Ein Autopilot ist ein System, das die Flugbahn eines Luftfahrzeugs, Wasserfahrzeugs oder Raumfahrzeugs steuert, ohne dass eine ständige manuelle Steuerung durch einen Menschen erforderlich ist. Autopiloten ersetzen nicht den menschlichen Bediener, vielmehr unterstützt der Autopilot den Bediener bei der Steuerung des Fahr- oder Flugzeuges, so dass dieser sich auf umfassendere Aspekte des Betriebs konzentrieren kann (z. B. Überwachung der Flugbahn, des Wetters und der Bordsysteme).
In der Regel handelt es sich um einen Computer, der Umgebungsinformationen von den Instrumenten des Fortbewegungsmittels verarbeitet, um zu ermitteln, wie das Fortbewegungsmittel gesteuert werden soll.
Falls es zu Schwierigkeiten kommen sollte, werden optische oder akustische Warnsignale gegeben.
mini|Bedienelemente des Autopiloten im Airbus A340
Definition Der Begriff „Autopilot“ ist ein Kompositum der zwei Begriffe „Automat“ und „Pilot“.
Das Wort Pilot, welches vom französischen „pilote“Duden - Pilot kommt, hat seinen Ursprung im griechischen Begriff „pedotta“, der frei als Steuermann oder Lotse übersetzt werden kann. Heutzutage ist diese Definition jedoch nicht mehr gebräuchlich. Das Lexikon der Luftfahrt definiert einen Piloten „als ein Teil der Besatzung an Bord eines Flugzeuges“. „[Genauer handelt es] sich um den Flugzeugführer“Lexikon der Luftfahrt, 3. Auflage: Niels Klußman, Armin Malik, Springer Verlag 2012, welcher das Luftfahrzeug steuert. Der Duden definiert „Pilot als jemanden, der [berufsmäßig] ein Flugzeug steuert“https://www.duden.de/rechtschreibung/Pilot_Moleskin_Gewebe, was auch daran liegt, dass heute der Begriff hauptsächlich mit der Luftfahrtbranche in Verbindung gebracht wird. Jedoch gibt es laut Duden andere Bedeutungen dieses Begriffs, z. B. Rennfahrer oder „jemand, der einen Bob lenkt“. Dabei wird ein Pilot in der Seemannssprache auch als ein Lotse bezeichnet. Früher wurde der Begriff Pilot oft allgemeiner verwendet, um einen Fahrzeugführer zu bezeichnen, der ein Fahrzeug jeder Art steuerte.
Der zweite Begriff, „Automat“, stammt vom französischen „automate“, das wiederum dem griechischen „autómatos“Duden - Automat entspringt. Übersetzt bedeutet es so viel wie „sich selbst bewegend, aus eigenem Antrieb“. Automaten sind folglich Maschinen, die vorbestimmte Abläufe selbstständig, also automatisch, ausführen.
Die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA definiert einen Autopiloten als ein „[…] Flugkontrollsystem, welches automatisch das Flächen-, Höhen- und in manchen Fällen das Seitenleitwerk anspricht, um der Route [welche vom Piloten vorgegeben wurde,] zu folgen oder Höhe, Sink-/Steiggeschwindigkeit und Kurs zu befolgen“.Advanced Avionics: Federal Aviation Administration, US Dep of Transportation 2009, (S.G-2), übersetzt aus dem Englischen
Jedoch ist ihre Definition nur im Bereich der Luftfahrt und selbst dort nicht für alle Systeme allgemein gültig. Somit ist ihre Definition nicht ganz ausreichend. Wenn man also die beiden Begriffe, wie sie oben definiert wurden, verbindet, kann man „Autopilot“ als ein System definieren, das automatisch anhand von äußeren Einflüssen und Informationen selbstständige Entscheidungen trifft und daraufhin ein Fahrzeug, sei es ein Luftfahrzeug oder eine andere Art von Fahrzeug, steuert. Damit kann es Lage, Richtung, Geschwindigkeit des Fahrzeuges beeinflussen.Nikolai Reed: , Universität Würzburg 2013, (mit Zustimmung des Autors überarbeitet); abgerufen am 16. Mai 2023
Anwendungsgebiete Autopiloten werden heute in sehr vielen unterschiedlichen Bereichen und für unterschiedliche Zwecke verwendet. Dazu zählt vor allem die Entlastung des Menschen, was aufgrund von immer komplexer werdenden Systemen zunehmend nötig wurde. Autopiloten werden heute meist nur mit der Luftfahrt in Verbindung gebracht, und die meisten Menschen kennen auch nur Autopiloten, die im Flugzeug Verwendung finden. Jedoch werden bereits weitere Systeme und Fahrzeuge mit einem Autopiloten ausgestattet. Abgesehen von der Luftfahrt werden Autopiloten, welche der obigen Definition entsprechen, auch in der Raumfahrt, Seefahrt, Automobilfahrt und Robotik eingesetzt, um Fahrzeuge zu steuern.
Autopiloten in der Schifffahrt Autopiloten auf Schiffen übernehmen die Steuerung nach einem festen Kurs, nach einer vorgegebenen Route (Wegpunkt-Liste) oder bei Segelschiffen nach dem Wind (Windfahnensteuerung). Auf größeren Schiffen sind sie in ein umfassendes elektronisches Navigationssystem (ECDIS) integriert.mini|Autopilot auf einem Schiff Der Autopilot berechnet aus verschiedenen Datenquellen die erforderliche Kurskorrektur. Gemessen wird der gesteuerte Kurs (Kompasskurs oder Kurs über Grund), der mit dem vorgegebenen Kurs über Grund verglichen wird. Aus dem Unterschied wird ein Steuersignal gebildet, das mechanisch oder hydraulisch auf die Steueranlage wirkt und über das Ruderblatt das Schiff zu einer Kursänderung bringt.
Moderne Geräte bestimmen den Kurs des Schiffes mit einem Kreiselkompass oder über GPS. Sie berücksichtigen auch Schlinger- und Schlierbewegungen durch Seegang und Windböen, Winddrehungen, Strömungen (Abdrift: Unterschied zwischen Kurs durch Wasser und Kurs über Grund) und Veränderungen des Erdmagnetfeldes. Über eine Wegpunktliste oder per Mausklick direkt auf der Seekarte können Routen eingegeben werden, die dann vom Autopiloten automatisch abgefahren werden. Beim Erreichen eines Wegpunktes erfolgt eine akustische Information, und das Gerät schaltet automatisch auf den nächsten Wegpunkt weiter.
Auf großen Schiffen ist der Autopilot ein integrierter Bestandteil in einem umfassenden elektronischen Navigationssystem (ECDIS), zu dem auch Echolot, Radar, AIS, elektronische Seekarte und vieles mehr gehören. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung und des Preisverfalls der hierzu benötigten Technik finden ECDIS-ähnliche Systeme – meist bestehend aus einem Notebook mit Navigations-Software sowie über NMEA-Schnittstellen verbundenen Peripheriegeräten – zunehmend Einzug auf kleineren Schiffen und selbst auf Fahrzeugen der Sportschifffahrt.
Schwerwiegende Folgen können falsch programmierte oder „aus dem Ruder“ laufende Autopiloten nach sich ziehen. Letzteres tritt insbesondere bei zu schwach dimensionierten Systemen auf, beziehungsweise bei besonders heftigen Wellen und Winden oder bei Segelkursen vor dem Wind, wenn die Regelautomatik zu schwach oder zu stark reagiert.
Windfahnensteuerung mini|Mechanische Windfahnen-Selbststeueranlage im Betrieb
Mechanische Windfahnensteuerung Die mechanische Windfahnensteuerung nutzt eine Windfahne am Heck des Schiffes, mit der die Windrichtung relativ zum Schiff gemessen wird. Sie reagiert sowohl auf Winddrehungen (Windrichtungsänderung) als auch auf Schiffsdrehungen (Kursänderung). Diese Richtungsänderung wird mechanisch derart auf das Ruderblatt des Schiffes übertragen, dass der Winkel zwischen Schiff und scheinbarem Wind immer gleich bleibt. Dadurch fährt das Schiff bei gleich bleibender Windrichtung geradeaus. Der Kurs muss nur bei größeren Winddrehungen korrigiert werden.
Mechanische Windfahnensteuerungen werden häufig bei Weltumsegelungen genutzt. Sie sind robust und benötigen keine elektrische Energie.
Elektronische Windfahnensteuerung Bei der elektronischen Windfahnensteuerung wird die Drehung der Windfahne auf der Mastspitze dem Autopiloten als elektrisches Signal zugeführt. Dieser berechnet dann daraus und unter Berücksichtigung des vorgegebenen und des tatsächlichen Kurses des Schiffes die erforderliche Korrektur. Bei modernen Yachten sind Windmesser, Autopilot und Navigationssystem meistens sowieso miteinander vernetzt, so dass keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist, um den Autopiloten im Windfahnenmodus zu betreiben.
Pinnensteuerung mini|Autopilot für Schiffe mit Pinnensteuerung. Ein Elektromotor mit einem kräftigen Schneckengetriebe verlängert oder verkürzt die Schubstange. Die Pinne ist im Vordergrund zu sehen. Bei der Pinnensteuerung wirkt das elektrische Steuersignal über eine elektrisch angetriebene Schubstange mechanisch direkt auf die Pinne. Die meisten sogenannten Pinnenpiloten haben einen elektronischen Kompass direkt eingebaut, so dass außer einer Stromversorgung keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist, um das Schiff einen Kompasskurs folgen zu lassen. Eingänge für NMEA-Daten ermöglichen eine Regelung nach Windrichtung oder nach Wegpunkten, womit auch Strömungen und Abdrift kompensiert werden können.
Radsteuerung Bei Schiffen mit Radsteuerung sind verschiedene Antriebsmodelle gebräuchlich. Allen gemeinsam ist, dass ein starker Antriebsmotor von einer im Cockpit befindlichen Steuereinheit angetrieben wird. Der Antriebsmotor wirkt entweder auf die Steuerseile oder aber über einen Stempel direkt auf den Ruderquadranten. Dieses System hat den Vorteil, dass bei einem Schaden in der Ruderanlage (z. B. Bruch des Steuerseils) das Schiff noch über den Autopiloten gesteuert werden kann. Auf kleineren Schiffen sind Antriebe mit Hydraulikzylindern selten, bei den Schiffen der Berufsschifffahrt aber verbreitet.
Im Automobil mini|Video: Taxifahrt mit Robotaxi in Wuhan, China. Juli 2024
Autopiloten in Kraftfahrzeugen werden in der Regel Fahrerassistenzsysteme genannt. Ein Autopilot greift per Definition in die Steuerung des Fahrzeuges ein. Einzelne Autopilotfunktionen sind zum Beispiel:
Spurhalteassistent: Hält das Fahrzeug in der markierten Spur. Spurwechselassistent: Wechselt auf Befehl des Fahrers die Spur. (Achtet dabei aber i. d. R. nicht auf den Verkehr). Kollisionsvermeidungsassistent: Warnt vor drohenden Auffahrkollisionen und bremst in Verbindung mit dem Notbremsassistenten selbstständig. Seitenkollisionsvermeidungsassistent: Weicht seitlich aus, falls ein anderes Fahrzeug seitlich zu nahe kommt. Bremsassistent: Erkennt anhand der Geschwindigkeit, mit der das Bremspedal getreten wird, eine Notbremssituation und bremst dann schneller und stärker, als der Mensch es tut. Tempomat: Regelt die Fahrzeuggeschwindigkeit. Seitenwind-Assistent: Stabilisiert die Spur bei böigem Seitenwind. Parkassistent: Erkennt Parklücken und parkt längs oder quer ein. Der Automatisierungsgrad eines Autopiloten wird durch Autonomiestufen von Level 0 bis Level 5 beschrieben (siehe Automatisierungsgrade). Seit dem Jahr 2023 erreichen Fahrzeuge von Google das Level 5 im kommerziellen Betrieb (siehe Waymo). Das bedeutet, dass die Fahrzeuge vollständig autonom ohne Fahrer fahren können. In China fahren seit dem Jahr 2024 in vielen Städten Robotaxis mit Level 5 vollständig autonom ohne Fahrer (siehe Robotaxis in China). Auch in Europa gibt es Anstrengungen, selbstfahrende Kraftfahrzeuge zu etablieren. Im kommerziellen Betrieb befindet sich der Mercedes Drive Pilot, der Level 3 erreicht. Ein Projekt, welches schon erfolgreich in Spanien getestet wurde, ist SARTRE (Safe Road Trains for the Environment). Hierbei handelt es sich um ein Konvoisystem, das automatisch alle Fahrzeuge miteinander in einem Netzwerk verbindet und diese vollautomatisch steuert. Im Test in Spanien steuerte ein LKW alle dahinter fahrenden Fahrzeuge, die alle ihre gemessenen Daten zum Steuerfahrzeug übertrugen.
Tesla, Inc. bietet in seinen Fahrzeugen serienmäßig den Tesla Autopilot an.
Raumfahrt In der Raumfahrtbranche sind Autopiloten heutzutage nicht mehr wegzudenken. Ohne sie wäre die Erforschung und kommerzielle Nutzung des Alls nicht möglich. Autopiloten werden in Raketen, Satelliten und Sonden eingesetzt, um diese beim Start zu steuern, im stabilen Orbit zu halten und um selbstständig Planeten oder andere Objekte in den Tiefen des Alls zu erforschen. Ein Beispiel ist der Curiosity-Rover der NASA, welcher aktuell auf dem Mars im Einsatz ist.
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