Autopilot

An autopilot is a system used to control the path of an aircraft without requiring constant intervention by a human operator. The autopilot does not replace human operators, but it assists them allowing them to focus on broader aspects of operations (for example, monitoring the trajectory, weather and on-board systems).^[1]

When present, an autopilot is often used in conjunction with an autothrottle, a system for controlling the power delivered by the engines.

In the early days of aviation, aircraft required the continuous attention of a pilot to fly safely. As aircraft range increased, allowing flights of many hours, the constant attention led to serious fatigue. An autopilot is designed to perform some of the pilot's tasks.

The first gyroscopic autopilot for aircraft was developed by Sperry Corporation in 1912.^[2] The system connected a gyroscopic heading indicator and attitude indicator to hydraulically operated elevators and rudder. It permitted the aircraft to fly straight and level on a compass course without a pilot's attention, greatly reducing the pilot's workload.

Lawrence Sperry, the son of famous inventor Elmer Sperry, demonstrated it in 1914 at an aviation safety contest held in Paris. Sperry demonstrated the credibility of the invention by flying the aircraft with his hands away from the controls and visible to onlookers. Elmer Sperry Jr., the son of Lawrence Sperry, and Capt Shiras continued work on the same autopilot after the war, and in 1930, they tested a more compact and reliable autopilot which kept a U.S. Army Air Corps aircraft on a true heading and altitude for three hours.^[3]

In 1930, the Royal Aircraft Establishment in the United Kingdom developed an autopilot called a pilots' assister that used a pneumatically spun gyroscope to move the flight controls.^[4]

تم تطوير نظام الطيار الآلي لاحقًا، ليشمل، على سبيل المثال، خوارزميات تحكم محسّنة وآليات هيدروليكية مؤازرة. كما أتاح إضافة المزيد من الأجهزة، مثل أجهزة الملاحة اللاسلكية، إمكانية الطيران ليلًا وفي الأحوال الجوية السيئة. في عام 1947، قامت طائرة نقل عسكرية أمريكية من طراز C-53 برحلة عبر المحيط الأطلسي، بما في ذلك الإقلاع والهبوط، تحت سيطرة نظام الطيار الآلي بالكامل. ^{[ 5 ] [ 6 ]} طوّر بيل لير نظام الطيار الآلي ونظام التحكم الآلي في الاقتراب لطائرته F-5، وحصل على جائزة كولير في عام 1949. ^{[ 7 ]}

في أوائل عشرينيات القرن العشرين، أصبحت ناقلة النفط التابعة لشركة ستاندرد أويل، جيه إيه موفيت، أول سفينة تستخدم نظام القيادة الآلية. ^{[ 8 ]}

كانت طائرة Piasecki HUP-2 Retriever أول طائرة هليكوبتر إنتاجية مزودة بنظام طيار آلي. ^{[ 9 ]}

يُعد نظام الطيار الآلي الرقمي لوحدة الهبوط القمرية في برنامج أبولو مثالاً مبكراً على نظام الطيار الآلي الرقمي بالكامل في المركبات الفضائية. ^{[ 10 ]}

لا تمتلك جميع طائرات الركاب التي تحلق اليوم نظام طيار آلي. فالطائرات القديمة والصغيرة، وخاصة طائرات الطيران العام، لا تزال تُقاد يدويًا، وحتى الطائرات الصغيرة التي تقل سعتها عن عشرين مقعدًا قد لا تحتوي على نظام طيار آلي نظرًا لاستخدامها في رحلات قصيرة المدى يقودها طياران. أما تركيب أنظمة الطيار الآلي في الطائرات التي تزيد سعتها عن عشرين مقعدًا فهو إلزامي عمومًا بموجب لوائح الطيران الدولية .

توجد ثلاثة مستويات للتحكم في أجهزة الطيار الآلي للطائرات الصغيرة.

• يتحكم الطيار الآلي أحادي المحور في الطائرة في محور الدوران فقط؛ وتُعرف هذه الطيار الآلي أيضًا بالعامية باسم "موازنات الأجنحة"، مما يعكس قدرتها الوحيدة.
• يتحكم الطيار الآلي ثنائي المحور في الطائرة في محور الميل وكذلك الدوران، وقد يكون مجرد مُعدِّل للجناح مع قدرة محدودة على تصحيح تذبذب الميل؛ أو قد يتلقى مدخلات من أنظمة الملاحة الراديوية الموجودة على متن الطائرة لتوفير توجيه طيران آلي حقيقي بمجرد إقلاع الطائرة وحتى وقت قصير قبل الهبوط؛ أو قد تقع قدراته في مكان ما بين هذين النقيضين.
• يضيف نظام الطيار الآلي ثلاثي المحاور تحكمًا في محور الانعراج ، وهو غير مطلوب في العديد من الطائرات الصغيرة.

Autopilots in modern complex aircraft are three-axis and generally divide a flight into taxi, takeoff, climb, cruise (level flight), descent, approach, and landing phases. Most transport-category autopilots automate climb, cruise, descent, approach, landing, and rollout, but taxi and takeoff generally remain under pilot control. An autopilot-controlled approach, landing, and rollout is known as an autoland. During an autoland, the autopilot typically uses an Instrument Landing System (ILS) and is certified for low-visibility Category III operations, most commonly CAT IIIa and CAT IIIb. Although ICAO defines a CAT IIIc category with no decision height or runway visual range minimums, CAT IIIc is not used operationally because aircraft must still be able to taxi safely after landing. Many major airports support CAT III autoland operations during low-visibility conditions. Following rollout, pilots normally disengage the autopilot before exiting the runway. The autopilot is often integrated with the aircraft's Flight Management System (FMS).

Modern autopilots use computer software to control the aircraft. The software reads the aircraft's current position, and then controls a flight control system to guide the aircraft. In such a system, besides classic flight controls, many autopilots incorporate thrust control capabilities that can control throttles to optimize the airspeed.

The autopilot in a modern large aircraft typically reads its position and the aircraft's attitude from an inertial guidance system. Inertial guidance systems accumulate errors over time. They will incorporate error reduction systems such as the carousel system that rotates once a minute so that any errors are dissipated in different directions and have an overall nulling effect. Error in gyroscopes is known as drift. This is due to physical properties within the system, be it mechanical or laser guided, that corrupt positional data. The disagreements between the two are resolved with digital signal processing, most often a six-dimensional Kalman filter. The six dimensions are usually roll, pitch, yaw, altitude, latitude, and longitude. Aircraft may fly routes that have a required performance factor, therefore the amount of error or actual performance factor must be monitored in order to fly those particular routes. The longer the flight, the more error accumulates within the system. Radio aids such as DME, DME updates, and GPS may be used to correct the aircraft position.

Control Wheel Steering

يُعدّ نظام توجيه عجلة التحكم ( CWS ) خيارًا وسطًا بين الطيران الآلي الكامل والطيران اليدوي . ورغم تراجع استخدامه كخيار مستقل في الطائرات الحديثة، إلا أنه لا يزال موجودًا في العديد من الطائرات اليوم. عادةً، يحتوي نظام الطيار الآلي المزود بنظام CWS على ثلاثة أوضاع: إيقاف التشغيل، وCWS، وCMD. في وضع CMD (الأمر)، يتحكم الطيار الآلي بشكل كامل في الطائرة، ويتلقى مدخلاته إما من إعدادات الاتجاه/الارتفاع، أو الراديو وأجهزة الملاحة، أو نظام إدارة الطيران (FMS). أما في وضع CWS، فيتحكم الطيار الآلي من خلال إدخالات على عصا التحكم أو المقود. تُترجم هذه المدخلات إلى اتجاه ووضع محددين، يحافظ عليهما الطيار الآلي حتى يتلقى تعليمات بخلاف ذلك. يوفر هذا استقرارًا في الميل والدوران. تستخدم بعض الطائرات شكلاً من أشكال CWS حتى في الوضع اليدوي، مثل طائرة MD-11 التي تستخدم CWS ثابتًا في الدوران. في كثير من النواحي، تكون طائرات إيرباص الحديثة ذات نظام التحكم الإلكتروني (fly-by-wire) في الوضع الطبيعي دائمًا في وضع CWS. يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن قيود الطائرة في هذا النظام محمية بواسطة حاسوب التحكم في الطيران ، ولا يستطيع الطيار توجيه الطائرة بما يتجاوز هذه الحدود. ^{[ 11 ]}

نظام تعزيز الاستقرار (SAS) هو نوع آخر من أنظمة التحكم الآلي في الطيران؛ إلا أنه بدلاً من الحفاظ على الارتفاع أو مسار الطيران المطلوب للطائرة، يقوم هذا النظام بتحريك أسطح التحكم لتخفيف الحركات غير المقبولة. يعمل نظام تعزيز الاستقرار على تثبيت الطائرة تلقائيًا على محور واحد أو أكثر. النوع الأكثر شيوعًا من أنظمة تعزيز الاستقرار هو مخمد الانعراج ، والذي يُستخدم للحد من ميل الطائرات ذات الأجنحة المائلة للانقلاب. بعض مخمدات الانعراج جزء من نظام الطيار الآلي، بينما البعض الآخر أنظمة مستقلة. ^{[ 13 ]}

تستخدم مخمدات الانعراج مستشعرًا لرصد سرعة دوران الطائرة (إما جيروسكوب أو زوج من مقاييس التسارع)، ^{[ 14 ]} وجهاز كمبيوتر/مضخم إشارة، بالإضافة إلى مشغل. يكتشف المستشعر بداية انعراج الطائرة في حركة الالتفاف الهولندي. يقوم الكمبيوتر بمعالجة الإشارة الواردة من المستشعر لتحديد مقدار انحراف الدفة اللازم لتخميد الحركة. يُصدر الكمبيوتر إشارة للمشغل لتحريك الدفة في الاتجاه المعاكس للحركة، حيث يجب على الدفة مقاومة الحركة لتقليلها. وبذلك، يتم تخميد الالتفاف الهولندي، وتصبح الطائرة مستقرة حول محور الانعراج. ولأن الالتفاف الهولندي حالة عدم استقرار متأصلة في جميع الطائرات ذات الأجنحة المائلة، فإن معظم هذه الطائرات تحتاج إلى نوع من مخمدات الانعراج.

يوجد نوعان من مخمدات الانحراف: مخمد الانحراف التسلسلي ومخمد الانحراف المتوازي. ^{[ 15 ]} يقوم مشغل مخمد الانحراف المتوازي بتحريك الدفة بشكل مستقل عن دواسات الدفة الخاصة بالطيار، بينما يرتبط مشغل مخمد الانحراف التسلسلي بوحدة التحكم في الدفة، مما يؤدي إلى حركة الدواسات عند تحرك الدفة.

تحتوي بعض الطائرات على أنظمة تعزيز الاستقرار التي تعمل على تثبيت الطائرة في أكثر من محور. فعلى سبيل المثال، تتطلب طائرة بوينغ بي-52 نظامي تعزيز استقرار (SAS) في كل من الميلان والانعطاف ^{[ 16 ]} لتوفير منصة قصف مستقرة. كما تحتوي العديد من المروحيات على أنظمة تعزيز استقرار (SAS) في الميلان والدوران والانعطاف. تعمل أنظمة تعزيز استقرار الميلان والدوران بطريقة مشابهة لمخمد الانعطاف المذكور سابقًا؛ إلا أنها، بدلًا من تخميد الدوران الجانبي، تخمد تذبذبات الميلان والدوران لتحسين الاستقرار العام للطائرة.

تُصنّف عمليات الهبوط بمساعدة الأجهزة ضمن فئات من قبل منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO). وتعتمد هذه الفئات على مستوى الرؤية المطلوب ومدى إمكانية إجراء الهبوط تلقائيًا دون تدخل من الطيار.

• الفئة الأولى (CAT I ) - تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط على ارتفاع 200 قدم (61 مترًا) ومدى رؤية أمامي أو مدى رؤية على المدرج (RVR) يبلغ 550 مترًا (1800 قدم) . ولا يُشترط وجود نظام طيار آلي. ^{[ 17 ]}  
• الفئة الثانية (CAT II ) - تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط على ارتفاع قرار يتراوح بين 61 مترًا (200 قدم) و 30 مترًا (100 قدم) ، وبمدى رؤية على المدرج (RVR) يبلغ 300 متر (980 قدمًا) . وتخضع أنظمة الطيار الآلي لمتطلبات نظام الإنذار التلقائي في حالة الأعطال.   
• الفئة الثالثة أ (CAT IIIa ) - تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط على ارتفاع قرار منخفض يصل إلى 15 مترًا (50 قدمًا) ومدى رؤية على المدرج (RVR) يبلغ 200 متر (660 قدمًا) . وتتطلب هذه الفئة نظام طيار آلي سلبي في حالة الأعطال. ويجب ألا تتجاوز احتمالية الهبوط خارج المنطقة المحددة ^{10⁻⁶ .}  
• الفئة الثالثة ب - كما في الفئة الثالثة أ، ولكن مع إضافة ميزة الهبوط التلقائي بعد ملامسة الأرض، حيث يتولى الطيار التحكم على مسافة معينة من المدرج. تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط بارتفاع قرار أقل من 15 مترًا (50 قدمًا) أو بدون ارتفاع قرار، مع رؤية أمامية تبلغ 76 مترًا (250 قدمًا) في أوروبا (76 مترًا، قارن هذا بحجم الطائرات، حيث يتجاوز طول بعضها الآن 70 مترًا (230 قدمًا) ) أو 91 مترًا (300 قدم) في الولايات المتحدة. للهبوط بدون مساعدة في اتخاذ القرار، يلزم وجود نظام طيار آلي يعمل في حالة الأعطال. تتطلب هذه الفئة نوعًا من أنظمة توجيه المدرج: على الأقل نظامًا سلبيًا في حالة الأعطال، ولكن يجب أن يكون نظامًا فعالًا في حالة الأعطال للهبوط بدون ارتفاع قرار أو لرؤية أمامية على المدرج أقل من 100 متر (330 قدمًا) .    
• الفئة CAT IIIc – مشابهة للفئة IIIb ولكن بدون حد أدنى لارتفاع القرار أو الرؤية، وتُعرف أيضاً باسم "الرؤية الصفرية". لم يتم تطبيقها بعد لأنها تتطلب من الطيارين السير على المدرج في حالة انعدام الرؤية. الطائرة القادرة على الهبوط في الفئة CAT IIIb والمجهزة بنظام الكبح التلقائي ستكون قادرة على التوقف تماماً على المدرج ولكنها لن تتمكن من السير على المدرج.

نظام الطيار الآلي السلبي في حالة الأعطال: في حالة حدوث عطل، تبقى الطائرة في وضع يمكن التحكم فيه، ويمكن للطيار تولي زمام الأمور للتحليق حول المدرج أو إتمام عملية الهبوط. وهو عادةً نظام ثنائي القنوات.

نظام الطيار الآلي في حالة التعطل: في حال حدوث عطل أسفل ارتفاع التنبيه، يمكن إكمال الاقتراب والتهدئة والهبوط تلقائيًا. وهو عادةً نظام ثلاثي القنوات أو نظام ثنائي القنوات.

في مجال النمذجة التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو ، وخاصة الطائرات والمروحيات التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو ، عادة ما يكون الطيار الآلي عبارة عن مجموعة من الأجهزة والبرامج الإضافية التي تتعامل مع برمجة طيران النموذج مسبقًا. ^{[ 18 ]}

جهاز توجيه الطيران هو أداة طيران تُعرض فوق مؤشر الوضعية ، وتُظهر لقائد الطائرة الوضعية المطلوبة لتنفيذ مسار الرحلة المرغوب. ورغم أن جهاز توجيه الطيران منفصل عن نظام الطيار الآلي، إلا أنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. فمع وجود خطة طيران مُبرمجة في حاسوب الطيران ، يُصدر جهاز توجيه الطيران أوامر الدوران عند الحاجة.

بدون جهاز توجيه الطيران، يقتصر الطيار الآلي على أوضاع أكثر أساسية، مثل الحفاظ على الارتفاع أو الاتجاه، أو الانعطاف إلى اتجاه جديد عند إصدار الأوامر من قبل الطيار.

عند استخدام الطيار الآلي وموجه الطيران معًا، يصبح من الممكن تطبيق أنماط طيران آلي أكثر تعقيدًا. يستطيع الطيار الآلي اتباع أوامر موجه الطيران، وبالتالي اتباع مسار خطة الطيران دون تدخل الطيار.

يُشار أحيانًا إلى نظام الطيار الآلي بشكل عامي باسم "جورج" ^{[ 19 ]} (مثلاً: "سندع جورج يقود الطائرة لبعض الوقت"؛ "جورج يقود الطائرة الآن" ). أصل هذا اللقب غير واضح: يزعم البعض أنه إشارة إلى المخترع الأمريكي جورج دي بيسون (1897-1965)، الذي حصل على براءة اختراع للطيار الآلي في ثلاثينيات القرن العشرين، بينما يزعم آخرون أن طياري سلاح الجو الملكي البريطاني هم من صاغوا هذا المصطلح خلال الحرب العالمية الثانية ليرمزوا إلى أن طائراتهم كانت ملكًا للملك جورج السادس من الناحية الفنية . ^{[ 20 ]}

• الاختصارات والمصطلحات في إلكترونيات الطيران
• الطائرات ذاتية القيادة
• نظام الطيار الآلي غير المنقطع

• "ما هي أقصى سرعة يمكنك الطيران بها بأمان؟"، يونيو 1933، مجلة Popular Mechanics، صفحة 858، صورة لجهاز الطيار الآلي من Sperry ورسم توضيحي لوظائفه الأساسية أثناء الطيران عند ضبطه.