오토파일럿

Autopilot
이 기사는 항공기 시스템에 관한 것이다.기타 용도는 자동 조종(동음이의)을 참조하십시오.
보잉 747-200 항공기의 자동 조종 제어판

오토파일럿은 항공기, 선박 또는 우주선의 경로를 인간의 조작자에 의한 지속적인 수동 제어 없이 제어하기 위해 사용되는 시스템이다.오토필롯은 인간 오퍼레이터를 대체하지 않습니다.대신, 자동 조종 기능은 운전자가 차량을 제어할 수 있도록 지원하므로 운전자가 보다 광범위한 작동 측면(예: 궤도, 날씨 및 차량 내 [1]시스템 모니터링)에 집중할 수 있습니다.

오토파일럿이 있는 경우 엔진에서 전달되는 동력을 제어하는 시스템인 오토트로틀과 함께 사용되는 경우가 많습니다.

오토파일럿 시스템은 때때로 "조지"[2]라고 불리기도 합니다(예: "조지를 잠시 동안 비행하게 놔두겠습니다.").이 별명의 어원은 불분명하다: 어떤 사람들은 이것이 1930년대에 오토파일럿 특허를 취득한 발명가 조지 드 비슨을 지칭하는 것이라고 주장하는 반면, 다른 사람들은 영국 공군 조종사들이 그들의 항공기가 기술적으로 조지 [3]6세의 것이라는 것을 상징하기 위해 2차 세계대전 중에 이 용어를 만들었다고 주장한다.

첫 번째 자동 실행

다음 항목도 참조하십시오.자이로스코프 오토파일럿
제2차 세계대전 당시의 Honeywell C-1 자동 조종 제어판

항공기의 초기 안전 비행에는 조종사의 지속적인 주의가 필요했다.비행거리가 늘어남에 따라 몇 시간 동안 비행할 수 있게 되자, 끊임없는 주의는 심각한 피로로 이어졌다.오토파일럿은 조종사의 작업 중 일부를 수행하도록 설계되어 있습니다.

최초의 항공기 자동 조종은 1912년 Sperry Corporation에 의해 개발되었다.자동조종기는 유압식으로 작동하는 엘리베이터와 방향타에 자이로스코프 방향지시기와 자세지시기를 연결하였다. (필요한 롤링 안정성을 얻기 위해 날개 이면체가 계산되었기 때문에 방향지시기는 연결되지 않았다.)그것은 조종사의 주의 없이 항공기가 나침반 코스에서 수평 비행을 할 수 있게 하여 조종사의 업무량을 크게 줄였다.

로렌스 스페리(유명한 발명가 엘머 스페리의 아들)는 1914년 파리에서 열린 항공 안전 대회에서 이것을 시연했다.Sperry는 조종장치에서 손을 떼고 구경꾼들에게 보여줌으로써 그 발명의 신뢰성을 증명했다.로렌스 스퍼리의 아들인 엘머 스퍼리 주니어와 시라스 대위는 전쟁 후에도 같은 자동 조종을 계속했고, 1930년에 그들은 미 육군 항공대의 항공기를 3시간 [4]동안 실제 방향과 고도에 유지시키는 보다 작고 신뢰할 수 있는 자동 조종을 시험했다.

1930년, 영국의 왕립항공기협회는 조종사의 보조 장치라고 불리는 자동 조종 장치를 개발했는데, 이 자동 조종 장치는 비행 제어 [5]장치를 움직이기 위해 공압적으로 회전하는 자이로스코프를 사용했다.

오토파일럿은 개선된 제어 알고리즘과 유압 서보메카니즘을 포함하기 위해 추가로 개발되었습니다.무선 항법 장치와 같은 기구를 추가하면 야간과 악천후에도 비행을 할 수 있게 되었다.1947년 미 공군 C-53은 자동 [6][7]조종에 의해 완전히 통제된 채 이착륙을 포함한 대서양 횡단 비행을 했다.빌 리어는 F-5 자동 조종과 자동 접근 제어 시스템을 개발하여 1949년 [8]콜리어 트로피를 수상했습니다.

1920년대 초, 스탠다드 오일 유조선 J.A. 모펫은 오토파일럿을 사용한 최초의 배가 되었다.

피아세키 HUP-2 리트리버는 오토파일럿을 [9]탑재한 최초의 생산용 헬리콥터였다.

아폴로 계획의 달 착륙선 디지털 오토파일럿은 [10]우주선의 완전한 디지털 오토파일럿 시스템의 초기 사례였다.

최신 자동 슬롯

에어버스 A340의 최신 비행 제어 장치

오늘 날고 있는 모든 여객기가 자동 조종 시스템을 갖추고 있는 것은 아니다.특히 더 낡고 작은 일반 항공기는 여전히 손으로 조종하고 있으며, 심지어 20석 미만의 소형 여객기도 두 명의 조종사와 함께 단기간 비행에 사용되기 때문에 오토파일럿이 없을 수 있다.20인승 이상의 항공기에 자동 조종 장치의 설치는 일반적으로 국제 항공 규정에 의해 의무화된다.소형 항공기에 대한 자동 조종 장치에는 세 가지 수준의 제어 장치가 있습니다.단일 축 자동 조종은 롤 축에서만 항공기를 제어하며, 이러한 자동 조종 장치는 속칭 "날개 레벨링 장치"라고도 하며, 이는 단일 기능을 반영합니다.2축 자동 조종은 회전뿐만 아니라 피치 축의 항공기를 제어하며, 제한된 피치 진동 보정 능력을 가진 날개 레벨러보다 조금 더 클 수 있다. 또는 항공기가 착륙 직전까지 이륙한 후 진정한 자동 비행 안내를 제공하기 위해 기내 라디오 내비게이션 시스템으로부터 입력을 수신할 수 있다.능력은 이 두 극단 사이 어딘가에 있을 수 있습니다.3축 자동 조종 기능은 요 축에 제어 기능을 추가하며 많은 소형 항공기에서는 필요하지 않습니다.

현대 복합 항공기의 자동 조종 장치는 3축이며 일반적으로 비행을 택시, 이륙, 상승, 크루즈(수평 비행), 하강, 접근 및 착륙 단계로 나눈다.택시와 이륙을 제외한 모든 비행 단계를 자동화하는 자동 조종 장치가 존재합니다.활주로에 착륙하고 롤아웃 시 항공기를 제어하는 자동 조종식 접근 방식(즉, 활주로 중앙에 유지)은 자동 조종 방식으로 알려져 있으며, 자동 조종은 가시성이 0일 때 사용되는 계기 착륙 시스템(ILS) Cat IIIc 접근 방식을 사용한다.이러한 접근법은 오늘날 많은 주요 공항 활주로, 특히 안개와 같은 기상 역행 현상의 영향을 받는 공항에서 이용할 수 있다.항공기는 일반적으로 스스로 정지할 수 있지만, 활주로를 벗어나 게이트로 이동하기 위해서는 자동 조종을 해제해야 합니다.자동 조종은 종종 비행 관리 시스템에 필수적인 구성요소이다.

현대의 자동 조종 장치는 비행기를 조종하기 위해 컴퓨터 소프트웨어를 사용한다.이 소프트웨어는 항공기의 현재 위치를 판독한 다음 항공기를 안내하기 위해 비행 제어 시스템을 제어합니다.그러한 시스템에서, 기존의 비행 제어 외에도, 많은 자동 조종 장치들은 스로틀을 제어하여 비행 속도를 최적화할 수 있는 추력 제어 기능을 통합한다.

현대 대형 항공기의 자동 조종은 일반적으로 관성 유도 시스템에서 항공기의 위치와 자세를 읽는다.관성 유도 시스템은 시간이 지남에 따라 오류를 누적합니다.이러한 시스템은 분당 한 번씩 회전하는 회전 회전식 회전 장치 등의 오류 감소 시스템을 통합하여 오류가 다른 방향으로 분산되고 전반적인 무효 효과를 발휘하도록 합니다.자이로스코프의 오차를 드리프트라고 합니다.이는 시스템 내의 물리적 특성(기계적 또는 레이저 유도)이 손상되어 위치 데이터가 손상되었기 때문입니다.이 둘 사이의 불일치는 디지털 신호 처리(대부분 6차원 칼만 필터)로 해결됩니다.6가지 치수는 일반적으로 롤링, 피치, 요, 고도, 위도 및 경도입니다.항공기는 필요한 성능 요소를 가진 경로를 비행할 수 있으므로, 이러한 특정 경로를 비행하기 위해서는 오류의 양 또는 실제 성능 요소를 모니터링해야 한다.비행 시간이 길어질수록 시스템 내에 더 많은 오류가 누적됩니다.DME, DME 업데이트 및 GPS와 같은 무선 보조 장치를 사용하여 항공기 위치를 수정할 수 있습니다.

제어 휠 스티어링

자동 조종 응용 프로그램용 서보 모터

완전 자동 비행과 수동 비행 사이의 중간 옵션은 컨트롤 휠 스티어링(CWS)입니다.CWS는 현대 여객기에서 독립형 옵션으로 덜 사용되고 있지만, 오늘날에도 여전히 많은 항공기에서 기능하고 있다.일반적으로 CWS를 탑재한 오토파일럿에는 오프, CWS, CMD의 3가지 위치가 있습니다.CMD(명령) 모드에서 자동 조종은 항공기를 완전히 제어할 수 있으며, 방향/고도 설정, 무선 및 내비게이션 또는 비행 관리 시스템(FMS)으로부터 입력을 수신합니다.CWS 모드에서 조종사는 요크 또는 스틱의 입력을 통해 자동 조종을 제어합니다.이러한 입력은 특정 방향과 태도로 변환되며, 자동 조종은 달리 지시될 때까지 이 방향과 자세를 유지합니다.이렇게 하면 피치 앤 롤의 안정성이 확보합니다.MD-11처럼 수동 모드에서도 일정한 CWS를 사용하는 항공기도 있습니다.여러 가지 면에서, 노멀 로(Normal Law)의 최신 에어버스 플라이 바이 와이어 항공기는 항상 CWS 모드에 있습니다.주요 차이점은 이 시스템에서 항공기의 한계는 비행 컴퓨터에 의해 보호되며 조종사는 이러한 한계를 [11]넘어 항공기를 조종할 수 없다는 것이다.

컴퓨터 시스템 상세

오토파일럿의 하드웨어는 구현에 따라 다르지만 일반적으로 중복성과 신뢰성을 최우선으로 하여 설계되었습니다.예를 들어 Boeing 777에 사용되는 Rockwell Collins AFDS-770 자동 조종 비행 디렉터 시스템은 공식적으로 검증되고 [12]내방사선성 프로세스로 제조된 세 개의 복잡한 FCP-2002 마이크로프로세서를 사용합니다.

오토파일럿의 소프트웨어와 하드웨어는 엄격하게 관리되며, 광범위한 테스트 절차가 시행됩니다.

일부 자동 파일롯은 설계 다양성을 사용합니다.이 안전 기능에서는 중요한 소프트웨어 프로세스가 개별 컴퓨터 상에서 실행될 뿐만 아니라 다른 아키텍처를 사용할 수도 있습니다.또한 각 컴퓨터에서는 다른 엔지니어링 팀에 의해 작성된 소프트웨어가 실행되며, 종종 다른 프로그래밍 언어로 프로그래밍됩니다.일반적으로 다른 엔지니어링 팀이 동일한 실수를 할 가능성은 낮은 것으로 간주됩니다.소프트웨어의 가격이 비싸지고 복잡해짐에 따라 설계 다양성이 낮아지고 있습니다.이는 소프트웨어를 구입할 수 있는 엔지니어링 기업이 적기 때문입니다.우주왕복선의 비행통제 컴퓨터에는 이 설계가 사용되었습니다.그 중 4대의 컴퓨터가 중복적으로 동일한 소프트웨어를 실행하고 5대의 백업 소프트웨어가 독립적으로 개발되었습니다.다섯 번째 시스템의 소프트웨어는 셔틀을 비행하는 데 필요한 기본적인 기능만 제공했으며, 4개의 기본 시스템에서 실행되는 소프트웨어와의 공통성을 더욱 줄였습니다.

안정성 향상 시스템

안정성 증강 시스템(SAS)은 자동 비행 제어 시스템의 또 다른 유형이다. 그러나 SAS는 항공기에 필요한 고도 또는 비행 경로를 유지하는 대신 항공기 제어 표면을 움직여 허용할 수 없는 움직임을 완화시킨다.SAS는 하나 이상의 축에서 항공기를 자동으로 안정화시킵니다.SAS의 가장 일반적인 유형은 요 댐퍼로, 스윕 윙 항공기의 네덜란드 롤링 경향을 줄이는 데 사용됩니다.일부 요 댐퍼는 자동 조종 시스템의 일부이고 다른 댐퍼는 독립형 [13]시스템입니다.

요 댐퍼는 센서를 사용하여 항공기의 회전 속도(자이로스코프 또는 가속도계 [14]쌍), 컴퓨터/앰프 및 액추에이터를 감지합니다.이 센서는 항공기가 더치 롤의 요잉 부분을 언제 시작하는지 감지합니다.컴퓨터는 센서로부터의 신호를 처리하여 움직임을 감쇠시키기 위해 필요한 방향타 변위를 결정한다.컴퓨터는 키를 줄이기 위해 움직임에 반대해야 하기 때문에 작동기에 키를 반대 방향으로 움직이도록 지시합니다.더치 롤이 감쇠되고 항공기가 요 축을 중심으로 안정됩니다.더치롤은 모든 스위프윙 항공기에 내재된 불안정성이기 때문에 대부분의 스위프윙 항공기는 일종의 요 댐퍼를 필요로 한다.

요 댐퍼에는 직렬 요 댐퍼와 병렬 요 [15]댐퍼의 두 가지 유형이 있습니다.평행 요 댐퍼의 액추에이터는 조종사의 방향타 페달로부터 독립적으로 방향타를 이동시키고 직렬 요 댐퍼의 액추에이터는 방향타 컨트롤 쿼드런트에 고정되어 방향타가 움직일 때 페달이 움직입니다.

일부 항공기는 단일 축 이상에서 항공기를 안정시키는 안정성 증강 시스템을 갖추고 있다.예를 들어 보잉 B-52는 안정적인 폭격 플랫폼을 제공하기 위해 피치와 요 SAS를[16] 모두 필요로 한다.많은 헬리콥터는 피치, 롤 및 요 SAS 시스템을 갖추고 있습니다.피치 앤 롤 SAS 시스템은 위에서 설명한 요 댐퍼와 거의 동일한 방식으로 작동하지만, 더치 롤을 감쇠시키는 대신 항공기의 전반적인 안정성을 개선하기 위해 피치 앤 롤 진동을 감쇠시킵니다.

ILS 착륙용 오토파일럿

계기 지원 착륙은 국제 민간 항공 기구(ICAO)에 의해 범주로 정의된다.이는 필요한 가시성 수준과 조종사의 입력 없이 자동으로 착륙을 수행할 수 있는 정도에 따라 달라집니다.

CAT I – 이 범주에서는 조종사가 200피트(61m)의 결정 높이와 550미터(1,800ft)의 전방 가시거리 또는 활주로 가시거리(RVR)로 착륙할 수 있습니다.자동 슬롯은 필요 없습니다.[17]

CAT II – 이 범주에서는 조종사가 200피트(61m)에서 100피트(30m) 사이의 결정 높이와 300미터(980ft)의 RVR로 착륙할 수 있습니다.자동 슬롯에는 fail passive 요건이 있습니다.

CAT IIIa - 이 범주에서는 조종사가 50피트(15m)의 낮은 결정 높이와 200미터(660ft)의 RVR로 착륙할 수 있습니다.고장 수동 자동 조종이 필요합니다.정해진 구역 밖에 착륙할 확률은 10개뿐이어야−6 한다.

CAT IIIb – IIIa이지만 착륙 후 자동 롤아웃 기능이 추가되어 조종사가 활주로를 따라 일정 거리를 제어합니다.이 범주는 조종사가 유럽(76m)에서 결정 높이 50피트 미만 또는 결정 높이 없음 및 250피트(76m) 전방 가시성으로 착륙할 수 있도록 허용한다. 항공기 크기는 현재 70미터(230ft) 이상 또는 미국의 300피트(91m) 이상이다.결단 없이 착륙할 수 있는 보조 장치를 위해서는 고장 작동식 자동 조종 장치가 필요합니다.이 범주에는 최소한 페일패시브(fail-passive)이지만 의사결정 높이가 없는 착륙 또는 100m(330ft) 미만의 RVR에 대해서는 페일 오퍼레이션이 필요하다.

CAT IIIc – IIIb로서 결정 높이 또는 가시성 최소값이 없는 것으로, 「제로」라고도 불립니다.조종사들이 제로시야에서 활주해야 하기 때문에 아직 시행되지 않았다.자동 브레이크가 장착된 CAT IIIb에 착륙할 수 있는 항공기는 활주로에서 완전히 정지할 수 있지만 활주할 수는 없다.

페일 패시브 자동 조종 기능: 고장 시 항공기는 제어 가능한 위치에 유지되며 조종사가 조종을 통해 선회하거나 착륙을 완료할 수 있습니다.보통 듀얼채널 시스템입니다.

장애 작동 자동 조종 기능: 경보 높이 미만에서 고장이 발생한 경우에도 접근, 조명 및 착륙을 자동으로 완료할 수 있습니다.보통 트리플 채널 시스템 또는 듀얼 시스템입니다.

무선 제어 모델

무선 조종 모델링, 특히 RC 항공기 및 헬리콥터에서 자동 조종은 일반적으로 모델의 [18]비행을 사전 프로그래밍하는 추가 하드웨어 및 소프트웨어 세트이다.

「 」를 참조해 주세요.

Wikimedia Commons에는 자동 파일롯과 관련된 미디어가 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ "Automated Flight Controls" (PDF). faa.gov. Federal Aviation Administration. Retrieved 20 February 2014.
  2. ^ "George the Autopilot". Historic Wings. Thomas Van Hare. Retrieved 18 March 2014.
  3. ^ Baker, Mark (1 April 2020). "PRESIDENT'S POSITION: GIVING GEORGE A BREAK". aopa.org. Aircraft Owners and Pilots Association. Retrieved 16 May 2020.
  4. ^ "Now – The Automatic Pilot" Popular Science Monthly, 1930년 2월 22일자.
  5. ^ "로봇 에어 파일럿이 비행기를 진정한 항로로 유지" 1930년 12월, 950페이지.
  6. ^ Stevens, Brian; Lewis, Frank (1992). Aircraft Control and Simulation. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-61397-8.
  7. ^ Flight global/Archive [1] [2] [3] [4]
  8. ^ 콜리어 트로피상
  9. ^ "HUP-1 Retriever/H-25 Army Mule Helicopter". boeing.com. Boeing. Retrieved 1 November 2018.
  10. ^ William S. Widnall, vol 8, no. 1, 1970 (October 1970). "Lunar Module Digital Autopilot, Journal of Spacecraft". Journal of Spacecraft and Rockets. 8 (1): 56–62. doi:10.2514/3.30217. Retrieved 7 September 2019.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  11. ^ "How Steering Wheel Controls Work". 22 April 2009.
  12. ^ "Rockwell Collins AFDS-770 Autopilot Flight Director System". Rockwell Collins. 3 February 2010. Archived from the original on 22 August 2010. Retrieved 14 July 2010.
  13. ^ 자동 비행 제어 제4판, 팔레트 앤 코일, ISBN 978 1 4051 3541 2, 페이지 79
  14. ^ 항전 기초, 항공 기술자 교육 시리즈, ISBN 0 89100 293 6, 페이지 287
  15. ^ 자동 비행 제어 제4판, 팔레트 앤 코일, ISBN 978 1 4051 3541 2, 페이지 204
  16. ^ Johnston, D. E. (1 February 1975). "Flight control systems properties and problems. Volume 2: Block diagram compendium". NASA.
  17. ^ "Aeronautical Information manual". faa.gov. FAA. Retrieved 16 June 2014.
  18. ^ Alan Parekh (14 April 2008). "Autopilot RC Plane". Hacked Gadgets. Archived from the original on 27 July 2010. Retrieved 14 July 2010.

외부 링크

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