Pilota automatico - Autopilot

Il pannello di controllo autopilota di un Boeing 747-200 velivolo

Un pilota automatico è un sistema utilizzato per controllare il percorso di un aereo, un'imbarcazione marina o un veicolo spaziale senza richiedere un controllo manuale costante da parte di un operatore umano. Gli autopiloti non sostituiscono gli operatori umani. Al contrario, l'autopilota assiste il controllo del veicolo da parte dell'operatore, consentendo all'operatore di concentrarsi su aspetti più ampi delle operazioni (ad esempio, monitoraggio della traiettoria, meteo e sistemi di bordo).

Quando presente, un autopilota viene spesso utilizzato in combinazione con un autothrottle , un sistema per il controllo della potenza erogata dai motori.

Un sistema di pilota automatico è talvolta chiamato colloquialmente "George" (ad esempio "lasceremo che George voli per un po'" ). L' etimologia del soprannome non è chiara: alcuni sostengono che sia un riferimento all'inventore George De Beeson, che brevettò un pilota automatico negli anni '30, mentre altri sostengono che i piloti della Royal Air Force abbiano coniato il termine durante la seconda guerra mondiale per simboleggiare che il loro velivolo apparteneva tecnicamente al re Giorgio VI .

I primi autopiloti

Un pannello di controllo dell'autopilota Honeywell C-1 della seconda guerra mondiale

Agli albori dell'aviazione, gli aerei richiedevano l'attenzione continua di un pilota per volare in sicurezza. Con l'aumentare della portata degli aerei, consentendo voli di molte ore, l'attenzione costante ha portato a un grave affaticamento. Un pilota automatico è progettato per eseguire alcuni dei compiti del pilota.

Il primo pilota automatico per velivoli è stato sviluppato da Sperry Corporation nel 1912. L'autopilota collegava un indicatore di rotta giroscopico e un indicatore di assetto ad ascensori e timone ad azionamento idraulico . ( Gli alettoni non erano collegati poiché si contava sul diedro alare per produrre la necessaria stabilità di rollio.) Ha permesso all'aereo di volare dritto e livellato su una rotta della bussola senza l'attenzione del pilota, riducendo notevolmente il carico di lavoro del pilota.

Lawrence Sperry (figlio del famoso inventore Elmer Sperry ) lo dimostrò nel 1914 in un concorso di sicurezza aerea tenutosi a Parigi . Sperry ha dimostrato la credibilità dell'invenzione facendo volare l'aereo con le mani lontane dai comandi e visibili agli spettatori. Elmer Sperry Jr., il figlio di Lawrence Sperry, e il capitano Shiras hanno continuato a lavorare sullo stesso pilota automatico dopo la guerra, e nel 1930 hanno testato un pilota automatico più compatto e affidabile che ha mantenuto un aereo dell'US Army Air Corps su una vera rotta e altitudine per tre ore.

Nel 1930, il Royal Aircraft Establishment nel Regno Unito sviluppò un pilota automatico chiamato assistente dei piloti che utilizzava un giroscopio a rotazione pneumatica per spostare i comandi di volo.

L'autopilota è stato ulteriormente sviluppato, per includere ad esempio algoritmi di controllo migliorati e servomeccanismi idraulici. L'aggiunta di ulteriori strumenti come gli ausili per la radionavigazione ha permesso di volare di notte e in caso di maltempo. Nel 1947 un C-53 dell'aeronautica statunitense effettuò un volo transatlantico, compreso il decollo e l'atterraggio, completamente sotto il controllo di un pilota automatico. Bill Lear sviluppò il suo pilota automatico F-5 e il sistema di controllo di avvicinamento automatico, e nel 1949 vinse il Collier Trophy .

All'inizio degli anni '20, la petroliera Standard Oil JA Moffet divenne la prima nave a utilizzare un pilota automatico.

Il Piasecki HUP-2 Retriever è stato il primo elicottero di produzione con pilota automatico.

Il pilota automatico digitale del modulo lunare del programma Apollo è stato uno dei primi esempi di un sistema di pilota automatico completamente digitale in veicoli spaziali.

Piloti automatici moderni

La moderna unità di controllo di volo di un Airbus A340

Non tutti gli aerei passeggeri che volano oggi hanno un sistema di pilota automatico. Gli aerei dell'aviazione generale più vecchi e più piccoli , in particolare, sono ancora volati a mano, e anche i piccoli aerei di linea con meno di venti posti possono anche essere senza pilota automatico poiché vengono utilizzati su voli di breve durata con due piloti. L'installazione di autopiloti su aeromobili con più di venti posti è generalmente resa obbligatoria dalle normative aeronautiche internazionali. Ci sono tre livelli di controllo negli autopiloti per i velivoli più piccoli. Un pilota automatico ad asse singolo controlla un aereo solo nell'asse di rollio ; tali autopiloti sono anche conosciuti colloquialmente come "livellatori alari", che riflettono la loro singola capacità. Un autopilota a due assi controlla un aereo nell'asse di beccheggio e rollio e può essere poco più di un livellatore alare con capacità di correzione dell'oscillazione del beccheggio limitata; oppure può ricevere input dai sistemi di radionavigazione di bordo per fornire una vera guida di volo automatica una volta che l'aeromobile è decollato fino a poco prima dell'atterraggio; oppure le sue capacità possono trovarsi da qualche parte tra questi due estremi. Un autopilota a tre assi aggiunge il controllo sull'asse di imbardata e non è richiesto in molti piccoli velivoli.

Gli autopiloti nei moderni velivoli complessi sono a tre assi e generalmente dividono un volo in fasi di taxi , decollo, salita, crociera (volo livellato), discesa, avvicinamento e atterraggio. Esistono autopiloti che automatizzano tutte queste fasi di volo tranne il taxi e il decollo. Un atterraggio controllato da pilota automatico su una pista e il controllo dell'aeromobile in fase di rollout (cioè mantenendolo al centro della pista) è noto come atterraggio CAT IIIb o Autoland , disponibile oggi sulle piste di molti aeroporti principali, in particolare negli aeroporti soggetti a condizioni avverse fenomeni meteorologici come la nebbia . Il controllo di atterraggio, rollout e taxi verso la posizione di parcheggio dell'aeromobile è noto come CAT IIIc. Questo non è utilizzato fino ad oggi, ma potrebbe essere utilizzato in futuro. Un pilota automatico è spesso parte integrante di un sistema di gestione del volo .

I moderni autopiloti utilizzano software per computer per controllare l'aereo. Il software legge la posizione corrente dell'aereo e quindi controlla un sistema di controllo del volo per guidare l'aereo. In un tale sistema, oltre ai classici controlli di volo, molti autopiloti incorporano capacità di controllo della spinta in grado di controllare le manette per ottimizzare la velocità dell'aria.

L'autopilota in un moderno aereo di grandi dimensioni in genere legge la sua posizione e l'assetto del velivolo da un sistema di guida inerziale . I sistemi di guida inerziale accumulano errori nel tempo. Incorporeranno sistemi di riduzione degli errori come il sistema a carosello che ruota una volta al minuto in modo che eventuali errori vengano dissipati in direzioni diverse e abbiano un effetto di annullamento complessivo. L'errore nei giroscopi è noto come deriva. Ciò è dovuto alle proprietà fisiche all'interno del sistema, sia esso meccanico o guidato dal laser, che corrompono i dati di posizione. I disaccordi tra i due vengono risolti con l'elaborazione del segnale digitale , il più delle volte un filtro di Kalman a sei dimensioni . Le sei dimensioni sono solitamente rollio, beccheggio, imbardata, altitudine , latitudine e longitudine . Gli aeromobili possono volare su rotte che hanno un fattore di prestazione richiesto, quindi la quantità di errore o il fattore di prestazione effettivo deve essere monitorato per poter volare su quelle rotte particolari. Più lungo è il volo, più errori si accumulano all'interno del sistema. Aiuti radio come DME, aggiornamenti DME e GPS possono essere utilizzati per correggere la posizione dell'aereo.

Sterzo del volante di controllo

Servomotore per applicazioni autopilota

Un'opzione a metà strada tra il volo completamente automatizzato e il volo manuale è il Control Wheel Steering (CWS). Sebbene stia diventando meno utilizzato come opzione a sé stante nei moderni aerei di linea, il CWS è ancora una funzione su molti aerei oggi. In genere, un pilota automatico dotato di CWS ha tre posizioni: off, CWS e CMD. In modalità CMD (Comando) l'autopilota ha il pieno controllo del velivolo e riceve i suoi input dall'impostazione di direzione/altitudine, radio e navaid o dall'FMS (Flight Management System). In modalità CWS, il pilota controlla l'autopilota tramite gli ingressi sul giogo o sullo stick. Questi input vengono tradotti in una direzione e un atteggiamento specifici, che il pilota automatico manterrà fino a quando non verrà richiesto di fare diversamente. Ciò fornisce stabilità in beccheggio e rollio. Alcuni velivoli impiegano una forma di CWS anche in modalità manuale, come l'MD-11 che utilizza un CWS costante in rollio. In molti modi, un moderno aereo fly-by-wire Airbus in Normal Law è sempre in modalità CWS. La differenza principale è che in questo sistema i limiti dell'aereo sono protetti dal computer di bordo e il pilota non può guidare l'aereo oltre questi limiti.

Dettagli del sistema informatico

L'hardware di un pilota automatico varia a seconda delle implementazioni, ma è generalmente progettato tenendo conto della ridondanza e dell'affidabilità come considerazioni principali. Ad esempio, il Rockwell Collins AFDS-770 Autopilot Flight Director System utilizzato sul Boeing 777 utilizza microprocessori FCP-2002 triplicati che sono stati formalmente verificati e sono fabbricati in un processo resistente alle radiazioni.

Il software e l'hardware di un pilota automatico sono strettamente controllati e vengono messe in atto estese procedure di test.

Alcuni autopiloti utilizzano anche la diversità del design. In questa funzione di sicurezza, i processi software critici non verranno eseguiti solo su computer separati e forse anche utilizzando architetture diverse, ma ogni computer eseguirà software creato da diversi team di ingegneri, spesso programmato in diversi linguaggi di programmazione. È generalmente considerato improbabile che team di ingegneri diversi commettano gli stessi errori. Poiché il software diventa più costoso e complesso, la diversità del design sta diventando meno comune perché meno società di ingegneria possono permetterselo. I computer di controllo di volo sullo Space Shuttle utilizzavano questo progetto: c'erano cinque computer, quattro dei quali eseguivano in modo ridondante software identico e un quinto software di backup che era sviluppato in modo indipendente. Il software del quinto sistema forniva solo le funzioni di base necessarie per far volare lo Shuttle, riducendo ulteriormente ogni possibile comunanza con il software in esecuzione sui quattro sistemi primari.

Sistemi di aumento della stabilità

Un sistema di aumento della stabilità (SAS) è un altro tipo di sistema di controllo automatico del volo; tuttavia, invece di mantenere l'altitudine o la traiettoria di volo richiesta dall'aeromobile, il SAS sposterà le superfici di controllo dell'aeromobile per smorzare i movimenti inaccettabili. SAS stabilizza automaticamente il velivolo su uno o più assi. Il tipo più comune di SAS è lo smorzatore di imbardata che viene utilizzato per ridurre la tendenza al rollio olandese degli aerei ad ala a freccia. Alcuni ammortizzatori di imbardata fanno parte del sistema di pilota automatico mentre altri sono sistemi autonomi.

Gli ammortizzatori di imbardata utilizzano un sensore per rilevare la velocità di rotazione dell'aereo (un giroscopio o un paio di accelerometri), un computer/amplificatore e un attuatore. Il sensore rileva quando l'aereo inizia la parte di imbardata del Dutch roll. Un computer elabora il segnale dal sensore per determinare la deflessione del timone necessaria per smorzare il movimento. Il computer dice all'attuatore di muovere il timone nella direzione opposta al movimento poiché il timone deve opporsi al movimento per ridurlo. Il rollio olandese viene smorzato e l'aereo diventa stabile attorno all'asse di imbardata. Poiché il rollio olandese è un'instabilità inerente a tutti gli aerei ad ala a freccia, la maggior parte degli aerei ad ala a freccia ha bisogno di una sorta di ammortizzatore di imbardata.

Esistono due tipi di smorzatore di imbardata: lo smorzatore di imbardata in serie e lo smorzatore di imbardata parallelo. L'attuatore di uno smorzatore di imbardata parallelo muoverà il timone indipendentemente dai pedali del timone del pilota mentre l'attuatore di uno smorzatore di imbardata in serie è agganciato al quadrante di controllo del timone e provocherà il movimento del pedale quando il timone si muove.

Alcuni velivoli hanno sistemi di aumento della stabilità che stabilizzeranno l'aereo in più di un singolo asse. Il Boeing B-52 , ad esempio, richiede sia il beccheggio che l'imbardata SAS per fornire una piattaforma di bombardamento stabile. Molti elicotteri hanno sistemi SAS di beccheggio, rollio e imbardata. I sistemi SAS di beccheggio e rollio funzionano più o meno allo stesso modo dello smorzatore di imbardata descritto sopra; tuttavia, invece di smorzare il rollio olandese, smorzeranno le oscillazioni di beccheggio e rollio per migliorare la stabilità complessiva dell'aereo.

Pilota automatico per atterraggi ILS

Gli atterraggi strumentali sono definiti in categorie dall'Organizzazione dell'aviazione civile internazionale o ICAO. Questi dipendono dal livello di visibilità richiesto e dal grado in cui l'atterraggio può essere condotto automaticamente senza input da parte del pilota.

CAT I – Questa categoria consente ai piloti di atterrare con un'altezza di decisione di 200 piedi (61 m) e una visibilità anteriore o Runway Visual Range (RVR) di 550 metri (1.800 piedi). Gli autopiloti non sono necessari.

CAT II – Questa categoria consente ai piloti di atterrare con un'altezza di decisione compresa tra 200 piedi (61 m) e 100 piedi (30 m) e un RVR di 300 metri (980 piedi). Gli autopiloti hanno un requisito di fail passivo.

CAT IIIa -Questa categoria consente ai piloti di atterrare con un'altezza di decisione di soli 50 piedi (15 m) e un RVR di 200 metri (660 piedi). Ha bisogno di un pilota automatico passivo. Ci deve essere solo una probabilità di 10 -6 di atterrare al di fuori dell'area prescritta.

CAT IIIb – Come IIIa ma con l'aggiunta del roll-out automatico dopo l'atterraggio incorporato con il pilota che prende il controllo a una certa distanza lungo la pista. Questa categoria consente ai piloti di atterrare con un'altezza di decisione inferiore a 50 piedi o senza altezza di decisione e una visibilità anteriore di 250 piedi (76 m) in Europa (76 metri, confrontandola con le dimensioni degli aeromobili, alcuni dei quali ora superano i 70 metri ( 230 piedi) di lunghezza) o 300 piedi (91 m) negli Stati Uniti. Per un aiuto all'atterraggio senza decisione, è necessario un pilota automatico che non funzioni correttamente. Per questa categoria è necessaria una qualche forma di sistema di guida della pista: almeno fail-passivo ma deve essere fail-operative per atterraggi senza altezza di decisione o per RVR al di sotto di 100 metri (330 piedi).

CAT IIIc – Come IIIb ma senza altezza di decisione o minimi di visibilità, noto anche come "zero-zero". Non ancora implementato in quanto richiederebbe ai piloti di rullare in visibilità zero-zero. Un aereo in grado di atterrare in un CAT IIIb dotato di freno automatico sarebbe in grado di fermarsi completamente sulla pista ma non avrebbe la capacità di rullare.

Pilota automatico passivo-fail: in caso di guasto, l'aereo rimane in una posizione controllabile e il pilota può prenderne il controllo per aggirare o finire l'atterraggio. Di solito è un sistema a doppio canale.

Autopilota non operativo: in caso di guasto al di sotto dell'altezza di allerta, l'avvicinamento, la richiamata e l'atterraggio possono comunque essere completati automaticamente. Di solito è un sistema a tre canali o un sistema dual-dual.

Modelli radiocomandati

Nella modellazione radiocomandata , e in particolare negli aerei e negli elicotteri RC , un pilota automatico è solitamente un insieme di hardware e software extra che si occupa della pre-programmazione del volo del modello.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno