オートパイロット

オートパイロットは、人間のオペレーターによる継続的な手動制御を必要とせずに車両の進路を制御するために使用されるシステムです。オートパイロットは人間のオペレーターに取って代わるものではありません。代わりに、オートパイロットはオペレーターの車両の制御を支援し、オペレーターが操作のより広い側面（軌道、天候、車載システムの監視など）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、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​​されることが多いです。

自動操縦システムは口語で「ジョージ」と呼ばれることがある^[2]（例：「ジョージにしばらく飛ばしてもらおう」「ジョージが今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]。

航空の初期の頃は、安全に飛行するにはパイロットが常に注意を払う必要がありました。航空機の航続距離が伸びて長時間の飛行が可能になると、常に注意を払うことが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実行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りに頼っていたため、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払うことなく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。

有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れを実演した。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飛ばすことで、この発明の信頼性を実証した。ローレンス・スペリーの息子、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、よりコンパクトで信頼性の高い自動操縦装置をテストし、米陸軍航空隊の飛行機を3時間にわたって正確な方向と高度に保った。^[5]

1930年、イギリスの王立航空研究所は、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す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。 ^[6]

自動操縦装置はさらに開発され、例えば、制御アルゴリズムや油圧サーボ機構の改良などが行われた。無線航法補助装置などの計器を追加することで、夜間や悪天候での飛行が可能になった。1947年、米空軍の C-53は、離着陸を含む大西洋横断飛行を自動操縦装置の制御下で完全に行った。^{[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]

現在飛行している旅客機のすべてに自動操縦システムが搭載されているわけではありません。特に、古くて小型の一般航空機は、いまだに手動操縦されており、座席数が 20 未満の小型航空機でも、パイロット 2 名による短時間の飛行に使用されるため、自動操縦装置が搭載されていない場合があります。座席数が 20 を超える航空機への自動操縦装置の設置は、一般に国際航空規則によって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、単一の機能しか持たないことから、俗に「ウィング レベラー」とも呼ばれています。2 軸自動操縦装置は、ロール軸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持つウィング レベラー以上の機能はありません。または、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​​、航空機が離陸してから着陸直前まで、真の自動飛行ガイダンスを提供します。または、その機能は、これら 2 つの両極端の中間にある場合があります。 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 軸式で、一般的に飛行を地上走行、離陸、上昇、巡航 (水平飛行)、降下、進入、着陸の各段階に分けます。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、航空機を滑走路の中央に保つ) 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) Cat 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利用でき、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。航空機は通常、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 ソフトウェアを使用し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できます。

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航空機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、位置データを破損するシステム内の物理的特性 (機械式またはレーザー誘導式) によるものです。この 2 つの間の不一致は、デジタル信号処理(ほとんどの場合、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、および経度です。航空機は、必要なパフォーマンス ファクタ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パフォーマンス ファクタ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が大きくなります。DME、DME 更新、GPSなどの無線補助装置を使用して、航空機の位置を修正できます。

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 オプションとしてはあまり使用されなくなっていますが、CWS は今でも多くの航空機の機能として残っています。一般に、CWS を装備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によっ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、ロール時に一定の CWS を使用する MD-11 など、手動モードでも CWS の一種が採用されています。多くの点で、通常の法則に従う現代のエアバス 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。大きな違いは、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]

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、一般的には冗長性と信頼性を第一に考慮して設計されています。たとえば、ボーイング777で使用されているロックウェル・コリンズAFDS-770自動操縦フライトディレクターシステムは、正式に検証され、耐放射線プロセスで製造された3重の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実施されています。

一部のオートパイロットでは、設計の多様性も採用しています。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ー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、各コンピューター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た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、設計の多様性は一般的ではなくなってきています。これは、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です。スペース シャトルの飛行制御コンピューターはこの設計を採用しました。コンピューターが 5 台あり、そのうち 4 台は同一のソフトウェアを冗長的に実行し、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（SAS）は、自動飛行制御システムの別のタイプです。ただし、航空機の必要な高度または飛行経路を維持する代わりに、SASは航空機の操縦面を動かして許容できない動きを減衰させます。SASは、航空機を1つ以上の軸で自動的に安定させます。最も一般的なタイプの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。一部のヨーダンパーは自動操縦システムの一部ですが、他のヨーダンパーはスタンドアロンシステムです。^[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します。センサーは、航空機がダッチロールのヨー部分を開始することを検出します。コンピューターはセンサーからの信号を処理して、動きを減衰させるために必要なラダーの偏向を決定します。コンピューターは、動きを減らすためにラダーが動きに対抗する必要があるため、アクチュエーターにラダーを動きと反対方向に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性増強システムが搭載されています。たとえば、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、ピッチとヨーの両方の SAS ^[17]を必要とします。多くのヘリコプターには、ピッチ、ロール、ヨーの SAS システムが搭載されています。ピッチとロールの SAS システムは、上記のヨー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する代わりに、ピッチとロールの振動を減衰して、航空機全体の安定性を向上させます。

計器支援着陸は、国際民間航空機関（ICAO）によってカテゴリーに定義されています。これらは、必要な視程レベルと、パイロットの入力なしに着陸を自動的に実行でき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程（RVR）で着陸することができます。自動操縦装置は必要ありません。^[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) ～ 100 フィート (30 メートル) の決定高度と 300 メートル (980 フィート) の RVR で着陸できます。自動操縦装置にはフェイルパッシブ要件があります。

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。規定のエリア外に着陸する確率は 10 ⁻⁶未満である必要があります。

CAT IIIb – IIIa と同様ですが、着陸後の自動ロールアウト機能が追加され、パイロットが滑走路沿いの一定距離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、欧州では前方視界 250 フィート (76 メートル、航空機のサイズと比較すると 76 メートル、現在では長さが 70 メートル (230 フィート) を超えるものもあります)、米国では前方視界 300 フィート (91 メートル) で着陸できます。決定なしの着陸補助には、フェイルオペレーショナル自動操縦装置が必要です。このカテゴリには、何らか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、決定高度または視程の最小値がなく、「ゼロゼロ」とも呼ばれます。パイロットがゼロゼロ視程でタキシングする必要があるため、まだ実装されていません。自動ブレーキを装備した CAT IIIb で着陸可能な航空機は、滑走路上で完全に停止できますが、タキシング機能はありません。

フェイルパッシブ自動操縦: 障害が発生した場合、航空機は制御可能な位置に留まり、パイロットは航空機を制御してゴーアラウンドまたは着陸を完了できます。通常はデュアル チャネル システムです。

フェイルオペレーショナル自動操縦: 警戒高度以下で障害が発生した場合でも、アプローチ、フレア、着陸は自動的に完了します。通常はトリプル チャネル システムまたはデュアル デュアル システムです。

無線制御モデル、特にRC航空機やヘリコプターでは、自動操縦装置は通常、モデル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 (FD) は、航空機の操縦において非常に重要なコンポーネントです。これは、航空機の航空電子工学システム内の重要なコンポーネントと見なされています。フライト ディレクターの主な機能は、手動操縦するパイロットに視覚的なガイダンスを提供することです。手動操縦の有無にかかわらず、フライト ディレクターは、今日のすべての自動操縦システムで使用されています。フライト ディレクターをオンにすると、PFD の中央にピンク色の三角形が表示されます。これは、「十字線」と呼ばれることもあります。FD は、手動操縦するパイロットに飛行機の操縦方法と姿勢指示器の位置を指示する航空機のコンピューターです。手動操縦するパイロットが姿勢指示器をピンク色の FD 十字線に合わせると、そのパイロットは航空機のコンピューターが示す正しい飛行経路を飛行します。フライト ディレクターは、状況に応じてさまざまなものを維持するのに役立ちます。垂直速度、特定の高度、方向、および/またはナビゲーション トラッキングをすべて 1 つにまとめて維持するのに役立ちます。フライト ディレクターは、計器によるアプローチで着陸までの正確なコースを維持する必要がある場合に非常に役立ちます。フライト ディレクターは、航空機を正しいコースに配置する方法を正確に示します。フライト ディレクターは飛行面で非常に役立ちますが、非常に安全です。パイロットの認識を助け、曇りや荒天などの厳しい飛行条件で特に操縦士の作業負荷を最小限に抑えるのに役立ちます。

ウィキメディア・コモンズには、自動操縦装置に関連するメディアがあります。

• 航空電子工学における頭字語と略語
• ダイナミックポジショニング
• ジャイロコンパス
• 自動運転車
• クルーズコントロール

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• 「安全にどれだけ速く飛べるか」、1933年6月、ポピュラーメカニクス誌858ページ、スペリー自動操縦機の写真と、飛行中の基本機能の設定図