Componentes do piloto automático

A maioria dos sistemas de piloto automático consiste em quatro componentes básicos, além de vários interruptores e unidades auxiliares. Os quatro componentes básicos são: elementos sensores, elementos de computação, elementos de saída e elementos de comando. Muitos sistemas avançados de piloto automático contêm um quinto elemento: feedback ou acompanhamento. Isso se refere aos sinais enviados à medida que as correções estão sendo feitas pelos elementos de saída para avisar o piloto automático do progresso que está sendo feito.

Elementos Sensores 

Os giroscópios de atitude e direcional, o coordenador de curva e um controle de altitude são os elementos de detecção do piloto automático. Essas unidades detectam os movimentos da aeronave. Eles geram sinais elétricos que são usados ​​pelo piloto automático para tomar automaticamente a ação corretiva necessária para manter a aeronave voando conforme o planejado. Os giroscópios de detecção podem ser localizados nos instrumentos montados na cabine. Eles também podem ser montados remotamente. Sensores giroscópicos remotos acionam as telas de servo no painel da cabine, bem como fornecem os sinais de entrada para o computador do piloto automático.

Pilotos automáticos digitais modernos podem usar uma variedade de sensores diferentes. Os giroscópios MEMS podem ser usados ​​ou acompanhados do uso de acelerômetros e magnetômetros de estado sólido. Sistemas baseados em taxa podem não usar giroscópios. Vários sensores de entrada podem estar localizados na mesma unidade ou em unidades separadas que transferem informações via barramento de dados digital. As informações de navegação também são integradas via conexão de barramento de dados digital para computadores aviônicos.

Computador e amplificador 

O elemento de computação de um piloto automático pode ser analógico ou digital. Sua função é interpretar os dados do elemento sensor, integrar comandos e entrada de navegação e enviar sinais aos elementos de saída para mover os controles de voo conforme necessário para controlar a aeronave. Um amplificador é usado para fortalecer o sinal para processamento, se necessário, e para uso pelos dispositivos de saída, como servomotores. O amplificador e os circuitos associados são o computador de um sistema de piloto automático analógico. As informações são tratadas em canais correspondentes ao eixo de controle para o qual os sinais se destinam (ou seja, canal de inclinação, canal de rotação ou canal de guinada). Os sistemas digitais usam tecnologia de computador de microprocessador de estado sólido e normalmente apenas amplificam os sinais enviados para os elementos de saída. 

Elementos de saída 

Os elementos de saída de um sistema de piloto automático são os servos que causam a atuação das superfícies de controle de voo. São dispositivos independentes para cada um dos canais de controle que se integram ao sistema regular de controle de voo. Os projetos dos servos do piloto automático variam muito, dependendo do método de atuação dos controles de voo. Os sistemas acionados por cabo normalmente utilizam servomotores elétricos ou servos eletropneumáticos. Os sistemas de controle de voo acionados hidraulicamente usam servos de piloto automático eletro-hidráulicos. Aeronaves digitais fly-by-wire utilizam os mesmos atuadores para realizar manobras manuais e de piloto automático. Quando o piloto automático está acionado, os atuadores respondem aos comandos do piloto automático e não exclusivamente do piloto. Independentemente disso, os servos do piloto automático devem permitir o movimento desimpedido da superfície de controle quando o piloto automático não estiver operando.

Aeronaves com superfícies de controle acionadas por cabo usam dois tipos básicos de servos operados por motor elétrico. Em um deles, um motor é conectado ao eixo de saída do servo por meio de engrenagens de redução. O motor inicia, para e inverte a direção em resposta aos comandos do computador do piloto automático. O outro tipo de servo elétrico usa um motor em funcionamento constante, voltado para o eixo de saída por meio de duas embreagens magnéticas. As embreagens são dispostas de modo que a energização de uma embreagem transmita o torque do motor para girar o eixo de saída em uma direção; energizar a outra embreagem gira o eixo na direção oposta. Servos eletropneumáticos também podem ser usados ​​para acionar controles de voo por cabo em alguns sistemas de piloto automático. Eles são controlados por sinais elétricos do amplificador do piloto automático e acionados por uma fonte de pressão de ar apropriada. A fonte pode ser uma bomba de sistema de vácuo ou ar de sangria de motor de turbina. Cada servo consiste em um conjunto de válvula eletromagnética e um conjunto de ligação de saída.

Aeronaves com sistemas de controle de voo acionados hidraulicamente possuem servos de piloto automático que são eletro-hidráulicos. São válvulas de controle que direcionam a pressão do fluido conforme necessário para mover as superfícies de controle por meio dos atuadores da superfície de controle. Eles são alimentados por sinais do computador do piloto automático. Quando o piloto automático não está acionado, os servos permitem que o fluido hidráulico flua sem restrições no sistema de controle de voo para operação normal. As servoválvulas podem incorporar transdutores de feedback para atualizar o piloto automático de progresso durante a correção de erros.

Elementos de Comando 

A unidade de comando, chamada de controlador de voo, é a interface humana do piloto automático. Ele permite que o piloto diga ao piloto automático o que fazer. Os controladores de voo variam de acordo com a complexidade do sistema de piloto automático. Ao pressionar os botões de função desejados, o piloto faz com que o controlador envie sinais de instrução para o computador do piloto automático, habilitando-o a ativar os servos adequados para realizar o(s) comando(s). Voo nivelado, subidas, descidas, virar para um rumo ou voar um rumo desejado são algumas das opções disponíveis na maioria dos pilotos automáticos. Muitas aeronaves fazem uso de uma infinidade de auxílios à navegação por rádio. Eles podem ser selecionados para emitir comandos diretamente para o computador do piloto automático.

Além de uma chave liga/desliga no controlador do piloto automático, a maioria dos pilotos automáticos tem uma chave de desconexão localizada no(s) volante(s) de controle. Este interruptor, operado pela pressão do polegar, pode ser usado para desengatar o sistema de piloto automático caso ocorra um mau funcionamento no sistema ou a qualquer momento que o piloto deseje assumir o controle manual da aeronave.

Elemento de feedback ou acompanhamento 

À medida que um piloto automático manobra os controles de voo para atingir a atitude de voo desejada, ele deve reduzir a correção da superfície de controle, pois a atitude desejada é quase alcançada, de modo que os controles e a aeronave param no curso. Sem isso, o sistema se corrigiria continuamente. A deflexão da superfície ocorreria até que a atitude desejada fosse alcançada. Mas o movimento ainda ocorreria quando a(s) superfície(s) retornasse(m) à posição anterior ao erro. O sensor de atitude detectaria novamente um erro e iniciaria o processo de correção novamente. Vários feedback elétrico, ou sinais de acompanhamento, são gerados para reduzir progressivamente a mensagem de erro no piloto automático, de modo que a sobrecorreção contínua não ocorra. Isso normalmente é feito com transdutores nos atuadores de superfície ou nas unidades servo do piloto automático.

Um sistema de taxa recebe sinais de erro de um giroscópio de taxa que são de uma certa polaridade e magnitude que fazem com que as superfícies de controle sejam movidas. À medida que as superfícies de controle neutralizam o erro e se movem para corrigi-lo, sinais de acompanhamento de polaridade oposta e magnitude crescente contrariam o sinal de erro até que a atitude correta da aeronave seja restaurada. Um sistema de acompanhamento de deslocamento usa pickups de superfície de controle para cancelar a mensagem de erro quando a superfície foi movida para a posição correta.

Funções do piloto automático 

A seguinte descrição do sistema de piloto automático é apresentada para mostrar a função de um piloto automático analógico simples. A maioria dos pilotos automáticos é muito mais sofisticada; no entanto, muitos dos fundamentos operacionais são semelhantes.  

O sistema de piloto automático voa a aeronave usando sinais elétricos desenvolvidos em unidades de giro-sensor. Essas unidades são conectadas a instrumentos de voo que indicam direção, taxa de curva, inclinação ou inclinação. Se a atitude de voo ou direção magnética for alterada, os sinais elétricos são desenvolvidos nos giroscópios. Esses sinais são enviados para o computador/amplificador do piloto automático e são usados ​​para controlar a operação das unidades servo.

Um servo para cada um dos três canais de controle converte sinais elétricos em força mecânica, que move a superfície de controle em resposta a sinais corretivos ou comandos do piloto. O canal do leme recebe dois sinais que determinam quando e quanto o leme se move. O primeiro sinal é um sinal de curso derivado de um sistema de bússola. Enquanto a aeronave permanecer na direção magnética em que estava quando o piloto automático foi ativado, nenhum sinal será desenvolvido. Mas, qualquer desvio faz com que o sistema de bússola envie um sinal ao canal do leme proporcional ao deslocamento angular da aeronave a partir do rumo predefinido.

O segundo sinal recebido pelo canal do leme é o sinal de taxa que fornece informações sempre que a aeronave está girando em torno do eixo vertical. Esta informação é fornecida pelo giroscópio indicador de curva e inclinação. Quando a aeronave tenta sair do curso, o giroscópio de taxa desenvolve um sinal proporcional à taxa de giro, e o giroscópio de curso desenvolve um sinal proporcional à quantidade de deslocamento. Os dois sinais são enviados para o canal do leme do amplificador, onde são combinados e sua força é aumentada. O sinal amplificado é então enviado para o servo do leme. O servo gira o leme na direção correta para retornar a aeronave ao rumo magnético selecionado.

À medida que a superfície do leme se move, é desenvolvido um sinal de acompanhamento que se opõe ao sinal de entrada. Quando os dois sinais são iguais em magnitude, o servo para de se mover. À medida que a aeronave chega ao curso, o sinal de curso atinge um valor zero e o leme é retornado à posição de aerodinâmica pelo sinal de acompanhamento.

O canal de aileron recebe seu sinal de entrada de um transmissor localizado no indicador giroscópio. Qualquer movimento da aeronave em torno de seu eixo longitudinal faz com que a unidade sensora giroscópica desenvolva um sinal para corrigir o movimento. Este sinal é amplificado, detectado em fase e enviado para o servo do aileron, que move as superfícies de controle do aileron para corrigir o erro. À medida que as superfícies do aileron se movem, um sinal de acompanhamento se acumula em oposição ao sinal de entrada. Quando os dois sinais são iguais em magnitude, o servo para de se mover. Como os ailerons são deslocados da linha de corrente, a aeronave agora começa a se mover de volta para o vôo nivelado com o sinal de entrada se tornando menor e o sinal de acompanhamento conduzindo as superfícies de controle de volta para a posição da linha de corrente. Quando a aeronave retornar à atitude de rolagem de voo nivelado, o sinal de entrada é novamente zero. Ao mesmo tempo, as superfícies de controle são simplificadas e o sinal de acompanhamento é zero.

Os circuitos do canal do profundor são semelhantes aos do canal do aileron, com a exceção de que o canal do profundor detecta e corrige as mudanças na atitude de arfagem da aeronave. Para controle de altitude, é usada uma unidade montada remotamente contendo um diafragma de pressão de altitude. Semelhante aos giroscópios de atitude e direcionais, a unidade de altitude gera sinais de erro quando a aeronave se move de uma altitude pré-selecionada. Isso é conhecido como uma função de retenção de altitude. Os sinais controlam os servos de pitch, que se movem para corrigir o erro. Uma função de seleção de altitude faz com que os sinais sejam enviados continuamente para os servos de inclinação até que uma altitude pré-selecionada seja alcançada. A aeronave então mantém a altitude pré-selecionada usando sinais de espera de altitude.

Amortecimento de guinada 

Muitas aeronaves tendem a oscilar em torno de seu eixo vertical enquanto voam em uma direção fixa. A entrada quase contínua do leme é necessária para neutralizar esse efeito. Um amortecedor de guinada é usado para corrigir esse movimento. Pode fazer parte de um sistema de piloto automático ou de uma unidade completamente independente. Um amortecedor de guinada recebe sinais de erro do giroscópio de taxa do coordenador de curva. O movimento de guinada oscilante é neutralizado pelo movimento do leme, que é feito automaticamente pelo(s) servo(s) do leme em resposta à polaridade e magnitude do sinal de erro.