Piloto automático

Un piloto automático es un sistema que se utiliza para controlar la trayectoria de una aeronave sin requerir la intervención constante de un operador humano. El piloto automático no reemplaza a los operadores humanos, sino que los asiste, permitiéndoles concentrarse en aspectos más amplios de las operaciones (por ejemplo, monitorear la trayectoria, el clima y los sistemas a bordo). ^{[ 1 ]}

Cuando está presente, el piloto automático se suele utilizar junto con el acelerador automático , un sistema para controlar la potencia que suministran los motores.

En los inicios de la aviación, las aeronaves requerían la atención constante del piloto para volar con seguridad. A medida que aumentó la autonomía de los aviones, permitiendo vuelos de muchas horas, esta atención constante provocó una fatiga considerable. El piloto automático está diseñado para realizar algunas de las tareas del piloto.

El primer piloto automático giroscópico para aeronaves fue desarrollado por Sperry Corporation en 1912. ^{[ 2 ]} El sistema conectaba un indicador de rumbo y un indicador de actitud giroscópicos a elevadores y timón de dirección de accionamiento hidráulico . Permitía que la aeronave volara en línea recta y nivelada siguiendo un rumbo de brújula sin la atención del piloto, reduciendo considerablemente su carga de trabajo.

Lawrence Sperry , hijo del famoso inventor Elmer Sperry , lo demostró en 1914 en un concurso de seguridad aérea celebrado en París . Sperry demostró la fiabilidad del invento pilotando la aeronave con las manos alejadas de los controles y a la vista de los espectadores. Elmer Sperry Jr., hijo de Lawrence Sperry, y el capitán Shiras continuaron trabajando en el mismo piloto automático después de la guerra, y en 1930, probaron un piloto automático más compacto y fiable que mantuvo una aeronave del Cuerpo Aéreo del Ejército de los Estados Unidos en rumbo y altitud correctos durante tres horas. ^{[ 3 ]}

En 1930, el Royal Aircraft Establishment del Reino Unido desarrolló un piloto automático llamado asistente de pilotos que utilizaba un giroscopio accionado neumáticamente para mover los controles de vuelo. ^{[ 4 ]}

El piloto automático se perfeccionó, incorporando, por ejemplo, algoritmos de control mejorados y servomecanismos hidráulicos. La adición de más instrumentos, como ayudas a la radionavegación, permitió volar de noche y con mal tiempo. En 1947, un C-53 de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos realizó un vuelo transatlántico, incluyendo el despegue y el aterrizaje, completamente bajo el control de un piloto automático. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Bill Lear desarrolló su piloto automático F-5 y el sistema de control de aproximación automática, y recibió el Trofeo Collier en 1949. ^{[ 7 ]}

A principios de la década de 1920, el petrolero JA Moffet de Standard Oil se convirtió en el primer barco en utilizar un piloto automático. ^{[ 8 ]}

El Piasecki HUP-2 Retriever fue el primer helicóptero de producción con piloto automático. ^{[ 9 ]}

El piloto automático digital del módulo lunar del programa Apolo es un ejemplo temprano de un sistema de piloto automático totalmente digital en naves espaciales. ^{[ 10 ]}

No todos los aviones de pasajeros que vuelan hoy en día cuentan con un sistema de piloto automático. Los aviones de aviación general más antiguos y pequeños , en particular, todavía se pilotan manualmente, e incluso los pequeños aviones de pasajeros con menos de veinte asientos pueden carecer de piloto automático, ya que se utilizan en vuelos de corta duración con dos pilotos. La instalación de pilotos automáticos en aeronaves con más de veinte asientos suele ser obligatoria según las normas de aviación internacionales .

Los sistemas de piloto automático para aeronaves pequeñas cuentan con tres niveles de control.

• Un piloto automático de un solo eje controla una aeronave únicamente en el eje de alabeo ; estos pilotos automáticos también se conocen coloquialmente como "niveladores de alas", lo que refleja su única función.
• Un piloto automático de dos ejes controla una aeronave tanto en el eje de cabeceo como en el de alabeo, y puede ser poco más que un nivelador de alas con capacidad limitada para corregir las oscilaciones de cabeceo; o puede recibir información de los sistemas de radionavegación a bordo para proporcionar una verdadera guía de vuelo automática una vez que la aeronave ha despegado hasta poco antes del aterrizaje; o sus capacidades pueden estar en algún punto intermedio entre estos dos extremos.
• Un piloto automático de tres ejes añade control en el eje de guiñada y no es necesario en muchas aeronaves pequeñas.

Los pilotos automáticos en aeronaves modernas y complejas son de tres ejes y generalmente dividen un vuelo en fases de rodaje , despegue, ascenso, crucero (vuelo nivelado), descenso, aproximación y aterrizaje. Existen pilotos automáticos que automatizan todas estas fases de vuelo excepto el rodaje y el despegue. Una aproximación controlada por piloto automático para aterrizar en una pista y controlar la aeronave durante el rodaje (es decir, mantenerla en el centro de la pista) se conoce como Autoland, donde el piloto automático utiliza una aproximación de Sistema de Aterrizaje Instrumental (ILS) Cat IIIc, que se utiliza cuando la visibilidad es cero. Estas aproximaciones están disponibles en las pistas de muchos aeropuertos importantes hoy en día, especialmente en aeropuertos sujetos a fenómenos meteorológicos adversos como la niebla . La aeronave normalmente puede detenerse por sí sola, pero requerirá la desconexión del piloto automático para salir de la pista y rodar hasta la puerta de embarque. Un piloto automático suele ser un componente integral de un Sistema de Gestión de Vuelo .

Los pilotos automáticos modernos utilizan software informático para controlar la aeronave. El software lee la posición actual de la aeronave y, a continuación, controla un sistema de control de vuelo para guiarla. En este tipo de sistema, además de los controles de vuelo clásicos, muchos pilotos automáticos incorporan funciones de control de empuje que permiten ajustar los aceleradores para optimizar la velocidad.

El piloto automático de un avión moderno de gran tamaño suele leer su posición y actitud a partir de un sistema de guiado inercial . Estos sistemas acumulan errores con el tiempo. Incorporan sistemas de reducción de errores, como el sistema de carrusel, que gira una vez por minuto para disipar los errores en diferentes direcciones y lograr un efecto de anulación general. El error en los giroscopios se conoce como deriva. Esto se debe a propiedades físicas del sistema, ya sea mecánico o guiado por láser, que corrompen los datos de posición. Las discrepancias entre ambos se resuelven mediante el procesamiento digital de señales , generalmente con un filtro de Kalman de seis dimensiones . Las seis dimensiones suelen ser alabeo, cabeceo, guiñada, altitud , latitud y longitud . Los aviones pueden volar rutas con un factor de rendimiento requerido; por lo tanto, es necesario monitorizar la cantidad de error o el factor de rendimiento real para volar dichas rutas. Cuanto más largo sea el vuelo, mayor será la acumulación de errores en el sistema. Se pueden utilizar ayudas de radio como el DME, las actualizaciones del DME y el GPS para corregir la posición del avión.

Dirección con volante de control

Una opción intermedia entre el vuelo totalmente automatizado y el vuelo manual es el Control Wheel Steering ( CWS ). Aunque su uso como opción independiente está disminuyendo en los aviones comerciales modernos, el CWS sigue presente en muchas aeronaves actuales. Generalmente, un piloto automático equipado con CWS tiene tres posiciones: apagado, CWS y CMD. En el modo CMD (Comando), el piloto automático tiene el control total de la aeronave y recibe la información de la configuración de rumbo/altitud, la radio y las ayudas a la navegación, o el FMS (Sistema de Gestión de Vuelo). En el modo CWS, el piloto controla el piloto automático mediante comandos en el volante o la palanca de mando. Estos comandos se traducen en un rumbo y una actitud específicos, que el piloto automático mantendrá hasta que se le indique lo contrario. Esto proporciona estabilidad en cabeceo y alabeo. Algunas aeronaves emplean una forma de CWS incluso en modo manual, como el MD-11, que utiliza un CWS constante en alabeo. En muchos sentidos, una aeronave Airbus fly-by-wire moderna en modo Normal Law siempre está en modo CWS. La principal diferencia es que en este sistema las limitaciones de la aeronave están controladas por la computadora de control de vuelo , y el piloto no puede dirigir la aeronave más allá de estos límites. ^{[ 11 ]}

Un sistema de aumento de estabilidad (SAS) es otro tipo de sistema de control de vuelo automático; sin embargo, en lugar de mantener la altitud o trayectoria de vuelo requeridas para la aeronave, el SAS mueve las superficies de control para amortiguar movimientos inaceptables. El SAS estabiliza automáticamente la aeronave en uno o más ejes. El tipo más común de SAS es el amortiguador de guiñada , que se utiliza para reducir la tendencia al balanceo holandés de las aeronaves de ala en flecha. Algunos amortiguadores de guiñada forman parte del sistema de piloto automático, mientras que otros son sistemas independientes. ^{[ 13 ]}

Los amortiguadores de guiñada utilizan un sensor para detectar la velocidad de rotación de la aeronave (ya sea un giroscopio o un par de acelerómetros), ^{[ 14 ]} un ordenador/amplificador y un actuador. El sensor detecta cuándo la aeronave inicia la fase de guiñada del balanceo holandés. Un ordenador procesa la señal del sensor para determinar la deflexión del timón necesaria para amortiguar el movimiento. El ordenador le indica al actuador que mueva el timón en la dirección opuesta al movimiento, ya que el timón debe oponerse a él para reducirlo. El balanceo holandés se amortigua y la aeronave se estabiliza alrededor del eje de guiñada. Dado que el balanceo holandés es una inestabilidad inherente a todas las aeronaves de ala en flecha, la mayoría de estas aeronaves necesitan algún tipo de amortiguador de guiñada.

Hay dos tipos de amortiguador de guiñada: el amortiguador de guiñada en serie y el amortiguador de guiñada en paralelo. ^{[ 15 ]} El actuador de un amortiguador de guiñada en paralelo moverá el timón independientemente de los pedales del timón del piloto, mientras que el actuador de un amortiguador de guiñada en serie está acoplado al cuadrante de control del timón y producirá un movimiento de los pedales cuando se mueva el timón.

Algunas aeronaves cuentan con sistemas de aumento de estabilidad que las estabilizan en más de un eje. El Boeing B-52 , por ejemplo, requiere sistemas SAS de cabeceo y guiñada ^{[ 16 ]} para proporcionar una plataforma de bombardeo estable. Muchos helicópteros cuentan con sistemas SAS de cabeceo, alabeo y guiñada. Los sistemas SAS de cabeceo y alabeo funcionan de manera muy similar al amortiguador de guiñada descrito anteriormente; sin embargo, en lugar de amortiguar el balanceo holandés, amortiguan las oscilaciones de cabeceo y alabeo para mejorar la estabilidad general de la aeronave.

La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) clasifica los aterrizajes asistidos por instrumentos en diferentes categorías . Estas categorías dependen del nivel de visibilidad requerido y del grado en que el aterrizaje pueda realizarse automáticamente sin intervención del piloto.

• CAT I – Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión de 200 pies (61 m) y una visibilidad frontal o alcance visual en pista (RVR) de 550 metros (1800 pies) . No se requieren pilotos automáticos. ^{[ 17 ]}  
• CAT II : Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión entre 200 pies (61 m) y 100 pies (30 m) y un RVR de 300 metros (980 pies) . Los pilotos automáticos tienen un requisito de funcionamiento pasivo en caso de fallo.   
• CAT IIIa : Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión de tan solo 15 metros (50 pies) y un alcance visual en pista (RVR) de 200 metros (660 pies) . Requiere un piloto automático con capacidad de detección de fallos. La probabilidad de aterrizar fuera del área prescrita debe ser de tan solo ^{10⁻⁶ .}  
• CAT IIIb – Igual que la IIIa, pero con la adición de rodaje automático después del aterrizaje incorporado con el piloto tomando el control a cierta distancia a lo largo de la pista. Esta categoría permite a los pilotos aterrizar con una altura de decisión menor a 50 pies o sin altura de decisión y una visibilidad frontal de 250 pies (76 m) en Europa (76 metros, compárese esto con el tamaño de las aeronaves, algunas de las cuales ahora superan los 70 metros (230 pies) de largo) o 300 pies (91 m) en los Estados Unidos. Para un aterrizaje sin ayuda a la decisión, se necesita un piloto automático operativo en caso de fallo. Para esta categoría se necesita algún tipo de sistema de guía de pista: al menos pasivo en caso de fallo, pero debe ser operativo en caso de fallo para aterrizajes sin altura de decisión o para RVR inferior a 100 metros (330 pies) .    
• CAT IIIc – Igual que la CAT IIIb, pero sin altura de decisión ni mínimos de visibilidad, también conocida como "visibilidad cero-cero". Aún no se ha implementado, ya que requeriría que los pilotos rodaran en condiciones de visibilidad cero-cero. Una aeronave capaz de aterrizar en una CAT IIIb y equipada con frenado automático podría detenerse completamente en la pista, pero no podría rodar.

Piloto automático pasivo ante fallos: en caso de fallo, la aeronave permanece en una posición controlable y el piloto puede retomar el control para abortar el aterrizaje o finalizarlo. Generalmente es un sistema de doble canal.

Piloto automático de funcionamiento en caso de fallo: si la altitud de seguridad cae por debajo de la altura de alerta, la aproximación, el aterrizaje y la maniobra de planeo pueden completarse automáticamente. Generalmente se trata de un sistema de triple canal o de doble canal.

En el modelismo radiocontrolado , y especialmente en aviones y helicópteros RC , un piloto automático suele ser un conjunto de hardware y software adicionales que se encargan de preprogramar el vuelo del modelo. ^{[ 18 ]}

El director de vuelo (FD) es un instrumento de vuelo superpuesto al indicador de actitud que muestra al piloto la actitud necesaria para ejecutar la trayectoria de vuelo deseada. Si bien el director de vuelo es independiente del piloto automático, ambos están estrechamente vinculados. Con un plan de vuelo programado en la computadora de vuelo , el director de vuelo ordena los alabeos cuando se requieren giros.

Sin un director de vuelo, el piloto automático se limita a modos más básicos, como mantener una altitud o un rumbo, o cambiar de rumbo cuando el piloto lo ordene.

Cuando se utilizan conjuntamente el piloto automático y el director de vuelo, se posibilitan modos de piloto automático más complejos. El piloto automático puede seguir las órdenes del director de vuelo, cumpliendo así la ruta del plan de vuelo sin intervención del piloto.

A veces, un sistema de piloto automático se denomina coloquialmente "George" ^{[ 19 ]} (por ejemplo , "dejaremos que George vuele un rato"; "George está pilotando el avión ahora" ). La etimología del apodo no está clara: algunos afirman que es una referencia al inventor estadounidense George De Beeson (1897-1965), quien patentó un piloto automático en la década de 1930, mientras que otros afirman que los pilotos de la Real Fuerza Aérea acuñaron el término durante la Segunda Guerra Mundial para simbolizar que sus aeronaves pertenecían técnicamente al rey Jorge VI . ^{[ 20 ]}

• Acrónimos y abreviaturas en aviónica
• aeronaves autónomas
• Piloto automático ininterrumpible

• "¿A qué velocidad se puede volar con seguridad?", junio de 1933, Popular Mechanics, página 858, foto del piloto automático Sperry y dibujo de sus funciones básicas en vuelo cuando está configurado.