Autopilot-Komponenten
Die meisten Autopilotsysteme bestehen aus vier Grundkomponenten sowie verschiedenen Schaltern und Hilfseinheiten. Die vier Grundkomponenten sind: Sensorelemente, Rechenelement, Ausgabeelemente und Befehlselemente. Viele fortschrittliche Autopilotsysteme enthalten ein fünftes Element: Feedback oder Follow-up. Dies bezieht sich auf Signale, die gesendet werden, wenn Korrekturen von den Ausgangselementen vorgenommen werden, um den Autopiloten über den erzielten Fortschritt zu informieren.
Sensorelemente
Die Lage- und Richtungskreisel, der Wendekoordinator und eine Höhensteuerung sind die Sensorelemente des Autopiloten. Diese Einheiten erfassen die Bewegungen des Flugzeugs. Sie erzeugen elektrische Signale, die vom Autopiloten verwendet werden, um automatisch die erforderlichen Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, damit das Flugzeug wie beabsichtigt fliegt. Die Messkreisel können in den im Cockpit montierten Instrumenten angeordnet sein. Sie können auch entfernt montiert werden. Remote-Gyro-Sensoren steuern die Servoanzeigen im Cockpit-Panel und liefern die Eingangssignale an den Autopilot-Computer.
Moderne digitale Autopiloten können eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren verwenden. MEMS-Kreisel können verwendet oder von Festkörper-Beschleunigungsmessern und Magnetometern begleitet werden. Ratenbasierte Systeme verwenden möglicherweise überhaupt keine Kreisel. Verschiedene Eingangssensoren können sich innerhalb derselben Einheit oder in getrennten Einheiten befinden, die Informationen über einen digitalen Datenbus übertragen. Über eine digitale Datenbusanbindung an Avionikrechner werden auch Navigationsinformationen integriert.
Computer und Verstärker
Das Rechenelement eines Autopiloten kann analog oder digital sein. Seine Funktion besteht darin, die Sensorelementdaten zu interpretieren, Befehle und Navigationseingaben zu integrieren und Signale an die Ausgangselemente zu senden, um die Flugsteuerungen nach Bedarf zu bewegen, um das Flugzeug zu steuern. Ein Verstärker wird verwendet, um das Signal bei Bedarf für die Verarbeitung und für die Verwendung durch die Ausgabegeräte, wie z. B. Servomotoren, zu verstärken. Der Verstärker und die zugehörige Schaltung sind der Computer eines analogen Autopilotsystems. Informationen werden in Kanälen verarbeitet, die der Steuerachse entsprechen, für die die Signale bestimmt sind (dh Nickkanal, Rollkanal oder Gierkanal). Digitale Systeme verwenden Halbleiter-Mikroprozessor-Computertechnologie und verstärken typischerweise nur Signale, die an die Ausgangselemente gesendet werden.
Ausgangselemente
Die Ausgangselemente eines Autopilotsystems sind die Servos, die eine Betätigung der Flugsteuerflächen bewirken. Sie sind unabhängige Geräte für jeden der Steuerkanäle, die in das reguläre Flugsteuerungssystem integriert sind. Autopilot-Servodesigns variieren stark in Abhängigkeit von der Betätigungsmethode der Flugsteuerungen. Kabelbetätigte Systeme verwenden typischerweise elektrische Servomotoren oder elektropneumatische Servos. Hydraulisch betätigte Flugsteuerungssysteme verwenden elektrohydraulische Autopilot-Servos. Digitale Fly-by-Wire-Flugzeuge verwenden die gleichen Stellglieder zur Durchführung manueller und Autopilot-Manöver. Wenn der Autopilot eingeschaltet ist, reagieren die Stellglieder eher auf Befehle vom Autopiloten als ausschließlich von dem Piloten. Unabhängig davon müssen Autopilot-Servos eine ungehinderte Bewegung der Steuerfläche ermöglichen, wenn der Autopilot nicht in Betrieb ist.
Flugzeuge mit kabelbetätigten Steuerflächen verwenden zwei Grundtypen von elektromotorbetriebenen Servos. In einem ist ein Motor über Untersetzungsgetriebe mit der Servoausgangswelle verbunden. Der Motor startet, stoppt und ändert die Richtung als Reaktion auf die Befehle des Autopilot-Computers. Die andere Art von Elektroservo verwendet einen ständig laufenden Motor, der über zwei Magnetkupplungen mit der Ausgangswelle verbunden ist. Die Kupplungen sind so angeordnet, dass das Erregen einer Kupplung ein Motordrehmoment überträgt, um die Ausgangswelle in eine Richtung zu drehen; Durch Einschalten der anderen Kupplung wird die Welle in die entgegengesetzte Richtung gedreht. Elektropneumatische Servos können auch verwendet werden, um Kabelflugsteuerungen in einigen Autopilotsystemen anzutreiben. Sie werden durch elektrische Signale vom Autopilot-Verstärker gesteuert und durch eine geeignete Luftdruckquelle betätigt. Die Quelle kann eine Vakuumsystempumpe oder Zapfluft eines Turbinentriebwerks sein. Jeder Servo besteht aus einer elektromagnetischen Ventilbaugruppe und einer Ausgangsgestängebaugruppe.
Flugzeuge mit hydraulisch betätigten Flugsteuerungssystemen haben Autopilot-Servos, die elektrohydraulisch sind. Sie sind Steuerventile, die den Flüssigkeitsdruck nach Bedarf leiten, um die Steuerflächen über die Steuerflächenaktuatoren zu bewegen. Sie werden durch Signale vom Autopilot-Computer angetrieben. Wenn der Autopilot nicht aktiviert ist, lassen die Servos das Hydrauliköl ungehindert in das Flugsteuerungssystem für den normalen Betrieb fließen. Die Servoventile können Rückkopplungswandler enthalten, um den Fortschritt des Autopiloten während der Fehlerkorrektur zu aktualisieren.
Befehlselemente
Die Kommandoeinheit, Flight Controller genannt, ist die menschliche Schnittstelle des Autopiloten. Damit kann der Pilot dem Autopiloten sagen, was er tun soll. Fluglotsen variieren mit der Komplexität des Autopilotsystems. Durch Drücken der gewünschten Funktionstasten veranlaßt der Pilot die Steuerung, Befehlssignale an den Autopilot-Computer zu senden, wodurch dieser in die Lage versetzt wird, die richtigen Servos zu aktivieren, um den/die Befehl(e) auszuführen. Horizontalflug, Steigen, Sinken, Wenden zu einem Kurs oder Fliegen eines gewünschten Kurses sind einige der Auswahlmöglichkeiten, die bei den meisten Autopiloten verfügbar sind. Viele Flugzeuge verwenden eine Vielzahl von Funknavigationshilfen. Diese können ausgewählt werden, um Befehle direkt an den Autopilot-Computer zu erteilen.
Zusätzlich zu einem Ein-/Ausschalter an der Autopilot-Steuerung haben die meisten Autopiloten einen Trennschalter, der sich auf dem/den Steuerrad(en) befindet. Dieser durch Daumendruck betätigte Schalter kann verwendet werden, um das Autopilotsystem zu deaktivieren, falls eine Fehlfunktion im System auftritt oder wenn der Pilot die manuelle Steuerung des Flugzeugs übernehmen möchte.
Feedback- oder Follow-up-Element
Wenn ein Autopilot die Flugsteuerungen manövriert, um eine gewünschte Fluglage zu erreichen, muss er die Steuerflächenkorrektur reduzieren, wenn die gewünschte Lage fast erreicht ist, damit die Steuerungen und das Flugzeug auf dem Kurs zur Ruhe kommen. Andernfalls würde das System ständig überkorrigieren. Die Oberflächenablenkung würde auftreten, bis die gewünschte Lage erreicht ist. Aber es würde immer noch eine Bewegung auftreten, wenn die Oberfläche(n) in die Position vor dem Fehler zurückkehrten. Der Lagesensor würde wieder einen Fehler erkennen und den Korrekturvorgang von vorne beginnen. Verschiedene elektrische Rückmeldungen oder Folgesignale werden erzeugt, um die Fehlermeldung im Autopiloten schrittweise zu reduzieren, so dass keine kontinuierliche Überkorrektur stattfindet. Dies erfolgt normalerweise mit Wandlern an den Oberflächenaktuatoren oder in den Autopilot-Servoeinheiten.
Ein Geschwindigkeitssystem empfängt Fehlersignale von einem Geschwindigkeitskreisel, die eine bestimmte Polarität und Größe haben, die bewirken, dass die Steuerflächen bewegt werden. Wenn die Steuerflächen dem Fehler entgegenwirken und sich bewegen, um ihn zu korrigieren, wirken Folgesignale mit entgegengesetzter Polarität und zunehmender Größe dem Fehlersignal entgegen, bis die korrekte Fluglage des Flugzeugs wiederhergestellt ist. Ein Verschiebungsfolgesystem verwendet Steuerflächenaufnehmer, um die Fehlermeldung zu löschen, wenn die Fläche in die richtige Position bewegt wurde.
Autopilot-Funktionen
Die folgende Autopilot-Systembeschreibung wird präsentiert, um die Funktion eines einfachen analogen Autopiloten zu zeigen. Die meisten Autopiloten sind viel ausgefeilter; Viele der Betriebsgrundlagen sind jedoch ähnlich.
Das automatische Pilotsystem steuert das Flugzeug, indem es elektrische Signale verwendet, die in Kreiselerfassungseinheiten entwickelt wurden. Diese Einheiten sind mit Fluginstrumenten verbunden, die Richtung, Wendegeschwindigkeit, Querneigung oder Neigung anzeigen. Wenn die Fluglage oder der magnetische Kurs geändert werden, werden in den Kreiseln elektrische Signale entwickelt. Diese Signale werden an den Autopilot-Computer/Verstärker gesendet und zur Steuerung des Betriebs von Servoeinheiten verwendet.
Ein Servo für jeden der drei Steuerkanäle wandelt elektrische Signale in mechanische Kraft um, die die Steuerfläche als Reaktion auf Korrektursignale oder Pilotenbefehle bewegt. Der Ruderkanal empfängt zwei Signale, die bestimmen, wann und wie stark sich das Ruder bewegt. Das erste Signal ist ein von einem Kompasssystem abgeleitetes Kurssignal. Solange das Flugzeug auf dem magnetischen Kurs bleibt, auf dem es war, als der Autopilot aktiviert wurde, entwickelt sich kein Signal. Jede Abweichung bewirkt jedoch, dass das Kompasssystem ein Signal an den Ruderkanal sendet, das proportional zur Winkelabweichung des Flugzeugs vom voreingestellten Kurs ist.
Das zweite vom Ruderkanal empfangene Signal ist das Ratensignal, das Informationen liefert, wann immer das Flugzeug um die vertikale Achse dreht. Diese Information liefert der Wendekreisel. Wenn das Flugzeug versucht, vom Kurs abzuweichen, entwickelt der Wendekreisel ein Signal proportional zur Wendegeschwindigkeit, und der Kurskreisel entwickelt ein Signal proportional zum Verdrängungsbetrag. Die beiden Signale werden an den Ruderkanal des Verstärkers gesendet, wo sie kombiniert und ihre Stärke erhöht wird. Das verstärkte Signal wird dann an das Seitenruderservo gesendet. Der Servo dreht das Seitenruder in die richtige Richtung, um das Flugzeug auf den ausgewählten magnetischen Steuerkurs zurückzubringen.
Wenn sich die Ruderoberfläche bewegt, wird ein Folgesignal entwickelt, das dem Eingangssignal entgegengesetzt ist. Wenn die beiden Signale gleich groß sind, hört der Servo auf sich zu bewegen. Wenn das Flugzeug auf Kurs ankommt, erreicht das Kurssignal einen Nullwert, und das Ruder wird durch das Folgesignal in die Stromlinienposition zurückgebracht.
Der Querruderkanal erhält sein Eingangssignal von einem Sender, der sich in der Horizontanzeige des Kreisels befindet. Jede Bewegung des Flugzeugs um seine Längsachse bewirkt, dass die Kreiselerfassungseinheit ein Signal entwickelt, um die Bewegung zu korrigieren. Dieses Signal wird verstärkt, phasendetektiert und an den Querruder-Servo gesendet, der die Querruder-Steuerflächen bewegt, um den Fehler zu korrigieren. Bei Bewegung der Querruderflächen baut sich ein Folgesignal gegen das Eingangssignal auf. Wenn die beiden Signale gleich groß sind, hört der Servo auf sich zu bewegen. Da die Querruder von der Stromlinie verschoben sind, beginnt das Flugzeug nun, sich zurück in Richtung Horizontalflug zu bewegen, wobei das Eingangssignal kleiner wird und das Folgesignal die Steuerflächen zurück in Richtung der Stromlinienposition treibt. Wenn das Flugzeug in die Rolllage für den Horizontalflug zurückgekehrt ist, das Eingangssignal ist wieder Null. Gleichzeitig werden die Steuerflächen gestrafft und das Nachlaufsignal ist Null.
Die Höhenruderkanalschaltungen sind denen des Querruderkanals ähnlich, mit der Ausnahme, dass der Höhenruderkanal Änderungen in der Nicklage des Flugzeugs erfasst und korrigiert. Zur Höhensteuerung wird eine entfernt montierte Einheit verwendet, die eine Höhendruckmembran enthält. Ähnlich wie bei den Lage- und Richtungskreiseln erzeugt die Höheneinheit Fehlersignale, wenn sich das Flugzeug von einer vorgewählten Höhe entfernt hat. Dies ist als Höhenhaltefunktion bekannt. Die Signale steuern die Pitch-Servos, die sich bewegen, um den Fehler zu korrigieren. Eine Höhenauswahlfunktion bewirkt, dass die Signale kontinuierlich an die Nickservos gesendet werden, bis eine vorgewählte Höhe erreicht ist. Das Flugzeug hält dann die vorgewählte Höhe unter Verwendung von Höhenhaltesignalen.
Gierdämpfung
Viele Flugzeuge neigen dazu, um ihre vertikale Achse zu oszillieren, während sie einen festen Kurs fliegen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist eine nahezu kontinuierliche Rudereingabe erforderlich. Ein Gierdämpfer wird verwendet, um diese Bewegung zu korrigieren. Es kann Teil eines Autopilotsystems oder eine völlig unabhängige Einheit sein. Ein Gierdämpfer empfängt Fehlersignale von dem Wendekreisel des Wendekoordinators. Der oszillierenden Gierbewegung wird durch eine Ruderbewegung entgegengewirkt, die automatisch von dem/den Ruderservo(s) als Reaktion auf die Polarität und Größe des Fehlersignals ausgeführt wird.
