De
automatische piloot is een mechanisme waarmee een voertuig bestuurd kan worden zonder hulp van een mens. Ook systemen die de stuurtaak van de mens vereenvoudigen, door logische stuurhandelingen van de bestuurder te vertalen naar complexe stuuracties van het voertuig, worden tot de automatische piloten gerekend. De term wordt meestal gebruikt voor de automatische besturing in
vliegtuigen, maar ook boten en schepen kennen een automatische piloot. Zelfs cruise controls, zoals toegepast in auto's, zijn strikt genomen automatische piloten.
Geschiedenis van de automatische piloot in de luchtvaart
De eerste vorm van automatische besturing in een vliegtuig is een automatische stabilisator, ontwikkeld door de gebroeders Wright. Het systeem bestond uit een slinger, waarmee
rol- en
gierbewegingen werden gemeten en bestuurd en een windvaan die
stampbeweging bepaalde en compenseerde. Orville Wright heeft op 8 februari 1908 patent aangevraagd voor zijn ontwerp. De eerste succesvolle vlucht vond plaats op 24 oktober 1911. Gebruikmakend van dit systeem maakte hij op die dag de langste zweefvlucht tot dat moment, 9 minuten en 45 seconden, een record dat nog een kleine tien jaren zou blijven bestaan.
De eerste volledige automatische piloot voor een vliegtuig werd ontwikkeld door Sperry Corporation. Het bevatte een gyroscopische
kunstmatige horizon en een magnetisch
kompas, die samen hydraulisch het
richtingsroer (rudder), het
hoogteroer (elevator) en het
rolroer (aileron) bedienden. Hiermee kon het vliegtuig in een rechte lijn een opgegeven kompaskoers vliegen, waarmee meer dan 80 procent van het werk van een
piloot op een routinevlucht automatisch uitgevoerd kon worden.
Deze soort automatische piloten is nog steeds de meest voorkomende soort. Hij is relatief goedkoop en betrouwbaar. Vanwege de eenvoud is de kans dat de piloot er fout mee omgaat ook het kleinst.
Onderscheid in systemen
Tegenwoordig kunnen de automatische piloten in drie categorieën verdeeld worden:
- Stabiliserende systemen
- Besturingsvereenvoudiging en stuurbekrachtiging
- Volledig autonome besturing
Stabiliserende systemen
Vliegtuigen hebben van nature een verzameling eigenbewegingen. Deze natuurlijke bewegingen, zoals de fugoïde, de snelle slingering en de periodieke rollbeweging of dutch roll, zijn een gevolg van het ontwerp. Aan de hand van deze natuurlijke eigenschap van vliegtuigen kunnen we twee soorten onderscheiden: de stabiele en de instabiele ontwerpen. Het verschil tussen de stabiele en de instabiele toestellen is het feit dat deze bewegingen bij stabiele toestellen gedempt worden en bij instabiele toestellen niet gedempt of zelfs versterkt worden.
Traditionele vliegtuigen zijn van nature stabiel. Dat wil zeggen dat deze vliegtuig in rustige lucht altijd terug zullen keren naar de toestand waarin het oorspronkelijk verkeerde. Een voorbeeld: Het vliegtuig vliegt rechtuit en is volledig uitgetrimd; de piloot kan de besturing loslaten zonder dat het toestel van koers, hoogte of snelheid verandert. Als de piloot nu kort optrekt en dan de besturing weer loslaat zal de neus automatisch zakken en zal het toestel op dezelfde hoogte en met dezelfde snelheid weer verder vliegen.
De minder conventionele ontwerpen, waaronder vele
gevechtsvliegtuigen maar ook andere moderne ontwerpen en zelfs de Wright flyer (van de Gebroeders Wright), hebben de bovenstaande neiging veel minder of zelfs het tegenovergestelde; het toestel zou juist verder optrekken en vervolgens overtrekken. Het is bij deze vliegtuigen al (bijna) onmogelijk om rechtuit te blijven vliegen zonder dat een automatische piloot assistentie verleent.
Stabiliserende systemen nemen (een deel van) de nadelige vliegeigenschappen van het vliegtuig weg om de piloot minder te belasten of, in sommige gevallen, zelfs besturen mogelijk te maken. Een bekend stabiliserend systeem is de yaw damper, die de dutch roll onderdrukt omdat deze zeer hinderlijk is voor passagiers.
Besturingsvereenvoudiging en stuurbekrachtiging
De tweede categorie bevat de systemen die de stuuractie van de piloot vertalen naar bewegingen van de stuurvlakken. Dit betekent dus dat de piloot nog steeds zelf de bewegingen van het vliegtuig (rollen, stampen, gieren) aanstuurt maar niet meer rechtstreeks de stuurvlakken bedient. Hiervoor zijn drie redenen te onderscheiden: gebrek aan kracht van de piloot, het gebruik van complexe stuurvlakken en
fly-by-wire-technologie.
Een mens kan niet voldoende kracht ontwikkelen om de aerodynamische krachten op de grote stuurvlakken van bijvoorbeeld een Airbus A380 tegen te gaan. Hiervoor moet dus stuurbekrachtiging ingezet worden om de bedoeling van de piloot te vertalen naar een beweging van de stuurvlakken.
Moderne vliegtuigen hebben vaak meerdere stuurvlakken voor verschillende situaties of verschillende doeleinden. De
Boeing 747 heeft bijvoorbeeld rolroeren aan de wortel van de vleugel (voor hoge snelheden) en aan de tip van de vleugel (voor lage snelheden). In dit geval kiest de automatische piloot de zinnigste combinatie van stuurvlakken. Tevens kan het zijn dat stuurvlakken gecombineerd zijn. In de B-2 Spirit is bijvoorbeeld, vanwege de afwezigheid van een kielvlak, het richtingsroer gecombineerd met de rolroeren. In dit geval is er een computer nodig om te bedenken welk vlak hoe moet bewegen om de, door de piloot bedoelde, beweging in te zetten.
Vliegtuigen die uitgerust zijn met fly-by-wire hebben niet langer een mechanische verbinding tussen piloot en stuurvlak. In dit geval is een computer vereist om de beweging van de piloot te vertalen naar beweging van stuurvlakken.
Volledig autonome systemen
In de laatste categorie worden alle of een deel van de bewegingen van het vliegtuig bepaald door de automatische piloot. Dit betekent dat de piloot niet langer aangeeft hoe het vliegtuig moet bewegen maar waarheen het moet bewegen. In plaats van het vliegtuig laten optrekken geeft de piloot aan dat hij op een bepaalde hoogte wil vliegen.
Bij deze systemen verandert de taak van de piloot van een bestuurder naar een operateur/controleur. Hij of zij hoeft niet langer het vliegtuig te sturen maar moet de automatische piloot de juiste opdrachten geven en controleren of deze opdrachten goed worden uitgevoerd.
Het geven van opdrachten aan de automatische piloot gebeurt bij deze autonome systemen meestal door de automatische piloot te koppelen aan de Flight Management Computer. Deze genereert de opdrachten aan de automatische piloot door middel van Laterale Navigatie (LNAV) en Verticale Navigatie (VNAV). Op deze manier is het bij sommige vliegtuigen mogelijk om een automatische landing te maken en het vliegtuig volledig tot stilstand te brengen met slechts minimale handelingen door de piloot. Om de veiligheid en de betrouwbaarheid te waarborgen is het wel zo dat bij een automatische landing gebruik wordt gemaakt van meerdere automatische piloten.
Architectuur
Een elementaire automatische piloot bestaat uit een of meerdere sensoren, een of meerdere filters, een besturingscomputer en een of meerdere actuatoren. In feite is een automatische piloot een PID-regelaar met meestal meerdere ingangssignalen en een of meerdere uitgangssignalen.
Sensoren
Om te kunnen sturen moet het systeem op de hoogte zijn van de huidige toestand van het voertuig. Pas daarna kan de gewenste toestand vergeleken worden met de huidige toestand en kan het systeem de juiste richting in sturen. Deze sensoren kunnen gegevens bepalen van het toestel ten opzichte van haar omgeving maar ook van het toestel zelf. Denk bij de laatste aan toerental van motoren, de snelheid van een auto en de huidige stand van stuurorganen.
Filters
Sommige signalen zijn zeer discreet, bijvoorbeeld een GPS-positie of het signaal van de sensor die bepaalt of een vliegtuig contact maakt met de grond. Deze signalen hoeven dan ook niet gefilterd te worden alvorens ze gebruikt worden door een stuurautomaat. De meeste signalen bevatten echter veel ruis. Deze signalen moeten gefilterd worden om de zorgen dat de automatische piloot stuurt op het gemiddelde van de gemeten waarden.
Besturingscomputer
De besturingscomputer vergelijkt de waarden van de sensoren met de gewenste waarden, berekent met een regelalgoritme een signaal dat aan de actuatoren doorgegeven wordt. Tevens geeft deze computer vaak door aan de bestuurder waar de automatische piloot naar toe stuurt, of zou moeten sturen. Het laatste is vooral herkenbaar in de flight director, een instrument dat aangeeft waar de piloot naartoe moet sturen om de gewenste toestand, bijvoorbeeld vliegrichting, te bereiken. Dit systeem geeft in feite aan wat de automatische piloot zou doen als deze zou sturen.
De hardware van een gemiddelde automatische piloot in vliegtuigen is vaak een serie van vijf 80386-CPU's, elk op z'n eigen moederbord. Ondanks dat dit vrij ouderwets aandoet, wordt hier vaak gebruik van gemaakt. Belangrijkste redenen hiervoor zijn de bekendheid met het systeem alsmede de relatieve ongevoeligheid voor zaken als radioactieve straling of temperatuursschommelingen. Bovendien is er relatief weinig rekenkracht vereist om de besturingsalgoritmen door te rekenen. Tenslotte hebben deze processors door lang gebruik in pc's weinig onverwachte fouten.
Actuatoren
De actuatoren zetten het signaal van de besturingscomputer om in een beweging van bijvoorbeeld de stuurvlakken of de brandstofregelaar. In veel gevallen geven sensoren op de actuatoren ook aan in welke positie deze staan zodat dit signaal teruggevoerd kan worden in de automatische piloot en aan de piloot zelf. Denk bij dit laatste aan force feedback op een joystick, iets wat in vliegtuigen met fly-by-wire-technologie ook vaak toegepast wordt.
Automatische piloot
Lineaire weergave
