Автопилот в самолете

Автопилот – это устройство или программно-аппаратный комплекс, который может вести вверенное ему транспортное средство по заданной траектории. История автопилота началась с поддержания определённого курса полёта, но со временем развитие технологии позволило сделать самолёты, которые могут сами садиться и взлетать, поезда, которые ездят без участия машиниста, и робоавтомобили, которые уже скоро могут стать обычным делом на дорогах общего пользования. Кадр из фильма «Аэроплан»

Летательные аппараты

Первая разработка в области автоматизации управления самолётом была сделана в США в 1912 году компанией Sperry Corporation. Автопилот помогал автоматически удерживать курс полёта и стабилизировать крен. Гидравлический привод с блоком, получающий сигналы от гирокопаса и высотомера, был связан с рулями высоты и управления. Устройство назвали «гироскопическим стабилизирующим аппаратом», его впервые установили на самолёт Curtiss C-2 и показали на выставке во Франции 18 июня 1914 года. В рамках демонстрации во время полёта оба пилота вылезли на крылья самолёта, чтобы показать способность летательного аппарата и продолжать полёт без ручного управления. В СССР к теме автопилотов проявлялся большой интерес, о чём говорит издание «Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты. Сборник статей». В книгу вошли переведённые статьи «Общая теория автоматического регулирования», «Автопилот Сименса для самолетов», «Гиропилот Сперри» и другие, описаны принципы автоматического пилотирования и конструкции автопилотов. Ознакомиться с книгой можно на одном известном ресурсе, который уже второй месяц пытаются заблокировать на территории России. Применение автопилота необходимо не только для того, чтобы снизить нагрузку на живого человека во время управления, но и для управления торпедами и ракетами, когда пилота внутри них нет и не может быть (исключение есть — тип японских торпед под названием кайтэн, которыми управляли смертники). В 1947 году американский военно-транспортный самолёт Douglas C-54 Skymaster, построенный на базе пассажирского DC-4, перелетел через Атлантический океан под управлением автопилота. И взлёт, и посадка были осуществлены в автоматическом режиме.Douglas C-54 Смысл автопилота состоит в том, чтобы система поддерживала правильную ориентацию аппарата. В случае с самолётом ориентация в пространстве определяется тремя углами. Это угол тангажа — угол между продольной осью летательного аппарата и горизонтальной плоскостью, угол рыскания — угол поворота корпуса в горизонтальной плоскости, и угол крена — он возникает при повороте самолёта вокруг продольной оси. Для сохранения ориентации необходимо её определить, и в этом помог гироскоп. Американский лётчик Элмер Сперри использовал его, чтобы сначала просто стабилизировать самолёт, а затем и создать автопилот в начале 1920-х годов. Если первый автопилот мог сохранять заданный режим полёта, то последующие системы управляли рулями и двигателями самолёта и могли не только летать без участия лётчика, но и взлетать и садиться. Тангаж, рыскание и крен Отличный пример раннего автопилота — немецкая баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2», которую в конце Второй мировой войны принял на вооружение Вермахт. Ракета взлетала вертикально, после чего в действие вступала автономная гироскопическая система управления. Но чрезмерное увлечение автопилотом привело к тому, что пилоты гражданской авиации в США стали допускать ошибки при ручном управлении. Они слишком полагаются на автоматику, и в результате исследований показывают неудовлетворительные результаты проверки лётных навыков. Это приводит к человеческим жертвам. Похожая проблема с автоматикой есть у офицеров военных кораблей флота США, они применяют GPS, но мало кто из курсантов умеет обращаться с секстантом. И, конечно, существует огромное количество мультикоптеров и дронов других типов, которые способны работать как под управлением оператора-пилота, так и самостоятельно и при взаимодействии с другими аппаратами.

Рельсовый транспорт

В 1967 году в столице Великобритании открыли линию Лондон Виктория. Это была первая линия, на которой поезда управлялись с помощью системы Automatic Train Operation. После этого технологию ATO развивают, чтобы поезда могли ездить абсолютно без участия живых водителей в кабине или сотрудников на борту.Королева Елизавета в поезде на линии Лондон Виктория, 1969 год Разделяют четыре уровня «развитости» автоматизированных систем для рельсового транспорта. Одна из самых простых систем — это ATO в лондонской подземке, а самая сложная — в метро Копенгагена, где поезда движутся постоянно без водителей, сами открывают и закрывают двери, оперативно реагируют в экстренных случаях на, например, людей на рельсах. Кабины машиниста нет вовсе, и пассажиры наблюдают за движением через лобовое стекло. В центре управления работают всего пять операторов в смену, которые могут вмешаться в работу в экстренной ситуации, но по большей части контролируют работоспособность систем. Автоматика позволила перейти на круглосуточный режим работы, и метрополитен закрывается на одну ночь шесть раз в год для проведения капитального ремонта. В 2016 году в Москве запустят три автоматических поезда на Кольцевой линии метро. Система будет отправлять поезда со станции после закрытия машинистами дверей и вести поезд по перегону с соблюдением графика. Важно при этом обеспечить безопасность не только пассажиров, но и людей, которые незаконно проникают в тоннели московского метро — за год происходит около восьмисот таких случаев, хотя благодаря введению интеллектуальной системы защиты, отслеживающих посторонних, количество таких случаев снижается. В любом случае в кабине будет нужен живой машинист.

Автомобили

Трендом нескольких лет подряд являются беспилотные автомобили. Началось всё гораздо раньше, с создания первого круиз-контроля, который также называют «автоспид» и «автодрайв». Всё, что он делает — это поддерживает постоянную скорость автомобиля, прибавляя газ при снижении скорости и уменьшая при увеличении, самостоятельно подтормаживает на спусках. Такие системы массово начали ставить на автомобили в 1970-х годах в США — благодаря наличию в стране длинных автомагистралей. Изобрели их раньше — в 1940-1950-е годы в тех же штатах, компания American Motors. Их блок управления скоростью был предназначен для крупных авто с автоматической коробкой передач. В России впервые подобной системой оснастили ГАЗ-21 в 1956 году. «Ручной газ» работал так: во время движения нужно было вытянуть рукоятку, после чего можно убирать ногу с педали газа. Адаптивный круиз-контроль поддерживает переменную скорость движения, подстраиваясь под среднюю скорость в потоке и постоянно соблюдая дистанцию между автомобилем и впереди идущим транспотным средством. Впервые эти системы стали ставить в конце 1990-х Mercedes-Benz, BMW и Toyota. Для адаптивной системы необходимо наличие исправных ABS и ESP, иначе система не будет работать. Многие компании сейчас продолжают улучшать существующие технологии с целью сделать полностью автономные автомобили. В 2011 году Google пролоббировала закон штата Невада для того, чтобы на дорогах общего пользования можно было использовать беспилотные автомобили. В мае 2012 компания получила лицензию на беспилотники в Неваде, а в сентябре того же года власти Калифорнии легализовали авто с функцией автопилота. Подобные автомобили в теории способны сэкономить сотни миллиардов долларов в год, но не все видят в беспилотных автомобилях будущее — например, глава сервиса заказа такси Lyft от такого будущего открещивается. В декабре 2014 года Google представила первую готовую версию автомобиля. До этого компания показывала макет с неработающими фарами. В Google уверены, что робомобили появятся на дорогах уже через два-пять лет. Кроме Google над беспилотными автомобилями работает ряд крупных автопроизводителей. Например администрация шведского Гётеборга заказала у Volvo Cars сотню беспилотных автомобилей к 2017 году на сумму 56,3 миллиона евро. Беспилотные такси в стране планируют запустить власти Японии. Nissan хочет начать продажи беспилотных авто к 2020 году. Прототипы уже есть у Audi и Toyota, Tesla уже внедрила функцию автопилота в Model S, а Ford начал учить свои автомобили ездить в снегопад без участия водителя. Для проверки ориентации автомобиля в пространстве, соблюдения знаков и определения участников дорожного движения автономный автомобиль использует массу поступающей информации. Это данные с установленного лидара — у Ford их сразу четыре, информация с камер и различных датчиков. Компьютер для автономных автомобилей разработала Nvidia. Компании BMW, Honda, Volkswagen, Tesla и GM работают совместно с Mobileye — эта версия автопилота использует мобильный интернет и сенсоры, которые уже установлены на многих автомобилях. Mobileye разрабатывает системы безопасности для предотвращения столкновений. Осталось только научить беспилотные автомобили решать этические вопросы — например, как вести себя, когда авария с человеческими жертвами неизбежна, кем при этом нужно пожертвовать. Над беспилотным грузовиком, способным передвигаться по российским дорогам и преодолевать, предварительно распознавая, неожиданные проломы и пробоины в асфальте сейчас работает «Камаз». В то время как с легковыми авто работают множество автопроизводителей, грузовиками занимаются единицы. Так работает функция «Summon» в автомобиле Tesla Model S. Интересно, насколько удобно при развитии технологии в будущем в зоне погрузки Ikea «призвать» автомобиль, чтобы загрузить в него покупки.2015-12-29

На схеме показано, как работает типичный автопилот.

Заранее рассчитанные параметры полета вводятся в компьютеры самолета (1).

После взлета автопилот вступает в действие.

Два дисплея(2)показывают положение самолета, его предполагаемый маршрут и высоту.

Изменение положения маленьких заслонок(3) на наружной поверхности самолета оповещает компьютеры о малейшем изменении в ориентации самолета.

Для определения положения используется глобальная система навигации (ГСН) (4).

Приемник расположен на верхней части корпуса (5).

Компьютеры следят за маршрутом и автоматические производят необходимые изменения посредством сервомеханизмов (6),

которые управляют рулем (7),

рулями высоты (8),

элеронами (9),

закрылками (10)

и настройкой дросселей двигателей (11)

При необходимости пилот может в любой момент отключить автопилот и перейти к ручному управлению (12)

Начиная с 30-х годов 20 века, автопилотами начали оснащать некоторые пассажирские авиалайнеры. Новый виток в развитие автоматических систем управления внесла Вторая мировая война, которая требовала подобных технологий для дальних бомбардировщиков. Впервые полностью автоматический полет  через Атлантику, включая посадку и взлет, осуществил самолет C-54, принадлежавший США. Это произошло в 1947 году.

Современный этап развития автоматизированных систем управления самолетами достиг качественно нового уровня. На сегодняшний день лайнеры комплектуются системами ВБСУ или САУ. Система автоматического управления «САУ» осуществляет качественную стабилизацию судна на маршруте и в пространстве. Совокупность агрегатов системы позволяет управлять аппаратом на всех этапах полета.  Самые современные разработки позволяют осуществлять полет в так называемом штурвальном режиме, это позволяет максимально облегчить работу пилота,  минимизировать его вмешательство. Такие системы самостоятельно стабилизируют самолет от сноса, скольжения или болтанки, могут переходить даже на критические режимы полета, при этом очень часто игнорируя действия пилотов.

Автопилот самолета ведет аппарат по заданному маршруту, при этом используется комплексная информация  навигационных приборов  собственных и наземных датчиков, которые проводят анализ полета. Данная система проводит управление всеми агрегатами летательного судна. Также работают траекторные системы, которые проводят заход на посадку с высокими показателями точности без каких-либо действий пилотов.

Управляющие устройства в стандартном их виде (рычаги, педали) практически не используются. Высокая степень автоматизации довела управление до подачи электрических импульсов ко всем частям самолетов без применения гидравлики в системе управления. Электромеханические приборы управления позволяют воссоздать более привычные условия пилотам. В кабинах пилотов все чаще устанавливаются боковые рычаги управления по типу «сайдстик».

Проблемы автоматического управления самолетами

Конечно же, первоочередной и самой главной проблемой при создании автопилотов является сохранение безопасности полета. В большинстве старых автоматических систем управления пилот имеет возможность в любое время произвести срочное отключение автопилота и перейти на ручное управление. При нарушении или поломке автопилота крайне необходимо отключение системы обычным способом или механическим. В аппарате Ту-134 возможно проведение «отстрела» автопилота установленным пиропатроном. При разработке автопилота тщательно продумываются варианты его отключения в случае поломки без вреда для полета.

Для повышения безопасности автоматика управления работает в многоканальном режиме. Параллельно могут работать сразу четыре системы пилотирования с одинаковыми параметрами и возможностями. Также система проводит постоянный анализ и мониторинг входящих информационных сигналов. Полет осуществляется на основе так называемого метода кворумирования, который состоит из принятия решения по данным большинства систем.

В случае поломки автопилот способен самостоятельно выбрать дальнейший режим управления. Это может быть переключение на другой канал управления или передача управления пилоту. Для проверки работы систем необходимо проводить так называемый предполетный прогон систем. Данный тест состоит из запуска пошаговой программы, которая подает имитацию сигналов полета.

Все же ни одна проверка не позволяет достичь 100%-й гарантии безопасности и работы в полете. Из-за нестандартных ситуаций в воздухе могут возникать дополнительные проблемы с автоматикой управления. Некоторые автопилоты имеют различные программы, которые позволяют наиболее безопасно проводить полет соответствующего авиалайнера.

Все же полет на одном автопилоте без человеческого фактора очень опасен и практически невозможен. Можно сделать один логический вывод, что чем «умнее» самолет и сложнее его конструкция, тем меньше шансов на полет без человеческого вмешательства. Чем больше новых автоматизированных систем используется, тем значительнее возрастают шансы на их отказ в полете. Просчитать все варианты отказа практически невозможно. Именно поэтому навыки пилота останутся востребованными постоянно, поскольку каждый летчик проходит очень большой путь к управлению пассажирскими лайнерами. Соответственно, навыки и быстрое принятие решений остаются более важными, нежели действия компьютерных программ.

Самые современные системы автоматического управления типа fly-by-wire позволили значительно снизить общую массу конструкции самолета. При этом надежность бортовых систем возросла в разы. Оборудование реагирует без промедлений, а также способно исправлять ошибки, вызванные человеческим фактором при управлении. Это говорит о том, что система не позволит пилоту завести машину в опасную для нее и пассажиров на борту ситуацию. Современные самолеты типа Airbus перестали комплектоваться стандартными рычагами и педалями управления, вместо этого устанавливаются джойстики. Все это позволяет пилотам не задумываться над тем, какую команду и как необходимо передать отдельному агрегату. Не нужно продумывать угол отклонения элеронов или закрылок, достаточно наклонить джойстик управления – и компьютер сделает все сам.

Все же, несмотря на всю радужную картину, по вине автопилотов произошло немало крушений и аварий, которые привели к человеческим жертвам. История авиакатастроф по вине автоматических систем управления, к сожалению, очень богата фактами ненадежности таких систем. 

—> Далее.

Разумеется, на борту присутствовали пилоты и инженеры-испытатели, однако их вмешательство в работу систем не понадобилось. «В ходе испытаний поведение самолёта полностью соответствовало нашим ожиданиям. После занятия исполнительного старта и ожидания разрешения на взлёт от диспетчерской службы мы включили автопилот, — рассказал лётчик-испытатель Airbus, командир ВС Янн Бофис. — Мы перевели ручки управления двигателем в положение взлёта и наблюдали за работой систем ВС. Самолёт начал набирать скорость, автоматически придерживаясь осевой линии ВПП. Нос самолета начал автоматически подниматься, пока не достиг заданного угла тангажа при взлёте, и через несколько секунд мы поднялись в воздух».

Взлет происходит при помощи компьютерного зрения, за счет чего самолет сохраняет прямолинейное движение вдоль оси ВПП; собственно, раньше систем автоматического взлета не существовало потому, что за этим мог следить только пилот: управлять аэродинамическими поверхностями, чтобы взлететь после достижения нужной скорости, авионика умеет давно, а сигнал курсового радиомаяка, который используется для ведения по глиссаде при посадке, также бесполезен на ВПП (поскольку маяк направлен не на саму полосу, а в противоположную сторону).

Интересно, что система компьютерного «зрения» может также заменить ILS наиболее точных категорий во время посадки: тогда от высоты принятия решения самолетом будет управлять не пилот, а автоматика. Более того, она позволит автоматически выполнять руление: это вообще довольно простая для 2020 года задача — беспилотные автомобили прекрасно ездят по улицам с перекрестками, светофорами и множеством других машин, а тут рули себе по свободной рулежке, соблюдая нехитрые правила, да заруливай на стоянку.

Так что в принципе скоро гражданские самолеты смогут стать беспилотными, хотя Airbus не рассматривает автономность как самоцель: вряд ли пассажиры будут готовы сесть на борт воздушного судна, в котором никто не вмешается в работу автоматики, если что-то пойдет не так: решение о посадке на воду или в кукурузу лучше все же доверять человеку. В итоге автономные технологии повысят безопасность полетов, позволяя экипажу тратить меньше времени на технические задачи, уделять больше внимания стратегическим решениям и выполнению полётного задания, а также меньше уставать.

Илья Шатилин

Используемые источники:

• https://habr.com/post/371603/
• http://avia.pro/blog/avtopilot-samolet
• https://www.frequentflyers.ru/2020/01/21/auto_to/