自動操縦

ボーイング747-200型機の自動操縦装置制御パネル

オートパイロットとは、人間の操縦者による常時の手動操作を必要とせずに車両の進路を制御するシステムです。オートパイロットは人間の操縦者に取って代わるものではありません。オートパイロットは操縦者による車両の操縦を補助し、操縦者がより広範な操作（例えば、軌道、天候、車載システムの監視）に集中できるようにします。[ 1 ]

自動操縦装置が搭載されている場合、多くの場合、エンジンの出力を制御するシステム であるオートスロットルと組み合わせて使用​​されます。

自動操縦システムは口語的に「ジョージ」と呼ばれることがある[ 2 ]（例：「しばらくジョージに飛ばしてもらおう」「今はジョージが飛行機を操縦している」）。このニックネームの語源ははっきりしていない。1930年代に自動操縦装置の特許を取得したアメリカの発明家ジョージ・ド・ビーソン（1897年 - 1965年）に由来すると主張する者もいれば、第二次世界大戦中にイギリス空軍のパイロットが、彼らの航空機が技術的にはジョージ6世のものであることを象徴するためにこの用語を造ったと主張する者もいる[ 3 ]。

最初の自動操縦装置

第二次世界大戦時代のハネウェルC-1自動操縦装置制御パネル

航空黎明期には、安全に飛行するにはパイロットの継続的な注意が必要でした。航空機の航続距離が延び、長時間の飛行が可能になると、継続的な注意は深刻な疲労につながりました。自動操縦装置は、パイロットのタスクの一部を代替するように設計されています。

最初の航空機の自動操縦装置は1912年にスペリー社によって開発されました。 [ 4 ]自動操縦装置はジャイロスコープ式の針路指示器と姿勢指示器を油圧作動式の昇降舵と方向舵に接続していました。（必要なロール安定性を生み出すために翼の上反角に頼っていたため、エルロンは接続されていませんでした。）これにより、パイロットの注意を必要とせずに航空機がコンパスコースに沿ってまっすぐ水平に飛行できるようになり、パイロットの作業負荷が大幅に軽減されました。

著名な発明家エルマー・スペリーの息子、ローレンス・スペリーは、1914年にパリで開催された航空安全コンテストでこの自動操縦装置を実演しました。スペリーは、操縦装置から手を離し、傍観者に見える状態で飛行機を操縦することで、この発明の信頼性を実証しました。ローレンス・スペリーの息子であるエルマー・スペリー・ジュニアとシラス大尉は戦後も同じ自動操縦装置の開発を続け、1930年にはより小型で信頼性の高い自動操縦装置をテストし、アメリカ陸軍航空隊の航空機を3時間にわたって正確な方位と高度に維持することに成功しました。[ 5 ]

1930年、イギリスの王立航空機研究所は、パイロットアシスターと呼ばれる自動操縦装置を開発しました。これは、空気圧で回転するジャイロスコープを使用して飛行制御装置を動かしました。[ 6 ]

自動操縦装置はさらに発展し、例えば、改良された制御アルゴリズムや油圧サーボ機構などが採用されました。無線航法支援装置などの計器類を追加することで、夜間や悪天候での飛行が可能になりました。1947年、アメリカ空軍のC-53は、離着陸を含む大西洋横断飛行を、完全に自動操縦装置による制御で達成しました。[ 7 ] [ 8 ]ビル・リアはF-5自動操縦装置と自動進入制御システムを開発し、1949年にコリアー・トロフィーを受賞しました。 [ 9 ]

1920 年代初頭、スタンダード オイルのタンカーJA モフェットが自動操縦装置を採用した最初の船舶となりました。

ピアセッキHUP-2レトリーバーは自動操縦装置を搭載した最初の量産ヘリコプターであった。[ 10 ]

アポロ計画の月着陸船デジタル自動操縦装置は、宇宙船における完全デジタル自動操縦システムの初期の例である。[ 11 ]

現代の自動操縦装置

エアバスA340の最新の飛行制御ユニット

現在飛行している旅客機の全てに自動操縦装置が搭載されているわけではありません。特に、旧式で小型の一般航空機は依然として手動操縦であり、座席数が20席未満の小型旅客機であっても、パイロット2名による短距離飛行で使用されるため、自動操縦装置が搭載されていない場合があります。20席以上の航空機への自動操縦装置の搭載は、国際航空規則により一般的に義務付けられています。

小型航空機の自動操縦装置には 3 つの制御レベルがあります。

  • 単軸自動操縦装置は、ロール軸のみで航空機を制御します。このような自動操縦装置は、単一の機能を持つことから、俗に「ウィング レベラー」とも呼ばれます。
  • 2 軸自動操縦装置は、ロールだけでなくピッチ軸でも航空機を制御し、限られたピッチ振動補正機能を備えた主翼水平調整装置とほとんど同じ機能を果たす場合があります。また、航空機が離陸してから着陸直前まで、機内無線ナビゲーション システムからの入力を受信して​​、真の自動飛行誘導を提供する場合もあります。あるいは、その機能はこれら 2 つの極端な機能の中間にある場合もあります。
  • 3 軸自動操縦装置はヨー軸の制御を追加しますが、多くの小型航空機では必要ありません。

現代の複雑な航空機の自動操縦装置は 3 軸で、通常、飛行を地上走行、離陸、上昇、巡航 (水平飛行)、降下、進入、着陸段階に分けます。地上走行と離陸を除くこれらの飛行段階すべてを自動化する自動操縦装置も存在します。滑走路に着陸し、ロールアウト時に航空機を制御する (つまり、滑走路の中央を維持する) 自動操縦装置制御の進入は自動着陸と呼ばれ、自動操縦装置は視程がゼロのときに使用される計器着陸装置(ILS) カテゴリー IIIc 進入を使用します。これらの進入装置は現在、多くの主要空港の滑走路で使用でき、特に霧などの悪天候の影響を受ける空港で多く利用されています。通常、航空機は自動的に停止しますが、滑走路を出てゲートまで地上走行するには、自動操縦装置を解除する必要があります。自動操縦装置は、多くの場合、飛行管理システムの不可欠な要素です。

現代の自動操縦装置は、コンピュータソフトウェアを用いて航空機を制御します。ソフトウェアは航空機の現在位置を読み取り、飛行制御システムを制御して航空機を誘導します。このようなシステムでは、従来の飛行制御に加えて、多くの自動操縦装置に推力制御機能が組み込まれており、スロットルを制御して対気速度を最適化します。

現代の大型航空機の自動操縦装置は、通常、慣性誘導システムから位置と機体の姿勢を読み取ります。慣性誘導システムは、時間の経過とともに誤差を蓄積します。これらのシステムには、誤差がさまざまな方向に分散され、全体的にゼロ化効果が得られるように、1分間に1回回転するカルーセルシステムなどの誤差低減システムが組み込まれています。ジャイロスコープの誤差はドリフトと呼ばれます。これは、機械式であれレーザー誘導式であれ、システム内の物理的特性によって位置データが損なわれるためです。この2つの間の不一致は、デジタル信号処理、最も一般的には6次元カルマンフィルタによって解決されます。6つの次元は通常、ロール、ピッチ、ヨー、高度、緯度、経度です。航空機は、必要な性能係数を持つルートを飛行することがあるため、特定のルートを飛行するには、誤差の量または実際の性能係数を監視する必要があります。飛行時間が長くなるほど、システム内で蓄積される誤差は大きくなります。DME、DME更新、GPSなどの無線補助装置は、航空機の位置を修正するために使用できます。

コントロールホイールステアリング

自動操縦アプリケーション用サーボモーター

完全自動飛行と手動飛行の中間のオプションが、操縦輪操舵( CWS ) です。現代の旅客機ではスタンドアロン オプションとして使用されることは少なくなっていますが、CWS は現在でも多くの航空機に搭載されている機能です。一般的に、CWS を搭載した自動操縦装置には、オフ、CWS、CMD の 3 つの位置があります。CMD (コマンド) モードでは、自動操縦装置が航空機を完全に制御し、機首方位/高度設定、無線および航法援助装置、または FMS (飛行管理システム) からの入力を受け取ります。CWS モードでは、パイロットは操縦桿またはスティックの入力を通じて自動操縦装置を制御します。これらの入力は特定の機首方位と姿勢に変換され、自動操縦装置は別の指示があるまでその状態を維持します。これにより、ピッチとロールが安定します。一部の航空機では、ロールで一定の CWS を使用する MD-11 など、手動モードでも一種の CWS を使用しています。多くの点で、通常の法則の現代のエアバスフライバイワイヤ航空機は常に CWS モードになっています。主な違いは、このシステムでは航空機の制限が飛行制御コンピュータによって保護されており、パイロットはこれらの制限を超えて航空機を操縦できないことです。[ 12 ]

コンピュータシステムの詳細

自動操縦装置のハードウェアは実装によって異なりますが、一般的に冗長性と信頼性を最優先に設計されています。例えば、ボーイング777に搭載されているロックウェル・コリンズ社製AFDS-770自動操縦フライトディレクターシステムは、形式的に検証され、耐放射線プロセスで製造された3重構造のFCP-2002マイクロプロセッサを使用しています。[ 13 ]

自動操縦装置のソフトウェアとハ​​ードウェアは厳密に管理されており、広範囲にわたるテスト手順が導入されています。

一部のオートパイロットも設計の多様性を採用しています。この安全機能では、重要なソフトウェア プロセスが別々のコンピュータで実行されるだけでなく、場合によっては異なるアーキテクチャを使用するだけでなく、各コンピュータは異なるエンジニアリング チームによって作成され、多くの場合異なるプログラミング言語でプログラムされているソフトウェアを実行します。異なるエンジニアリング チームが同じミスを犯す可能性は一般的に低いと考えられています。ソフトウェアがより高価で複雑になるにつれて、設計の多様性は、それを許容できるエンジニアリング会社が少なくなるため、一般的ではなくなってきています。スペース シャトルの飛行制御コンピュータはこの設計を採用していました。5 台のコンピュータがあり、そのうち 4 台は冗長的に同一のソフトウェアを実行し、5 台目のバックアップでは独立して開発されたソフトウェアを実行していました。5 台目のシステムのソフトウェアは、シャトルの飛行に必要な基本機能のみを提供し、4 つの主要システムで実行されているソフトウェアとの共通性の可能性をさらに減らしました。

安定性増強システム

安定増強システム（SAS）は、自動飛行制御システムの一種です。航空機の高度や飛行経路を維持するのではなく、SASは航空機の操縦翼面を動かして許容できない動きを抑制します。SASは、航空機を1軸または複数の軸で自動的に安定させます。最も一般的なSASは、後退翼航空機のダッチロール傾向を軽減するために使用されるヨーダンパーです。ヨーダンパーには、自動操縦システムの一部であるものもあれば、独立型のシステムであるものもあります。[ 14 ]

ヨーダンパーは、航空機の回転速度を検出するセンサー（ジャイロスコープまたは一対の加速度計）、[ 15 ]コンピューター/アンプ、およびアクチュエーターを使用する。センサーは、航空機がダッチロールのヨーイング部分を開始するタイミングを検出します。コンピューターはセンサーからの信号を処理して、動きを減衰するために必要なラダーの偏向を決定します。ラダーは動きを抑えるために動きに対抗する必要があるため、コンピューターはアクチュエーターに対して、動きと反対方向にラダーを動かすように指示します。ダッチロールは減衰され、航空機はヨー軸を中心に安定します。ダッチロールはすべての後退翼航空機に固有の不安定性であるため、ほとんどの後退翼航空機には何らかのヨーダンパーが必要です。

ヨーダンパーには、直列ヨーダンパーと並列ヨーダンパーの2種類があります。[ 16 ]並列ヨーダンパーのアクチュエータは、パイロットのラダーペダルとは独立してラダーを動かしますが、直列ヨーダンパーのアクチュエータはラダーコントロールクアドラントにクラッチ接続されており、ラダーが動くとペダルも動きます。

一部の航空機には、機体を複数の軸で安定させる安定増強システムが搭載されています。例えば、ボーイングB-52は、安定した爆撃プラットフォームを提供するために、ピッチングとヨーイングの両方のSAS [ 17 ]を必要とします。多くのヘリコプターは、ピッチング、ロール、ヨーイングのSASシステムを搭載しています。ピッチングとロールのSASシステムは、前述のヨーイングダンパーとほぼ同じように動作しますが、ダッチロールを減衰させるのではなく、ピッチングとロールの振動を減衰させることで、機体全体の安定性を向上させます。

ILS着陸のための自動操縦

計器補助着陸は、国際民間航空機関（ICAO）によってカテゴリー分けされています。これらのカテゴリーは、必要な視程レベルと、パイロットによる操作なしに着陸を自動で行える程度によって異なります。

  • CAT I – このカテゴリーでは、パイロットは200フィート（61メートル）の決定高度と550メートル（1,800フィート）の前方視程または滑走路視距離（RVR）で着陸することができます。自動操縦装置は不要です。[ 18 ]
  • CAT II – このカテゴリーでは、パイロットは200フィート（61メートル）から100フィート（30メートル）の決定高度、および300メートル（980フィート）のRVRで着陸することが許可されます。自動操縦装置にはフェイルパッシブ要件が適用されます。
  • CAT IIIa – このカテゴリーでは、パイロットは最低50フィート（15メートル）の決定高度と200メートル（660フィート）のRVRで着陸できます。フェイルパッシブ自動操縦装置が必要です。規定のエリア外への着陸確率は10の-6乗未満である必要があります。
  • CAT IIIb – IIIa と同様ですが、着陸後に自動的に滑走路から抜け出す機能が追加され、パイロットが滑走路沿いに少し離れたところで操縦を引き継ぎます。このカテゴリでは、パイロットは、決定高度 50 フィート未満または決定高度なしで、欧州では 250 フィート (76 メートル。76 メートルは、現在では全長が 70 メートル (230 フィート) を超える航空機もあることからわかるように)、米国では 300 フィート (91 メートル) の前方視程で着陸できます。決定なしの着陸を支援するには、フェイルオペレーショナルな自動操縦装置が必要です。このカテゴリでは、何らかの形の滑走路誘導システムが必要です。少なくともフェイルパッシブである必要がありますが、決定高度なしの着陸または 100 メートル (330 フィート) 未満の RVR ではフェイルオペレーショナルである必要があります。
  • CAT IIIc – IIIbと同様ですが、決定高度と視程の最低要件がありません。「ゼロ・ゼロ」とも呼ばれます。パイロットはゼロ・ゼロ視程でタキシングを行う必要があるため、まだ導入されていません。CAT IIIbで着陸可能な航空機で自動ブレーキを装備している場合、滑走路上で完全に停止することはできますが、タキシングを行うことはできません。

フェイルパッシブ・オートパイロット：故障が発生した場合、航空機は制御可能な位置に留まり、パイロットはゴーアラウンドまたは着陸を完了するために操縦を引き継ぐことができます。通常はデュアルチャンネルシステムです。

フェイルオペレーショナル・オートパイロット：警戒高度以下で故障が発生した場合でも、進入、フレア、着陸は自動的に完了します。通常はトリプルチャンネルシステムまたはデュアルデュアルシステムです。

ラジオコントロールモデル

無線制御模型、特にRC飛行機やヘリコプターでは、自動操縦装置は通常、模型の飛行を事前にプログラムするための追加のハードウェアとソフトウェアのセットです。[ 19 ]

フライトディレクター

ここに示されているのはG1000のPFDです。黄色の姿勢指示器の上にある中央の紫色の三角形はフライト・ディレクターです。

フライトディレクター（FD）は、姿勢指示器に重ねて表示される飛行計器で、航空機のパイロットに所望の飛行経路を実行するために必要な姿勢を示します。フライトディレクターはオートパイロットとは別個の装置ですが、密接に連携しています。フライトコンピュータに飛行計画がプログラムされている場合、フライトディレクターは旋回が必要な際にロールを指示します。

フライトディレクターがない場合、自動操縦は、高度や方位を維持したり、パイロットの指示に応じて新しい方位に切り替えたりするなど、より基本的なモードに制限されます。

オートパイロットとフライトディレクターを併用することで、より複雑なオートパイロットモードが可能になります。オートパイロットはフライトディレクターの指示に従い、パイロットの介入なしに飛行計画のルートを辿ることができます。

参照

ウィキメディア コモンズには、自動操縦に関連するメディアがあります。

参考文献

  1. ^ 「自動飛行制御」（PDF）faa.gov .連邦航空局. 2014年2月20日閲覧。
  2. ^ 「ジョージ・ザ・オートパイロット」ヒストリック・ウィングストーマス・ヴァン・ヘア2014年3月18日閲覧。
  3. ^ Baker, Mark (2020年4月1日). 「会長の立場：ジョージに休息を与える」 . aopa.org .航空機所有者・パイロット協会. 2020年5月16日閲覧。
  4. ^ Wragg, David W. (1973). 『航空辞典』（初版）. Osprey. p. 45. ISBN 9780850451634。
  5. ^「Now – The Automatic Pilot」『Popular Science Monthly』、1930年2月、22ページ。
  6. ^「ロボット航空操縦士が飛行機を正しいコース上に維持」『ポピュラーメカニクス』 1930年12月、950ページ。
  7. ^スティーブンス、ブライアン、ルイス、フランク (1992).航空機制御とシミュレーション. ニューヨーク: ワイリー. ISBN 978-0-471-61397-8。
  8. ^ Flightglobal/アーカイブ [1] [2] [3] [4]
  9. ^コリアートロフィー賞
  10. ^ 「HUP- 1レトリーバー/H-25 アーミーミュールヘリコプター」 boeing.comボーイング2018年11月1日閲覧。
  11. ^ William S. Widnall, 第8巻第1号, 1970年（1970年10月）. 「月着陸船デジタル自動操縦装置」, Journal of Spacecraft . Journal of Spacecraft and Rockets . 8 (1): 56– 62. doi : 10.2514/3.30217 . 2019年9月7日閲覧。{{cite journal}}: CS1 maint: 複数名: 著者リスト (リンク) CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  12. ^ 「ステアリングホイールコントロールの仕組み」 2009年4月22日。
  13. ^ 「Rockwell Collins AFDS-770 自動操縦フライトディレクターシステム」 Rockwell Collins、2010年2月3日。2010年8月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月14日閲覧。
  14. ^自動飛行制御第4版、パレット＆コイル、 ISBN 978 1 4051 3541 2、79ページ
  15. ^航空電子工学の基礎、航空技術者トレーニングシリーズ、 ISBN 0 89100 293 6、287ページ
  16. ^自動飛行制御第4版、パレット＆コイル、 ISBN 978 1 4051 3541 2、204ページ
  17. ^ Johnston, DE (1975年2月1日). 「飛行制御システムの特性と問題点。第2巻：ブロックダイアグラム概要」 NASA.
  18. ^ 「航空情報マニュアル」faa.govFAA . 2014年6月16日閲覧。
  19. ^ Alan Parekh (2008年4月14日). 「Autopilot RC Plane」 . Hacked Gadgets . 2010年7月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月14日閲覧。
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