淺析A330自動(dòng)駕駛儀工作原理及使用建議

馬麟 許皖卉

摘 ? 要：本文主要介紹了自動(dòng)駕駛儀的發(fā)展簡(jiǎn)史，分析了它的組成、基本功用、基本原理及使用特點(diǎn)。本文結(jié)合空客A330機(jī)型，介紹了該機(jī)型自動(dòng)駕駛儀的使用特點(diǎn)以及使用中的限制條件。最后強(qiáng)調(diào)討論了自動(dòng)飛行對(duì)機(jī)組處境意識(shí)的影響以及對(duì)飛行安全的影響。得出結(jié)論：飛行的高度自動(dòng)化只是為安全奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，但要系統(tǒng)安全運(yùn)行，關(guān)鍵還要靠人來(lái)正確使用和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛儀 ?俯仰通道 ?角度控制 ?軌跡控制 ?速度控制

中圖分類號(hào)：V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0060-04

Abstract： The development of the autopilot is introduced in this paper. The components of autopilot，functions of autopilot，principle of autopilot and features in utility of autopilot are analyzed. Autopilots features and limitions in utility are introduced through introducing the autopilot of Airbus 330. At the end of this paper， the effect of the autoflight to crews situaional awareness and flight safety is emphasized and discussed. A conclusion was drawn that the automation in flight is only the promotion， while the proper operation and monitoring of the system play the most important part in flight safety.

Key Words： Autopilot; Pitch channel; Angle control; Track control; Speed control

隨著航空制造工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。其中，自動(dòng)駕駛儀在減小飛行員的工作負(fù)荷方面起著不可替代的作用，因?yàn)樗梢灾苯哟骘w行員操縱飛機(jī)的桿/盤舵，把飛行員從一桿兩舵的體力勞動(dòng)中解放了出來(lái)，有更多的時(shí)間和精力對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，使飛行員從簡(jiǎn)單操作員變成了駕駛艙信息的管理者。

在20世紀(jì)70年代，航空界進(jìn)入了電子顯示儀表階段，數(shù)字式AFS可以進(jìn)行ILS ⅢB自動(dòng)著陸，高度自動(dòng)化地完成飛行任務(wù)。自動(dòng)駕駛儀可以通過(guò)自身的系統(tǒng)去工作，實(shí)現(xiàn)操縱飛機(jī)，也可以通過(guò)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向自動(dòng)駕駛儀提供引導(dǎo)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行計(jì)劃航路和飛行性能的控制。

1 ?自動(dòng)駕駛儀的功用及實(shí)現(xiàn)飛行自動(dòng)化的意義

自動(dòng)駕駛儀（Autopilot）是在飛機(jī)上代替飛行員直接控制飛機(jī)舵面，完成對(duì)飛機(jī)控制的自動(dòng)化設(shè)備。在現(xiàn)代化大型運(yùn)輸機(jī)上，自動(dòng)駕駛儀能實(shí)現(xiàn)以下具體功能：

（1）按給定的平飛姿態(tài)和航向保持飛機(jī)平直飛行。

（2）按給定的傾斜角或預(yù)選的航向?qū)崿F(xiàn)操縱飛機(jī)轉(zhuǎn)彎，自動(dòng)進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行以轉(zhuǎn)入到新的航向或新的高度，自動(dòng)作等待轉(zhuǎn)彎等。

（3）按給定的俯仰角或升降率實(shí)現(xiàn)上升或下降。

（4）按甚高頻導(dǎo)航系統(tǒng)的全向信標(biāo)臺(tái)的無(wú)線電信號(hào)（VOR）操縱飛機(jī)進(jìn)入VOR的徑向線并保持;也可按ILS的信號(hào)完成飛機(jī)著陸前的進(jìn)近。自主進(jìn)行自動(dòng)化進(jìn)近和自動(dòng)化著陸。

（5）按FMC或其它導(dǎo)航系統(tǒng)要求，借助導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)按預(yù)定的航路飛行，準(zhǔn)確地進(jìn)行航跡控制。

（6）控制升降舵同時(shí)，發(fā)出信號(hào)去配平安定面，實(shí)現(xiàn)速度，穩(wěn)定和配平飛機(jī)等。

（7）減輕駕駛員長(zhǎng)距離飛行或在困難飛行階段下（例如著陸進(jìn)場(chǎng)）的負(fù)擔(dān)，使駕駛員能有精力處置其它任務(wù)（例如無(wú)線電通信、系統(tǒng)監(jiān)控、飛行計(jì)劃）。

（8）遵守飛行包線（最大迎角、最大馬赫數(shù)、最大加速度），以減輕駕駛員監(jiān)控工作的負(fù)擔(dān)。

2 ?自動(dòng)駕駛儀的基本原理

2.1 自動(dòng)駕駛儀穩(wěn)定飛機(jī)的原理

飛機(jī)在保持平飛時(shí)，若受到干擾力矩作用，機(jī)頭上仰，測(cè)量元件感受偏離方向和大小，并輸出信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理放大，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使升降舵下偏，使飛機(jī)趨向原始狀態(tài)。由于舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生回輸信號(hào)，抵消偏離信號(hào)，當(dāng)偏離信號(hào)等于回輸信號(hào)時(shí)舵面停止偏轉(zhuǎn)。飛機(jī)狀態(tài)改變使偏轉(zhuǎn)信號(hào)減小，直到小于回輸信號(hào)。經(jīng)處理放大后又帶動(dòng)舵面回收，使飛機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)向原始位置。如此周而復(fù)始，當(dāng)飛機(jī)回到原始位置，偏離信號(hào)為零，舵面中立，回輸信號(hào)也為零，這就是自動(dòng)駕駛儀穩(wěn)定飛機(jī)的過(guò)程（如圖1）。

2.2 自動(dòng)駕駛儀操縱飛機(jī)的原理

飛機(jī)平飛時(shí)，舵面中立，回輸信號(hào)、測(cè)量信號(hào)為零（如圖2-a）。人為輸入上仰信號(hào)，使電刷偏離中立位，飛行控制計(jì)算機(jī)接受指令后，經(jīng)計(jì)算放大，至舵機(jī)（如圖2-b），舵面上偏，同時(shí)產(chǎn)生回輸信號(hào)。當(dāng)回輸信號(hào)等于指令信號(hào)后，舵面停止偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)在舵面作用下開始抬頭上仰。測(cè)量裝置測(cè)到這一信號(hào)后輸入飛行控制計(jì)算機(jī)。這樣指令信號(hào)、回輸信號(hào)和測(cè)量信號(hào)之差不為零，差值信號(hào)的極性和指令信號(hào)相反，經(jīng)處理后放大，送至舵機(jī)，帶動(dòng)舵面回收一些，使得回輸信號(hào)減少，但舵面仍上偏（如圖2-c）。如此反復(fù)，當(dāng)測(cè)量信號(hào)等于指令信號(hào)時(shí)，升降舵中立，回輸信號(hào)為零，飛機(jī)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)（如圖2-d），上仰角度可從地平儀上反映出來(lái)。

3 ?A330機(jī)型自動(dòng)駕駛儀的使用特點(diǎn)

在A330機(jī)型上將自動(dòng)駕駛儀、飛行指引儀、飛行管理等功能綜合在“飛行管理和引導(dǎo)計(jì)算機(jī)”中，從而實(shí)現(xiàn)了廣泛的集成化。通過(guò)自動(dòng)駕駛儀和推力控制器的局部配合，以及總能量控制工作方式，實(shí)現(xiàn)了變化飛行航跡的控制引導(dǎo)，有效地減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。

A330飛機(jī)上的自動(dòng)駕駛儀具有導(dǎo)航方式、航向方式、高度方式、速度方式航向道方式、進(jìn)近方式等多種工作方式，如圖3所示。導(dǎo)航方式允許飛行管理計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)駕駛儀，操縱飛機(jī)按預(yù)定的飛行計(jì)劃飛行。航向方式允許自動(dòng)駕駛儀控制飛機(jī)保持現(xiàn)航向或轉(zhuǎn)向新航向。高度方式允許自動(dòng)駕駛儀控制飛機(jī)保持現(xiàn)高度或改變高度。速度方式可控制飛機(jī)保持現(xiàn)速度或改變速度。航向道方式（LOC）將使自動(dòng)駕駛儀去截獲和跟蹤所調(diào)諧的LOC航向道。進(jìn)近方式使自動(dòng)駕駛儀去截獲航向道和下滑道，并保持在航向道和下滑道上。

4 ?關(guān)于A330自動(dòng)駕駛儀使用的安全建議

4.1 一是機(jī)組必須隨時(shí)掌握飛機(jī)的狀態(tài)，保持清醒的“情境意識(shí)”

情境意識(shí)從理論上講是對(duì)環(huán)境的一個(gè)綜合的、有條理的描述，并能根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的判斷結(jié)果不斷更新。從實(shí)踐意義上來(lái)講：情境意識(shí)是對(duì)周圍發(fā)生的一切具有清楚的、不斷更新的認(rèn)識(shí)和理解。飛行員工作在一個(gè)不斷變化的環(huán)境當(dāng)中，要保持良好的情境意識(shí)，就要求必須清楚地知道自己周圍所發(fā)生的一切;同時(shí)，良好的情境意識(shí)也使得飛行員在任何時(shí)候都能對(duì)下列問(wèn)題做出正確的回答。這些問(wèn)題可能是來(lái)自于飛機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)，也可能來(lái)自飛行員自己的大腦或周圍環(huán)境。

增強(qiáng)“情境意識(shí)”的途徑是，首先對(duì)飛機(jī)運(yùn)行的“現(xiàn)實(shí)狀態(tài)”、“當(dāng)前進(jìn)程”、“期望目標(biāo)”和“實(shí)施步驟”要隨時(shí)警醒;其次掌握“現(xiàn)實(shí)狀態(tài)”與“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”的差異，掌握外界條件的變化趨勢(shì);最后隨時(shí)準(zhǔn)備接替自動(dòng)飛行系統(tǒng)的工作，實(shí)施人工飛行。

4.2 加強(qiáng)學(xué)習(xí)A330自動(dòng)駕駛儀的理論知識(shí)

在現(xiàn)代自動(dòng)化駕駛艙中，飛機(jī)飛行的大量信息運(yùn)用了計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)。各種操作模式的組合使用為機(jī)組人員實(shí)現(xiàn)高效飛行提供了更大的行為空間，同時(shí)也增加了模式混淆的可能性。

作為在飛行中操縱或試圖操縱航空器的當(dāng)代駕駛員，知識(shí)是最有價(jià)值的素質(zhì)之一。為了能在自動(dòng)化的駕駛艙中安全履行飛行職責(zé)，每個(gè)駕駛員必須具備所飛航空器的基本知識(shí)。這其中不僅應(yīng)該包括通過(guò)按壓按鈕來(lái)操縱復(fù)雜的駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)，還應(yīng)包括學(xué)習(xí)一定的自動(dòng)化知識(shí)，理解自動(dòng)化系統(tǒng)的工作原理。

4.3 重視基本駕駛術(shù)訓(xùn)練

目前，盡管絕大多數(shù)現(xiàn)代民用航空器和機(jī)場(chǎng)設(shè)備都具備了自動(dòng)著陸的功能，但要實(shí)施真正意義上的自動(dòng)降落，還有許多路要走。目前通行的做法是起飛著陸人工操縱，其余階段則實(shí)施自動(dòng)飛行。飛行技術(shù)只是一種較為特殊的技能，擺脫不了技能的遺忘退化規(guī)律，一次訓(xùn)練之后，技術(shù)只能保持一個(gè)短暫的穩(wěn)定期，緊隨其后的則是技術(shù)下滑期，等到再次訓(xùn)練才可望使技能逐漸回升到過(guò)去的水平。飛行學(xué)院或是航空公司都應(yīng)創(chuàng)造盡可能多的機(jī)會(huì)使飛行員通過(guò)手控方式體驗(yàn)摸索航空器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性。另外也可利用模擬機(jī)，盡管模擬機(jī)與真實(shí)飛機(jī)之間存在一定差距，但模擬機(jī)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)還是與真實(shí)飛行相當(dāng)接近。在模擬機(jī)訓(xùn)練中，通過(guò)飛一些能夠較好地鍛煉操縱能力的課目，無(wú)疑是一條捷徑。

4.4 加強(qiáng)CRM訓(xùn)練——機(jī)組協(xié)作

目前國(guó)際民航界在CRM訓(xùn)練中采取的方法比較多，但這些方法都強(qiáng)調(diào)了CRM訓(xùn)練應(yīng)注重機(jī)組成員作為小組一員時(shí)的職能，而不是僅僅強(qiáng)調(diào)個(gè)人技能;CRM訓(xùn)練應(yīng)指導(dǎo)機(jī)組成員實(shí)施操縱時(shí)如何提高機(jī)組整體的工作效率;CRM訓(xùn)練使機(jī)組成員有機(jī)會(huì)練習(xí)其技能，這些技能對(duì)于一個(gè)合格的機(jī)長(zhǎng)或機(jī)組成員是必不可少的;CRM訓(xùn)練對(duì)于所有機(jī)組成員（包括機(jī)長(zhǎng)、副駕駛、飛行機(jī)械員、飛行乘務(wù)員等）的訓(xùn)練內(nèi)容應(yīng)與其在常規(guī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)完成的職能相同;CRM訓(xùn)練應(yīng)包括常規(guī)、日常操縱中有效的機(jī)組行為。

大量的飛行事故調(diào)查表明，現(xiàn)代飛機(jī)失事，尤其是自動(dòng)化座艙的飛行事故和座艙秩序混亂、機(jī)長(zhǎng)指揮不力、機(jī)組人員參與意識(shí)差及集體決策錯(cuò)誤等密切相關(guān)。有專家認(rèn)為，在飛機(jī)座艙環(huán)境中，最薄弱的界面不是人們以往認(rèn)為的人-機(jī)面，而是人-人界面。

從航空出現(xiàn)的第一天起，它已是一個(gè)集體的事業(yè)。僅由一個(gè)人來(lái)圓滿解決一架飛機(jī)飛行的所有問(wèn)題，這是不可能的。與任何復(fù)雜系統(tǒng)一樣，在航空中也會(huì)發(fā)生小的和大的故障。雖然在飛機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，對(duì)所有可能的故障進(jìn)行了分析并制定了被用方案，但在發(fā)生故障時(shí)，要求的預(yù)防和糾正措施數(shù)量急劇增加。只有訓(xùn)練有素的專業(yè)團(tuán)體才能操縱飛機(jī)在所有設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行。自動(dòng)化航空器的運(yùn)行甚至要求更多的協(xié)同工作。駕駛艙機(jī)組和客艙機(jī)組有大量任務(wù)，如果這兩個(gè)專業(yè)小組像一個(gè)團(tuán)隊(duì)那樣協(xié)作，這些任務(wù)能由駕駛員和飛行乘務(wù)員圓滿完成。不僅如此，整個(gè)航空器機(jī)組必須作為一個(gè)統(tǒng)一的團(tuán)隊(duì)行動(dòng)。這個(gè)條件是正常飛行特別是緊急情況下絕對(duì)需要的。

因此，要將自動(dòng)飛行方式從“神壇”上請(qǐng)下來(lái)。既要充分發(fā)揮它的長(zhǎng)處，更要正視它的薄弱環(huán)節(jié)。飛行的高度自動(dòng)化只是為安全奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，但要系統(tǒng)安全運(yùn)行，關(guān)鍵還要靠人來(lái)正確使用和監(jiān)控。如果把整架飛機(jī)當(dāng)成一個(gè)大系統(tǒng)，則飛行員必須處于大系統(tǒng)的中心地位，是大系統(tǒng)的管理者、決策者、驗(yàn)收者;而自動(dòng)飛行系統(tǒng)（子系統(tǒng)）只能是飛行員的好幫手，給飛行員提供信息，執(zhí)行飛行員的指令。實(shí)施自動(dòng)飛行時(shí)，機(jī)組要增強(qiáng)“處境意識(shí)”。對(duì)飛機(jī)運(yùn)行的“現(xiàn)實(shí)狀態(tài)”、“當(dāng)前進(jìn)程”、“期望目標(biāo)”、和“實(shí)施步驟”要隨時(shí)警醒;明確“現(xiàn)實(shí)狀態(tài)”與“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”的差異，掌握外界條件的變化趨勢(shì);隨時(shí)準(zhǔn)備接替自動(dòng)飛行系統(tǒng)的工作，實(shí)施人工飛行。

5 ?結(jié)語(yǔ)

對(duì)于空中客車A330機(jī)型來(lái)講，由于它承擔(dān)著長(zhǎng)距離、遠(yuǎn)航程的航行任務(wù)，自動(dòng)駕駛儀起到了舉足輕重的作用，可以說(shuō)它在現(xiàn)代飛機(jī)上已經(jīng)是不可缺少的裝置。

但我們應(yīng)當(dāng)看到，飛機(jī)駕駛的主體仍是飛行員，自動(dòng)駕駛儀只是用于輔助飛行員來(lái)駕駛飛機(jī)，飛行的高度自動(dòng)化只是為安全奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，但要系統(tǒng)安全運(yùn)行，關(guān)鍵還要靠人來(lái)正確使用和監(jiān)控。飛行員在飛行過(guò)程中要嚴(yán)密地監(jiān)視飛機(jī)的狀態(tài)，合理分配駕駛艙資源，嚴(yán)密監(jiān)視飛機(jī)狀態(tài)以及自動(dòng)駕駛儀的工作狀態(tài)，只有這樣才能有效保證安全飛行。

參考文獻(xiàn)

[1] 張海明.航空器電子儀表設(shè)備故障及維修方法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（24）：88.

[2] 王晨. 飛機(jī)自動(dòng)飛行系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué)，2015.

[3] 廖旭.在飛行教學(xué)中提高駕駛艙資源管理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（10）：212-213.

[4] 許為，陳勇.從駕駛艙設(shè)計(jì)和適航來(lái)減少由設(shè)計(jì)引發(fā)的飛行員人為差錯(cuò)的挑戰(zhàn)和途徑[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2014（3）：5-11.

[5] Liu Fan，Wang Lixin，Tan Xiangsheng.Digital virtual flight testing and evaluation method for flight characteristics airworthiness compliance of civil aircraft based on HQRM[J].Chinese Journal of Aeronautics，2015，28（1）：112-120.