Un piloto automático es un sistema que se utiliza para controlar la trayectoria de un vehículo sin necesidad de un control manual constante por parte de un operador humano. Los pilotos automáticos no sustituyen a los operadores humanos, sino que ayudan al operador a controlar el vehículo, lo que le permite centrarse en aspectos más amplios de las operaciones (por ejemplo, supervisar la trayectoria, el clima y los sistemas de a bordo). [1]
Cuando está presente, un piloto automático se utiliza a menudo junto con un acelerador automático , un sistema para controlar la potencia suministrada por los motores.
A veces se hace referencia coloquialmente a un sistema de piloto automático como "George" [2] (por ejemplo , "dejaremos que George vuele por un tiempo"; "George está volando el avión ahora" ). La etimología del apodo no está clara: algunos afirman que es una referencia al inventor estadounidense George De Beeson (1897 - 1965), quien patentó un piloto automático en la década de 1930, mientras que otros afirman que los pilotos de la Royal Air Force acuñaron el término durante la Segunda Guerra Mundial para simbolizar que sus aviones pertenecían técnicamente al rey Jorge VI . [3]
En los primeros tiempos de la aviación, las aeronaves requerían de la atención constante de un piloto para volar de forma segura. A medida que aumentaba el alcance de las aeronaves, lo que permitía vuelos de muchas horas, la atención constante provocaba una fatiga grave. Un piloto automático está diseñado para realizar algunas de las tareas del piloto.
El primer piloto automático de aeronave fue desarrollado por Sperry Corporation en 1912. [4] El piloto automático conectaba un indicador de rumbo giroscópico y un indicador de actitud a elevadores y timón operados hidráulicamente . ( Los alerones no estaban conectados ya que se contaba con el diedro del ala para producir la estabilidad de balanceo necesaria). Permitía que la aeronave volara recta y nivelada en un curso de brújula sin la atención del piloto, reduciendo en gran medida la carga de trabajo del piloto.
Lawrence Sperry , hijo del famoso inventor Elmer Sperry , lo demostró en 1914 en un concurso de seguridad de la aviación celebrado en París . Sperry demostró la credibilidad de la invención al volar el avión con las manos alejadas de los controles y a la vista de los espectadores. Elmer Sperry Jr., hijo de Lawrence Sperry, y el capitán Shiras continuaron trabajando en el mismo piloto automático después de la guerra y, en 1930, probaron un piloto automático más compacto y confiable que mantuvo un avión del Cuerpo Aéreo del Ejército de los EE. UU. en un rumbo y altitud verdaderos durante tres horas. [5]
En 1930, el Royal Aircraft Establishment del Reino Unido desarrolló un piloto automático llamado asistente de piloto que utilizaba un giroscopio girado neumáticamente para mover los controles de vuelo. [6]
El piloto automático se desarrolló aún más, incluyendo, por ejemplo, algoritmos de control mejorados y servomecanismos hidráulicos. La incorporación de más instrumentos, como ayudas a la navegación por radio, hizo posible volar de noche y con mal tiempo. En 1947, un C-53 de la Fuerza Aérea estadounidense realizó un vuelo transatlántico, que incluyó despegue y aterrizaje, completamente bajo el control de un piloto automático. [7] [8] Bill Lear desarrolló su piloto automático F-5 y su sistema de control de aproximación automático, y recibió el Trofeo Collier en 1949. [9]
A principios de la década de 1920, el petrolero JA Moffet de Standard Oil se convirtió en el primer barco en utilizar un piloto automático.
El Piasecki HUP-2 Retriever fue el primer helicóptero de producción con piloto automático. [10]
El piloto automático digital del módulo lunar del programa Apolo es un ejemplo temprano de un sistema de piloto automático totalmente digital en una nave espacial. [11]
No todos los aviones de pasajeros que vuelan hoy en día tienen un sistema de piloto automático. Los aviones de aviación general más antiguos y más pequeños , en particular, siguen siendo pilotados a mano, e incluso los aviones de pasajeros pequeños con menos de veinte asientos también pueden no tener piloto automático, ya que se utilizan en vuelos de corta duración con dos pilotos. La instalación de pilotos automáticos en aviones con más de veinte asientos es generalmente obligatoria según las regulaciones de aviación internacional. Hay tres niveles de control en los pilotos automáticos para aviones más pequeños. Un piloto automático de un solo eje controla un avión solo en el eje de alabeo ; estos pilotos automáticos también se conocen coloquialmente como "niveladores de alas", lo que refleja su capacidad única. Un piloto automático de dos ejes controla un avión en el eje de cabeceo así como en el alabeo, y puede ser poco más que un nivelador de alas con capacidad limitada para corregir la oscilación de cabeceo; o puede recibir entradas de los sistemas de navegación por radio de a bordo para proporcionar una guía de vuelo automática real una vez que el avión ha despegado hasta poco antes del aterrizaje; o sus capacidades pueden estar en algún punto entre estos dos extremos. Un piloto automático de tres ejes agrega control en el eje de guiñada y no es necesario en muchos aviones pequeños.
Los pilotos automáticos en los aviones complejos modernos son de tres ejes y generalmente dividen un vuelo en las fases de rodaje , despegue, ascenso, crucero (vuelo nivelado), descenso, aproximación y aterrizaje. Existen pilotos automáticos que automatizan todas estas fases de vuelo excepto el rodaje y el despegue. Una aproximación controlada por piloto automático para aterrizar en una pista y controlar la aeronave en el rodaje (es decir, mantenerla en el centro de la pista) se conoce como aterrizaje automático, donde el piloto automático utiliza una aproximación de Sistema de aterrizaje instrumental (ILS) Cat IIIc, que se utiliza cuando la visibilidad es cero. Estas aproximaciones están disponibles en las pistas de muchos aeropuertos importantes en la actualidad, especialmente en aeropuertos sujetos a fenómenos meteorológicos adversos como la niebla . La aeronave normalmente puede detenerse por sí sola, pero requerirá la desconexión del piloto automático para salir de la pista y rodar hasta la puerta. Un piloto automático es a menudo un componente integral de un sistema de gestión de vuelo .
Los pilotos automáticos modernos utilizan un software informático para controlar la aeronave. El software lee la posición actual de la aeronave y luego controla un sistema de control de vuelo para guiar la aeronave. En un sistema de este tipo, además de los controles de vuelo clásicos, muchos pilotos automáticos incorporan capacidades de control de empuje que pueden controlar los aceleradores para optimizar la velocidad aerodinámica.
El piloto automático de un avión grande moderno normalmente lee su posición y la actitud del avión a partir de un sistema de guía inercial . Los sistemas de guía inercial acumulan errores con el tiempo. Incorporarán sistemas de reducción de errores como el sistema de carrusel que gira una vez por minuto para que los errores se disipen en diferentes direcciones y tengan un efecto de anulación general. El error en los giroscopios se conoce como deriva. Esto se debe a las propiedades físicas dentro del sistema, ya sea mecánico o guiado por láser, que corrompen los datos de posición. Los desacuerdos entre los dos se resuelven con el procesamiento de señales digitales , la mayoría de las veces un filtro Kalman de seis dimensiones . Las seis dimensiones suelen ser balanceo, cabeceo, guiñada, altitud , latitud y longitud . Los aviones pueden volar rutas que tienen un factor de rendimiento requerido, por lo tanto, la cantidad de error o el factor de rendimiento real debe controlarse para volar esas rutas en particular. Cuanto más largo sea el vuelo, más error se acumula dentro del sistema. Se pueden utilizar ayudas de radio como DME, actualizaciones de DME y GPS para corregir la posición de la aeronave.
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Una opción intermedia entre el vuelo totalmente automatizado y el vuelo manual es el control de dirección en rueda ( CWS ). Aunque cada vez se utiliza menos como opción independiente en los aviones de pasajeros modernos, el CWS sigue siendo una función en muchos aviones en la actualidad. Generalmente, un piloto automático equipado con CWS tiene tres posiciones: apagado, CWS y CMD. En el modo CMD (comando), el piloto automático tiene control total de la aeronave y recibe su información del ajuste de rumbo/altitud, radio y ayudas a la navegación, o el FMS (sistema de gestión de vuelo). En el modo CWS, el piloto controla el piloto automático a través de entradas en el yugo o la palanca. Estas entradas se traducen en un rumbo y actitud específicos, que el piloto automático mantendrá hasta que se le indique lo contrario. Esto proporciona estabilidad en cabeceo y balanceo. Algunos aviones emplean una forma de CWS incluso en modo manual, como el MD-11, que utiliza un CWS constante en balanceo. En muchos sentidos, un avión Airbus moderno con control electrónico en la ley normal siempre está en modo CWS. La principal diferencia es que en este sistema las limitaciones de la aeronave están protegidas por la computadora de control de vuelo , y el piloto no puede dirigir la aeronave más allá de estos límites. [12]
El hardware de un piloto automático varía según la implementación, pero generalmente se diseña teniendo en cuenta la redundancia y la confiabilidad como consideraciones primordiales. Por ejemplo, el sistema de dirección de vuelo del piloto automático AFDS-770 de Rockwell Collins utilizado en el Boeing 777 utiliza microprocesadores FCP-2002 triplicados que han sido verificados formalmente y se fabrican mediante un proceso resistente a la radiación. [13]
El software y el hardware de un piloto automático están estrictamente controlados y se implementan amplios procedimientos de prueba.
Algunos pilotos automáticos también utilizan diversidad de diseño. En esta función de seguridad, los procesos críticos de software no sólo se ejecutarán en computadoras separadas, y posiblemente incluso utilizando diferentes arquitecturas, sino que cada computadora ejecutará software creado por diferentes equipos de ingeniería, a menudo programado en diferentes lenguajes de programación. En general, se considera improbable que diferentes equipos de ingeniería cometan los mismos errores. A medida que el software se vuelve más caro y complejo, la diversidad de diseño se está volviendo menos común porque menos empresas de ingeniería pueden permitírselo. Las computadoras de control de vuelo en el transbordador espacial utilizaron este diseño: había cinco computadoras, cuatro de las cuales ejecutaban de manera redundante el mismo software, y una quinta de respaldo ejecutaba software desarrollado de forma independiente. El software en el quinto sistema proporcionaba sólo las funciones básicas necesarias para volar el transbordador, lo que reducía aún más cualquier posible similitud con el software que se ejecutaba en los cuatro sistemas principales.
Un sistema de aumento de estabilidad (SAS) es otro tipo de sistema de control de vuelo automático; sin embargo, en lugar de mantener la altitud o la trayectoria de vuelo requeridas por la aeronave, el SAS moverá las superficies de control de la aeronave para amortiguar los movimientos inaceptables. El SAS estabiliza automáticamente la aeronave en uno o más ejes. El tipo más común de SAS es el amortiguador de guiñada que se utiliza para reducir la tendencia al balanceo holandés de las aeronaves de ala en flecha. Algunos amortiguadores de guiñada son parte del sistema de piloto automático, mientras que otros son sistemas independientes. [14]
Los amortiguadores de guiñada utilizan un sensor para detectar la velocidad de rotación del avión (ya sea un giroscopio o un par de acelerómetros), [15] una computadora/amplificador y un actuador. El sensor detecta cuándo el avión comienza la parte de guiñada del giro holandés. Una computadora procesa la señal del sensor para determinar la deflexión del timón necesaria para amortiguar el movimiento. La computadora le indica al actuador que mueva el timón en la dirección opuesta al movimiento, ya que el timón tiene que oponerse al movimiento para reducirlo. El giro holandés se amortigua y el avión se estabiliza sobre el eje de guiñada. Debido a que el giro holandés es una inestabilidad inherente a todos los aviones de ala en flecha, la mayoría de los aviones de ala en flecha necesitan algún tipo de amortiguador de guiñada.
Hay dos tipos de amortiguador de guiñada: el amortiguador de guiñada en serie y el amortiguador de guiñada en paralelo. [16] El actuador de un amortiguador de guiñada en paralelo moverá el timón independientemente de los pedales del timón del piloto, mientras que el actuador de un amortiguador de guiñada en serie está acoplado al cuadrante de control del timón y dará como resultado el movimiento del pedal cuando el timón se mueva.
Algunas aeronaves tienen sistemas de aumento de estabilidad que estabilizarán la aeronave en más de un eje. El Boeing B-52 , por ejemplo, requiere SAS tanto de cabeceo como de guiñada [17] para proporcionar una plataforma de bombardeo estable. Muchos helicópteros tienen sistemas SAS de cabeceo, balanceo y guiñada. Los sistemas SAS de cabeceo y balanceo funcionan de manera muy similar al amortiguador de guiñada descrito anteriormente; sin embargo, en lugar de amortiguar el balanceo holandés, amortiguarán las oscilaciones de cabeceo y balanceo para mejorar la estabilidad general de la aeronave.
La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) define los aterrizajes asistidos por instrumentos en categorías que dependen del nivel de visibilidad requerido y del grado en que el aterrizaje se puede realizar automáticamente sin intervención del piloto.
CAT I – Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión de 200 pies (61 m) y una visibilidad hacia adelante o alcance visual en la pista (RVR) de 550 metros (1.800 pies). No se requieren pilotos automáticos. [18]
CAT II : esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión de entre 200 pies (61 m) y 100 pies (30 m) y un RVR de 300 metros (980 pies). Los pilotos automáticos tienen un requisito pasivo en caso de falla.
CAT IIIa : esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión de hasta 50 pies (15 m) y un RVR de 200 metros (660 pies). Requiere un piloto automático pasivo en caso de fallo. La probabilidad de aterrizar fuera del área prescrita debe ser de solo 10 −6 .
CAT IIIb – Como IIIa pero con la adición de un aterrizaje automático después del aterrizaje, con el piloto tomando el control a cierta distancia de la pista. Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión menor a 50 pies o sin altura de decisión y una visibilidad hacia adelante de 250 pies (76 m) en Europa (76 metros, compárese con el tamaño de las aeronaves, algunas de las cuales tienen ahora más de 70 metros (230 pies) de largo) o 300 pies (91 m) en los Estados Unidos. Para un aterrizaje sin ayuda para la decisión, se necesita un piloto automático que funcione en caso de fallo. Para esta categoría se necesita algún tipo de sistema de guía de pista: al menos pasivo en caso de fallo, pero debe ser operativo en caso de fallo para aterrizar sin altura de decisión o para RVR por debajo de 100 metros (330 pies).
CAT IIIc – Como IIIb pero sin altura de decisión ni mínimos de visibilidad, también conocido como "cero-cero". Aún no se ha implementado, ya que requeriría que los pilotos rodaran en condiciones de visibilidad cero-cero. Una aeronave capaz de aterrizar en una CAT IIIb equipada con freno automático podría detenerse por completo en la pista, pero no tendría capacidad para rodar.
Piloto automático pasivo ante fallos: en caso de avería, la aeronave se mantiene en una posición controlable y el piloto puede tomar el control de la misma para realizar una maniobra de aproximación frustrada o finalizar el aterrizaje. Suele ser un sistema de doble canal.
Piloto automático en caso de fallo operativo: en caso de fallo por debajo de la altura de alerta, la aproximación, el aterrizaje y el aterrizaje pueden completarse de forma automática. Normalmente se trata de un sistema de tres canales o de doble canal.
En el modelismo radiocontrolado , y especialmente en aviones y helicópteros RC , un piloto automático suele ser un conjunto de hardware y software adicional que se encarga de preprogramar el vuelo del modelo. [19]
El director de vuelo (FD) es un componente muy importante a la hora de pilotar un avión. Se considera un componente crucial dentro del sistema de aviónica de un avión. La función principal del director de vuelo es proporcionar una guía visual al piloto que pilotea manualmente el avión. Ya sea que se pilote manualmente o no, el director de vuelo se utiliza con todos los sistemas de piloto automático actuales. Cuando el director de vuelo está encendido, muestra un triángulo rosa a lo largo del centro del PFD, también se lo puede llamar o considerar como una "cruz". El FD es la computadora del avión que da instrucciones al piloto que pilota manualmente sobre cómo pilotar el avión y dónde colocar el indicador de actitud. Cuando el piloto que pilota manualmente ha alineado su indicador de actitud con la cruz rosa del FD, ese piloto está volando por la ruta de vuelo correcta indicada por las computadoras del avión. El director de vuelo está ahí para ayudarte a mantener una multitud de cosas según la situación. Puede ayudarte a mantener una velocidad vertical, una altitud específica, un rumbo y/o un seguimiento de navegación, todo en uno. Los directores de vuelo son extremadamente útiles cuando se trata de aproximaciones instrumentales cuando se debe mantener un rumbo preciso para el aterrizaje, ya que le mostrarán exactamente cómo posicionar su aeronave en el rumbo correcto. Estos directores de vuelo son muy útiles para el aspecto de vuelo, pero también son muy seguros. Ayudan a la conciencia del piloto y ayudan a minimizar la carga de trabajo del piloto al mando, especialmente en condiciones de vuelo difíciles, ya sea que se trate de condiciones climáticas nubladas o difíciles.
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