Редактор Geektimes
39,2
рейтинг
19 января в 11:54

Краткая история автопилота

Автопилот – это устройство или программно-аппаратный комплекс, который может вести вверенное ему транспортное средство по заданной траектории. История автопилота началась с поддержания определённого курса полёта, но со временем развитие технологии позволило сделать самолёты, которые могут сами садиться и взлетать, поезда, которые ездят без участия машиниста, и робоавтомобили, которые уже скоро могут стать обычным делом на дорогах общего пользования.

image
Кадр из фильма «Аэроплан»

Летательные аппараты


Первая разработка в области автоматизации управления самолётом была сделана в США в 1912 году компанией Sperry Corporation. Автопилот помогал автоматически удерживать курс полёта и стабилизировать крен. Гидравлический привод с блоком, получающий сигналы от гирокопаса и высотомера, был связан с рулями высоты и управления. Устройство назвали «гироскопическим стабилизирующим аппаратом», его впервые установили на самолёт Curtiss C-2 и показали на выставке во Франции 18 июня 1914 года.

В рамках демонстрации во время полёта оба пилота вылезли на крылья самолёта, чтобы показать способность летательного аппарата и продолжать полёт без ручного управления.



В СССР к теме автопилотов проявлялся большой интерес, о чём говорит издание «Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты. Сборник статей». В книгу вошли переведённые статьи «Общая теория автоматического регулирования», «Автопилот Сименса для самолетов», «Гиропилот Сперри» и другие, описаны принципы автоматического пилотирования и конструкции автопилотов. Ознакомиться с книгой можно на одном известном ресурсе, который уже второй месяц пытаются заблокировать на территории России.

Применение автопилота необходимо не только для того, чтобы снизить нагрузку на живого человека во время управления, но и для управления торпедами и ракетами, когда пилота внутри них нет и не может быть (исключение есть — тип японских торпед под названием кайтэн, которыми управляли смертники).

image

В 1947 году американский военно-транспортный самолёт Douglas C-54 Skymaster, построенный на базе пассажирского DC-4, перелетел через Атлантический океан под управлением автопилота. И взлёт, и посадка были осуществлены в автоматическом режиме.

image
Douglas C-54

Смысл автопилота состоит в том, чтобы система поддерживала правильную ориентацию аппарата. В случае с самолётом ориентация в пространстве определяется тремя углами. Это угол тангажа — угол между продольной осью летательного аппарата и горизонтальной плоскостью, угол рыскания — угол поворота корпуса в горизонтальной плоскости, и угол крена — он возникает при повороте самолёта вокруг продольной оси.

Для сохранения ориентации необходимо её определить, и в этом помог гироскоп. Американский лётчик Элмер Сперри использовал его, чтобы сначала просто стабилизировать самолёт, а затем и создать автопилот в начале 1920-х годов. Если первый автопилот мог сохранять заданный режим полёта, то последующие системы управляли рулями и двигателями самолёта и могли не только летать без участия лётчика, но и взлетать и садиться.

imageimage
Тангаж, рыскание и крен

Отличный пример раннего автопилота — немецкая баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2», которую в конце Второй мировой войны принял на вооружение Вермахт. Ракета взлетала вертикально, после чего в действие вступала автономная гироскопическая система управления.

image

Но чрезмерное увлечение автопилотом привело к тому, что пилоты гражданской авиации в США стали допускать ошибки при ручном управлении. Они слишком полагаются на автоматику, и в результате исследований показывают неудовлетворительные результаты проверки лётных навыков. Это приводит к человеческим жертвам. Похожая проблема с автоматикой есть у офицеров военных кораблей флота США, они применяют GPS, но мало кто из курсантов умеет обращаться с секстантом.

И, конечно, существует огромное количество мультикоптеров и дронов других типов, которые способны работать как под управлением оператора-пилота, так и самостоятельно и при взаимодействии с другими аппаратами.



Рельсовый транспорт


В 1967 году в столице Великобритании открыли линию Лондон Виктория. Это была первая линия, на которой поезда управлялись с помощью системы Automatic Train Operation. После этого технологию ATO развивают, чтобы поезда могли ездить абсолютно без участия живых водителей в кабине или сотрудников на борту.

image
Королева Елизавета в поезде на линии Лондон Виктория, 1969 год

Разделяют четыре уровня «развитости» автоматизированных систем для рельсового транспорта. Одна из самых простых систем — это ATO в лондонской подземке, а самая сложная — в метро Копенгагена, где поезда движутся постоянно без водителей, сами открывают и закрывают двери, оперативно реагируют в экстренных случаях на, например, людей на рельсах. Кабины машиниста нет вовсе, и пассажиры наблюдают за движением через лобовое стекло. В центре управления работают всего пять операторов в смену, которые могут вмешаться в работу в экстренной ситуации, но по большей части контролируют работоспособность систем. Автоматика позволила перейти на круглосуточный режим работы, и метрополитен закрывается на одну ночь шесть раз в год для проведения капитального ремонта.

image

В 2016 году в Москве запустят три автоматических поезда на Кольцевой линии метро. Система будет отправлять поезда со станции после закрытия машинистами дверей и вести поезд по перегону с соблюдением графика. Важно при этом обеспечить безопасность не только пассажиров, но и людей, которые незаконно проникают в тоннели московского метро — за год происходит около восьмисот таких случаев, хотя благодаря введению интеллектуальной системы защиты, отслеживающих посторонних, количество таких случаев снижается. В любом случае в кабине будет нужен живой машинист.

Автомобили


Трендом нескольких лет подряд являются беспилотные автомобили. Началось всё гораздо раньше, с создания первого круиз-контроля, который также называют «автоспид» и «автодрайв». Всё, что он делает — это поддерживает постоянную скорость автомобиля, прибавляя газ при снижении скорости и уменьшая при увеличении, самостоятельно подтормаживает на спусках. Такие системы массово начали ставить на автомобили в 1970-х годах в США — благодаря наличию в стране длинных автомагистралей.

Изобрели их раньше — в 1940-1950-е годы в тех же штатах, компания American Motors. Их блок управления скоростью был предназначен для крупных авто с автоматической коробкой передач. В России впервые подобной системой оснастили ГАЗ-21 в 1956 году. «Ручной газ» работал так: во время движения нужно было вытянуть рукоятку, после чего можно убирать ногу с педали газа.

image

Адаптивный круиз-контроль поддерживает переменную скорость движения, подстраиваясь под среднюю скорость в потоке и постоянно соблюдая дистанцию между автомобилем и впереди идущим транспотным средством. Впервые эти системы стали ставить в конце 1990-х Mercedes-Benz, BMW и Toyota. Для адаптивной системы необходимо наличие исправных ABS и ESP, иначе система не будет работать.

Многие компании сейчас продолжают улучшать существующие технологии с целью сделать полностью автономные автомобили. В 2011 году Google пролоббировала закон штата Невада для того, чтобы на дорогах общего пользования можно было использовать беспилотные автомобили. В мае 2012 компания получила лицензию на беспилотники в Неваде, а в сентябре того же года власти Калифорнии легализовали авто с функцией автопилота. Подобные автомобили в теории способны сэкономить сотни миллиардов долларов в год, но не все видят в беспилотных автомобилях будущее — например, глава сервиса заказа такси Lyft от такого будущего открещивается.

В декабре 2014 года Google представила первую готовую версию автомобиля. До этого компания показывала макет с неработающими фарами. В Google уверены, что робомобили появятся на дорогах уже через два-пять лет.

image

Кроме Google над беспилотными автомобилями работает ряд крупных автопроизводителей. Например администрация шведского Гётеборга заказала у Volvo Cars сотню беспилотных автомобилей к 2017 году на сумму 56,3 миллиона евро. Беспилотные такси в стране планируют запустить власти Японии. Nissan хочет начать продажи беспилотных авто к 2020 году. Прототипы уже есть у Audi и Toyota, Tesla уже внедрила функцию автопилота в Model S, а Ford начал учить свои автомобили ездить в снегопад без участия водителя.

Для проверки ориентации автомобиля в пространстве, соблюдения знаков и определения участников дорожного движения автономный автомобиль использует массу поступающей информации. Это данные с установленного лидара — у Ford их сразу четыре, информация с камер и различных датчиков. Компьютер для автономных автомобилей разработала Nvidia.

image

Компании BMW, Honda, Volkswagen, Tesla и GM работают совместно с Mobileye — эта версия автопилота использует мобильный интернет и сенсоры, которые уже установлены на многих автомобилях. Mobileye разрабатывает системы безопасности для предотвращения столкновений. Осталось только научить беспилотные автомобили решать этические вопросы — например, как вести себя, когда авария с человеческими жертвами неизбежна, кем при этом нужно пожертвовать.

Над беспилотным грузовиком, способным передвигаться по российским дорогам и преодолевать, предварительно распознавая, неожиданные проломы и пробоины в асфальте сейчас работает «Камаз». В то время как с легковыми авто работают множество автопроизводителей, грузовиками занимаются единицы.

image

Так работает функция «Summon» в автомобиле Tesla Model S. Интересно, насколько удобно при развитии технологии в будущем в зоне погрузки Ikea «призвать» автомобиль, чтобы загрузить в него покупки.

Иван Сычев @ivansychev
карма
61,7
рейтинг 39,2
Редактор Geektimes
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (14)

  • +1
    Надо «Горячие головы» пересмотреть.
  • +2
    Кадр из фильма «Горячие головы»

    Вообще-то это кадр из Аэроплана
    • 0
      Спасибо за поправку.
  • +5
    Королева Виктория в поезде на линии Лондон Виктория, 1969 год

    Королева Виктория скончалась в 1901 г.
    • +2
      Елизавета
      • –1
        Спасибо за комментарий!
  • 0
    Очень жаль, что в разделе про рельсовый транспорт не были упомянуты современные УСАВП/ИСАВП (которым, насколько мне известно, аналогов в мире нет) и метрополитеновские КСАУП и ПА-КСД, которые, между прочим, применяются и сейчас. И была еще гора исторических систем.
    • +1
      Стоит отдельную статью об этом написать. Есть это в планах.
  • +1
    Возможно, стоило бы написать в ЛС, но все же:

    >>Curtiss C-2 компании Sperry Corporation

    Тут некоторая путаница с названиями. На фото Кертисс и даже немного Ц-2, но не тот, хоть и тоже примечательный. Это N2C-2, один из первых американских беспилотников (управлялся по радио, планировался к применению в разных модификациях, как летающая мишень и носитель заряда в ~500 кг), летавший в 30-х годах. А эксперименты 1914 года делались на вот такой симпатичной этажерочке:

    image
    • –1
      Спасибо за комментарий.
  • +1
    Смысл автопилота состоит в том, чтобы система поддерживала правильную ориентацию аппарата. В случае с самолётом ориентация в пространстве определяется тремя углами.
    Смысл автопилота в том, чтобы поддерживать заданный режим полета. Ориентация в данном случае — вопрос несколько десятый, грубо говоря, могут задаваться курс, высота и горизонтальная (приборная и число М)/вертикальная скорости. Самолету, в общем-то совершенно необязательно быть сориентированным «носом по направлению движения» и система поддерживает именно курс-высоту-скорость, а ориентацию и изменение тяги двигателей она как раз для этого поддержания использует. Если быть более точным, то в случае современных АБСУ имеется множество режимов, которые можно задавать — в принципе, можно задать и «удержание тангажа-крена», но это не единственный и не основной режим.

    и могли не только летать без участия лётчика, но и взлетать и садиться.
    Тут нужно указать, что взлет и посадка эта хоть и автоматическая, но не автономная. Возможность автоленда зависит не только от автопилота, но и установленного на аэродроме оборудования для обеспечения посадки.
  • 0
    Самолёты сегодня осуществляют взлёт и посадку в автоматическом или ручном режиме?
    Если в автоматическом, то какие авиакомпании и/или какие модели самолётов это умеют?
    • +1
      Прошу прощения, с планшета ответил, промазал с местом комментария :) Ответ на Ваш вопрос, geektimes.ru/post/269106/#comment_8951188
  • +1
    «Умеют» самолеты, авиакомпании «разрешают». Подавляющее большинство (навскидку >97%) пассажиских/грузовых лайнеров сегодня может осуществлять весь полет, включая взлет и посадку, с использованием автоматики.
    С очень большой вероятностью и взлет, и посадка осуществляются в полностью автоматическом режиме под контролем пилотов. При этом их скиллы, к сожалению, падают, что препятствует быстрому и грамотному принятию решений при развитии аварийных ситуаций (как выход — регулярные занятия на тренажерах с отработкой соответствующих упражнений).
    Использование автоматики и полуавтоматического взлета/посадки запрещено нормами ИКАО:
    при сложных метеоусловиях (в руководствах по летной эксплуатации указываются для каждого конкретного самолета критерии, при которых он может садиться и взлетать полностью на автомате или контроллировать отдельные процессы при основном управлении со стороны пилота);
    в случае возникновения отдельных аварийных ситуаций, когда не только взлет и посадка, но и весь полет регламетируется осбыми инструкциями, которые также содержатся в руководстве по летной эксплуатации.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.