miércoles, 18 de noviembre de 2015

El funcionamiento del piloto automático (en plan sencillo) parte I


El piloto automático se inventó para ayudar al piloto en las tareas rutinarias de control de vuelo. Una cabina de vuelo puede ser un ambiente extremadamente exigente en términos de atención. Con la adopción de nuevos sistemas de navegación y gestión de vuelo, el piloto se ha convertido más en un gestor de recursos que en un piloto propiamente dicho. Existen muchas tareas que pueden ser delegadas para no sobrecargar al piloto y que este se centre en otro tipo de parámetros más importantes, como son la seguridad, el confort, la economía, etc.

Los pilotos automáticos son en realidad más antiguos de lo que la mayoría de la gente piensa. Su uso es casi tan antiguo como la aviación misma. Se conoce ya algún piloto automático de la casa Sperry que data de 1912. Estos sistemas eran muy básicos y solo podían efectuar pequeñas estabilizaciones y maniobras, pero el principio de funcionamiento de los complejos sistemas de hoy en día es básicamente el mismo: estabilización.

Desarrollo histórico 


Curtiss B-2 en vuelo
Hermann Anschuetz (en 1904) y Elmer Sperry (en 1908) descubrieron las posibles aplicaciones de las propiedades de unos dispositivos llamados giróscopos o giroscopios. Este logro técnico permitía obtener una referencia estable del curso o rumbo de una nave o aeronave. Fue empleado primeramente a bordo de buques, ya que el acero y los metales de los que se construyen los barcos afectaban a las propiedades magnéticas de la ferrita haciendo de la brújula un instrumento poco fiable.

Elmer Sperry desarrolló posteriormente el primer sistema de control automático llamado girocompás que rápidamente se impuso en el sector del transporte marítimo. Sin embargo fue el piloto automático, lo que realmente se estableció rápidamente como un estándar en la construcción de nuevas aeronaves después de que Lawrence, el hijo de Elmer Sperry, demostrara el 18 de junio de 1914 en Francia el primer sistema a bordo de un Curtiss B-2. Este aparato fue capaz de mantener el vuelo horizontal sin la intervención del piloto haciendo volar al biplano en condición estable. Este primer piloto automático consistió en cuatro giroscopios separados, cada uno que giraba a 7.000 revoluciones por minuto. Debido al rápido desarrollo tecnológico, especialmente en la electrónica, en 1947 se construyó el primer piloto automático electrónico para los C-54 Skymaster de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. Estos aparatos llegaron a volar sobre el Atlántico desde los EE.UU. a Al Reino Unido de forma totalmente autónoma desde el despegue hasta el aterrizaje. En ese momento la prensa especializada británica mostró al mundo la capacidad del vuelo completamente automático. 

En las fotos siguientes se pueden ver distintos tipos de paneles de control para la selección de los modos de operación de un piloto automático.

En este antiguo interfaz (probablemente de principios de los 70) se pueden ver los botones de selección de diferentes modos de vuelo con piloto automático. A la izquierda se puede ver el botón de conexión/desconexión del Piloto Automático (A/P). En el centro los modos de rumbo (HDG - Heading), navegación (NAV), aproximación (APPR), altitud (ALT), senda de planeo (GS).

Un panel de control de piloto automático más moderno de la casa Bendix/King, instalado en una avioneta del tipo Cessna o Piper. 

El panel de control de guiado en un moderno Airbus A380

Como se puede apreciar todos los paneles tienen unos botones pulsadores y algunos llevan instalados también botones giratorios con ventanitas donde se puede ver la selección realizada a través de estos. Aunque viendo estos paneles tan diferentes pueda parecer lo contrario, todos los pilotos automáticos se basan en los mismos principios básicos.

Principio básico de todo piloto automático

El principio básico numero uno es la estabilización. Sin estabilización no puede haber control.

File:Gyroscope operation.gifComo se comentaba más arriba existe algo conocido como giroscopio o giróscopo que precisamente hace eso. El ejemplo que todo el mundo tienen en mente es la famosa peonza o trompo. El giróscopo o giroscopio (Del griego "skopeein = ver" y "gyros = giro") es un dispositivo mecánico que sirve para medir, mantener o cambiar la orientación en el espacio de algún aparato o vehículo.

Está formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor del eje de dicha simetría. Si está montado sobre un soporte Cardan, que no es otra cosa que una especie de marco articulado sobre el que se puede pivotar, tal como se ve en la animación. (Gimbal en inglés), o si simplemente un giróscopo gira libre en el espacio, este conserva la orientación de su eje de rotación ante fuerzas externas que tiendan a desviarlo.

Estos dispositivos presentan dos propiedades fundamentales: la inercia giroscópica o "rigidez en el espacio" y la precesión, que es la inclinación del eje en ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación. Estas propiedades se manifiestan a todos los cuerpos en rotación, incluida la Tierra. El término giróscopo se aplica generalmente a objetos esféricos o en forma de disco montados sobre un eje, de forma que puedan girar libremente en cualquier dirección; estos instrumentos se emplean para demostrar las propiedades anteriores, para indicar movimientos en el espacio, o para producirlos.

Éste fenómeno físico, el efecto giroscópico, puede observarse fácil y cotidianamente en peonzas, o monedas lanzadas a rodar, por ejemplo, aunque por supuesto, cualquier objeto giratorio funciona en cierto modo, como giróscopo. El giro en vuelo impartido por el jugador a un un balón de rugby, o el de una bala disparada desde un arma de ánima rayada para estabilizar su trayectoria son otros ejemplos de aplicación del efecto.





Así que ya tenemos una referencia en el espacio que es estable y sobre la que podemos movernos alrededor sabiendo que esta referencia siempre nos va a indicar el punto al que hayamos previsto que apunte. Si sustituimos el soporte (marco articulado o gimbal) del giróscopo por la estructura del avión, entonces podremos mover el avión en cualquiera de sus tres ejes fundamentales, cabeceo (pitch), alabeo (roll) y guiñada (yaw), y la referencia seguirá siendo estable, tal como ocurre con los instrumentos de vuelo denominados horizonte artificial y girocompás. Lo normal es montar un giroscopio en la posición donde se encuentre la intersección de los tres ejes, que no es otra cosa que el centro de gravedad de la aeronave. Ver dibujo.


desde el giróscopo se pueden mandar señales eléctricas que nos indiquen la referencia en cabina. dichas señales se pueden ,andar también a calculadores de vuelo (FCC o Flight Control Computers). Pero existe un problema:  ¿Cómo mandar las señales desde el giroscopio montado en el avión a la cabina de mando (o al ordenador) para poder ver la referencia en un horizonte artificial? Solución: el resolver (llamado también Selsyn o Synchro en inglés, que son variaciones del mismo elemento). 


El resolver

Un resolver parece un pequeño motor eléctrico. A veces es conocido con el rimbombante nombre de "transductor de campo giratorio", pero es en realidad una máquina eléctrica bastante sencilla en la que se conecta una resistencia o potenciómetro (a la izquierda en el diagrama) con un sistema de bobinas estáticas (llamadas estatores) que contienen un imán que es el que se mueve influido por el campo generado por las bobinas estáticas (parte derecha del circuito).

Archivo: DC Selsyn.png
Tal como se aprecia en el diagrama, al mover el reostato hacía la izquierda unos grados, se genera una corriente eléctrica (tensión de salida) que cambia el campo magnético de las bobinas estáticas, con lo que el imán cambia de posición exactamente con el mismo ángulo. Si ponemos una escala o dial y le ponemos una aguja indicadora encima del imán, podremos ver la cantidad de señal que hemos generado desde el reostato. Acabamos de mandar una señal desde nuestro panel de control al piloto automático :) Los resolver tienen muchos usos y aplicaciones diferentes (no solo en aviación). Los resolver nos pueden servir para medir valores angulares, pero también para ver dichos valores en los instrumentos del cockpit, como por ejemplo la posición de una superficie de control o la posición de un selector determinado. Esto se muestra en la ilustración siguiente.

Archivo: Drehmelderprinzip.png


La gran ventaja de estos dispositivos es que pueden estar muy alejados y en posiciones totalmente distintas sin tener que estar alineados, ya que la señal se transmite por cableado eléctrico.


Uno de los extremos se suele denominar TX, que es la contracción de "transmisor" en inglés, y al otro RX que es el receptor. Girar un selector en el panel de guiado de un avión significa transmitir una señal por medio de uno de estos dispositivos. En la imagen se puede ver el aspecto de uno de estos dispositivos, preparado para una frecuencia de 400 ciclos y 115 V.


Otra de las ventajas de estos dispositivos es que son eléctricos y mandan señales continuas. No son digitales. Como todo el mundo sabe, la digitalización implica pérdida de información. esto es lo que sucede con los formatos de música MP3, por ejemplo. Con la señal eléctrica no ocurre esto, ya que se trata de una señal continua, o en otras palabras, es fiel reflejo de lo que ocurre al otro lado del resolver. Los resolvers convencionales cuentan con escobillas, pero hoy día casi todos son de tipo sincro, es decir no tienen contacto ninguno entre el rótor y el estátor. Estos Sincros ofrecen una precisión mucho mayor y como no tienen partes móviles sujetas a desgaste, son muy fiables.

En la siguiente parte veremos como manejar estos dispositivos y su relación con los giróscopos.

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