Composants du pilote automatique
La plupart des systèmes de pilote automatique se composent de quatre composants de base, ainsi que de divers commutateurs et unités auxiliaires. Les quatre composants de base sont : les éléments de détection, l'élément de calcul, les éléments de sortie et les éléments de commande. De nombreux systèmes de pilotage automatique avancés contiennent un cinquième élément : la rétroaction ou le suivi. Cela fait référence aux signaux envoyés lorsque des corrections sont apportées par les éléments de sortie pour informer le pilote automatique de la progression en cours.
Éléments de détection
Les gyroscopes d'attitude et de direction, le coordinateur de virage et un contrôle d'altitude sont les éléments de détection du pilote automatique. Ces unités détectent les mouvements de l'avion. Ils génèrent des signaux électriques qui sont utilisés par le pilote automatique pour prendre automatiquement les mesures correctives nécessaires pour que l'avion continue de voler comme prévu. Les gyroscopes de détection peuvent être situés dans les instruments montés dans le cockpit. Ils peuvent également être montés à distance. Des capteurs gyroscopiques à distance pilotent les affichages des servos dans le panneau du cockpit et fournissent les signaux d'entrée à l'ordinateur du pilote automatique.
Les pilotes automatiques numériques modernes peuvent utiliser une variété de capteurs différents. Les gyroscopes MEMS peuvent être utilisés ou accompagnés de l'utilisation d'accéléromètres et de magnétomètres à semi-conducteurs. Les systèmes basés sur les taux peuvent ne pas utiliser de gyroscopes du tout. Divers capteurs d'entrée peuvent être situés dans la même unité ou dans des unités séparées qui transfèrent des informations via un bus de données numériques. Les informations de navigation sont également intégrées via une connexion de bus de données numériques aux calculateurs avioniques.
Ordinateur et Amplificateur
L'élément de calcul d'un pilote automatique peut être analogique ou numérique. Sa fonction est d'interpréter les données de l'élément de détection, d'intégrer les commandes et les entrées de navigation, et d'envoyer des signaux aux éléments de sortie pour déplacer les commandes de vol selon les besoins pour contrôler l'avion. Un amplificateur est utilisé pour renforcer le signal pour le traitement, si nécessaire, et pour une utilisation par les dispositifs de sortie, tels que les servomoteurs. L'amplificateur et les circuits associés constituent l'ordinateur d'un système de pilote automatique analogique. Les informations sont traitées dans des canaux correspondant à l'axe de commande auquel les signaux sont destinés (c'est-à-dire, canal de tangage, canal de roulis ou canal de lacet). Les systèmes numériques utilisent une technologie informatique à microprocesseur à semi-conducteurs et amplifient généralement uniquement les signaux envoyés aux éléments de sortie.
Éléments de sortie
Les éléments de sortie d'un système de pilotage automatique sont les servos qui provoquent l'actionnement des gouvernes de vol. Ce sont des dispositifs indépendants pour chacun des canaux de contrôle qui s'intègrent dans le système de contrôle de vol régulier. Les conceptions d'asservissement du pilote automatique varient considérablement en fonction de la méthode d'actionnement des commandes de vol. Les systèmes actionnés par câble utilisent généralement des servomoteurs électriques ou des servomoteurs électropneumatiques. Les systèmes de commandes de vol à commande hydraulique utilisent des servos de pilote automatique électrohydrauliques. Les avions numériques fly-by-wire utilisent les mêmes actionneurs pour effectuer des manœuvres manuelles et automatiques. Lorsque le pilote automatique est engagé, les actionneurs répondent aux commandes du pilote automatique plutôt qu'exclusivement du pilote. Quoi qu'il en soit, les servos du pilote automatique doivent permettre un mouvement sans entrave des gouvernes lorsque le pilote automatique ne fonctionne pas.
Les aéronefs équipés de gouvernes actionnées par câble utilisent deux types de base de servomoteurs électriques. Dans l'un, un moteur est relié à l'arbre de sortie du servo par l'intermédiaire de réducteurs. Le moteur démarre, s'arrête et change de direction en réponse aux commandes de l'ordinateur du pilote automatique. L'autre type de servo électrique utilise un moteur en marche constante relié à l'arbre de sortie par l'intermédiaire de deux embrayages magnétiques. Les embrayages sont agencés de sorte que l'excitation d'un embrayage transmette le couple moteur pour faire tourner l'arbre de sortie dans un sens ; la mise sous tension de l'autre embrayage fait tourner l'arbre dans le sens opposé. Les servos électropneumatiques peuvent également être utilisés pour piloter les commandes de vol à câble dans certains systèmes de pilote automatique. Ils sont commandés par des signaux électriques provenant de l'amplificateur du pilote automatique et actionnés par une source de pression d'air appropriée. La source peut être une pompe de système de vide ou l'air de prélèvement d'un moteur à turbine. Chaque servo se compose d'un ensemble de soupape électromagnétique et d'un ensemble de tringlerie de sortie.
Les aéronefs équipés de systèmes de commandes de vol à commande hydraulique ont des servos de pilote automatique électrohydrauliques. Ce sont des soupapes de commande qui dirigent la pression du fluide selon les besoins pour déplacer les gouvernes via les actionneurs des gouvernes. Ils sont alimentés par les signaux du calculateur du pilote automatique. Lorsque le pilote automatique n'est pas engagé, les servos permettent au fluide hydraulique de circuler sans restriction dans le système de commande de vol pour un fonctionnement normal. Les servovalves peuvent incorporer des transducteurs de rétroaction pour mettre à jour le pilote automatique de la progression lors de la correction d'erreur.
Éléments de commande
L'unité de commande, appelée contrôleur de vol, est l'interface humaine du pilote automatique. Il permet au pilote de dire au pilote automatique ce qu'il doit faire. Les contrôleurs de vol varient en fonction de la complexité du système de pilote automatique. En appuyant sur les boutons de fonction souhaités, le pilote amène le contrôleur à envoyer des signaux d'instruction au calculateur du pilote automatique, lui permettant d'activer les servos appropriés pour exécuter la ou les commandes. Le vol en palier, les montées, les descentes, le virage vers un cap ou le vol vers un cap souhaité sont quelques-uns des choix disponibles sur la plupart des pilotes automatiques. De nombreux aéronefs utilisent une multitude d'aides radio à la navigation. Ceux-ci peuvent être sélectionnés pour envoyer des commandes directement au calculateur du pilote automatique.
En plus d'un interrupteur marche/arrêt sur le contrôleur de pilote automatique, la plupart des pilotes automatiques ont un interrupteur de déconnexion situé sur le ou les volants de commande. Cet interrupteur, actionné par une pression du pouce, peut être utilisé pour désengager le système de pilote automatique en cas de dysfonctionnement du système ou chaque fois que le pilote souhaite prendre le contrôle manuel de l'avion.
Rétroaction ou élément de suivi
Lorsqu'un pilote automatique manœuvre les commandes de vol pour atteindre une assiette de vol souhaitée, il doit réduire la correction des gouvernes car l'assiette souhaitée est presque atteinte, de sorte que les commandes et l'avion s'immobilisent sur la trajectoire. Sans cela, le système surcorrigerait continuellement. La déviation de surface se produirait jusqu'à ce que l'attitude souhaitée soit atteinte. Mais le mouvement se produirait quand même lorsque la ou les surfaces reviendraient à la position d'avant l'erreur. Le capteur d'attitude détecterait à nouveau une erreur et recommencerait le processus de correction. Diverses rétroactions électriques, ou signaux de suivi, sont générés pour réduire progressivement le message d'erreur dans le pilote automatique afin qu'une surcorrection continue ne se produise pas. Cela se fait généralement avec des transducteurs sur les actionneurs de surface ou dans les servomoteurs du pilote automatique.
Un système de vitesse reçoit des signaux d'erreur provenant d'un gyroscope de vitesse qui sont d'une certaine polarité et amplitude qui provoquent le déplacement des gouvernes. Au fur et à mesure que les gouvernes contrecarrent l'erreur et se déplacent pour la corriger, des signaux de suivi de polarité opposée et d'amplitude croissante contrent le signal d'erreur jusqu'à ce que l'assiette correcte de l'avion soit rétablie. Un système de suivi de déplacement utilise des capteurs de surface de contrôle pour annuler le message d'erreur lorsque la surface a été déplacée vers la position correcte.
Fonctions du pilote automatique
La description suivante du système de pilote automatique est présentée pour montrer la fonction d'un pilote automatique analogique simple. La plupart des pilotes automatiques sont beaucoup plus sophistiqués ; cependant, bon nombre des principes de fonctionnement fondamentaux sont similaires.
Le système de pilotage automatique pilote l'avion en utilisant des signaux électriques développés dans des unités de détection gyroscopique. Ces unités sont connectées à des instruments de vol qui indiquent la direction, le taux de virage, l'inclinaison ou le tangage. Si l'assiette de vol ou le cap magnétique est modifié, des signaux électriques sont développés dans les gyroscopes. Ces signaux sont envoyés au calculateur/amplificateur du pilote automatique et sont utilisés pour contrôler le fonctionnement des servomoteurs.
Un servo pour chacun des trois canaux de commande convertit les signaux électriques en force mécanique, qui déplace la gouverne en réponse aux signaux correctifs ou aux commandes du pilote. Le canal du gouvernail reçoit deux signaux qui déterminent quand et combien le gouvernail bouge. Le premier signal est un signal de route dérivé d'un système de boussole. Tant que l'avion reste sur le cap magnétique qu'il avait lorsque le pilote automatique était engagé, aucun signal ne se développe. Mais, toute déviation amène le système de boussole à envoyer un signal au canal de gouverne de direction qui est proportionnel au déplacement angulaire de l'avion par rapport au cap prédéfini.
Le deuxième signal reçu par le canal de direction est le signal de taux qui fournit des informations chaque fois que l'avion tourne autour de l'axe vertical. Cette information est fournie par le gyroscope indicateur de virage et d'inclinaison. Lorsque l'avion tente de s'écarter de sa trajectoire, le gyroscope développe un signal proportionnel à la vitesse de virage, et le gyroscope développe un signal proportionnel à la quantité de déplacement. Les deux signaux sont envoyés au canal de direction de l'amplificateur, où ils sont combinés et leur force est augmentée. Le signal amplifié est ensuite envoyé au servo de direction. Le servo tourne le gouvernail dans la bonne direction pour ramener l'avion au cap magnétique sélectionné.
Au fur et à mesure que la surface de la gouverne de direction se déplace, un signal de suivi est développé qui s'oppose au signal d'entrée. Lorsque les deux signaux sont d'amplitude égale, le servo s'arrête de bouger. Lorsque l'aéronef arrive sur le cap, le signal de cap atteint une valeur nulle, et la gouverne de direction est ramenée à la position de ligne de courant par le signal de suivi.
Le canal d'aileron reçoit son signal d'entrée d'un émetteur situé dans l'indicateur d'horizon gyroscopique. Tout mouvement de l'aéronef autour de son axe longitudinal amène l'unité de détection gyroscopique à développer un signal pour corriger le mouvement. Ce signal est amplifié, la phase détectée et envoyée au servo d'aileron, qui déplace les gouvernes d'aileron pour corriger l'erreur. Au fur et à mesure que les surfaces des ailerons se déplacent, un signal de suivi s'accumule en opposition au signal d'entrée. Lorsque les deux signaux sont d'amplitude égale, le servo s'arrête de bouger. Étant donné que les ailerons sont déplacés de la ligne de courant, l'avion commence maintenant à revenir vers le vol en palier avec le signal d'entrée devenant plus petit et le signal de suivi ramenant les gouvernes vers la position de ligne de courant. Lorsque l'avion est revenu à l'assiette de roulis de vol en palier, le signal d'entrée est à nouveau nul. Dans le même temps, les gouvernes sont rationalisées et le signal de suivi est nul.
Les circuits du canal de profondeur sont similaires à ceux du canal d'aileron, à l'exception que le canal de profondeur détecte et corrige les changements d'assiette en tangage de l'avion. Pour le contrôle de l'altitude, une unité montée à distance contenant un diaphragme de pression d'altitude est utilisée. Semblable aux gyroscopes d'attitude et de direction, l'unité d'altitude génère des signaux d'erreur lorsque l'aéronef s'est déplacé d'une altitude présélectionnée. C'est ce qu'on appelle une fonction de maintien d'altitude. Les signaux contrôlent les servos de pas, qui se déplacent pour corriger l'erreur. Une fonction de sélection d'altitude entraîne l'envoi continu des signaux aux servos de tangage jusqu'à ce qu'une altitude présélectionnée soit atteinte. L'avion maintient alors l'altitude présélectionnée en utilisant des signaux de maintien d'altitude.
Amortissement du lacet
De nombreux aéronefs ont tendance à osciller autour de leur axe vertical lorsqu'ils suivent un cap fixe. Une action quasi continue de la gouverne de direction est nécessaire pour contrecarrer cet effet. Un amortisseur de lacet est utilisé pour corriger ce mouvement. Il peut faire partie d'un système de pilotage automatique ou d'une unité complètement indépendante. Un amortisseur de lacet reçoit des signaux d'erreur du gyroscope de coordinateur de virage. Le mouvement de lacet oscillant est contrecarré par le mouvement de la gouverne de direction, qui est effectué automatiquement par le(s) servo(s) de gouverne de direction en réponse à la polarité et à l'amplitude du signal d'erreur.
