Piloto automático - Autopilot

O painel de controle do piloto automático Boeing 747-200 aeronaves

Um piloto automático é um sistema usado para controlar a trajetória de uma aeronave, nave ou nave espacial sem exigir controle manual constante por um operador humano. Os pilotos automáticos não substituem os operadores humanos. Em vez disso, o piloto automático auxilia no controle do operador do veículo, permitindo que o operador se concentre em aspectos mais amplos das operações (por exemplo, monitoramento da trajetória, clima e sistemas de bordo).

Quando presente, um piloto automático é freqüentemente usado em conjunto com um autothrottle , um sistema para controlar a potência fornecida pelos motores.

Um sistema de piloto automático às vezes é conhecido coloquialmente como "George" (por exemplo, "vamos deixar George voar um pouco" ). A etimologia do apelido não é clara: alguns afirmam que é uma referência ao inventor George De Beeson, que patenteou um piloto automático na década de 1930, enquanto outros afirmam que os pilotos da Royal Air Force cunharam o termo durante a Segunda Guerra Mundial para simbolizar que sua aeronave pertencia tecnicamente para o rei George VI .

Primeiros pilotos automáticos

Um painel de controle do piloto automático Honeywell C-1 da Segunda Guerra Mundial

Nos primórdios da aviação, as aeronaves exigiam a atenção contínua de um piloto para voar com segurança. À medida que o alcance das aeronaves aumentava, permitindo voos de muitas horas, a atenção constante levava a um sério cansaço. Um piloto automático é projetado para realizar algumas das tarefas do piloto.

O primeiro piloto automático da aeronave foi desenvolvido pela Sperry Corporation em 1912. O piloto automático conectava um indicador de rumo giroscópico e um indicador de atitude a elevadores e leme operados hidraulicamente . ( Os ailerons não estavam conectados porque o diedro da asa era considerado para produzir a estabilidade de rotação necessária.) Isso permitia que a aeronave voasse em linha reta e nivelada em um curso de bússola sem a atenção do piloto, reduzindo muito a carga de trabalho do piloto.

Lawrence Sperry (filho do famoso inventor Elmer Sperry ) demonstrou isso em 1914 em um concurso de segurança da aviação realizado em Paris . Sperry demonstrou a credibilidade da invenção pilotando a aeronave com as mãos longe dos controles e visível aos espectadores. Elmer Sperry Jr., filho de Lawrence Sperry, e o capitão Shiras continuaram a trabalhar no mesmo piloto automático após a guerra e, em 1930, testaram um piloto automático mais compacto e confiável que manteve uma aeronave do US Army Air Corps em verdadeira direção e altitude para três horas.

Em 1930, o Royal Aircraft Establishment no Reino Unido desenvolveu um piloto automático chamado auxiliar do piloto, que usava um giroscópio girado pneumaticamente para mover os controles de vôo.

O piloto automático foi desenvolvido para incluir, por exemplo, algoritmos de controle aprimorados e servomecanismos hidráulicos. A adição de mais instrumentos, como auxiliares de radionavegação, tornou possível voar à noite e com mau tempo. Em 1947, um C-53 da Força Aérea dos Estados Unidos fez um vôo transatlântico, incluindo decolagem e pouso, totalmente sob o controle de um piloto automático. Bill Lear desenvolveu seu piloto automático F-5 e sistema de controle de aproximação automática, e foi premiado com o Troféu Collier em 1949.

No início dos anos 1920, o petroleiro Standard Oil JA Moffet se tornou o primeiro navio a usar um piloto automático.

O Piasecki HUP-2 Retriever foi o primeiro helicóptero de produção com piloto automático.

O piloto automático digital do módulo lunar do programa Apollo foi um dos primeiros exemplos de um sistema de piloto automático totalmente digital em espaçonaves.

Pilotos automáticos modernos

A moderna unidade de controle de vôo de um Airbus A340

Nem todas as aeronaves de passageiros que voam hoje possuem um sistema de piloto automático. As aeronaves da aviação geral mais antigas e menores , especialmente, ainda são pilotadas manualmente, e mesmo pequenos aviões com menos de vinte assentos também podem estar sem piloto automático, pois são usados ​​em voos de curta duração com dois pilotos. A instalação de pilotos automáticos em aeronaves com mais de vinte assentos é geralmente obrigatória pelos regulamentos da aviação internacional. Existem três níveis de controle em pilotos automáticos para aeronaves menores. Um piloto automático de eixo único controla uma aeronave no rolo só eixo; tais pilotos automáticos também são conhecidos coloquialmente como "niveladores de asas", refletindo sua capacidade única. Um piloto automático de dois eixos controla uma aeronave no eixo de inclinação , bem como na rotação, e pode ser pouco mais do que um nivelador de asa com capacidade de correção de oscilação de inclinação limitada; ou pode receber informações de sistemas de radionavegação a bordo para fornecer orientação de voo verdadeiramente automática, uma vez que a aeronave tenha decolado até pouco antes do pouso; ou suas capacidades podem estar em algum lugar entre esses dois extremos. Um piloto automático de três eixos adiciona controle no eixo de guinada e não é necessário em muitas aeronaves pequenas.

Os pilotos automáticos em aeronaves complexas modernas são de três eixos e geralmente dividem um vôo em táxi , decolagem, subida, cruzeiro (vôo nivelado), descida, aproximação e fases de pouso. Existem pilotos automáticos que automatizam todas essas fases de voo, exceto táxi e decolagem. Um pouso controlado por piloto automático em uma pista e controlando a aeronave em rollout (ou seja, mantendo-o no centro da pista) é conhecido como pouso CAT IIIb ou Autoland , disponível nas pistas de muitos aeroportos importantes hoje, especialmente em aeroportos sujeitos a adversidades fenômenos climáticos como nevoeiro . O controle de pouso, rollout e taxiamento para a posição de estacionamento da aeronave é conhecido como CAT IIIc. Isso não é usado até o momento, mas pode ser usado no futuro. Um piloto automático geralmente é um componente integral de um Sistema de Gerenciamento de Voo .

Os pilotos automáticos modernos usam software de computador para controlar a aeronave. O software lê a posição atual da aeronave e, em seguida, controla um sistema de controle de vôo para guiar a aeronave. Em tal sistema, além dos controles de vôo clássicos, muitos pilotos automáticos incorporam recursos de controle de empuxo que podem controlar os aceleradores para otimizar a velocidade no ar.

O piloto automático em uma aeronave grande e moderna normalmente lê sua posição e a atitude da aeronave a partir de um sistema de orientação inercial . Os sistemas de orientação inercial acumulam erros ao longo do tempo. Eles irão incorporar sistemas de redução de erros, como o sistema de carrossel que gira uma vez por minuto para que quaisquer erros sejam dissipados em direções diferentes e tenham um efeito de anulação geral. O erro em giroscópios é conhecido como deriva. Isso se deve às propriedades físicas do sistema, sejam mecânicas ou guiadas por laser, que corrompem os dados de posição. As divergências entre os dois são resolvidas com processamento de sinal digital , na maioria das vezes um filtro Kalman de seis dimensões . As seis dimensões são geralmente roll, pitch, yaw, altitude , latitude e longitude . As aeronaves podem voar em rotas que tenham um fator de desempenho exigido, portanto, a quantidade de erro ou o fator de desempenho real deve ser monitorado para voar essas rotas específicas. Quanto mais longo o vôo, mais erros se acumulam no sistema. Auxiliares de rádio como DME, atualizações de DME e GPS podem ser usados ​​para corrigir a posição da aeronave.

Direção da roda de controle

Servomotor para aplicações de piloto automático

Uma opção intermediária entre o vôo totalmente automatizado e o vôo manual é o controle da roda de direção (CWS). Embora esteja se tornando menos usado como uma opção independente em aviões modernos, o CWS ainda é uma função em muitas aeronaves hoje. Geralmente, um piloto automático equipado com CWS tem três posições: desligado, CWS e CMD. No modo CMD (Comando), o piloto automático tem controle total da aeronave e recebe sua entrada da configuração de rumo / altitude, rádio e auxiliares de navegação ou do FMS (Sistema de Gerenciamento de Voo). No modo CWS, o piloto controla o piloto automático por meio de entradas no manche ou no manche. Essas entradas são traduzidas em um rumo e atitude específicos, que o piloto automático manterá até ser instruído a fazer o contrário. Isso fornece estabilidade em pitch and roll. Algumas aeronaves empregam uma forma de CWS mesmo em modo manual, como o MD-11 que usa um CWS constante em rotação. De muitas maneiras, uma aeronave Airbus fly-by-wire moderna em Normal Law está sempre no modo CWS. A principal diferença é que neste sistema as limitações da aeronave são guardadas pelo computador de vôo , e o piloto não pode dirigir a aeronave além desses limites.

Detalhes do sistema de computador

O hardware de um piloto automático varia entre as implementações, mas geralmente é projetado com redundância e confiabilidade como considerações principais. Por exemplo, o Rockwell Collins AFDS-770 Autopilot Flight Director System usado no Boeing 777 usa microprocessadores FCP-2002 triplicados que foram formalmente verificados e são fabricados em um processo resistente à radiação.

O software e o hardware em um piloto automático são rigidamente controlados e procedimentos de teste extensivos são implementados.

Alguns pilotos automáticos também usam diversidade de design. Nesse recurso de segurança, os processos de software críticos não serão executados apenas em computadores separados e possivelmente até usando arquiteturas diferentes, mas cada computador executará softwares criados por equipes de engenharia diferentes, muitas vezes sendo programados em linguagens de programação diferentes. É geralmente considerado improvável que diferentes equipes de engenharia cometam os mesmos erros. À medida que o software se torna mais caro e complexo, a diversidade de projetos está se tornando menos comum porque menos empresas de engenharia podem pagá-los. Os computadores de controle de vôo do Ônibus Espacial usaram este projeto: havia cinco computadores, quatro dos quais rodavam redundantemente software idêntico e um quinto backup rodando software desenvolvido de forma independente. O software do quinto sistema fornecia apenas as funções básicas necessárias para voar o Shuttle, reduzindo ainda mais qualquer possível semelhança com o software rodando nos quatro sistemas primários.

Sistemas de aumento de estabilidade

Um sistema de aumento de estabilidade (SAS) é outro tipo de sistema de controle de vôo automático; no entanto, em vez de manter a altitude ou a trajetória de vôo exigida pela aeronave, o SAS moverá as superfícies de controle da aeronave para amortecer movimentos inaceitáveis. O SAS estabiliza automaticamente a aeronave em um ou mais eixos. O tipo mais comum de SAS é o amortecedor de guinada, usado para reduzir a tendência holandesa de rolamento de aeronaves de asa aberta. Alguns amortecedores de guinada são parte do sistema de piloto automático, enquanto outros são sistemas independentes.

Os amortecedores de guinada usam um sensor para detectar a velocidade com que a aeronave está girando (um giroscópio ou um par de acelerômetros), um computador / amplificador e um atuador. O sensor detecta quando a aeronave começa a guinar parte do rolamento holandês. Um computador processa o sinal do sensor para determinar a deflexão do leme necessária para amortecer o movimento. O computador diz ao atuador para mover o leme na direção oposta ao movimento, pois o leme tem que se opor ao movimento para reduzi-lo. O rolamento holandês é amortecido e a aeronave torna-se estável em relação ao eixo de guinada. Como o rolamento holandês é uma instabilidade inerente a todas as aeronaves de asa aberta, a maioria das aeronaves de asa aberta precisa de algum tipo de amortecedor de guinada.

Existem dois tipos de amortecedores de guinada: o amortecedor de guinada em série e o amortecedor de guinada paralelo. O atuador de um amortecedor de guinada paralelo moverá o leme independentemente dos pedais de leme do piloto, enquanto o atuador de um amortecedor de guinada em série está preso ao quadrante de controle do leme e resultará em movimento do pedal quando o leme se mover.

Algumas aeronaves têm sistemas de aumento de estabilidade que irão estabilizar a aeronave em mais de um único eixo. O Boeing B-52 , por exemplo, requer tanto pitch quanto yaw SAS para fornecer uma plataforma de bombardeio estável. Muitos helicópteros possuem sistemas SAS de pitch, roll e yaw. Os sistemas SAS de inclinação e rotação funcionam da mesma maneira que o amortecedor de guinada descrito acima; entretanto, em vez de amortecer o rolamento holandês, eles amortecerão as oscilações de pitch e roll para melhorar a estabilidade geral da aeronave.

Piloto automático para pousos ILS

Os pousos auxiliados por instrumentos são definidos em categorias pela Organização da Aviação Civil Internacional , ou ICAO. Estes dependem do nível de visibilidade necessário e do grau em que o pouso pode ser conduzido automaticamente sem intervenção do piloto.

CAT I - Esta categoria permite que os pilotos pousem com uma altura de decisão de 200 pés (61 m) e uma visibilidade frontal ou Alcance Visual de Pista (RVR) de 550 metros (1.800 pés). Os pilotos automáticos não são necessários.

CAT II - Esta categoria permite que os pilotos pousem com uma altura de decisão entre 200 pés (61 m) e 100 pés (30 m) e um RVR de 300 metros (980 pés). Os pilotos automáticos têm um requisito passivo de falha.

CAT IIIa - Esta categoria permite que os pilotos pousem com uma altura de decisão tão baixa quanto 50 pés (15 m) e um RVR de 200 metros (660 pés). Ele precisa de um piloto automático passivo à falha. Deve haver apenas 10 -6 probabilidade de pouso fora da área prescrita.

CAT IIIb - Como IIIa, mas com a adição de roll out automático após o toque incorporado com o piloto assumindo o controle de alguma distância ao longo da pista. Esta categoria permite que os pilotos pousem com uma altura de decisão inferior a 50 pés ou nenhuma altura de decisão e uma visibilidade frontal de 250 pés (76 m) na Europa (76 metros, compare com o tamanho da aeronave, alguns dos quais agora têm mais de 70 metros ( 230 pés) de comprimento) ou 300 pés (91 m) nos Estados Unidos. Para um auxílio de pouso sem decisão, um piloto automático operacional de falha é necessário. Para esta categoria, é necessária alguma forma de sistema de orientação de pista: pelo menos passivo à falha, mas precisa ser operacional à falha para pouso sem altura de decisão ou para RVR abaixo de 100 metros (330 pés).

CAT IIIc - Como IIIb, mas sem altura de decisão ou mínimos de visibilidade, também conhecido como "zero-zero". Ainda não implementado, pois exigiria que os pilotos taxiassem com visibilidade zero-zero. Uma aeronave capaz de pousar em um CAT IIIb equipado com autobrake seria capaz de parar totalmente na pista, mas não teria capacidade de taxiar.

Piloto automático passivo à falha: em caso de falha, a aeronave fica em uma posição controlável e o piloto pode assumir o controle dela para dar a volta ou terminar o pouso. Geralmente é um sistema de canal duplo.

Piloto automático operacional de falha: em caso de falha abaixo da altura de alerta, a aproximação, o flare e o pouso ainda podem ser concluídos automaticamente. Geralmente é um sistema de canal triplo ou sistema dual-dual.

Modelos controlados por rádio

Na modelagem controlada por rádio , e especialmente em aeronaves e helicópteros RC , um piloto automático é geralmente um conjunto de hardware e software extra que lida com a pré-programação do voo do modelo.

Veja também

Referências

links externos