Πέμπτη 30 Σεπτεμβρίου 2010

The history of autopilots [ΕΝ]

An autopilot is a mechanical, electrical, or hydraulic system used to guide a vehicle without assistance from a human being. An autopilot can refer specifically to aircraft, self-steering gear for boats, or auto guidance of space craft and missiles. The autopilot of an aircraft is sometimes referred to as "George".

First autopilots

In the early days of aviation, aircraft required the continuous attention of a pilot in order to fly safely. As aircraft range increased allowing flights of many hours, the constant attention led to serious fatigue. An autopilot is designed to perform some of the tasks of the pilot.
The first aircraft autopilot was developed by Sperry Corporation in 1912. The autopilot connected a gyroscopic Heading indicator and attitude indicator to hydraulically operated elevators and rudder (ailerons were not connected as wing dihedral was counted upon to produce the necessary roll stability.) It permitted the aircraft to fly straight and level on a compass course without a pilot's attention, greatly reducing the pilot's workload.
Lawrence Sperry (the son of famous inventor Elmer Sperry) demonstrated it two years later in 1914 at an aviation safety contest held in Paris. At the contest, Lawrence Sperry demonstrated the credibility of the invention were shown by flying the aircraft with his hands away from the controls and visible to onlookers of the contest. This autopilot system was also capable of performing take-off and landing, and the French military command showed immediate interest in the autopilot system. Wiley Post used a Sperry autopilot system to fly alone around the world in less than eight days in 1933.
Further development of the autopilot were performed, such as improved control algorithms and hydraulic servomechanisms. Also, inclusion of additional instrumentation such as the radio-navigation aids made it possible to fly during night and in bad weather. In 1947 a US Air Force C-53 made a transatlantic flight, including takeoff and landing, completely under the control of an autopilot.
In the early 1920s, the Standard Oil tanker J.A Moffet became the first ship to use an autopilot.

Modern autopilots

Not all of the passenger aircraft flying today have an autopilot system. Older and smaller general aviation aircraft especially are still hand-flown, while small airliners with fewer than twenty seats may also be without an autopilot as they are used on short-duration flights with two pilots. The installation of autopilots in aircraft with more than twenty seats is generally made mandatory by international aviation regulations. There are three levels of control in autopilots for smaller aircraft. A single-axis autopilot controls an aircraft in the roll axis only; such autopilots are also known colloquially as "wing levellers", reflecting their limitations. A two-axis autopilot controls an aircraft in the pitch axis as well as roll, and may be little more than a "wing leveller" with limited pitch-oscillation-correcting ability; or it may receive inputs from on-board radio navigation systems to provide true automatic flight guidance once the aircraft has taken off until shortly before landing; or its capabilities may lie somewhere between these two extremes. A three-axis autopilot adds control in the yaw axis and is not required in many small aircraft.
Autopilots in modern complex aircraft are three-axis and generally divide a flight into taxi, takeoff, ascent, level, descent, approach and landing phases. Autopilots exist that automate all of these flight phases except the taxiing. An autopilot-controlled landing on a runway and controlling the aircraft on rollout (i.e. keeping it on the centre of the runway) is known as a CAT IIIb landing or Autoland, available on many major airports' runways today, especially at airports subject to adverse weather phenomena such as fog. Landing, rollout and taxi control to the aircraft parking position is known as CAT IIIc. This is not used to date but may be used in the future. An autopilot is often an integral component of a Flight Management System.
Modern autopilots use computer software to control the aircraft. The software reads the aircraft's current position, and controls a Flight Control System to guide the aircraft. In such a system, besides classic flight controls, many autopilots incorporate thrust control capabilities that can control throttles to optimize the air-speed, and move fuel to different tanks to balance the aircraft in an optimal attitude in the air. Although autopilots handle new or dangerous situations inflexibly, they generally fly an aircraft with a lower fuel-consumption than a human pilot.
The autopilot in a modern large aircraft typically reads its position and the aircraft's attitude from an inertial guidance system. Inertial guidance systems accumulate errors over time. They will incorporate error reduction systems such as the carousel system that rotates once a minute so that any errors are dissipated in different directions and have an overall nulling effect. Error in gyroscopes is known as drift. This is due to physical properties within the system, be it mechanical or laser guided, that corrupt positional data. The disagreements between the two are resolved with digital signal processing, most often a six-dimensional Kalman filter. The six dimensions are usually roll, pitch, yaw, altitude, latitude and longitude. Aircraft may fly routes that have a required performance factor, therefore the amount of error or actual performance factor must be monitored in order to fly those particular routes. The longer the flight the more error accumulates within the system. Radio aids such as DME, DME updates and GPS may be used to correct the aircraft position.

Computer system details

The hardware of an autopilot varies from implementation to implementation, but is generally designed with redundancy and reliability as foremost considerations. For example, the Rockwell Collins AFDS-770 Autopilot Flight Director System used on the Boeing 777, uses triplicated FCP-2002 microprocessors which have been formally verified and are fabricated in a radiation resistant process.
Software and hardware in an autopilot is tightly controlled, and extensive test procedures are put in place.
Some autopilots also use design diversity. In this safety feature, critical software processes will not only run on separate computers and possibly even using different architectures, but each computer will run software created by different engineering teams, often being programmed in different programming languages. It is generally considered unlikely that different engineering teams will make the same mistakes. As the software becomes more expensive and complex, design diversity is becoming less common because fewer engineering companies can afford it. The flight control computers on the Space Shuttle uses this design: there are five computers, four of which redundantly run identical software, and a fifth backup running software that was developed independently. The software on the fifth system provides only the basic functions needed to fly the Shuttle, further reducing any possible commonality with the software running on the four primary systems.

 

Categories

Instrument-aided landings are defined in categories by the International Civil Aviation Organization. These are dependent upon the required visibility level and the degree to which the landing can be conducted automatically without input by the pilot.
CAT I - This category permits pilots to land with a decision height of 200 ft (61 m) and a forward visibility or Runway Visual Range (RVR) of 550 m. Simplex autopilots are sufficient.
CAT II - This category permits pilots to land with a decision height between 200 ft and 100 ft (≈ 30 m) and a RVR of 300 m. Autopilots have a fail passive requirement.
CAT IIIa -This category permits pilots to land with a decision height as low as 50 ft (15 m) and a RVR of 200 m. It needs a fail-passive autopilot. There must be only a 10−6 probability of landing outside the prescribed area.
CAT IIIb - As IIIa but with the addition of automatic roll out after touchdown incorporated with the pilot taking control some distance along the runway. This category permits pilots to land with a decision height less than 50 feet or no decision height and a forward visibility of 250 ft (76 m, compare this to aircraft size, some of which are now over 70 m long) or 300 ft (91 m) in the United States. For a landing-without-decision aid, a fail-operational autopilot is needed. For this category some form of runway guidance system is needed: at least fail-passive but it needs to be fail-operational for landing without decision height or for RVR below 100 m.
CAT IIIc - As IIIb but without decision height or visibility minimums, also known as "zero-zero".
Fail-passive autopilot: in case of failure, the aircraft stays in a controllable position and the pilot can take control of it to go around or finish landing. It is usually a dual-channel system.
Fail-operational autopilot: in case of a failure below alert height, the approach, flare and landing can still be completed automatically. It is usually a triple-channel system or dual-dual system.

Radio-controlled models

In radio-controlled modelling, and especially RC aircraft and helicopters, an autopilot is usually a set of extra hardware and software that deals with pre-programming the model's flight.

Δευτέρα 27 Σεπτεμβρίου 2010

Η ιστορία των αυτόματων πιλότων [GR]

Ο αυτόματος πιλότος είναι ένα μηχανικό, ρομποτικό, ηλεκτρικό ή υδραυλικό σύστημα, το οποίο χρησιμοποιείται για την καθοδήγηση ενός οχήματος χωρίς την υποστήριξή του από τον άνθρωπο. Οι αυτόματοι πιλότοι χωρίζονται ανάλογα με την χρήση τους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αεροσκάφη, σε πλοία ή σε διαστημόπλοια και πυραύλους.

Οι πρώτοι αυτόματοι πιλότοι

Από την 'γέννηση' της αεροπορίας, κάθε αεροσκάφος απαιτούσε συνεή επίβλεψη από έναν πιλότο για να μπορεί να πετάει με ασφέλεια. Καθώς η διάρκεια των πτήσων μεγάλωνε, Δημιουργήθηκε η ανάγκη της δημιουργίας κάποιου μηχανίματος για να εκτελεί τα καθήκοντα του πιλότου. Έτσι δημιουργήθηκε ο αυτόματος πιλότος. Ο πρώτος αυτόματος πιλότος κατασκευάστηκε το 1912 από τον Sperry Corporation . Ο αυτόματος πιλότος ήταν συνδεδεμένος με την πυξίδα, τον δείκτη υψομέτρου και τον τεχνιτό ορίζοντα. Ακόμη μπορούσε να ελέγχει  το υδραυλικά συστήματα΄, όπως το πτερύγιο της ουράς, καθώς και το πτερύγιο ανύψωσης (το πτερύγια των φτερών δεν ήταν συνδεδεμένα, καθώς ο ρόλος τους ήταν μόνο η διατήρηση της ισορροπίας του αεροσκάφους). Έτσι, το αεροσκάφος μπορούσε να πετάει προς μια κατεύθυνση και σε οριζόντιο επίπεδο, πάνω σε μια πορεία, χωρίς να απαιτεί την προσοχή του πιλότου, γεγονός που είχε ως αποτέλεσμα να μειωθούν σημαντικά τα καθήκοντα του πιλότου.

Ο Lawrence Sperry παρουσίασε δύο χρόνια αργότερα, το 1914, σε ένα συνέδριο στο Παρίσι σχετικά με την ασφάλεια την αεροπορία ,την σπυδαία του δημιουργία, όπου κατα την διάρκεια της παρουσίασης, ο πιλότος ειχε τα χέργια του σηκωμένα στον αέρα, έτσι ώστε να είναι ορτά από το κοινό, καθ'όλη την πτητική διαδικασία. Αυτό το σύστημα αυτόματου πιλότου μπορούσε να πραγματοποιεί αυτοματοποιημένα απογηώσεις και προσγειώσεις. Ως επακόλουθο, ο Γαλλικός στρατός παρουσίασε ιδιαίτερο ενδιαφέρον, μαζί με άλλους ιδιώτες. Αργότερα, ο Wiley Post χρησιμοποίησε αυτόν τον αυτόματο πιλότο για να κάνει τον γύρο του κόσμου σε λιγότερο από οχτό μέρες, το1933.
Περετέρω βελτιώσεις προγματοποιήθηκαν, όπως η αναβάθμηση του ελέγχου του αυτόματου πιλότου με αλογόρυθμους και με ειδικές υδραυλικές σερβομηχανές. Επιπροσθέτως, άλλες προσθήκες οργάνων, όπως  η ραδιοπλοήγηση, κατέστησε εφικτή την πτήση υπό δυμενείς συνθήκες καθώς και χωρίς φως. Το1947 ένα πολεμικό C-53 του αμερικάνικου στρατού έκανε υπερατλαντική πτήση, συμπερλαμβανομένου της απογήωσης και της προσνήωσης, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά αυτόματο πιλότο. Στην αρχή της δεκαετίας του 1920, το Standard Oil, τάνκερ που κατείχε ο J.A Moffet έγινε το πρώτο πλοίο με αυτόματο πιλότο.

Σύγχρονοι αυτοματοι πιλότοι

Δεν ειναι απαραίτητο για ενα αεροσκάφος να έχει αυτόματο πιλότο. Παλιότερα και μικρότερα αεροσκάφη ιδιωτικής χρήσης, όπως και μικρά αεροσκάφη με λιγότερο από είκοσι θέσεις, που συνήθως ανοίκουν σε μικρές αεροπορικές ετερίες και εκτελούν πτήσεις εκτός προγράμματος, μπορεί να μην έχουν αυτόματο πιλότο καθώς χρησιμοποιούνται για μικρής διάρκειας πτήσεις και συνήθως έχουν δύο πιλότους. Η εγκατάσταση αυτόματου πιλότου σε αεροσκάφη με περισσότερες από είκοσι θέσεις είναι υποχρεωτική από το διεθνές συμβούλιο της αεροπορίας.
Υπάρχουν τρία επίπεδα ελέγχου των αυτόματων πιλότων στα μικρά αεροσκάφη.
  1. Ο αυτόματος πιλότος που ελέγχει την κλίση και είναι κυρίως γνωστός με τον όρο 'ευθυγραμμιστής των φτερών'
  2.  Ο αυτόματος πιλότος που ελέγχει την κλίση και μπορεί να θεωρηθεί ως: 'κάτι περισσότερο από ένα μηχάνημα που ισιώνει τα αεροσκάφος και έχει μια περιορισμένη ικανότητα διόρθωσης του ρυθμού ανώδου' ή ακόμα μπορεί να λαμβάνει δεδομένα από έναν ραδιοδέκτη, φορτωμένο στο αεροσκάφος, ο οποίος  μπορεί να παρέχει στον αυτόματο πιλότο ακριβή στοιχεία έτσι ώστε να μπορεί να λειτουργεί μετά την απορείωση έως λίγο πρίν την προσγείωση.
  3.  Ο αυτόματος πιλότος αυτού του επιπέδου προσθέτει την δυνατότητα του ελέγχου του πτερυγίου της ουράς, που επιρρεάζει την κατεύθυνση της ατράκτου και δεν είναι απαραίτητος στα μικρά αεροσκάφη.
Οι αυτόματοι πιλότοι στα σύγχρονα-περίπλοκα αροσκάφη ελέγχουν τρείς λειτοργίες (κλίση, ανήψωση, κατεύθυνση) και χωρίζονται με βάση την φάση της πτητικής διαδικασίας, δηλαδή την πλοήγηση στο έδαφος, την απογείωση, την άνοδο, την οριζόντια πτήση, την κάθοδο, την προσέγγιση και την προγείωση. Οι αυτόματοι πιλότοι του σήμερα καλύπτουν όλες τις φάσεις που προαναφέρθηκαν εκτός από την πλοήγηση στο έδαφος (taxiing). Η προσγείωση εκτελούμενη από αυτόματο πιλότο είναι γνωστή ως  CAT IIIb. Η δυνατότητα για αυτόματη προσγείωση υπάρχει σε αρκετά μεγάλα αεροδρόμια και ειδικά σε αυτά που καιρικά φαινόμενα, όπως η ομίχλη, συμβαίνουν συχνά. Η προσγείωση, η έξοδος από τον αεροδιάδρομο και η οδήγηση ενός αεροσκάφους στην θέση σταθμευσής του είναι η λεγόμενη CAT IIIc. Η προαναφερθήσα μέθοδος δεν υπάρχει σήμερα, αλλά πολλοί πιστεύουν πως βρίσκεται στο κοντινό μέλλον. Ο αυτόματος πιλότος συχνά είναι ένας τομέας του συστήματος διαχείρησης πτήσης (Flight Management System).
Προγράμματα υπολογιστών χρησιμοποιούνται στους αυτόματους πιλότους, τα οποία δέχονται πληροφορίες για την θέση του αεροσκάφους και για από σύστημα ελέγχου πτήσης, έτσι ώστε να κατευθύνουν το αεροσκάφος. Σε αυτά τα συστήμτα, πέραν των κλασικών συστημάτων ελέγχου πτήστης (πηδάλιο κτλ), πολλοί αυτόματοι πιλότοι ελέγχουν την ταχύτητα του αεροσκάφους, μεταφέρουν κάυσιμα σε άλλα τεπόζιτα για να βοηθήσουν στην ισορροπία του αεροσκάφους στο ιδανικό ύψος για αυτό. Παρόλο που οι αυτόματοι πιλότοι μπορούν να διαχειριστούν καταστάσεις υψηλού κινδύνου, συνήθως χρησιμοποιούνται για το γεγονός πως μπορούν να διαχειρίζονται το αεροσκάφος, καταναλώνωντας λιγότερα καύσιμα σε σχεση με τους πιλότους.
Ο αυτόματος πιλότος στα εμπορικά αεροσκάφη 'διαβάζει' την θέση και το υψόμετρο της ατράκτου από το ενσωματωμένο σύστημα πλοήγησης. Αυτά τα συστήματα είναι επιρρεπή στα λάθη, τα οποία συνήθως οφείλωνται σε αλοιώσεις των δεδομένων κατά την μεταφορά ή σε άλλους εξωτερικούς παράγοντες (μαγνητικά πεδία, καιρός), αλλά οι κατασκευαστές γνωρίζωντας αυτό το γεγονός δημιούργησαν τους ψηφιακούς επεξεργαστές δεδομένων και το έξι διαστάσεων φίλτρο του Κάλμαν. Οι έξι διαστάσεις είναι η ανήψωση, η κλίση, η κατεύθυνση, το υψόμετρο και οι δύο συνεταγμένες (γεωγραφικό πλάτος και μήκος). Τα αεροσκάφη συνηθίζεται να ακολουθούν πορίες που έχου οριζμένο παράγοντα απόδωσης και για αυτόν τον λόγο το περιθόριο λάθους είναι μηδαμινό. Για να εξαλειφθεί αυτό το περιθόριο οι κινήσεις του αεροσκάφους παρακολουθούνται από υπολογιστές. Όσο μεγαλύτερη είναι η πτήση, τόσο περισσότερα λάθη γίνονται στα συστήματα. Ως ένα ακόμη μέσο προστασίας από τα λάθη αυτά είναι η βοήθεια μέσω ασυρμάτου και GPS τα οποία βοηθούν στηνη διόρθωση της θέσης του αεροσκάφους.

Λεπτομέριες για τα υπολογιστικά συστήματα

Τα εξαρτήματα του αυτόματου πιλότου διαφέρουν από αεροσκάφος σε αροσκάφος, αλλά σε γενικές γραμμές είναι σχεδιασμένα με βάση την αξιοπιστία και την ακρίβια σε σχεδόν όλες τις συνθήκες. Για παρέδειγμα, το Rockwell Collins AFDS-770 Autopilot Flight Director System που χρησιμοποιείται στο Boeing 777, χρησιμοποιεί τριπλούς FCP-2002 μικροεπεξεργαστές.
Το λογισμικό και τα εξαρτήματα στους αυτόματους πιλότους είναι στενά συνδεδεμένα. Κάποιοι αυτόματοι πιλότοι ενσωματώνουν ένα χαρκτηριστικό ασφαλείας που σε περίπτωση ανάγκης διαφορετικοί υπολογιστές θα 'τρέξουν' λογισμικά με διαφορετική αρχιτεκτονική, σχεδιασμένα από διαφορετικούς κατασκευαστές σε διαφορετική γλώσσα προγραμματισμού. Αυτό γίνεται διότι οι πιθανότητες διαφορετικές ομάδες προγραμματιστών να κάνουν τα ίδια λάθη είναι ελάχιστες. Καθώς τα λογισμικά γίνονται ολοένα και πιο ακριβά και πιο περίπλοκα, η χρήση αυτού του χαρακτηριστικού ασφαλείας γίνεται πιο σπάνια, αφού λιγοστεύουν οι εταιρίες που μπορούν να χρηματοδωτούν την καασκευή του.

Κατηγορίες

Οι προσγειώσεις που πραγματοποιούνται με την βοήθεια οργάνων χωρίζονται σε κατηγορίες από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Πολτικής Αεροπορίας. Ο χωρισμός έγινε με βάση του βαθμού ορατότητος  και της κατεύθυνσης του αεροσκάφους, έτσι ώστε να μπορέσει να γίνει προσγείωση χωρής την οποιαδήποτε παρέμβαση του πιλότου.
CAT I - Σε αυτή την κατηγορία, ο πιλότος μπορεί να προσγειωθεί έχωντας ως ύψος για την τελική λήψη της απόφασης τα 61 μέτρα και ορατότητα (RVR) στα 550 μέτρα. 
CAT II - Σε αυτή την κατηγορία ο πιλότος μπορεί να επιχειρήσει προσγείωση ότν το ύψος του κυμαίνεται στα 30 μέτρα και η ορατότητα RVR είναι στα 300 μέτρα. Autopilots have a fail passive requirement.
CAT IIIa -Αυτή η κατηγορία δίνει στους πιλότους το δικαίωμα να προσγειωθούν έχωντας ευθυγραμμιστεί με τον αεροδιάδρομο στα 15 μέτρα από το έδαφος και με ορατότητα στα 200 μέτρα.
CAT IIIb - Αυτή η κατηγορία είναι όπως η IIIa, αλλά με την προσθήκη της αυτόματης επιβράδυνσης μετά την προσγείωση. Αυτή η κατηγορία δίνει στον πιλότο το δικαίωμα να προσγειωθεί με ύψος τελικής απόφασης λιγότερο από 50 μέτρα και ορατότητα 76 μέτρα  ή 91 μέτρα για τις ΗΠΑ. Για την προσγείωση χωρίς βοήθεια και καθοδήγηση από τον πύργο ελέγχου είναι απαραίτητη η αντίστοιχη λειτουργία του αυτόματου πιλότου. Για αυτήν την κατηγορία χρειάζεται έστω και μερική καθοδήγηση από το σύστημα καθοδήγησης του αεροδιαδρόμου (runway guidance system).

Εικόνες από πιλοτήρια (Cockpit pictures)

 Πιλοτήριο του γνωστού αεροσκάφους Boeing 737.  (This is the cockpit of the famous Boeing 737)
Ο βαθμός της αυτοματοποίησης των συστημάτων είναι φανερός, αφού είναι φανερή η παρουσία σύγχρονων μόνιτορ στην θέση των αναλογικών οργάνων. ( It is obvious that modern computers has fully replaced the analogics)
Και ως επακόλουθο, όλα αυτά τα συστήματα χρειάζονται αρκετά μέτρα καλωδιώσεων... (And as a result all thoese systems require lots of wiring...)