Sistemas de piloto automático - Autopilot Systems
Un sistema de pilotaje automático de aeronaves controla la aeronave sin que el piloto maniobre directamente los mandos. El piloto automático mantiene la actitud y/o la dirección de la aeronave y la devuelve a esa condición cuando se desplaza de ella. Los sistemas de piloto automático son capaces de mantener la aeronave estabilizada lateral, vertical y longitudinalmente.
El objetivo principal de un sistema de piloto automático es reducir el esfuerzo de trabajo y la fatiga de controlar la aeronave durante los vuelos largos. La mayoría de los pilotos automáticos tienen modos de funcionamiento manual y automático. En el modo manual, el piloto selecciona cada maniobra y realiza pequeñas entradas en un controlador del piloto automático.
El sistema de piloto automático mueve las superficies de control del avión para realizar la maniobra. En el modo automático, el piloto selecciona la actitud y la dirección deseada para un segmento de vuelo. El piloto automático mueve entonces las superficies de control para alcanzar y mantener estos parámetros.
Los sistemas de piloto automático permiten controlar la aeronave en uno, dos o tres ejes. Los que manejan la aeronave en torno a un solo eje controlan los alerones. Son pilotos automáticos de un solo eje, conocidos como sistemas de nivelación de alerones, que suelen encontrarse en aviones ligeros.
Otros pilotos automáticos son sistemas de dos ejes que controlan los alerones y los elevadores. Los pilotos automáticos de tres ejes controlan los alerones, los elevadores y el timón. Los sistemas de piloto automático de dos y tres ejes pueden encontrarse en aviones de todos los tamaños.
Hay muchos sistemas de piloto automático disponibles. Presentan una amplia gama de capacidades y complejidad. Las aeronaves ligeras suelen tener pilotos automáticos con menos capacidades que las aeronaves de alto rendimiento y de categoría de transporte.
La integración de las funciones de navegación es habitual, incluso en los pilotos automáticos de aviones ligeros. A medida que los pilotos automáticos aumentan su complejidad, no sólo manipulan las superficies de control de vuelo, sino también otros parámetros de vuelo.
Algunas aeronaves modernas de pequeño tamaño, de alto rendimiento y de categoría de transporte tienen sistemas de piloto automático muy elaborados, conocidos como sistemas de control de vuelo automático (AFCS). Estos sistemas de tres ejes van mucho más allá de la dirección del avión.
Controlan el avión durante los ascensos, los descensos, el crucero y la aproximación al aterrizaje. Algunos incluso integran una función de aceleración automática que controla el empuje del motor y hace posible el aterrizaje automático.
Para un mayor control automático, se han desarrollado sistemas de gestión de vuelo. Mediante el uso de ordenadores, se puede programar con antelación un perfil de vuelo completo que permite al piloto supervisar su ejecución. Un ordenador FMS coordina casi todos los aspectos de un vuelo, incluidos los sistemas de piloto y acelerador automáticos, la selección de la ruta de navegación, los esquemas de gestión del combustible, etc.
Base del funcionamiento del piloto automático
La base del funcionamiento del sistema de piloto automático es la corrección de errores. Cuando una aeronave no cumple las condiciones seleccionadas, se dice que se ha producido un error. El sistema de piloto automático corrige automáticamente ese error y devuelve a la aeronave la actitud de vuelo deseada por el piloto.
Hay dos formas básicas de que los sistemas de piloto automático modernos hagan esto. Uno se basa en la posición y el otro en la velocidad.
Un piloto automático basado en la posición manipula los controles de la aeronave para que se corrija cualquier desviación de la actitud deseada de la aeronave. Esto se hace memorizando la actitud deseada de la aeronave y moviendo las superficies de control para que la aeronave vuelva a esa actitud.
Los pilotos automáticos basados en la velocidad utilizan información sobre la velocidad de movimiento de la aeronave y mueven las superficies de control para contrarrestar la velocidad de cambio que provoca el error. La mayoría de los aviones grandes utilizan sistemas de piloto automático basados en la velocidad. Las aeronaves pequeñas pueden utilizar cualquiera de los dos.
Elementos de detección
Los giroscopios de actitud y dirección, el coordinador de giro y un control de altitud son los elementos de detección del piloto automático. Estas unidades detectan los movimientos de la aeronave. Generan señales eléctricas que son utilizadas por el piloto automático para tomar automáticamente la acción correctiva necesaria para mantener el avión volando según lo previsto.
Los giroscopios sensores pueden estar situados en los instrumentos montados en la cabina. También pueden estar montados a distancia. Los giroscopios remotos controlan las pantallas de los servos en el panel de la cabina, además de proporcionar las señales de entrada al ordenador del piloto automático.
Los pilotos automáticos digitales modernos pueden utilizar una variedad de sensores diferentes. Pueden utilizarse giroscopios MEMS o ir acompañados del uso de acelerómetros y magnetómetros de estado sólido. Los sistemas basados en la velocidad pueden no utilizar giroscopios en absoluto.
Los distintos sensores de entrada pueden estar situados en la misma unidad o en unidades separadas que transfieren la información a través de un bus de datos digital. La información de navegación también se integra a través de la conexión del bus de datos digital a los ordenadores de aviónica.
Computador y Amplificador
El elemento informático de un piloto automático puede ser analógico o digital. Su función es interpretar los datos de los elementos de detección, integrar los comandos y la información de navegación, y enviar señales a los elementos de salida para mover los controles de vuelo según sea necesario para controlar la aeronave.
Se utiliza un amplificador para reforzar la señal para su procesamiento, si es necesario, y para su uso por los dispositivos de salida, como los servomotores. El amplificador y los circuitos asociados son el ordenador de un sistema de piloto automático analógico.
La información se maneja en canales correspondientes al eje de control para el que están destinadas las señales (es decir, canal de cabeceo, canal de balanceo o canal de guiñada). Los sistemas digitales utilizan tecnología informática de microprocesador de estado sólido y normalmente sólo amplifican las señales enviadas a los elementos de salida.
Elementos de salida
Los elementos de salida de un sistema de piloto automático son los servos que provocan el accionamiento de las superficies de control de vuelo. Son dispositivos independientes para cada uno de los canales de control que se integran en el sistema regular de control de vuelo.
Los diseños de los servos del piloto automático varían mucho según el método de actuación de los controles de vuelo. Los sistemas accionados por cable suelen utilizar servomotores eléctricos o servos electroneumáticos. Los sistemas de control de vuelo accionados hidráulicamente utilizan servos de piloto automático electrohidráulicos. Los aviones digitales fly-by-wire utilizan los mismos actuadores para realizar las maniobras manuales y de piloto automático.
Cuando el piloto automático está activado, los actuadores responden a las órdenes del piloto automático en lugar de hacerlo exclusivamente del piloto. En cualquier caso, los servos del piloto automático deben permitir el movimiento de la superficie de control sin impedimentos cuando el piloto automático no está en funcionamiento.
Las aeronaves con superficies de control accionadas por cable utilizan dos tipos básicos de servos accionados por motor eléctrico. En uno, un motor está conectado al eje de salida del servo a través de engranajes de reducción. El motor se pone en marcha, se detiene y cambia de dirección en respuesta a las órdenes del ordenador del piloto automático.
El otro tipo de servo eléctrico utiliza un motor que funciona constantemente y está conectado al eje de salida a través de dos embragues magnéticos. Los embragues están dispuestos de forma que al activar uno de ellos se transmite el par del motor para girar el eje de salida en una dirección; al activar el otro embrague, el eje gira en la dirección opuesta.
Los servos electroneumáticos también pueden utilizarse para accionar los controles de vuelo por cable en algunos sistemas de piloto automático. Se controlan mediante señales eléctricas del amplificador del piloto automático y se accionan mediante una fuente de presión de aire adecuada.
La fuente puede ser una bomba del sistema de vacío o el aire de purga del motor de la turbina. Cada servo consiste en un conjunto de válvula electromagnética y un conjunto de enlace de salida.
Elementos de mando
La unidad de mando, llamada controlador de vuelo, es la interfaz humana del piloto automático. Permite al piloto decirle al piloto automático lo que debe hacer. Los controladores de vuelo varían según la complejidad del sistema de piloto automático.
Al pulsar los botones de función deseados, el piloto hace que el controlador envíe señales de instrucción al ordenador del piloto automático, permitiéndole activar los servos adecuados para llevar a cabo la(s) orden(es). El vuelo nivelado, las subidas, los descensos, el giro a un rumbo o el vuelo a un rumbo deseado son algunas de las opciones disponibles en la mayoría de los pilotos automáticos.
Muchos aviones hacen uso de una multitud de ayudas a la navegación por radio. Éstas pueden seleccionarse para emitir órdenes directamente al ordenador del piloto automático.
Además de un interruptor de encendido/apagado en el controlador del piloto automático, la mayoría de los pilotos automáticos tienen un interruptor de desconexión situado en la(s) rueda(s) de control. Este interruptor, que se acciona con la presión del pulgar, puede utilizarse para desconectar el sistema de piloto automático en caso de que se produzca una avería en el sistema o en cualquier momento en que el piloto desee tomar el control manual de la aeronave.
Elemento de retroalimentación o seguimiento
A medida que un piloto automático maniobra los controles de vuelo para alcanzar una actitud de vuelo deseada, debe reducir la corrección de la superficie de control a medida que la actitud deseada está a punto de alcanzarse, de modo que los controles y la aeronave lleguen a descansar en su curso.
De no hacerlo, el sistema sobrecorregiría continuamente. La desviación de la superficie se produciría hasta que se alcanzara la actitud deseada. Pero el movimiento seguiría produciéndose cuando la(s) superficie(s) volviera(n) a la posición anterior al error. El sensor de actitud volvería a detectar un error y comenzaría de nuevo el proceso de corrección.
Se generan varias señales eléctricas de retroalimentación, o de seguimiento, para reducir progresivamente el mensaje de error en el piloto automático para que no se produzca una sobrecorrección continua. Esto se suele hacer con transductores en los actuadores de superficie o en las unidades servo del piloto automático.
Un sistema de tasa recibe señales de error de un giroscopio de tasa que son de una determinada polaridad y magnitud que hacen que las superficies de control se muevan. A medida que las superficies de control contrarrestan el error y se mueven para corregirlo, las señales de seguimiento de polaridad opuesta y magnitud creciente contrarrestan la señal de error hasta que se restablece la actitud correcta de la aeronave.
Un sistema de seguimiento del desplazamiento utiliza las captaciones de las superficies de control para cancelar el mensaje de error cuando la superficie se ha movido a la posición correcta.
Funciones del piloto automático
La siguiente descripción del sistema de piloto automático se presenta para mostrar el funcionamiento de un piloto automático analógico sencillo. La mayoría de los pilotos automáticos son mucho más sofisticados; sin embargo, muchos de los fundamentos de funcionamiento son similares.
El sistema de piloto automático vuela la aeronave utilizando señales eléctricas desarrolladas en unidades giroscópicas. Estas unidades están conectadas a los instrumentos de vuelo que indican la dirección, la velocidad de giro, la inclinación o el cabeceo.
Si se cambia la actitud de vuelo o el rumbo magnético, se desarrollan señales eléctricas en los giroscopios. Estas señales se envían al ordenador/amplificador del piloto automático y se utilizan para controlar el funcionamiento de las unidades de servo.
Un servo para cada uno de los tres canales de control convierte las señales eléctricas en fuerza mecánica, que mueve la superficie de control en respuesta a las señales de corrección o a los comandos del piloto. El canal del timón recibe dos señales que determinan cuándo y cuánto se mueve el timón. La primera señal es una señal de rumbo derivada de un sistema de brújula.
Mientras la aeronave permanezca en el rumbo magnético en el que estaba cuando se conectó el piloto automático, no se desarrolla ninguna señal. Sin embargo, cualquier desviación hace que el sistema de brújula envíe una señal al canal del timón que es proporcional al desplazamiento angular de la aeronave desde el rumbo preestablecido.
La segunda señal recibida por el canal del timón es la señal de velocidad que proporciona información en cualquier momento que la aeronave esté girando sobre el eje vertical. Esta información es proporcionada por el giroscopio indicador de giro y de inclinación.
Cuando la aeronave intenta desviarse del rumbo, el giroscopio de velocidad desarrolla una señal proporcional a la velocidad de giro, y el giroscopio de rumbo desarrolla una señal proporcional a la cantidad de desplazamiento.
Las dos señales se envían al canal del timón del amplificador, donde se combinan y se aumenta su intensidad. La señal amplificada se envía entonces al servo del timón. El servo gira el timón en la dirección adecuada para que el avión vuelva al rumbo magnético seleccionado.
A medida que la superficie del timón se mueve, se desarrolla una señal de seguimiento que se opone a la señal de entrada. Cuando las dos señales son de igual magnitud, el servo deja de moverse. Cuando la aeronave llega a su rumbo, la señal de rumbo alcanza un valor cero, y el timón vuelve a la posición de la línea de corriente mediante la señal de seguimiento.
El canal de los alerones recibe su señal de entrada de un transmisor situado en el indicador de horizonte del giroscopio. Cualquier movimiento de la aeronave alrededor de su eje longitudinal hace que la unidad giroscópica desarrolle una señal para corregir el movimiento. Esta señal se amplifica, se detecta la fase y se envía al servo de los alerones, que mueve las superficies de control de los alerones para corregir el error.
A medida que las superficies de los alerones se mueven, se acumula una señal de seguimiento en oposición a la señal de entrada. Cuando las dos señales son iguales en magnitud, el servo deja de moverse.
Como los alerones están desplazados de la línea de corriente, la aeronave comienza a moverse de nuevo hacia el vuelo nivelado con la señal de entrada haciéndose más pequeña y la señal de seguimiento conduciendo las superficies de control de nuevo hacia la posición de la línea de corriente.
Cuando la aeronave ha vuelto a la actitud de vuelo nivelado, la señal de entrada vuelve a ser cero. Al mismo tiempo, las superficies de control son aerodinámicas y la señal de seguimiento es cero.
Los circuitos del canal del elevador son similares a los del canal del alerón, con la excepción de que el canal del elevador detecta y corrige los cambios en la actitud de cabeceo de la aeronave. Para el control de altitud, se utiliza una unidad montada a distancia que contiene un diafragma de presión de altitud.
Al igual que los giroscopios de actitud y direccionales, la unidad de altitud genera señales de error cuando la aeronave se ha movido de una altitud preseleccionada. Esto se conoce como función de mantenimiento de la altitud. Las señales controlan los servos de cabeceo, que se mueven para corregir el error.
Una función de selección de altitud hace que las señales se envíen continuamente a los servos de cabeceo hasta que se haya alcanzado una altitud preseleccionada. La aeronave mantiene entonces la altitud preseleccionada utilizando señales de retención de altitud.
Amortiguación de guiñada - Yaw Dampening
Muchas aeronaves tienen una tendencia a oscilar alrededor de su eje vertical mientras vuelan con un rumbo fijo. Para contrarrestar este efecto se necesita una entrada de timón casi continua. Un amortiguador de guiñada se utiliza para corregir este movimiento. Puede formar parte de un sistema de piloto automático o ser una unidad completamente independiente.
Un amortiguador de guiñada recibe señales de error del giroscopio de velocidad del coordinador de giro. El movimiento oscilante de guiñada se contrarresta con el movimiento del timón, que es realizado automáticamente por el servo o servos del timón en respuesta a la polaridad y magnitud de la señal de error.
Advertencia: Los artículos publicados en este sitio web deben ser utilizados únicamente con fines educativos (instrucción).
No los utilice para operar una aeronave, volar, ni hacer procedimientos de mantenimiento. Tenga en cuenta que "Aprendamos Aviación" no está afiliado de ninguna manera con ninguna compañía fabricante de aeronaves.
Verificar y confirmar la información con personal aeronáutico certificado y documentación certificada.
