오토파일럿
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1. 개요
오토파일럿은 항공기, 선박, 철도, 자동차 등 다양한 운송 수단에 적용되는 자동 조종 시스템이다. 항공기에서는 이륙을 제외한 순항, 접근, 착륙 등 대부분의 단계에서 자동 조종을 지원하며, 관성 유도 장치, GPS 등을 활용하여 위치를 계산하고 이동 경로의 오차를 보정한다. 선박에서는 미리 입력된 항로를 따라 운항하며, 철도에서는 자동 열차 운전 장치(ATO)를 통해 운행된다. 자동차 분야에서는 자율주행 기술과 함께 발전하고 있으며, 크루즈 컨트롤, 어댑티브 크루즈 컨트롤 등 운전 보조 기능에서 더 나아가 완전 자율주행 시스템 개발이 진행 중이다. 오토파일럿은 안정적인 상황에서는 정확성을 보이지만, 급변하는 상황에서는 기술적 한계가 존재하며, 안전성 확보를 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.
항공기 오토파일럿은 전자시스템을 이용하여 이륙 후 순항, 접근, 착륙 등 대부분의 비행 단계에서 자동 조종을 제공한다. 조종사는 오토파일럿을 통해 복잡한 조작 부담을 덜고, 문제 발생 시 대응에 집중할 수 있게 되었다. 현대 항공기의 오토파일럿 시스템은 출발 공항에서 목적지 공항까지 레이더 관제를 받으며 자동 조종을 수행하지만, 이륙 시에는 여전히 수동으로 조종한다. 자동 정밀접근 및 착륙은 계기착륙장치(ILS)를 활용하며, 조종사의 자격 등급에 따라 사용 가능 여부가 달라진다.[21]
대형 선박에서는 미리 입력·설정해 둔 항로를 따라 선박을 진행시키는 오토파일럿이 널리 사용되고 있다. 2023년 시점에서 선박의 오토파일럿에는 주변의 장애물을 자동으로 감지하거나, 선박 간 충돌을 피하는 기능은 탑재되어 있지 않다.
궤도를 따라 주행하는 차량은 사실상 속도 제어만 수행하면 되므로, 기술적 난이도가 비교적 낮아 1970년대 이후 자동 열차 운전 장치 (ATO)에 의한 자동 운행이 실현되고 있다.
2. 항공기
관성 유도 장치와 외부 표식(목표물이 되는 전파 발신기) 등에서 목적지 등에 대한 자신의 상대 위치를 계산하고 이동 경로의 오차를 자동으로 보정한다. 조종사는 단순한 진행방향 변경과 순항고도 변경 등 간단한 조작만 하면 되므로 부담이 줄어든다. 항공기가 점점 발전해 조종석이 글래스 칵핏으로 바뀐 뒤에는 항공 기관사를 없애고 2명의 조종사만 칵핏에서 근무하며, 순항 중에는 오토파일럿을 사용하고 문제가 발생할 시에만 이를 보정한다.
가장 간단한 오토 파일럿 형태는 자동차에 적용된 크루즈 컨트롤이다.
자이로컴퍼스와 같은 센서를 통해 주변 상황을 파악하고, GPS 위성으로 현재 위치를 측정하여 예정 경로와의 오차를 수정한다. 고도로 발전된 오토파일럿은 비행 관리 장치(FMS)에 입력된 비행 계획에 따라 자동 조작이 가능하며, 추력 조정을 자동화하는 '''오토 스로틀''' (:en:Autothrottle) 기능도 제공한다. 현대 여객기 조종석에서는 문제 발생 시 오토파일럿에 조종을 맡기고 조종사가 문제 해결에 집중하는 것이 일반적이다.[21]
대한항공 007편 격추 사건과 같이 자동화 시스템의 오작동이나 조작 실수로 인한 사고 사례도 있어, 자동화 시스템에 대한 과도한 신뢰는 경계해야 한다.
2. 1. 초기 역사
초창기 항공기들은 안전하게 비행하기 위해 조종사가 계속 주의를 기울여야 했다. 항공기의 항속거리가 늘어나면서 수 시간 동안 비행이 가능해졌지만, 조종사가 계속 집중하는 것은 매우 힘든 일이었다. 자동조종 장치는 조종사의 이러한 부담을 덜어주기 위해 설계되었다.
최초의 항공기 자동조종 장치는 1912년 스페리 코퍼레이션(Sperry Corporation)에서 개발했다.[4] 이 자동조종 장치는 자이로스코프 방위 지시계와 자세 지시계를 유압식 승강타와 방향타에 연결했다. (에일러론은 연결되지 않았는데, 이는 날개의 양날개 각으로 충분한 안정성을 확보할 수 있다고 생각했기 때문이다.) 이 장치는 조종사가 신경 쓰지 않아도 항공기가 나침반이 가리키는 방향으로 똑바로 수평 비행을 할 수 있게 하여 조종사의 부담을 크게 줄여주었다.
1914년 파리에서 열린 항공 안전 대회에서, 유명한 발명가 엘머 스페리(Elmer Sperry)의 아들인 로렌스 스페리(Lawrence Sperry)가 이 자동조종 장치를 공개 시연했다. 그는 조종간에서 손을 떼고 사람들에게 보여주며 자동조종 장치의 신뢰성을 입증했다. 로렌스 스페리의 아들인 엘머 스페리 주니어(Elmer Sperry Jr.)와 쉬라스 대위는 전쟁 후에도 자동조종 장치 연구를 계속했으며, 1930년에는 미 육군 항공대 항공기를 3시간 동안 정확한 방위각과 고도로 유지하는 더욱 작고 신뢰할 수 있는 자동조종 장치를 시험했다.[5]
1930년, 영국의 왕립 항공 연구소(Royal Aircraft Establishment)는 공압식으로 회전하는 자이로스코프를 사용하여 비행 조종 장치를 움직이는 '조종사 보조 장치'라고 불리는 자동조종 장치를 개발했다.[6]
이후 자동조종 장치는 더욱 발전하여, 개선된 제어 알고리즘과 유압 서보 메커니즘 등을 포함하게 되었다. 무선 항법 보조 장치와 같은 더 많은 계기를 추가하여 야간 및 악천후 속에서도 비행이 가능해졌다. 1947년, 미국 공군(U.S. Air Force)의 더글러스 C-53(Douglas C-53)은 이착륙을 포함하여 자동조종 장치의 제어 하에 대서양 횡단 비행을 했다.[7][8] 빌 리어(Bill Lear)는 F-5 자동 조종 장치와 자동 접근 제어 시스템을 개발했으며, 1949년 콜리어 트로피(Collier Trophy)를 수상했다.[9]
1920년대 초, 스탠다드 오일(Standard Oil) 유조선 ''J.A. 모펫''(J.A. Moffet)이 자동조종 장치를 사용한 최초의 선박이 되었다. 피아세키 HUP 리트리버(Piasecki HUP Retriever)는 자동조종 장치를 탑재한 최초의 양산 헬리콥터였다.[10] 아폴로 달 착륙선(Apollo Lunar Module)의 디지털 자동조종 장치는 우주선에서 완전 디지털 자동조종 장치 시스템의 초기 사례이다.[11]
2. 2. 현대 기술
현대 여객기 대부분은 오토파일럿 시스템을 갖추고 있으며, 특히 20석 이상 항공기는 국제 항공 규정에 따라 오토파일럿 설치가 의무화된다.[20] 오토파일럿은 비행 관리 시스템(FMS)과 통합되어 정밀한 자동 비행을 지원하며, 추력 (속도) 조정을 자동화하는 '''오토 스로틀''' (:en:Autothrottle) 기능도 제공한다.[21]
보잉 737 MAX 기종에는 받음각이 큰 경우 수평 안정판을 자동으로 조작하는 조종 특성 보조 시스템 (MCAS)가 탑재되어 있다. 하지만 MCAS 결함으로 인해 추락 사고가 발생하면서 자동화 시스템의 안전성 문제가 다시 한번 제기되기도 하였다.
항공기 오토파일럿은 자이로 콤파스 등의 센서를 통해 주변 상황을 파악하고, GPS 위성으로 현재 위치를 측정하여 예정 경로와의 오차를 수정한다. 고도로 발전된 오토파일럿은 FMS에 입력된 비행 계획에 따라 자동 조작이 가능하며, 오토 스로틀을 통해 추력 조정도 가능하다. 현대 여객기 조종석에서는 문제 발생 시 오토파일럿에 조종을 맡기고 조종사가 문제 해결에 집중하는 것이 일반적이다.
대한항공 007편 격추 사건과 같이 자동화 시스템의 오작동이나 조작 실수로 인한 사고 사례도 있어, 자동화 시스템에 대한 과도한 신뢰는 경계해야 한다.
2. 3. 안전 및 한계
오토파일럿은 안정적인 상황에서는 신뢰성이 높지만, 급변하는 상황이나 기기 오작동 시에는 사고 위험이 존재한다.[20] 대한항공 007편 격추 사건은 오토파일럿 관련 오작동(혹은 조작 실수)으로 인한 대표적인 비극적 사건으로, 자동화 시스템에 대한 과도한 의존을 경계해야 함을 보여준다.[20]
자동 착륙은 계기착륙장치(ILS)를 이용하며, 기상 조건과 조종사 자격에 따라 사용 가능 여부가 결정된다.[21]
3. 선박
접안 시의 조종은 보조적인 시스템에 머물러 있다. 파도나 조수의 상황, 화물 적재량 등에 따라 배의 반응이 달라지므로 임기응변으로 조작해야 하기 때문이다. 예인선의 지원도 있어 비용 면에서 오토파일럿을 접안에 사용하는 이점이 적어 적극적인 개발이 이루어지지 않았지만, 2021년(레이와 3년)에 상선 미쓰이가 통상 영업을 하는 대형 페리에서의 자동 이착안 실험에 세계 최초로 성공했다.[22]
세일링 보트(요트)의 크루징에도 오토파일럿 장치가 사용되는 경우가 많다. 세일링 크루저용으로는 바람에 대한 배의 방향을 일정하게 유지하는 윈드베인Self-steering gear#Mechanical|英語版영어이라는 기계식 오토파일럿이 오래전부터 이용되고 있다. GPS 데이터를 이용하여 자선의 침로 변화를 계산하고, 막대 모양의 부분을 전동으로 늘였다 줄였다 하여 틸러·바(타봉)를 조작하는 틸러 파일럿도 있으며, 침로를 숫자로 지정할 수 있다.
4. 철도
IEC 62267 (JIS E3802)에서 정의하는 자동 운전 레벨 ('''GoA''' (Grades of Automation))은 다음 표와 같다.[23]자동화 레벨 레벨의 통칭 승무 형태 주요 도입 상황 GoA0 (레벨 0) 눈으로 보는 운전 (TOS) 운전사와 차장이 승무 노면 전차 GoA1 (레벨 1) 비자동 운전 (NTO) 건널목 등이 있는 일반적인 노선 (ATS/ATC가 도입되어 있다) GoA2 (레벨 2) 반자동 운전 (STO) 운전사가 열차 기동, 출입문 취급, 비상 정지 조작, 피난 유도를 수행 ATO 도입 노선 GoA2.5 (레벨 2.5) 승무원 동반 자동 운전 (DTO) 선두에 운전사 외의 직원이 비상 정지 조작, 피난 유도를 수행 JR 큐슈 카시이선 (일부 열차[24]) GoA3 (레벨 3) 선두 외에 승무하는 직원이 피난 유도를 수행 마이하마 리조트 라인 GoA4 (레벨 4) 자동 운전 (UTO) 직원의 승무가 없음 신교통 시스템
5. 자동차
오늘날 자율 주행 자동차는 일반적으로 자율주행차라고 불린다.
크루즈 컨트롤(고속도로 등에서 일정한 속도로 주행하도록 가속 페달을 제어하는 기능)이나 어댑티브 크루즈 컨트롤과 같은 자동차 첨단 기능(ASV)은 오토파일럿에 포함되지 않는다.
6. 기술적 장애물
오토파일럿은 안정된 환경에서는 높은 정확성을 보이지만, 급변하는 상황에서는 한계가 있다. 특히 자동차 운전과 같이 복잡하고 예측 불가능한 환경에서는 인간의 운전 능력을 대체하기 위한 높은 수준의 기술 발전이 필요하다.
항공기나 선박은 일정한 고도 이상이나 대양에서는 장애물을 만날 확률이 낮고 상황이 비교적 안정적이기 때문에 오토파일럿을 사용한다. 그러나 구름 아래의 항공기나 유빙이 있는 해역의 선박에서는 오토파일럿 사용이 위험할 수 있다.
현대 오토파일럿은 이중, 삼중의 안전 장치를 포함하고 인적 실수에 대해서도 경고하는 등 신뢰성을 높이도록 설계되어 있다. 비상 상황에서는 안전을 최우선으로 고려하여 조치를 취한다. 인공지능을 활용한 자동 제어 기술도 발전하고 있다. 로봇 자동차 경주와 같이 다양한 상황을 실시간으로 판단하여 이동하는 로봇 개발 및 시험이 진행 중이다.
오토파일럿은 비행 관리 시스템의 필수 구성 요소인 경우가 많다. 현대 오토파일럿은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 항공기를 제어한다. 소프트웨어는 항공기의 현재 위치를 읽고, 항공기 비행 제어 시스템을 제어하여 항공기를 유도한다. 또한, 많은 오토파일럿은 속도 최적화를 위해 추력 제어 기능을 포함한다.
현대 대형 항공기의 오토파일럿은 관성 항법 시스템에서 위치와 자세 정보를 얻는다. 관성 항법 시스템은 시간이 지남에 따라 오류가 누적되는데, 이를 줄이기 위해 회전목마 시스템과 같은 오류 감소 시스템을 사용한다. 자이로스코프의 오류는 '드리프트'라고 불리며, 디지털 신호 처리, 특히 6차원 칼만 필터를 통해 해결한다. 6차원은 롤, 피치, 요, 고도, 위도, 경도를 의미한다.
오토파일럿 하드웨어는 구현 방식에 따라 다르지만, 중복성과 신뢰성을 최우선으로 고려하여 설계된다. 예를 들어, 보잉 777에 사용되는 Rockwell Collins AFDS-770 오토파일럿은 3중 FCP-2002 마이크로프로세서를 사용한다.[13]
오토파일럿 소프트웨어와 하드웨어는 엄격한 관리와 광범위한 테스트를 거친다. 일부 오토파일럿은 설계 다양성을 사용하기도 한다. 이는 서로 다른 아키텍처의 컴퓨터에서 서로 다른 엔지니어링 팀이 개발한 소프트웨어를 실행하는 방식으로, 동일한 실수를 줄이기 위한 것이다. 우주왕복선의 비행 제어 컴퓨터가 이러한 설계를 사용했다.
6. 1. 안정성 보강 시스템 (SAS)
안정성 보강 시스템(SAS)은 자동 비행 제어 시스템의 한 종류이다. SAS는 항공기의 안정성을 높이기 위해 불필요한 움직임을 줄여준다. 예를 들어, 요 댐퍼는 후퇴익 항공기에서 발생하는 더치 롤 현상을 줄이는 데 사용된다.[14]요 댐퍼는 항공기의 회전 속도를 감지하는 센서(자이로스코프 또는 가속도계 쌍)[15], 컴퓨터/증폭기, 액추에이터로 구성된다. 센서가 더치 롤의 요잉(yawing) 움직임을 감지하면, 컴퓨터는 이를 억제하기 위한 방향타(rudder) 편향을 계산한다. 그리고 액추에이터에게 방향타를 움직여 더치 롤을 억제하도록 지시한다.
요 댐퍼에는 직렬 요 댐퍼와 병렬 요 댐퍼 두 가지 유형이 있다.[16] 병렬 요 댐퍼는 조종사의 방향타 페달과 독립적으로 방향타를 움직이지만, 직렬 요 댐퍼는 방향타 제어 사분면에 연결되어 방향타가 움직일 때 페달도 함께 움직인다.
보잉 B-52와 같은 일부 항공기는 여러 축에서 안정성을 보강하는 SAS를 갖추고 있다.[17] 보잉 B-52는 안정적인 폭격 플랫폼을 제공하기 위해 피치 및 요 SAS가 모두 필요하다. 많은 헬리콥터는 피치, 롤 및 요 SAS 시스템을 가지고 있다. 피치 및 롤 SAS 시스템은 요 댐퍼와 유사하게 작동하지만, 더치 롤 대신 피치 및 롤 진동을 억제하여 항공기의 전반적인 안정성을 향상시킨다.
7. 계기 착륙 (ILS) 자동 착륙
국제 민간 항공 기구(ICAO)에 의해 정의된 계기 착륙 장치(ILS) 범주는 필요한 시정 수준과 조종사의 개입 없이 착륙을 자동적으로 수행할 수 있는 정도에 따라 달라진다.[18]
'''CAT I''' - 이 범주는 조종사가 결정 고도 약 60.96m 및 전방 시정 또는 활주로 시정 거리 (RVR) 550m로 착륙하는 것을 허용한다. 자동 조종 장치는 필요하지 않다.[18]
'''CAT II''' - 이 범주는 조종사가 결정 고도 약 30.48m와 약 60.96m 사이 및 RVR 300m에서 착륙하는 것을 허용한다. 자동 조종 장치는 페일 패시브(fail-passive) 요구 사항을 갖는다.
'''CAT IIIa''' - 이 범주는 조종사가 결정 고도 약 15.24m까지 및 RVR 200m에서 착륙하는 것을 허용한다. 페일 패시브 자동 조종 장치가 필요하다. 규정된 구역 밖에서 착륙할 확률은 10−6이어야 한다.
'''CAT IIIb''' - IIIa와 동일하지만, 착륙 후 자동 롤아웃(rollout)이 추가되어 조종사가 활주로를 따라 일정 거리를 이동한 후 제어한다. 이 범주는 조종사가 약 15.24m 미만의 결정 고도 또는 결정 고도가 없고 유럽에서는 76m (일부 항공기는 70m 이상) 또는 미국에서는 약 91.44m의 전방 시정으로 착륙하는 것을 허용한다. 결정 보조 장치 없이 착륙하려면 페일-오퍼레이셔널(fail-operational) 자동 조종 장치가 필요하다. 이 범주에는 활주로 유도 시스템의 일부 형태가 필요하다. 최소한 페일 패시브여야 하지만, 결정 고도가 없거나 RVR이 100m 미만인 경우 페일-오퍼레이셔널이어야 한다.
'''CAT IIIc''' - IIIb와 동일하지만, 결정 고도 또는 시정 최소값이 없으며, "제로-제로"라고도 한다. 아직 구현되지 않았으며, 조종사가 제로-제로 시정 상태에서 택시를 해야 하기 때문이다. 자동 브레이크가 장착된 CAT IIIb에서 착륙할 수 있는 항공기는 활주로에서 완전히 정지할 수 있지만 택시를 할 수 없다.
- 페일 패시브 자동 조종 장치: 고장 시 항공기는 제어 가능한 위치에 유지되며, 조종사는 이를 제어하여 복행하거나 착륙을 완료할 수 있다. 일반적으로 이중 채널 시스템이다.
- 페일-오퍼레이셔널 자동 조종 장치: 경고 고도 아래에서 고장 발생 시에도 접근, 플레어 및 착륙을 자동으로 완료할 수 있다. 일반적으로 삼중 채널 시스템 또는 듀얼-듀얼 시스템이다.
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