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什麼是自動駕駛

　　飛機的自動駕駛功能也是自動控制的一種形式，所謂自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備（控制器），使機器、設備（控制對象）的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行；它通過對系統的輸出不斷地，直接地或間接地、全部或部分地返回，並作用於系統，其本質是通過信息的傳遞、處理與反饋實施的一種控制。

　　自動控制發展的五個階段：

飛機的自動控制模式是一種集機械反饋信號控制、電流模擬信號控制、計算機控制、分布式控制為一體的總線式控制，它的控制器與執行器相互分離，並且帶有檢測器。

　　飛機的自動駕駛原理具體描述就是計算機根據探測到的大氣數據信息、姿態及加速度數據和導航數據，計算出各階段符合飛行原理和導航原理要求一些舵面和油門位置參數，通過控制飛機舵面和油門實施飛行，同時檢測出各種實際飛行參數與理想狀態的差值進行修正。

　　自動駕駛還提高一些自動防護功能，包括坡度限制，失速保護，超速保護，防擦尾，防荷蘭滾等。飛機的檢測器將提供系統狀態顯示、ECAM警告信息、語音警告、音響警告、失速抖杆、燈光警告等各類反饋和警告信息。

　　飛機自動駕駛控制目標是要使飛機按照飛行原理來運行，包括滿足力矩平衡、穩定性和操縱性的規律，滿足升力、速度與姿態三者之間的對應關係要求，同時滿足飛行各階段操縱要求和導航要求包括滿足水平航跡、垂直航跡、飛行程序、飛行計劃、保護區限制、地形障礙物避讓等要求。

　　飛行原理：

　　升力：升力是飛機上下表面的壓力差造成的，舉個例子就是一個快速流動的河流，如果有人掉下去，那麼立馬就會衝到中間去，為什麼呢？因為中間流速快，它的壓力就小，兩邊流速慢，壓力就大，它壓著你把你就壓到中間去了。飛機也一樣，由於機翼上下表面是壓力差，它設計的就是這樣運行的；

　　力矩平衡：在垂直方向就是升力與重力的平衡，水平方向就是拉力與阻力的平衡，但是飛機又不是個質點，它的平衡又沒那麼簡單，從樣子來看，它橫側和方向方面，你可以看見它是一個設計對稱的，這個平衡是沒問題的，在縱向了一看他就是不對稱的，它的重心一般是在機身的前半部分，它的焦點又是機翼產生升力作用的中心叫焦點，它一般在重心的後面，那這樣的話就會讓它有個低頭的傾向，為了保持它的平衡就設計了一個水平尾翼，讓它產生一個負力矩、負升力，讓它抬頭，這樣就平衡了；

　　穩定性：飛機飛過去了我們一看就像射出的一個箭一樣，我們知道那個箭頭比較重然後尾巴有個垂直和水平的尾翼那麼它射出去就會比較平直，如果要是沒有這樣一個設計，你想射出一個筷子是什麼感覺，那肯定是風一吹它就偏了，我們的飛機也這樣的，在水平方向了，我們有個機翼和水平尾翼能夠保持它的穩定性，就像箭的箭尾，比如說你受到一個擾動使它抬頭了，迎角就變大了，那麼機翼的升力也會變大，自然就會使它低頭，尾翼也是由於迎角變大，它本來是負的，現在變成零或者是正的了，那麼它就會也是讓它低頭，兩個這樣的力矩就會讓它恢復原位.在方向控制這方面一個是機身一個是垂尾，如果機頭偏了那麼機身和機尾會自然就讓它回正，在橫滾方向了，在我們飛機設計的時候就是一個下單翼的後掠角設計，在受到一個擾動發生左滾轉的話，那麼左側機翼的升力就會變大，使它自動回正，由於這個穩定性的設計，造成了一個荷蘭滾現象，比如說你在做左滾轉的時候，自然會產生機頭的左偏，由於方向方面有一個平衡性，機頭應該會擺正，那它就會產生一個震動擺動，這個就是荷蘭滾，但我們飛機在設計的時候會規避這個荷蘭滾，首先是個大垂尾，然後再加了個偏航阻尼器，人工也是可以擺脫的，如果你左滾轉的話，那麼就蹬左舵，使它頭不要擺正，

　　操縱性：操縱性和穩定性是相反的，穩定性越好，操縱性越差，在設計的時候會考慮到一個最優值，同時我們在配載的時候會引起重心的前後變化，那這個時候要通過一個配平來改善我們的操縱性

　　指示空速：指示空速我們飛機上有個動壓管，那個動壓管就是測動壓來指示空速的，他就假定那個密度ρ是恆定不變的，就是海平面那個ρ，根據升力公式我們可以推出了迎角與動壓是成反比的，由於動壓和指示空速又成正比那麼這樣的話迎角和指示空速就成反比的，也就是說在高度不變的時候，加速那麼就要減小迎角，減速就要增大迎角，飛機的所有操控都是以指示空速為根本的，由指示空速我們就引出來失速的速度，由於一個迎角對應一個速度，最大的迎角對應的那個速度，就是失速速度，對一個C類飛機來說，一般它的入口速度也就是它的1.3倍的失速速度，還有它的起飛安全速度也是1.3倍的失速速度，大概在130到150節之間，起飛安全速度大是因為它起飛重量大而導致的，根據這個數值我們可以算出來，大概一個C類飛機的失速速度是在115節左右，所以任何時候飛行員都不能低於這個指示空速來飛行，飛行員最重要的事情就是保持指示空速，然後由指示空速對應一個姿態，同時在低速的時候，大坡度盤旋會對失速速度造成影響，增加它的失速速度，所以要更加注意。

飛行各階段操縱要求：

　　首先是在起飛爬升階段，在起飛的時候我們計算機要算出來一個決斷速度V1，抬輪速度V2，還有起飛安全速度VR，也就是1.3倍的失速速度，我們飛機在離地的時候，由於地面摩擦的突然減小那麼它俯仰的配平就會打破，機頭自然就有一個上仰的過程，那麼這時候需要一個壓杆，當我們飛機出現一個正的上升力的時候就需要收輪了，當飛機的速度達到了V2加10節的時候，就要保持這樣一個速度，進行一個大坡度的爬升，這個保持速度爬升的好處就是不用干預它的俯仰平衡了，一般如果沒有近的障礙物的話，會在400英尺的時候改平，然後加速到綠點速度，在加速的過程中會有一個收襟翼速度指示，逐漸把襟翼收光。如果有近的障礙物，要在1000英尺的時候改平加速到綠點速度，在10000英尺以下了就保持這個綠點速度進行爬升或者在250節以內，然後就到了巡航階段，巡航階段首先是計算機計算出來一個最經濟的速度，這個最經濟的速度就是又省時，又省油，就像我們的汽車在90公里的時候是最省油的，但是我們一般會抬到120因為我們的時間也是成本，那麼飛機也是綠點速度應該是比較省油的速度，但是最經濟的速度應該是1.3倍的綠點速度，計算出這樣一個速度以後，我們的飛機首先加速到一個經濟速度，然後保持這個速度進行爬升，爬升到我們要求的高度，這樣爬升的好處還是姿態比較穩定，由於高空空氣比較稀薄，密度比較小，那麼它的真空速度跟密度相對應的，那麼真空速度就會很大，我們指示空速一般在高空也就290或者300節左右，但是真空速度可以達到400多，馬赫數可以達到0.78至0.82之間，由於這馬赫數比較大了就會產生一個激波，會使我們的焦點後移，這個時候還需要一個馬赫配平。然後就是到了進近和著陸階段，首先是速度降到一定程度的時候就可以逐漸放襟翼，放起落架，然後切盲降，到決斷高度的時候切斷自動駕駛儀，然後逐漸的把油門收光，收油門的過程中由於推力的變小，它自然有個低頭的動作，俯仰配平自然會低頭嘛，然後我們就逐漸的帶點杆，直到飛機接地，由於地面受到一個大的摩擦，機頭會有個下仰下浮的動作，我們就要帶點杆。

自動駕駛能做什麼，作用是什麼，對飛行的促進意義、影響

　　自動駕駛能夠提供飛機的自動導航、自動飛行、自動推力、限制與保護功能，在飛機起飛後一直到落地前決斷高度前（一般60米）在正常情況下可全程實現自動駕駛，通過自動駕駛飛行員把常規符合飛行原理和導航原理的操縱交給自動駕駛，大大減小了工作負荷，可以留出更多時間讓飛行員監控飛機狀態、觀察運行環境、處置突發一般情況、提高飛行效率、節約飛行成本。在重大系統故障、飛機結構嚴重受損，傳感器失效、積冰、失去平衡、失速、與其他航空器危險接近、地形告警、雷雨繞飛、風切變該出、緊急上升或下降、機動飛行、強烈顛簸等情況發生時需要立即人工干預。

自動駕駛對飛行員的影響，過度依賴的後果，會不會影響關鍵時刻的判斷力

　　對自動駕駛的依賴會使飛行員逐步喪失很多飛行技能，一個囚犯如果被關閉在一個獨立的房間禁止與人說話，那麼一段時間後他將喪失說話能力，連說話這種我們認為是想當然的能力都會喪失，更何況飛行技能，同時許多關鍵的判斷只有做出創造性判斷才能妥善處置，而自動駕駛最不擅長的就是創造性判斷。自動駕駛僅類似與人的潛意識的功能，而自動駕駛不具備人的主觀意識功能，這也是當前階段自動駕駛最致命的缺陷，但人的主觀意識也經常受到環境壓力、生理和心理上的影響，同樣不靠譜，最優秀的飛行員應該是既懂得充分利用自動駕駛和潛意識，也會在關鍵時刻發揮主觀意識的作用，同時能避免受到干擾，具體可以參考「華晨不是BMW」民航資源網博客文章「從潛意識層面看自動駕駛依賴症」。

　　隨著飛機可靠性的提高和導航技術的提升要求在PBN航路和RVSM空域由於控制精度的要求必須使用自動駕駛，自動駕駛使用時間日益增加，造成許多飛行員的基本飛行技能長期不能得到使用，在自動駕駛故障或特情發生時容易釀成大禍。比如說，在飛由塔台雷達引導的非標準進近程序時，國內外頻頻出現地形警告和落錯跑道的事件，這是由於之前飛行流量小的時候，一般按照標準飛行程序進近，這就造成飛行員長期依賴自動導航，逐漸喪失對地形了解和方位的辨識能力，到了今天，航班流量大增，多跑道多機場運行逐漸成為新常態，管制員必須頻繁進行雷達引導，在偏離了預定路線後，加上飛行員原有能力的喪失，就很容易觸發地形警告和落錯跑道。還有最近發生的亞航飛機進入雷暴雲區墜毀事故，這個很像當年法航447航班的情形，調查顯示法航飛機進入雷暴雲後，空速管探頭積冰後失效，飛行員在失去速度和高度參考後完全迷失，飛機墜毀。其實從理論是完全可以避免此次空難的，飛行員可以憑藉飛機內部的陀螺儀和加速度計獲取飛機的姿態信息和升降速度信息，從而保持平飛，在飛出雲區後，通過傳感器探頭加溫重新恢復速度高度指示，恢復正常飛行。去年韓亞航空777飛機在飛抵洛杉磯機場的時候自動油門出現了故障，在座的777機長眼看著飛機嚴重低於下滑道並且接近失速速度，也沒有進行積極的干預，最終導致了飛機在降落過程中機尾撞了防波堤致使一起空難的發生，之後FAA的調查結果就表明飛行員過度依賴於自動駕駛。其次是華航006航班的事件，747飛機在3萬英尺的時候，突然有一台發動機發生了故障，飛機發生了側滑，飛行員也是相信自動駕駛沒有進行人工干預，飛機急速降高度，好在是最後飛行員脫開自動駕駛進行人工干預把飛機在1萬英尺改平。前不久的台灣復興航空關錯發動機墜毀事件也可能與自動駕駛依賴症有關，不但關錯了發動機，空中重新啟動發動機的程序也未必正確，連一個最基本的開關發動機的程序都會弄錯，這個不能簡單歸因於技術問題或是個人主觀意識問題。

自動駕駛的發展趨勢，民航客機能否實現無人駕駛

　　駕駛艙設計原理（具體可以參見「華晨不是BMW」民航資源網博客文章「小駕艙、大世界」）

　　現代駕駛艙的設計已經為進一步的自動化奠定了基礎，原理上在正常情況下，不需要做出創造性或複雜的判斷時，駕駛艙的一切動作都可以實現自動化。

　　比如說，在操作方面的我們從發動機啟動開始一直到駕駛杆的操作，直到各類電子控制面板的接通、斷開和選擇都是人工操作的，如果這個過程將操作手冊和sop以及檢查單作為一個電子包和一個邏輯來錄入計算機，那麼計算機完全可以代替人工來實施一般操作。

　　其次是目前飛機起飛之前和在航路飛行過程中的一些數據獲取與分析，比如說氣象、航行資料、通告、配載、飛行計劃等目前都是是人工完成的。這些也可以做成一個數據包，進入計算機系統，計算機完全有能力分析這些數據，減少了很多外圍單位人工提供的服務，其次讓再看看故障處理，在飛行中飛行員遇到故障往往是通過QRH手冊來進行處置操作，同樣我們把QRH以及排故的操作手冊，作為一種計算機可以讀懂的語言，錄入到計算機模塊當中，那麼在發生小故障的時候，計算機除了擁有備份系統以外，它又能讀懂這些排故手冊，似乎實現計算機自動處理小故障也是可行的。飛機系統都是多備份的，它完全可以自動轉換到一個好的通道上來。空中還有一些預警處理，比如說雷達氣象預警，風切變預警，地形預警，構型預警 ，空中交通警戒，但在目前的狀態下它只是提供這種警戒，不自動處理。計算機完全可以自動避讓，自動改出風切變，另外一個需要人工干預的就是空管信息，我們知道空管要提供放行許可，如果這种放行許可也可以成為電子數據，傳於計算機當中，那麼空管這部分的人工干預，也可以由計算機來自動完成。

　　目前谷歌公司已經成功完成無人駕駛汽車的30萬公里測試，它是基於大數據後台運算的人工智慧服務，對於飛機來說儘管也可以如此，但飛機由於懸浮在空中發生任何緊急情況都不允許它暫且停留在空中某個位置，所以它對於人工智慧的要求會更高一級，目前FAA推出了一個民航客機在10年內實現單人駕駛的計劃，並且地面配備有副駕駛對飛機進行監控，以免在機組失能或判斷錯誤時接替或者提醒，這個計劃是比較現實的。

　　實現無人駕駛的最後障礙就是人工智慧要具備不斷自我更新和不斷打破常規的能力，如果實現了這點民航客機的無人駕駛將徹底實現，但人工智慧具備了這項能力之後，也可能是人類的一場災難。

　　比較可能的一種形式就是像軍用無人機那樣，比如說中國的無人機翼龍，正常情況下翼龍是自己在飛的，如果出現一些特殊情況或者飛機操縱不了的，下面有個人，有個駕駛杆，有個顯示屏，進行一個人工操縱，相當於遙控飛機一樣，但是能夠直觀的顯示。

本文轉載自公眾號：華晨不是BMW

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