Un piloto automático es un sistema que se utiliza para controlar la trayectoria de una aeronave, embarcación marina o nave espacial sin requerir un control manual constante por parte de un operador humano. Los pilotos automáticos no reemplazan a los operadores humanos. En cambio, el piloto automático ayuda al operador a controlar el vehículo, permitiéndole centrarse en aspectos más amplios de las operaciones (por ejemplo, monitorear la trayectoria, el clima y los sistemas a bordo). [1]
Cuando está presente, se suele utilizar un piloto automático junto con un acelerador automático , un sistema para controlar la potencia entregada 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" ). La etimología del apodo no está clara: algunos afirman que es una referencia al inventor George De Beeson, 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 a al rey Jorge VI . [3]
En los primeros días de la aviación, los aviones requerían la atención continua de un piloto para volar con seguridad. A medida que el alcance de los aviones aumentó, permitiendo vuelos de muchas horas, la atención constante provocó una fatiga grave. Un piloto automático está diseñado para realizar algunas de las tareas del piloto.
El primer piloto automático de avión 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). Permitió que la aeronave volara recta y nivelada en un rumbo de brújula sin la atención del piloto, lo que redujo 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 aérea celebrado en París . Sperry demostró la credibilidad del invento pilotando el avión con las manos alejadas de los controles y visible para 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 EE. UU. en un rumbo y altitud reales. por tres horas. [5]
En 1930, el Royal Aircraft Establishment del Reino Unido desarrolló un piloto automático llamado asistente de piloto que utilizaba un giroscopio giratorio neumáticamente para mover los controles de vuelo. [6]
El piloto automático se desarrolló aún más para incluir, por ejemplo, algoritmos de control mejorados y servomecanismos hidráulicos. La adición de más instrumentos, como las ayudas a la radionavegación, hizo posible volar de noche y con mal tiempo. En 1947, un C-53 de la Fuerza Aérea de EE. UU. realizó un vuelo transatlántico, incluidos 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 de Standard Oil JA Moffet 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 fue uno de los primeros ejemplos 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. Especialmente los aviones de aviación general más antiguos y más pequeños todavía se vuelan a mano, e incluso los aviones pequeños con menos de veinte asientos también pueden carecer de piloto automático, ya que se utilizan en vuelos de corta duración con dos pilotos. La instalación de pilotos automáticos en aviones de más de veinte asientos es generalmente obligatoria por las normas aeronáuticas internacionales. Hay tres niveles de control en los pilotos automáticos para aviones más pequeños. Un piloto automático de un solo eje controla una aeronave únicamente en el eje de balanceo ; Estos pilotos automáticos también se conocen coloquialmente como "niveladores de alas", lo que refleja su capacidad única. Un piloto automático de dos ejes controla una aeronave tanto en el eje de cabeceo como en el balanceo, y puede ser poco más que un nivelador de ala con una capacidad limitada de corrección de la oscilación del cabeceo; o puede recibir información de los sistemas de radionavegación a bordo para proporcionar una verdadera guía de vuelo automática una vez que la aeronave 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 muchas aeronaves pequeñas.
Los pilotos automáticos de los aviones complejos modernos son de tres ejes y generalmente dividen un vuelo en 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 durante el recorrido (es decir, mantenerla en el centro de la pista) se conoce como Autoland, donde el piloto automático utiliza una aproximación con sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS) Cat IIIc, que es 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 . Por lo general, la aeronave puede detenerse por sí sola, pero requerirá desactivar el piloto automático para salir de la pista y rodar hasta la puerta. Un piloto automático suele ser un componente integral de un sistema de gestión de vuelo .
Los pilotos automáticos modernos utilizan 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 dicho sistema, 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 del aire.
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 anulador general. El error en los giroscopios se conoce como deriva. Esto se debe a 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 procesamiento de señales digitales , generalmente un filtro Kalman de seis dimensiones . Las seis dimensiones suelen ser balanceo, cabeceo, guiñada, altitud , latitud y longitud . Las aeronaves pueden volar rutas que tienen un factor de desempeño requerido, por lo tanto, se debe monitorear la cantidad de error o el factor de desempeño real para volar esas rutas en particular. Cuanto más largo es el vuelo, más errores se acumulan dentro del sistema. Se pueden utilizar radioayudas como DME, actualizaciones de DME y GPS para corregir la posición de la aeronave.
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Una opción a medio camino entre el vuelo totalmente automatizado y el vuelo manual es el control del volante ( 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 información del ajuste de rumbo/altitud, radio y ayudas a la navegación, o del FMS (Sistema de gestión de vuelo). En el modo CWS, el piloto controla el piloto automático mediante entradas en el yugo o la palanca. Estas entradas se traducen a 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 alabeo. En muchos sentidos, un avión Airbus moderno de vuelo por cable en 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 está diseñado teniendo en cuenta la redundancia y la confiabilidad como consideraciones principales. Por ejemplo, el sistema director de vuelo con 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 en un piloto automático están estrictamente controlados y se implementan extensos procedimientos de prueba.
Algunos pilotos automáticos también utilizan diversidad de diseños. En esta característica de seguridad, los procesos de software críticos no sólo se ejecutarán en computadoras separadas y posiblemente incluso usando arquitecturas diferentes, sino que cada computadora ejecutará software creado por diferentes equipos de ingeniería, que a menudo se programarán en diferentes lenguajes de programación. En general, se considera poco probable que diferentes equipos de ingeniería cometan los mismos errores. A medida que el software se vuelve más caro y complejo, la diversidad de diseños se vuelve menos común porque menos empresas de ingeniería pueden permitírselo. Las computadoras de control de vuelo del transbordador espacial utilizaron este diseño: había cinco computadoras, cuatro de las cuales ejecutaban de forma redundante software idéntico y una quinta ejecutaba software de respaldo que se desarrolló de forma independiente. El software del quinto sistema proporcionaba sólo las funciones básicas necesarias para volar el Shuttle, reduciendo aún más cualquier posible similitud con el software que se ejecuta 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 trayectoria de vuelo requerida de la aeronave, el SAS moverá las superficies de control de la aeronave para amortiguar movimientos inaceptables. 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 los aviones de ala en flecha. Algunos amortiguadores de guiñada forman parte del sistema de piloto automático, mientras que otros son sistemas independientes. [14]
Los amortiguadores de guiñada utilizan un sensor para detectar qué tan rápido gira la aeronave (ya sea un giroscopio o un par de acelerómetros), [15] una computadora/amplificador y un actuador. El sensor detecta cuando el avión comienza la parte de guiñada del balanceo holandés. Una computadora procesa la señal del sensor para determinar la desviación del timón necesaria para amortiguar el movimiento. La computadora le dice al actuador que mueva el timón en la dirección opuesta al movimiento, ya que el timón tiene que oponerse al movimiento para reducirlo. El balanceo holandés se amortigua y el avión se estabiliza alrededor del eje de guiñada. Debido a que el balanceo 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 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 mueve.
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.
Los aterrizajes asistidos por instrumentos están definidos en categorías por la Organización de Aviación Civil Internacional o OACI. Estos dependen del nivel de visibilidad requerido y del grado en que el aterrizaje puede realizarse 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 frontal o alcance visual en la pista (RVR) de 550 metros (1800 pies). No se requieren pilotos automáticos. [18]
CAT II : esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión 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 de falla.
CAT IIIa : esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión tan baja como 50 pies (15 m) y un RVR de 200 metros (660 pies). Necesita un piloto automático pasivo ante fallos. Debe haber sólo una probabilidad de 10 −6 de aterrizar fuera del área prescrita.
CAT IIIb : como IIIa pero con la adición de despliegue automático después del aterrizaje incorporado cuando el piloto toma el control a cierta distancia a lo largo de la pista. Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión inferior a 50 pies o sin altura de decisión y una visibilidad hacia adelante de 250 pies (76 m) en Europa (76 metros, en comparación con el tamaño de los aviones, algunos de los cuales ahora superan los 70 metros ( 230 pies) de largo) o 300 pies (91 m) en los Estados Unidos. Para un aterrizaje sin ayuda para tomar decisiones, se necesita un piloto automático que funcione en caso de falla. Para esta categoría se necesita algún tipo de sistema de guía de pista: al menos pasivo ante fallos, pero debe ser operativo ante fallos para aterrizajes sin altura de decisión o para RVR por debajo de 100 metros (330 pies).
CAT IIIc : igual que 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 con visibilidad cero-cero. Una aeronave capaz de aterrizar en un CAT IIIb equipado con freno automático podría detenerse por completo en la pista, pero no tendría capacidad para rodar.
Piloto automático pasivo ante fallos: en caso de fallo, la aeronave permanece en una posición controlable y el piloto puede tomar el control de ella para dar la vuelta o finalizar el aterrizaje. Suele ser un sistema de doble canal.
Piloto automático operativo fallido: en caso de fallo por debajo de la altura de alerta, la aproximación, el enderezamiento y el aterrizaje aún se pueden completar automáticamente. Suele ser un sistema de triple canal o un sistema dual-dual.
En el modelismo radiocontrolado , y especialmente en aviones y helicópteros RC , un piloto automático suele ser un conjunto de hardware y software extra que se ocupa de la preprogramación del vuelo del modelo. [19]
Un director de vuelo (FD) es un componente muy importante cuando se trata de volar un avión. Se considera un componente crucial dentro del sistema de aviónica de una aeronave. La función principal del director de vuelo es proporcionar guía visual al piloto que esté volando el avión manualmente. Vuelo manual o no, el director de vuelo se utiliza hoy en día con todos los sistemas de piloto automático. Cuando el director de vuelo está activado, muestra un triángulo rosa en el centro del PFD; también se le puede llamar o considerar una "cruz". El FD es la computadora del avión que da instrucciones al piloto que vuela manualmente sobre cómo volar el avión y dónde colocar el indicador de actitud. Cuando el piloto que vuela manualmente ha alineado su indicador de actitud con la mira rosa del FD, ese piloto está volando en la trayectoria de vuelo correcta indicada por las computadoras de la aeronave. El director de vuelo está ahí para ayudarle a mantener una multitud de cosas dependiendo de la situación. Puede ayudarle 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 por instrumentos cuando se debe mantener un rumbo preciso hasta el aterrizaje, ya que le mostrarán exactamente cómo posicionar su avión en el rumbo correcto. Qué útiles son estos directores de vuelo en el aspecto del vuelo, también son muy seguros. Ayudan a concienciar al piloto y ayudan a minimizar la carga de trabajo del piloto al mando, específicamente en condiciones de vuelo desafiantes, ya sea que incluyan clima nublado o adverso.
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