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姿勢指示器（AI ）は、ジャイロ水平儀または人工水平儀とも呼ばれ、地球の水平線に対する航空機の向きをパイロットに知らせ、わずかな向きの変化も即座に知らせる飛行計器です。ミニチュアの航空機と水平線バーは、実際の水平線に対する航空機の関係を模倣しています。[ 1 ] [ 2 ]これは、計器気象条件下での飛行における主要な計器です。[ 3 ] [ 4 ]
角度は常に度（°）単位でユーザーに提示されます。ただし、センサー、データ、計算などの内部処理では、度とラジアンが混在して使用される場合があります。これは、科学者やエンジニアがラジアンでの作業を好む場合があるためです。
航空技術の出現以前は、天体航法に人工水平儀が使用されていました。ジャイロスコープやコマに基づいたそのような装置の提案は、ジョン・サーソンの研究を含め、1740年代にまで遡ります[ 5 ]。
もう一つ注目すべき進展は1785年に起こった。イギリスの数学者でラティマー慈善学校の校長であったジョン・アダムズが、 「陸上で使用するための人工水平器」の発明により、王立芸術・製造・商業振興協会から銀メダルを授与されたのである。 [ 6 ]アダムズは協会宛ての手紙と歴史的記述の中で、1764年にサイフォン式円形水準器を入手し、1778年までにロンドンの計器製造業者ピーター・ドロンドに緯度と経度を計算するために応用できる方法を提案した経緯を詳しく説明している。[ 7 ]
後に実装されたものは、バブルホライズンとも呼ばれ、気泡レベルに基づいており、六分儀に取り付けられていた。[ 8 ] 2010年代には、液体水銀を使用した人工水平儀の残骸がHMSエレバスの残骸から回収された。[ 9 ]
AIの主要構成要素には、水平線に対して飛行しているように見えるように取り付けられた象徴的なミニチュア航空機が含まれます。パイロットの視線を考慮するための調整ノブは、航空機を上下に動かして水平線バーに合わせます。計器の上半分は空を表す青色で、下半分は地面を表す茶色です。上部のバンクインデックスは、航空機のバンク角を示します。中央の基準線は、水平線に対するピッチ（上または下）の度合いを示します。[ 2 ] [ 1 ]
ロシア製の航空機のほとんどは、やや異なる設計になっている。背景表示は西側の計器と同様に色付けされているが、上下に動くのはピッチを示すためだけである。航空機を表すシンボル（西側の計器では固定されている）は、バンク角を示すために左右に回転する。[ 10 ]西側とロシアのシステムを組み合わせたハイブリッド版はより直感的であるが、普及していない。[ 11 ]
AIの中核は、電気モーターまたは周囲に配置されたローターベーンに空気の流れを押し付ける作用によって高速回転するジャイロスコープ（ジャイロ）です。空気の流れは、真空ポンプまたはベンチュリによって駆動される真空システムによって供給されます。ベンチュリの最も狭い部分を通過する空気は、ベルヌーイの原理により空気圧が低くなります。ジャイロはダブルジンバルに取り付けられており、ジャイロが垂直に直立したまま航空機がピッチングおよびロールすることができます。重力によって作動する自己直立機構は、ベアリング摩擦による歳差運動を打ち消します。航空機エンジンが最初に始動されてから、直立機構がジャイロを垂直に直立位置に戻すまで数分かかる場合があります。[ 2 ] [ 1 ] [ 12 ]
姿勢指示器には、計器を重力の方向に対して水平に保つ機構があります。[ 13 ]計器は、加速、減速、旋回が長時間続く場合、または長距離飛行中に地球が飛行機の下で湾曲するため、ピッチまたはバンクに小さな誤差が生じる可能性があります。最初は、底部にわずかに重りが付いていることが多く、航空機が地面に静止しているときに水平に吊り下げられ、したがって始動時にも水平になります。しかし、始動すると、底部の振り子状の重りは、水平でない場合に水平に引っ張ることはなく、代わりにその引っ張りによってジャイロが歳差運動を起こします。動作中にジャイロが非常にゆっくりと重力の方向に向きを変えることができるように、一般的な真空駆動ジャイロには、空気穴を部分的に覆うローターケーシング上の小さな振り子があります。ジャイロが重力の方向に対して水平でない場合、振り子は重力の方向に揺れ、穴を露出または覆い、穴から空気が噴出するのを許可または阻止し、それによって小さな力を加えてジャイロを重力の方向に向けます。電動ジャイロは、同様の効果を得るために異なるメカニズムを備えている場合があります。[ 14 ]
旧型のAIは、許容できるピッチやロールの量に制限がありました。これらの制限を超えると、ジャイロハウジングがジンバルに接触して歳差運動力が発生し、ジャイロが回転してしまいます。これを防ぐには、ピッチが60°を超え、ロールが100°を超えた場合にジャイロをロックするケージング機構が必要でした。最新のAIにはこの制限がないため、ケージング機構は必要ありません。[ 2 ] [ 1 ]
姿勢指示器は大抵の誤差はありませんが、姿勢制御システムの作動速度によっては、急加速時にはわずかに機首が上がった状態を示し、急減速時には機首が下がった状態を示す場合があります。また、180°旋回後には、わずかなバンク角とピッチ角の誤差が生じる可能性もあります。これらの固有の誤差は小さく、水平飛行に戻ってから1分程度で自然に修正されます。[ 1 ]
有人宇宙船でも姿勢指示器が使用され、フライトディレクター姿勢指示器（FDAI）と呼ばれ、慣性計測装置（IMU）からの固定空間慣性基準座標系に対する宇宙船のヨー角（機首が左または右）、ピッチ（機首が上または下）、ロール、および軌道を示します。 [ 15 ] FDAIは、地球または恒星に対する既知の位置を使用するように構成できるため、エンジニア、科学者、宇宙飛行士は宇宙船の相対位置、姿勢、および軌道を通信できます。[ 16 ] [ 17 ]
姿勢方位基準システム（AHRS）は、リングレーザージャイロスコープに基づいて3軸情報を提供することができ、その情報は「グラスコックピット」のプライマリーフライトディスプレイ（PFD ）など、航空機内の複数のデバイスと共有できます。回転ジャイロスコープを使用する代わりに、最新のAHRSはソリッドステートエレクトロニクス、低コストの慣性センサー、レートジャイロ、および磁力計を使用します。[ 2 ]： 8–20 [ 1 ]： 5–22
ほとんどのAHRSシステムでは、航空機の姿勢指示器が故障した場合、計器盤の中央にスタンバイ姿勢指示器が配置されており、対気速度計や高度計などの他のスタンバイ基本計器もそこにあります。これらのほとんどが機械式のスタンバイ計器は、電子式飛行計器が故障しても使用可能なままですが、スタンバイ姿勢指示器は電気駆動式の場合があり、電源が切れると短時間で故障します。[ 18 ]
姿勢方向指示器（ADI）、または飛行方向指示器（FDI）は、飛行方向指示システム（FDS）に統合されたAIです。ADIは、AHRSなどの航法システムから情報を受け取り、その情報を処理して、パイロットに目的の飛行経路を維持するための3次元飛行軌道キューを提供するコンピュータを内蔵しています。キューはV字型の操舵バーの形をとります。航空機はデルタ記号で表され、パイロットはデルタ記号がV字型の操舵バー内に収まるように航空機を操縦します。[ 1 ]： 5-23、5-24
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