активен. Как правило, это компьютер, который обрабатывает информацию об окружающей среде от транспортных средств, чтобы определить, как управлять транспортным средством.

При возникновении затруднений подаются визуальные или звуковые предупреждающие сигналы.

Элементы управления автопилотом в Airbus A340

определение

Термин «автопилот» представляет собой соединение двух терминов « автомат » и « пилот ».

Слово «пилот», которое происходит от французского «пилот», происходит от греческого термина « педотта », который можно свободно переводить как рулевой , пилот. Однако сегодня это определение больше не используется. В авиационной лексике пилот определяется «как часть экипажа на борту самолета». «[Точнее] пилот» управляет самолетом. Duden определяет «пилот , как кто - то [профессионально] управляет самолетом», который также в связи с тем , что сегодня этот термин в основном , связанных с авиационной промышленностью. Однако, согласно Дудену, есть и другие значения этого термина, например Б. автогонщик или «тот, кто водит бобслей». Здесь пилот на языке моряков также используется как пилот по имени. В прошлом термин «пилот» часто использовался в более широком смысле для обозначения водителя, который управлял любым типом транспортного средства.

Второй термин, «автомат», происходит от французского «автомат», которое, в свою очередь, происходит от греческого «autómatos». В переводе это означает что-то вроде «движется сам по себе, сам по себе». Таким образом, автоматы - это машины, которые независимо, то есть автоматически, выполняют заранее определенные процессы.

Американское федеральное управление гражданской авиации , сокращенно FAA, определяет автопилот как «[...] систему управления полетом, которая автоматически направляет крыло, руль высоты и в некоторых случаях вертикальный стабилизатор по маршруту, который был [задан пилотом]. «или следить за высотой, скоростью снижения / набора высоты и курсом».

Однако его определение действительно только в области авиации и даже не для всех систем. Так что их определения недостаточно. Если вы объедините два термина, как определено выше, вы можете определить «автопилот» как систему, которая автоматически принимает независимые решения на основе внешних воздействий и информации, а затем управляет транспортное средство, будь то самолет или другой тип транспортного средства. Транспортное средство. Таким образом, это может повлиять на положение, направление и скорость автомобиля.

области применения

Сегодня автопилоты используются в самых разных областях и для разных целей. Это включает, прежде всего, помощь людям, которая становится все более необходимой из-за усложнения систем. Сегодня автопилоты в основном ассоциируются только с авиацией, и большинство людей знакомо только с автопилотами, которые используются в самолетах . Однако другие системы и автомобили уже оснащаются автопилотом. Помимо авиации , автопилоты, которые соответствуют приведенному выше определению, также используются в космосе , на море , автомобилестроении и робототехнике для управления транспортными средствами.

Автопилоты в судоходстве

Автопилоты на кораблях берут на себя управление в соответствии с фиксированным курсом, в соответствии с заданным маршрутом (список путевых точек) или, в случае парусных судов, в соответствии с ветром (управление флюгером). На более крупных судах они интегрированы в комплексную электронную навигационную систему (ECDIS) .

Автопилот на корабле

Автопилот рассчитывает необходимую коррекцию курса на основе различных источников данных. Измеряется управляемый курс (курс по компасу или курс относительно земли ) , который сравнивается с заданным курсом относительно земли. Управляющий сигнал генерируется из разницы, которая механически или гидравлически воздействует на систему рулевого управления и заставляет судно изменять курс с помощью руля.

Современные приборы определяют курс корабля с помощью гирокомпаса или GPS . Они также учитывают качение и движение полос из-за волн и порывов ветра, вращения ветра, течений ( дрейф : разница между курсом по воде и курсом по земле ) и изменениями магнитного поля Земли. Маршруты можно вводить через список путевых точек или щелчком мыши непосредственно на навигационной карте, за которой затем автоматически следует автопилот. При достижении путевой точки дается акустическая информация, и устройство автоматически переключается на следующую путевую точку.

На больших судах автопилот является неотъемлемой частью комплексной электронной навигационной системы ( ECDIS ), которая также включает эхолот , радар , АИС , электронную морскую карту и многое другое. Из-за прогрессирующей миниатюризации и снижения цен на технологии, необходимые для этого, системы, подобные ECDIS, в основном состоящие из ноутбука с навигационным программным обеспечением и периферийными устройствами, подключенными через интерфейсы NMEA , все чаще находят свое применение на небольших судах и даже на прогулочных судах. ремесленные автомобили.

Неправильно запрограммированные или «вышедшие из-под контроля» автопилоты могут иметь серьезные последствия. Последнее происходит, в частности, с системами со слишком слабыми размерами, или с особенно сильными волнами и ветрами, или с курсом движения впереди ветра , когда автоматическое управление реагирует слишком слабо или слишком сильно.

Управление флюгером

Механическая саморегулирующаяся ветровая система в действии
Механическое управление флюгером

Механическое управление флюгером использует флюгер на корме корабля, с помощью которого измеряется направление ветра относительно корабля. Он реагирует как на изменение ветра (изменение направления ветра), так и на вращение корабля (изменение курса). Это изменение направления механически передается на руль направления корабля таким образом, что угол между кораблем и вымпельным ветром всегда остается неизменным. В результате корабль движется прямо, а направление ветра остается неизменным. Курс нужно корректировать только в случае сильной смены ветра.

Механическое управление флюгером часто используется при кругосветных плаваниях. Они прочные и не требуют электроэнергии.

Электронное управление флюгером

С помощью электронного управления флюгером вращение флюгера на вершине мачты передается на автопилот в виде электрического сигнала. Затем на основе этого рассчитывается необходимая поправка с учетом заданного и фактического курса корабля. На современных яхтах анемометр, автопилот и навигационная система обычно все равно объединены в сеть, поэтому для работы автопилота в режиме флюгера не требуется никакого дополнительного оборудования.

Рулевое управление

Автопилот для судов с румпельным управлением. Электродвигатель с мощной червячной передачей удлиняет или укорачивает толкатель. На переднем плане виден румпель.

При управлении румпелем электрический управляющий сигнал действует механически непосредственно на румпель через толкатель с электрическим приводом. Большинство так называемых румпельных пилотов имеют встроенный электронный компас, поэтому для удержания корабля на курсе по компасу не требуется никакого дополнительного оборудования, кроме источника питания. Входы для данных NMEA позволяют регулировать в соответствии с направлением ветра или путевыми точками, которые также можно использовать для компенсации токов и дрейфа.

Рулевое управление

На судах с рулевым управлением используются различные модели приводов. Их всех объединяет то, что мощный приводной двигатель приводится в действие блоком управления, расположенным в кабине. Приводной двигатель воздействует либо на тросы управления, либо непосредственно на квадрант руля направления посредством штампа. Эта система имеет то преимущество, что в случае повреждения системы рулевого управления (например, обрыва троса управления) судном по-прежнему можно управлять с помощью автопилота. Приводы с гидроцилиндрами редко встречаются на небольших судах, но они распространены в коммерческом судоходстве.

В автомобиле

Автопилоты в автомобилях обычно называют системами помощи водителю . По определению, автопилот вмешивается в управление транспортным средством. К отдельным функциям автопилота относятся, например:

  • Предупреждение о выезде с полосы движения: удерживает автомобиль на отмеченной полосе.
  • Ассистент смены полосы движения: меняет полосу движения по команде водителя. (Но обычно на трафик не обращают внимания).
  • Помощник по предотвращению столкновений: предупреждает о надвигающемся наезде сзади и автоматически тормозит вместе с помощником при экстренном торможении.
  • Помощник по предотвращению бокового столкновения: уклоняется в сторону, если другой автомобиль приближается слишком близко.
  • Ассистент торможения : распознает ситуацию экстренного торможения на основе скорости нажатия педали тормоза, а затем тормозит быстрее и сильнее, чем это делает человек.
  • Круиз-контроль : регулирует скорость автомобиля.
  • Помощь при боковом ветре: стабилизирует трассу при порывах бокового ветра.
  • Ассистент парковки: обнаруживает парковочные места и парки вдоль или поперек.

Степень автоматизации автопилота описывается уровнями автономности от уровня 0 до уровня 5 (см. Автономное вождение ). В течение некоторого времени тестовые автомобили от Google достигли 4-го уровня. Это означает, что автомобили могут двигаться полностью автономно. Однако по соображениям безопасности и по юридическим причинам в транспортном средстве все еще находится (ответственный) водитель. В Европе также предпринимаются попытки создать беспилотные автомобили . Один проект, который уже был успешно опробован в Испании, - это SARTRE (Безопасные дорожные поезда для окружающей среды). Это система конвоя, которая автоматически соединяет все транспортные средства друг с другом в сети и полностью автоматически управляет ими. Во время испытаний в Испании грузовик управлял всеми транспортными средствами, находящимися за ним, которые передавали все свои измеренные данные на управляющее транспортное средство.

Еще одним шагом к автономному управлению является система Highway Pilot System, которая используется в Freightliner Inspiration Truck . Грузовик основан на модели Freightliner Cascadia Evolution американского производства, которая оснащена системой Detroit Connect (бортовая система диагностики и мониторинга автопарка) и технологией Highway Pilot. Последний включает в себя передний радар, стереокамеру и проверенные системы помощи (дистанционное управление). По состоянию на май 2015 года два грузовика этого типа имели лицензию на дорожное движение в Неваде, США.

Tesla, Inc. предоставляет услуги водителю в своих транспортных средствах под названием «автопилот». Это функции уровня автономии 2. B. полосу движения можно изменить автоматически, нажав на рычаг указателя поворота. Центр конкуренции подает в суд на Tesla, потому что Tesla создает обманчивое впечатление, будто ее автомобили могут автономно ездить по немецким дорогам.

Космическое путешествие

В наши дни автопилоты стали незаменимыми в аэрокосмической промышленности. Без них исследование и коммерческое использование Вселенной было бы невозможным. Автопилоты используются в ракетах , спутниках и зондах, чтобы управлять ими во время взлета, удерживать их на стабильной орбите и самостоятельно исследовать планеты или другие объекты в глубинах космоса. Одним из примеров является Curiosity марсоход из НАСА , который в настоящее время на Марсе находится в использовании.

Самолеты

Постоянно растущая сложность самолетов и все более плотное движение потребуют от пилота высокой степени концентрации и работы, если он будет управлять самолетом вручную. «Автопилот может избавить пилота от монотонной и утомительной работы по управлению самолетом [...]. Таким образом, пилот может сосредоточиться на других задачах [...] ». Помимо точного управления самолетом, автопилоты берут на себя и другие задачи, а не только поддерживают пилота в нормальном полете. Современные системы способны поддерживать экипаж при посадке и взлете в плохих погодных условиях, например, при сильном ветре и тумане. Но также «полностью автоматическая посадка в условиях плохой видимости вплоть до нулевой видимости» относится к области применения системы. Автопилоты также используются в современных вертолетах. «Управление большим вертолетом [...] требует от пилотов большой работы и концентрации, поскольку они основаны на разных требованиях». В частности, способность зависать предъявляет очень высокие требования к системам автопилота вертолета.

историческое развитие

Первые системы, получившие название «автопилот», были разработаны для судоходства, прежде чем они нашли применение в самолетах. Это началось с изобретением гирокомпаса по Херманну Аншца Каемпф (в 1904) и Elmer Sperry (в 1908 г.). Это техническое достижение позволило получить достоверную справку по курсу. Раньше это было трудно сделать с помощью компаса на кораблях, построенных из стали, из-за магнитных свойств феррита . Эти гирокомпасы быстро были приняты на вооружение ВМФ. Затем Элмер Сперри разработал первую систему автоматического управления с гирокомпасом, которая быстро зарекомендовала себя в судоходной отрасли. Однако автопилот Сперри был «массивным агрегатом, который был применим только в судоходстве, [...] но быстро утвердился в качестве стандарта в новом судостроении». Сын Элмера Сперри, Лоуренс, наконец, применил изобретение своего отца на самолете. 18 июня 1914 года во Франции он продемонстрировал первую систему, которая могла удерживать и стабилизировать Curtiss C-2 в горизонтальном полете без вмешательства пилота. «Этот автопилот состоял из четырех отдельных гироскопов, каждый из которых вращался со скоростью 7000 оборотов в минуту. Эти гироскопы были установлены в нулевое положение всех рулей и механически связаны с ними ». Даже тогда этот ранний автопилот мог совершать посадку без вмешательства пилота. В 1930-х годах компания Siemens разработала «автоматическую систему управления самолетом» под названием «Автопилот II», которая после «испытательных полетов продолжительностью несколько сотен часов» также использовалась в регулярном маршруте движения Deutsche Lufthansa.

Из - за быстрое техническое развитие, особенно в области электроники, в 1947 годе первый электронный Автопилот управляется с C-54 SKYMASTER из в ВВС США через Атлантику из США в Англию полностью автономен от взлета до посадки в Brize Norton . В то время британская торговая пресса не была в восторге от работы полностью автоматического полета. Тогда было также ясно, что такая система займет много времени, чтобы прочно утвердиться. В выпуске журнала Flight and Aircraft Engineer за октябрь 1947 года автопилот был описан как «прославленный электрический будильник [], который обрабатывал заранее определенные настройки [...] по прошествии определенного времени и, таким образом, передавал данные на автопилот [так что он управляет самолетом], а также управляет другими системами, такими как шасси, закрылки и двигатель ». Этот пример впечатляюще показывает, что некоторые из самых ранних систем автопилота уже освоили многие вещи, которые можно было бы ожидать от современной компьютеризированной системы сегодня, такие как автомат тяги , автотриммер , демпферы рыскания и автоматическая посадка.

Современные автопилоты

Конкорд в начале
Торнадо ПА-200
Нортроп Грумман X-47B

От первого чисто механического до полностью электрического автопилота, все больше и больше разрабатывались полностью компьютеризированные системы, управляемые сложными алгоритмами на все более быстрых микропроцессорах . Этот процесс начался в середине 1950-х годов с появления первой беспроводной технологии (FBW) в военных самолетах, тогда только в США. В Европе FBW начали работать только в конце 1960-х годов, когда Германия, Франция и Англия совместно разработали PA-200 Tornado . Группа Airbus воспользовалась техническими достижениями и опытом в разработке этого многоцелевого истребителя, а затем разработала Airbus A-320 , один из первых коммерческих самолетов, управляемых исключительно FBW - первым был Concorde .

Из-за растущей компьютеризации и сетей задачи автопилота неуклонно росли. Современные системы, используемые сегодня, даже помогают снизить уровень шума и сэкономить топливо. Кроме того, наблюдается тенденция к созданию центрального блока вместо, как раньше, отдельных или независимых систем. Так что раньше были отдельные компьютеры для управления положением , т.е. ЧАС. один на пространственную ось, а другой для управления регулировкой тяги двигателя. Сегодня, однако, уже принято, чтобы все выполнялось на одном процессоре. Такая централизованная система предлагает ряд преимуществ: она экономит вес, и вся система может выполнять гораздо более сложные задачи, поскольку ей доступно больше данных. Это означает, что автопилоты могут управлять самолетом уже в течение всего полета, т.е. ЧАС. включая взлет и посадку, летать автоматически. Одним из примеров является Northrop Grumman X-47 , экспериментальный самолет, разработанный для ВМС США . Однако ни один производитель пока не решился внедрить такую ​​беспилотную систему в гражданской авиации.

Некоторые системы, такие как системы производителя Airbus, даже имеют право отменять команды пилота, т.е. ЧАС. принимать решения против самого пилота в аварийных ситуациях. Остается под вопросом, действительно ли это желательно, но компьютер реагирует быстрее, чем человек. С другой стороны, эксперты обеспокоены тем, что пилотов все чаще превращают в наблюдателей, и им следует вмешиваться только в чрезвычайной ситуации, хотя компьютерные технологии сегодня еще не совершенны.

Классификация

Автопилоты делятся на три категории. Различают количество осей самолета, которым может управлять автопилот. Различают

Оси вращения и поверхности управления
  • одноосный автопилот,
  • двухосный автопилот (с предварительным выбором высоты или без него),
  • трехосный автопилот и
  • четырехосный автопилот.

С одноосным автопилотом он управляет только элеронами , чтобы управлять продольной осью (вертикальной осью). Это также известно как роли . Только крылья остаются в горизонтальном положении.

Двухосный автопилот также активирует руль высоты, чтобы направить самолет вокруг его поперечной оси (английский шаг ). Это означает, что высоту можно контролировать и в полете.

Трехосевой автопилот управляет всеми рулевыми поверхностями самолета, чтобы управлять им по всем трем осям. А вот и две другие оси, добавленная ось рыскания (англ. Yaw ).

Иногда в специальной литературе встречается термин четырехосный автопилот . Однако ось в пространстве здесь не упоминается, а вектор тяги считается четвертой осью. Такие системы могут специально управлять тягой двигателей для поддержания заданной скорости или автоматически регулировать тягу во время посадки.

Автопилот с одной осью

Рис.2: Автопилот KAP 140, одноосный
Рис.3: Автопилот KAP 140, одноосный, активирован режим крена

Самая простая форма автопилота - это одноосный автопилот, также известный как «выравниватель крыла» (что на немецком языке означает «выравнивание крыльев по горизонтали»). Он только управляет вращением вокруг продольной оси (оси крена) - раскатыванием . Он может удерживать крылья в горизонтальном положении, управляя элеронами. Одноосный автопилот имеет только горизонтальный режим. Элерон можно использовать только для изменения направления, но не для изменения высоты полета.

Bendix / King KAP 140 - широко распространенный автопилот для небольших самолетов с двумя двигателями, его модельный вариант в виде одноосного автопилота имеет пять кнопок управления. KAP 140 включается кнопкой AP (для: Автопилот). Активирован режим ROL (режим крена), который удерживает крылья в горизонтальном положении. Это предотвращает опрокидывание самолета в сторону. Если пилот ранее установил подходящую скорость и самолет был сбалансирован, он будет летать в очень стабильном состоянии.

Рис. 4: Гироскоп курса - внизу справа от кнопки (HDG), отмеченной красным, вы можете повернуть в соответствии с курсом, который автопилот должен держать. На данный момент развернут курс на 325 ° (красная линия). Имеется текущий курс 295 °. С помощью нижней левой поворотной кнопки (PUSH, сначала нажмите, затем поверните) гироскоп курса регулярно настраивается в соответствии со значениями курса на магнитном компасе.

Четыре других режима, которые необходимо включить отдельно:

  • HDG (Курс; летать и выдерживать курс, установленный на гироскопе курса)
  • NAV (навигация; летать и удерживать курс, установленный на VOR или GPS)
  • APR (подход; работает как режим NAV, но гораздо более чувствителен, так что можно пролететь очень точный курс посадки)
  • REV (обратный курс; работает как режим APR, но автопилот реагирует на отклонения стрелки курса совершенно противоположным образом; многие автопилоты также называют этот режим BC - обратный курс, обратный курс или обратный курс)

Четыре кнопки - HDG, NAV, APR, REV - активируются нажатием и деактивируются повторным нажатием. Одновременно может быть активирована только одна из четырех кнопок. Если все четыре кнопки деактивированы, автопилот возвращается в режим ROL - при условии, что автопилот включен. Режим ROL является общим для всех режимов одноосного автопилота.

Двухосный автопилот

Рис.5: Автопилот KAP 140, двухосный, без предварительного выбора высоты

В дополнение к оси крена двухосные автопилоты управляют осью тангажа, то есть креном вокруг поперечной оси. Вы также можете позволить самолету двигаться вокруг поперечной оси (англ. Pitching ) - нос самолета поднимается или опускается. Эта вторая ось автопилота позволяет управлять высотой в вертикальном режиме. Для этого они управляют сервоприводом шага и сервоприводом подстройки шага.

Одноосные автопилоты могут вести самолет только вбок (боковая навигация), а двухосные автопилоты могут вести самолет в стороны и вверх (вертикальная навигация).

В простом варианте двухосный автопилот представляет собой «выравниватель крыла» с ограниченной способностью корректировать отклонения вокруг поперечной оси, то есть крен. На другом конце ассортимента двухосных автопилотов есть очень сложные конструкции, которые подходят для автоматического управления полетом, при этом оцениваются принимаемые сигналы от бортовых радионавигационных приемников (VOR, NDB, GPS).

Помимо четырех кнопок для горизонтального режима (HDG, NAV, APR, REV), у KP 140 есть пятая кнопка для вертикального режима - ALT (высота). Когда клавиша ALT активирована, автопилот поддерживает текущую высоту полета.

Нажатие кнопки ВВЕРХ инициирует набор высоты примерно 500 футов / мин, который сохраняется, пока кнопка нажата. Соответственно при нажатии кнопки DN (Вниз) происходит спуск.

Рис.6: Автопилот KAP 140, двухосный, с предварительным выбором высоты

Есть также двухосные автопилоты с предварительным выбором высоты, с помощью которых можно указать высоту полета. Также можно отрегулировать вертикальную скорость, с которой самолет летит на эту высоту. В режиме захода на посадку автопилот может следовать по глиссаде ILS по вертикали.

Модель KAP 140 с предварительным выбором высоты также имеет двухэлементный поворотный переключатель для ввода высоты и кнопки ARM и BARO.

Поскольку на этих моделях автопилот не управляет рычагом тяги, пилот все равно должен взять на себя эту задачу. Во время захода на посадку он должен контролировать правильную скорость захода на посадку. Во время набора высоты он должен следить за тем, чтобы автопилот не поставил самолет в стойло со слишком большой скоростью набора высоты. По-прежнему требуются контроль и внимание пилота.

Даже лучше оборудованные автопилоты предлагают предупреждение о высоте в дополнение к предварительному выбору высоты, что дает пилоту звуковой или визуальный предупреждающий сигнал на 1000 или 100 футов до достижения заданной высоты полета.

Строительство современных автопилотов

Современные системы, которые в просторечии называют автопилотами, на самом деле представляют собой множество различных, частично независимо действующих систем внутри самолета. Все эти системы вместе обычно называются автопилотами, но только одна из этих комбинированных подсистем называется автопилотом. Однако, учитывая сложность системы и тот факт, что другие подсистемы также принимают автономные решения, управляющие самолетом, этот факт неудивителен. Архитектура этой системы также неоднородна, так как каждый производитель устанавливает свои приоритеты и подходы при внедрении систем авионики . «Иногда возникает некоторая путаница во взаимосвязи между основным контроллером полета, системой автопилота / управления полетом ( AFDS ) и системой управления полетом ( FMS )». Первичное управление полетом включает FBW и все другие компоненты, необходимые для управления самолетом. Система автоматического полета ( AFS ), с другой стороны, содержит все функции для автоматического и автономного управления полетом. В ГПС отвечает за навигационных данных и летно.

Система автоматического полета (AFS)

Рисунок 7: Директор полета (F / D) может быть включен отдельно, в то время как автопилот в этой модели может быть включен только вместе с F / D (F / DA / P).

«Автопилот авионики» теперь является подсистемой «Автопилотной системы» (AFS), которая упоминается в английской литературе как «Автопилот» или «Система управления полетом» (AFDS). Помимо автопилота, в эту систему входят и другие подсистемы. Однако в зависимости от производителя некоторые системы также подключаются за пределами AFS или интегрируются в другие системы. Тем более, что в англоязычной специальной литературе описывается только архитектура производителя Boeing, которая имеет несколько иную структуру, чем Airbus.

AFS - это сердце автономного полета современных машин. Отдельные системы берут на себя различные задачи по поддержанию стабильного полета самолета или следования заданному курсу. Эта система прочно интегрирована в проводную систему. AFS состоит из нескольких подсистем, некоторые из которых могут действовать как независимые единицы. Они также могут быть включены или выключены пилотами по желанию, чтобы передать частичные задачи AFS. Таким образом, пилот может начать разворот с самолетом и позволить AFS регулировать высоту полета. Пилоту больше не нужно беспокоиться о поддержании желаемой высоты полета, поскольку компьютер делает это за него.

Автопилот

В зависимости от интегрированной системы различают несколько типов автопилота (AP). Они классифицируются в зависимости от того, сколько осей они контролируют. Простейшие AP регулируют угол полета только вокруг оси крена, управляя элеронами. «Эти простые системы также часто называют« выравнивателями крыльев »». На уровень выше находится AP с двумя осями, здесь помимо оси крена в контур управления AP добавлена ​​ось рыскания. Таким образом, эти системы могут также поддерживать и следовать фиксированному курсу. Последняя категория AP - это системы, которые могут управлять самолетом по всем трем осям. Здесь добавляется ось тангажа, которая определяет высоту полета, а также скорость набора высоты и снижения. Эти системы используются во всех современных авиалайнерах, поскольку они позволяют выполнять автономную посадку.

AP - это важная система авионики, поскольку она точно поддерживает устойчивое положение самолета в полете. Система состоит из двух контуров управления. Внутренний цикл, внутренний цикл отвечает за стабильный полет. Компьютер AP получает данные, в этом примере от датчика высоты. В случае отклонения от заданной высоты полета компьютер управляет исполнительными механизмами соответствующей поверхности управления; например (см. рисунок) лифт. «Обратная связь от привода гарантирует, что серводвигатели достигают и удерживают желаемое положение». Движение соответствующих поверхностей управления изменяет положение летательного аппарата, которое, в свою очередь, регистрируется соответствующим датчиком, аэродинамической обратной связью и снова передается в компьютер AP. Ручные вводы пилота отправляются непосредственно на компьютер AP и, таким образом, перезаписывают текущие операции системы, поэтому пилот может вмешаться в любое время. Схематическую структуру внутреннего контура управления можно увидеть на рисунке, но в целом это неверно и зависит от используемой специальной литературы. Пример можно увидеть в компании Civil Avionics Systems, созданной Яном Мойром и Алланом Сибриджем. Здесь ручное управление обеспечивает прямой доступ к управляющим поверхностям за компьютерами точки доступа. Этот внутренний контур управления одинаков для всех трех осей, отличаются только контролируемые поверхности и датчики. Второй контур управления - это внешний контур . Это генерирует команды для внутреннего цикла управления. Таким образом, внешний контур не отвечает за стабильное положение в полете, но генерирует команды, которые необходимы для управления летательным аппаратом таким образом, чтобы он следовал желаемому курсу или выполнял желаемый маневр. Необходимые для этого расчеты производятся летным директором ( FD ). Далее контроллер AP получает данные от соответствующих датчиков и сравнивает их с желаемыми, как в этом примере курса. Компьютер получает данные о текущем курсе и сравнивает их с желаемым. Если ошибка курса может быть распознана, FD рассчитывает, какой маневр необходим для ее исправления. Команды, необходимые для маневра, затем передаются на компьютер точки доступа через контроллер. На этом этапе внутренний контур управления берет на себя все дальнейшие команды и адресует необходимые исполнительные механизмы для соответствующих поверхностей управления. Помимо курса, системе также могут передаваться скорость снижения или набора высоты и высота. Это позволяет системе поддерживать устойчивость самолета в воздухе по всем трем осям.

Директор полета

Первичный индикатор полета (PFD) Boeing 737 из серии следующего поколения с указателем полета в виде фиолетового креста

«Директор полета (FD) - это мозг системы автопилота». Большинство автопилотов могут гарантировать стабильное положение; однако, если в игру вступают другие факторы, такие как навигация, ветер и курс, необходимы более сложные вычисления. «FD и AP спроектированы таким образом, что они очень тесно работают вместе, но можно использовать FD без подключения AP, и наоборот». FD и автопилот рассматриваются как отдельные системы, но обе системы можно рассматривать как единую систему. Когда автопилот выключен и FD активирован, символы на их основном индикаторе полета (PFD) показывают пилотам, как вручную управлять самолетом, чтобы следовать желаемому маршруту полета или маневру. «Он создает простую, понятную инструкцию для пилота». Желаемое положение желаемого положения в полете схематично показано на PFD, обычно в виде большого красного креста или другого заметного цвета. Таким образом, вам нужно только повернуть дрон так, чтобы он находился над показанным положением. Пилоту приходится управлять самолетом вручную, но это не облегчает полет, поскольку «FD должен знать, что должно происходить, и последний затем показывает, как летать». Поэтому FAA рекомендует деактивировать FD и летать на нем по приборам, так как это требует меньшей рабочей нагрузки. Если обе системы находятся в самолете, также возможно, в зависимости от системы, активировать AP без FD.

Система увеличения устойчивости

В современные системы AP всегда интегрирована другая система для более стабильного полета - «Система повышения устойчивости». Фактически это комбинация двух автономных систем, системы автоматического регулирования скорости и демпфера рыскания. Там, где раньше были две физически отдельные системы, теперь они являются неотъемлемой частью автопилота.

Система автотриммера
Обрезка вкладок

«Чтобы поддерживать условия полета [...] в течение более длительного периода времени, на летательном аппарате всегда должно быть равновесие сил и моментов». Этот баланс необходимо постоянно регулировать во время полета, поскольку центр тяжести изменяется из-за расхода топлива. Чтобы не компенсировать это постоянно ручными управляющими входами, есть триммер . Здесь небольшие управляющие поверхности - так называемые триммеры или триммеры - расположены под углом к ​​соответствующему рулю направления. Они создают аэродинамическую силу, чтобы восстановить желаемый баланс сил. Чтобы пилот не делал это вручную в течение всего времени полета, есть система автонастройки. «Система Autotrim может автоматически [...] вносить корректировки в дифферент по тангажу, чтобы поддерживать самолет на желаемой высоте [...]». Эта система, в свою очередь, управляется и проверяется автопилотом, как только компьютер распознает, что для поддержания желаемого положения необходимо постоянное отклонение поверхностей управления. Этим управляют триммеры, чтобы компенсировать это и вернуть управляющие поверхности в их нейтральное положение. Это желательно для уменьшения лобового сопротивления. Помимо обрезки с помощью триммера, существует также метод балансировки веса Airbus. Триммеры не регулируются для создания баланса сил, но топливо перекачивается из одного бака в другой, чтобы сместить центр тяжести самолета в полете. Это имеет преимущество, так как отсутствует дополнительное перетаскивание за язычки обрезки. Это увеличивает дальность полета, но снижает продольную устойчивость , поскольку вы забираете топливо из крыльевых баков.

Демпфер рыскания

Вторая система повышения устойчивости - это демпфер рыскания или рысканья . Единственная задача этой системы - гасить так называемые голландские колебания крена , которые особенно характерны для больших самолетов. Это вызвано порывами ветра, которые ударяют по самолету сбоку. Поскольку хвостовое оперение имеет большую контактную поверхность, вокруг вертикальной оси возникает крутящий момент. Затем последующая цепочка событий создает вибрацию «голландского ролика». Это приводит к синусоиде вокруг вертикальной оси. У каждого самолета своя собственная частота «голландского ролика». Если бы не было компенсации, чтобы противодействовать этому, самолет продолжал бы колебаться и также терял бы высоту. Такая вибрация особенно неудобна для пассажиров и требует от пилота большой работы, чтобы ее компенсировать. Демпфер рыскания берет на себя эту задачу и отклоняет руль направления таким образом, что такая вибрация вообще не возникает. Чтобы обнаружить это колебание, компьютер получает сигналы скорости рыскания от летательного аппарата. Они фильтруются через полосовой фильтр, чтобы определить частоту крена голландского самолета для конкретного самолета. Это также позволяет отличить от него кривой полет. Как только компьютер распознает, что есть колебания по голландскому крену, он активирует серводвигатели руля направления, чтобы противодействовать этому. В большинстве случаев демпфер рыскания частично или полностью встроен в компьютер AP. Это не обязательно так: в A320 амортизатор рыскания представляет собой автономную систему, которая находится за пределами системы AP.

Автоматическая система дроссельной заслонки

Другой важной системой автономного управления полетом является «Auto Throttle System» (ATS) или «Auto Thrust System». Эта система регулирует двигатели таким образом, чтобы они в любой момент создавали необходимую тягу, которая требуется для соответствующего положения в полете. Спецификации для этого генерируются автопилотом и передаются двигателям. ATS предлагает множество преимуществ и освобождает пилотов, особенно во время взлета и посадки, когда им больше не нужно беспокоиться о работе двигателя. Две разные системы все еще используются сегодня. Классический ATS все еще можно найти на некоторых старых машинах. В этом случае двигатель не управляется напрямую AP, а управляет серводвигателем, который механически регулирует рычаги тяги в кабине. Таким образом, рычаги тяги устанавливают связь с соответствующими органами управления двигателем. Они отслеживают и контролируют все процессы двигателя для достижения необходимой производительности. Эти контроллеры представляют собой очень сложные, точные механические компьютеры, подключенные к электронной системе управления. Из-за их сложности и с увеличением оцифровки, особенно с использованием чистых систем FBW, они постепенно исчезают. «Современные двигатели [...] [сегодня] оснащены цифровой электронной системой управления двигателем FADEC (полное управление цифровым двигателем)». Эти системы больше не работают с помощью механических интерфейсов, а работают исключительно в цифровом формате. «Ваши задачи выходят за рамки контроля [...] и всегда обеспечивают оптимальную производительность или оптимальную тягу с максимальной экономией». Однако при использовании системы FADEC у пилотов нет возможности вмешиваться в работу двигателей. Здесь используются только входная переменная АР и рычаг тяги. Затем поток топлива регулируется в замкнутом контуре управления с помощью соответствующих датчиков в двигателе, которые предоставляют такие данные, как распределение температуры, давление, температура выхлопных газов и скорость. К этим системам предъявляются очень высокие требования, поскольку они должны выдерживать жесткие условия эксплуатации двигателя. В зависимости от двигателя и конструкции они даже должны выдерживать температуры от -60 ° C до 120 ° C. Для них также очень важна надежность, поскольку отказ приведет к полному отказу двигателя.

Система управления полетом

Система управления полетом (FMS) отвечает за важную часть полета - навигацию. FMS облегчает пилотам планирование маршрута полета и рассчитывает текущее положение с помощью нескольких датчиков. В предыдущих системах пилоту приходилось вводить все точки запланированного полета вручную. Однако это неоднократно приводит к неправильному вводу и, следовательно, к отклонениям от курса. В сочетании с неточным определением местоположения это было невыгодно. Еще в 1976 году провидцы индустрии авионики мечтали о «главной навигационной системе», которая могла бы автономно управлять самолетом на всех этапах полета. С 1982 г. введена ФМС. FMS содержит базу данных с путевыми точками и процедурами, необходимыми для планирования маршрута полета. Затем пилот выбирает только те точки, в которые он хотел бы полететь, и таким образом составляет свой план полета. «Затем компьютер вычисляет расстояние и курс для каждой из этих точек, находящихся на маршруте полета». С помощью всей информации «[...] FMS обеспечивает точную навигацию между каждой парой путевых точек во время полета и предоставляет дополнительную информацию о полете в режиме реального времени, такую ​​как скорость относительно земли, расстояние, ожидаемое время полета, расход керосина. и максимальное время в воздухе ». Однако FMS служит не только для облегчения планирования, но и пересылает всю необходимую информацию в AP и систему автоматического управления дросселем. Здесь вы можете увидеть актуальную задачу FMS для AFS. Он рассчитывает необходимый курс и высоту, которую автопилот должен удерживать, чтобы точно следовать желаемому маршруту полета. Как только точка маршрута достигнута, точка доступа информируется о новом курсе, по которому она следует. Современные системы позволяют автономно перемещаться по всем трем осям и адаптировать скорость полета. Эти системы могут выполнять очень точные вычисления и позволяют достичь путевой точки за очень маленькое временное окно примерно ± 6 с. Они также могут управлять двигателями, чтобы компенсировать любые задержки. FMS не только управляет навигацией, но и настраивает необходимые приемники в самолете на соответствующие частоты для связи и частоты радиомаяков. FMS полностью состоит из двух резервированных компьютеров, которые выполняют все вычисления. С A320 FMS по-прежнему является независимой системой с собственным компьютером. Но чем больше в самолетостроении идет электронное управление и цифровизация, тем больше сливаются отдельные системы. В семействе A330 и A340 AP и FMS можно найти в одной системе. А в последнем поколении, таком как A380, все системы AP размещены в компьютере FMS и образуют единую систему.

Защита полетного конверта

Конечно, все системы в точке доступа должны контролироваться, и если происходит ненормальное поведение, пилоты должны знать об этом, чтобы они могли вмешаться. Система защиты полетного конверта берет на себя эту задачу. Эта система является неотъемлемой частью FBW. Это обеспечивает безопасный полет в приграничных районах самолета. Это гарантирует отсутствие повреждений конструкции из-за чрезмерных ускоряющих сил. Это увеличивает безопасность во время полета, поскольку в идеале ошибки в компьютере не могут привести к отказу системы или конструкции.

Посадка с автопилотом

Посадка с автопилотом на взлетно-посадочной полосе с последующим рулением до осевой линии взлетно-посадочной полосы известна как посадка CAT III или автопосадка. Для посадки CAT III требуются соответствующим образом оборудованный и лицензированный самолет, обученный и лицензированный экипаж и соответственно оборудованный и лицензированный аэродром. За исключением некоторых типов самолетов, приземления CAT III могут выполняться только с автопилотом из-за его примерно в четыре раза большей скорости реакции. В настоящее время возможны посадки по CAT IIIa и IIIb. Помимо торможения на трассе, CAT IIIc также включает в себя скатывание с трассы.

Стандартные действия автопилота

Когда после взлета самолет набирает желаемую высоту, он переходит в горизонтальный крейсерский полет.

Пока самолет движется по прямой в постоянных внутренних и внешних условиях (распределение веса, земная атмосфера и т. Д.), Высота полета остается постоянной. Однако от простого потребления топлива самолет становится легче и начинает набирать высоту. Таким образом, система измерения барометрической высоты вскоре обнаружит отклонение от предварительно выбранной высоты. Канал тангажа , который регулирует угол атаки , посылает сигнал на лифт, чтобы отрегулировать разницу до тех пор, пока высота, указанная в качестве уставки, снова не будет достигнута. Поскольку подъемная сила и, следовательно, угол атаки могут быть уменьшены за счет потери веса и, следовательно, сопротивление уменьшается, скорость полета увеличивается, поэтому канал скорости (автоматический компьютер дроссельной заслонки) регулирует мощность двигателя так, чтобы предварительно выбранная высота сохранялась. при заранее выбранной (оптимизированной) целевой скорости будет.

Направление полета регулируется через рулежную дорожку . Предположим, что пилот устанавливает курс на 315 °, т.е. точно на северо-запад . Если внешние условия изменяются, например , как направление ветра, самолет будет дрейфовать из расчетного курса , если нет счетчика рулевого управления. Теперь система компаса измеряет отклонение от заданного курса и посылает сигнал элеронам, чтобы компенсировать это  - самолет немного наклоняется (поворачивается в сторону вокруг продольной оси). В рулевых работает как фальшкиль и самолетов также поворачивается вокруг вертикальной оси до тех пор , конечно , не 315 ° снова. Затем роликовый канал возвращается в среднее положение. Однако во время бокового движения самолет имел более высокое сопротивление и, таким образом, опускал нос вниз, после чего канал тангажа немедленно среагировал и снова поднял нос. Эта коррекция также вызвала дополнительное сопротивление и снизила скорость, поэтому контроллеру скорости пришлось снова увеличить мощность двигателя.

В дополнение к этим стандартным процедурам существует большое количество других функций управления, которые предотвращают нежелательные движения и делают полет более комфортным для пассажиров. С другой стороны, пилоты могут посвятить себя своей деятельности на сложных этапах полета - например, перед посадкой или когда план изменяется диспетчером воздушного движения - без необходимости постоянно корректировать самолет.

Позиционирование

Современный автопилот считывает положение с инерциальной навигационной системы (INS) и, если оно может быть получено, с нескольких поворотных радиомаяков (так называемых станций VOR) и, все чаще, по сигналам GPS. До эры GPS была доступна только ИНС, особенно над океанами. По мере увеличения продолжительности полета в ИНС накапливалась позиционная ошибка. Чтобы уменьшить количество ошибок, в INS была система карусели, которая вращалась каждую минуту, так что ошибки были разделены на разные векторы направления и, таким образом, нейтрализовали друг друга. Ошибки измерений гироскопов, которые все больше и больше искажают данные о местоположении, называются дрейфом. Эта ошибка связана с физическими свойствами системы, независимо от того, механические ли это гироскопы или лазерные гироскопы.

Расхождения между ними устраняются с помощью цифровой обработки данных и 6-мерного фильтра Калмана . Шесть измерений - это долгота, широта, высота, угол крена (крена), угол тангажа и угол рыскания.

На многих трансокеанских маршрутах полета ИНС должна гарантировать определенную точность определения местоположения (английский коэффициент производительности ). Следовательно, размер возможной ошибки положения также отслеживается в полете. Чем дольше полет, тем больше ошибка, которая накапливается в системе. Рядом с землей положение воздушного судна может быть обновлено с помощью дополнительной информации от радионавигационных систем (VOR, VOR / DME), за пределами диапазона VOR положение может быть скорректировано и обновлено с помощью GPS. Основной системой определения положения остается ИНС, поскольку она является самой безопасной как независимая бортовая система и зависит только от ее собственной системы (программного обеспечения, источника питания). ИНС может становиться все более неточной, но ее нельзя выключить извне, в то время как VOR или GPS могут быть отключены их оператором.

INS обычно состоит из трех IRU (то есть гироскопов), которым в качестве входных переменных требуется только сила тяжести и вращение Земли. Начальное положение самолета должно быть введено в систему пилотом.

Компьютерная система

Эта статья или следующий раздел не обеспечены должным образом подтверждающими документами ( например, индивидуальными доказательствами ). Информация без достаточных доказательств может быть вскоре удалена. Пожалуйста, помогите Википедии, исследуя информацию и добавляя убедительные доказательства.

Аппаратное обеспечение автопилота для типичного большого самолета состоит из пяти процессоров 80386 , каждый из которых находится на собственной печатной плате . Процессор 80386 недорогой, имеет продуманную конструкцию и был тщательно протестирован. Реальная виртуальная машина может быть реализована на 80386. Более новые версии даже радиационно-стойкие и дополнительно усилены для использования в авиации. Очень старая конструкция 80386 используется сознательно, потому что она надежна, а ее программное поведение было тщательно протестировано и описано.

Операционная система заказчика предоставляет виртуальную машину для каждого процесса . Таким образом, программное обеспечение автопилота всегда управляет электроникой компьютера косвенно и никогда напрямую, вместо этого оно управляет программным моделированием, выполняемым на ЦП 80386.

Наиболее серьезные ошибочные операции программного обеспечения приводят к сбою системы соответствующего ЦП.

В большинстве случаев на каждом ЦП выполняется процесс с низким приоритетом, который постоянно тестирует компьютер. В принципе, каждый процесс в автопилоте выполняется в идентичной форме в виде копии в трех или более точках на разных процессорах. Затем система решает, какой из результатов принять. Принимается среднее значение, при этом сильно отклоняющиеся значения отбрасываются.

Некоторые автопилоты имеют другую конструкцию (английское разнообразие дизайна) в качестве дополнительной меры безопасности. Не только критически важные программные процессы выполняются на разных компьютерах, но и на каждом компьютере выполняется программное обеспечение, созданное разными группами разработчиков, поскольку маловероятно, что разные группы разработчиков совершат одну и ту же ошибку. Однако из-за возрастающей сложности программного обеспечения и роста стоимости программного обеспечения многие компании-разработчики отходят от этой меры предосторожности за счет разнообразия.

Современное состояние и перспективы

С современными системами «по проводам» (Tornado, Airbus, F-16, Eurofighter) границы между отдельными системами стираются. Современные боевые самолеты, которые сконструированы таким образом, чтобы быть нестабильными из-за их маневренности, больше не могут летать без компьютерной поддержки. Кроме того, внедренные системы управления полетом обеспечивают соблюдение габаритов полета . Это в значительной степени предотвращает превышение физических ограничений (аэродинамических и конструкционных нагрузок). Внедрение беспилотных летательных аппаратов стало реальностью уже сегодня. Однако эти системы терпят неудачу из-за их все еще весьма ограниченных возможностей применения. Специальные маневры (разведка, взятие на себя отдельных фаз полета, таких как "крейсерский полет" или даже полностью автоматическая посадка) с соответствующими периферийными устройствами уже сегодня являются современными.

Автопилоты в военной авиации

В военной авиации сегодня используются автопилоты, которые позволяют осуществлять перехват из неконтролируемых условий полета одним нажатием кнопки, как в случае с Eurofighter Typhoon . Это может помочь предотвратить некоторые потери людей и материалов, а также увеличивает шансы на выживание в боевой обстановке .

«Автоматическое отслеживание местности» (чаще называемое «Радаром слежения за ландшафтом» (TFR)) позволяет выполнять полеты на малых и больших глубинах .

Смотри тоже

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ а б [1]
  2. ↑ Lexicon of Aviation, 3-е издание: Нильс Клуссман, Армин Малик, Springer Verlag 2012
  3. ↑ а б [2]
  4. ↑ Дуденс
  5. ↑ Словарь ( воспоминание от 18 января 2015 г. в Интернет-архиве )
  6. ↑ [3]
  7. ↑ a b c d e f g h Advanced Avionics : Federal Avionics , US Dep of Transportation 2009, (SG-2), перевод с английского
  8. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p Автопилот, краткое введение: Николай Рид, Вюрцбургский университет, 2013 г., PDF (отредактировано с согласия автора)
  9. ↑ Проект SARTRE ( памятная записка от 27 ноября 2010 г. в Интернет-архиве )
  10. ↑ Мировая премьера на шоссе в США: Daimler Trucks выводит первый автономный грузовик на дороги общего пользования  ( страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )  Информация: ссылка была автоматически помечена как дефектная. Проверьте ссылку в соответствии с инструкциями и удалите это уведомление.@ 1@ 2Шаблон: Dead Link / media.daimler.com  
  11. ↑ Ваш автопилот прибыл - Tesla Motors Germany . В: teslamotors.com . 14 октября, 2015. Проверено 6 июля, 2016.
  12. ↑ Из-за рекламы «Автопилота»: Штаб конкурса подал в суд на Tesla . ISSN  0174-4909 ( faz.net [доступ 29 октября 2019 г.]).
  13. ↑ a b c Введение в систему авионики, 2-е издание: Коллинсон, Клувер, RPG Academic Publisher 2003
  14. ^ A b c d Интеграция авиационных систем, механических, электрических и авионических подсистем, 3-е издание: Ян Мойр, Аллан Сибридж, Wiley 2011
  15. ^ A b Журнал истории авиации: Уильям Шек, журнал истории авиации 2003, опубликованный в Интернете в 2007 году , перевод с английского
  16. ↑ Системы автопилота, Исследование методологий C4I, используемых в системах автопилота: Мэтью К. Посид (2007)
  17. ↑ KH Kunze: Робот как пилот самолета. В: Reclams Universum 51 (1934/35), выпуск 14 от 3 января 1935 г., стр. 491–492 (с 4 иллюстрациями).
  18. ↑ Радиопередача Англия 1947, History.com ( воспоминание от 18 января 2015 года в Интернет-архиве )
  19. ↑ a b Бортовой и авиационный инженер № 2024 Том LII, издание от 9 октября 1947 г .: Дж. Джеффри Смит, Лондон, перевод с английского, PDF
  20. ↑ Джеральд Тауфреттер: Беспомощность пилотов . В: Der Spiegel . Нет. 31 , 2009, с. 106-118 ( онлайн - 27 июля 2009 г. ).
  21. ↑ a b c d e f g h Система гражданской авионики: Ян Мойр, Аллан Сибридж, профессиональный инженер. Издательство UK 2003, с. 273.
  22. ↑ a b Принципы авионики. Связь с авионикой, 3-е издание: Альберт Хелфрик, 2004 г.
  23. ↑ a b c d e f g Авиационная техника, 5-е издание: Клаус Энгманн, Vogel-Verlag 2005
  24. ↑ a b c Справочник по полетам по приборам : FAA, Федеральное управление гражданской авиации, Деп. транспорта. 2012 (перевод с английского)
  25. ↑ a b Д. Бриер, П. Траверс: электрические органы управления полетом Airbus A320 / A330 / A340 - семейство отказоустойчивых систем . В: IEEE (ред.): FTCS-23 Двадцать третий международный симпозиум по отказоустойчивым вычислениям . 1993, ISSN  0731-3071 , DOI : 10,1109 / FTCS.1993.627364 (английский, ieee.org ).
  26. ↑ см. Также английскую Википедию

веб ссылки

Commons : Автопилоты  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.
Викисловарь: Автопилот  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы