無人駕駛直升機精準(zhǔn)投遞重型貨物

全球供應(yīng)鏈正處于危機之中?，F(xiàn)如今的貨物采購比以往任何時候都要便捷：您只需點擊一下鼠標(biāo)就能在指定地址收貨，而且所需的時間通常也很短。這種便捷所需的則是包含許多可能會出問題的環(huán)節(jié)的復(fù)雜供應(yīng)鏈。鑒于電子商務(wù)呈兩位數(shù)增長，再加之全球勞動力短缺，供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)都承受著壓力：在港口從船上卸載貨物，將材料運送到倉庫，最后將包裹分發(fā)到本地配送中心。在這一新的短途配送物流環(huán)境中，各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用。

解決物流難題需要新技術(shù)，包括小到沿人行道巡航實現(xiàn)最后一英里送貨的機器人，大到可在供應(yīng)鏈早期運輸重型貨物的航空貨載飛行器。RangeAero 是來自印度班加羅爾的一家初創(chuàng)企業(yè)，致力于緩解短途運輸重型貨物的物流難題。

想象一下，一架無人機攜帶 100 公斤（220 磅）的包裹升空下降，再以極高的精度和速度將供應(yīng)商的材料投遞到裝配線，這是多么令人驚嘆的場景。RangeAero 開發(fā)了一款垂直起降 （VTOL） 飛機，使這種投遞成為了可能。

▼ 精準(zhǔn)的垂直起降

與傳統(tǒng)直升機不同，RangeAero 的直升機采用流線型同軸設(shè)計，具有上下同心旋翼，兩者以相反方向旋轉(zhuǎn)。槳葉通過改變其槳距來控制運動。

同軸設(shè)計不僅使直升機具有垂直起降能力，而且最大限度地減少了它的占地面積。傳統(tǒng)直升機在機身上方有一副旋翼，并帶一個用來抵消旋翼扭矩的尾槳。與之不同，同軸直升機沒有尾槳組件所需的額外長度，同時能夠保持穩(wěn)定性。這種直升機更適用于起降空間有限、需要精準(zhǔn)投遞的物流系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施。

“同軸直升機具有很高的敏捷性，可以在非常擁擠的空間降落，”RangeAero 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Arpit Sharma 說道?！斑@種直升機采用同軸轉(zhuǎn)子配置，具有非凡的載貨能力，即使在極端天氣條件下也能可靠地工作。”

同軸直升機的旋翼比四軸直升機的要大，后者使用四個小旋翼來產(chǎn)生升力。四軸直升機或多旋翼直升機的優(yōu)勢在于易于使用，采用模塊化設(shè)計，旋轉(zhuǎn)部件較少。但在起降空間狹小的情況下，它們在效率、飛行能力和適航安全性方面表現(xiàn)欠佳。

“靠近擁擠城市地區(qū)的倉庫就很適合 B2B 配送方式，”Sharma 補充道?！霸谶@些區(qū)域運營時，安全和效率是關(guān)鍵。”

加速系統(tǒng)開發(fā)

RangeAero 采用大型復(fù)雜飛機設(shè)計中常用的系統(tǒng)工程方法來設(shè)計和開發(fā)共軸直升機?！拔覀兊拈_發(fā)團隊特別參照了 NASA 的系統(tǒng)工程方法，”Sharma 說道?！斑@需要通過不同層級的原型構(gòu)建來開發(fā)飛機，每個原型都是一個為實現(xiàn)特定目標(biāo)而制造的工程產(chǎn)品。”

這項技術(shù)的發(fā)展歷程始于加速器 Forge。Forge 加入了 MathWorks 加速器計劃。該計劃旨在使初創(chuàng)企業(yè)能夠利用基于模型的設(shè)計和科學(xué)計算工具，包括 MATLAB 和 Simulink。MathWorks 還為加速器成員提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

飛機的設(shè)計和開發(fā)團隊精通航空航天系統(tǒng)工程和原型開發(fā)。他們最初面臨的挑戰(zhàn)是驗證理論設(shè)計決策。該團隊開發(fā)了一種基于縮放原型的測試方法。他們從原型階段就開始迭代設(shè)計下一代更大型的飛機。仿真在 Simulink 中完成。

RangeAero 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Rohit Gupta 表示，“在共軸直升機中，旋翼之間相互作用形成的旋翼流非常復(fù)雜，會影響直升機的動力學(xué)特性。我們使用 MATLAB 和 Simulink 基于理論假設(shè)對飛機動力學(xué)特性進行了建模。然后，我們驗證了測試結(jié)果。為了快速解讀分析，我們使用基于模型的設(shè)計開發(fā)了工作流，包括分析飛行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)和每次飛行的通信日志。總體看來，它有助于快速不斷地改進設(shè)計。”

“我們使用基于模型的設(shè)計開發(fā)了工作流，包括分析飛行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)和每次飛行的通信日志?？傮w看來，它有助于快速不斷地改進設(shè)計?！?/p>

—— Rohit Gupta，RangeAero 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官

RangeAero 直升機的基于模型的設(shè)計。（圖片所有權(quán)：RangeAero）

▼ 基于復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)進行設(shè)計

“RangeAero 專注于開發(fā)此類運營所需的端到端生態(tài)系統(tǒng)，”Sharma 說道。“我們開發(fā)和制造飛機。然后，我們將運營無人機機場，它具有類似于空中交通管制的命令和控制中心。我們的最終目標(biāo)是成為一家貨運航空公司?！?/p>

“當(dāng)我們開發(fā)飛機的大腦（包括控制系統(tǒng)和其他集成系統(tǒng)）時，我們廣泛使用了 MATLAB，”Gupta 說道。“我們希望快速開發(fā)、測試和部署?！?/p>

Simulink 中的仿真是開發(fā)的關(guān)鍵。仿真具有安全、成本低和包容的優(yōu)點。它讓 RangeAero 開發(fā)團隊有充足的機會來完善設(shè)計，應(yīng)用不同設(shè)定，準(zhǔn)確測試其原型，以及驗證整體設(shè)計。

Gupta 說道，“在開發(fā)新產(chǎn)品時，采用基于系統(tǒng)工程的決策方法有助于在向受眾展示概念時樹立信心。”“做出正確的預(yù)測并仿真各種用例的性能，是幫助產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵因素?！?/p>

Gupta 還對 MathWorks 的應(yīng)用工程團隊給予高度評價，稱贊他們?yōu)槠鋱F隊提供了及時有效的幫助。

“RangeAero 的技術(shù)團隊在 MathWorks 應(yīng)用工程團隊的幫助下，學(xué)會了如何使用這些工具并將其應(yīng)用于我們的復(fù)雜應(yīng)用，”Gupta 說道。“當(dāng)我們在設(shè)置工作流所需的工具箱方面需要幫助時，MathWorks 團隊總是有求必應(yīng)，隨叫隨到。”

在 Simulink 中實現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的偏航控制器。（圖片所有權(quán)：RangeAero）

RangeAero 開發(fā)團隊已對其原型機進行了 100 多次試飛，并在繼續(xù)開發(fā)具有不同航程和有效載荷能力的同軸直升機。他們的目標(biāo)是用其標(biāo)志性的共軸直升機 Range100 承載 100 公斤的重物成功飛行 80 公里（50 英里）。Range100 是一款自重 223 公斤（492 磅，不計燃油和有效載荷）的輕型直升機。其最長維度是 7 米（23 英尺）寬，這是轉(zhuǎn)子運動路徑的直徑。它可攜帶 100 公斤的重物在兩到三個小時內(nèi)飛行 200 公里（124 英里）。

“我們已經(jīng)開發(fā)了這款直升機的縮小版 Range5 和 Range10，它們的有效載荷分別為 5 公斤（11 磅）和 10 公斤（22 磅），”Sharma 說道?！斑@些縮小版有助于我們驗證所涉及的技術(shù)，以及物流集群的軸輻式模型的部署策略?！陛S輻式模型是用于高效管理運輸系統(tǒng)中貨物運輸?shù)奈锪髋渲谩?/p>

面臨的重大運營挑戰(zhàn)之一是，針對指定的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計能夠精確接近著陸臺并在其上降落的飛機。在分析不同數(shù)據(jù)感知方法以及隨后的快速決策能力后，該團隊決定利用基于視覺的系統(tǒng)，從而進一步降低硬件需求。此外，還可以將圖像處理與傳感器融合巧妙結(jié)合，從而與飛行中涉及的其他傳感器相協(xié)調(diào)。

▼ 在復(fù)雜受控的環(huán)境中運營

“當(dāng)前，監(jiān)管環(huán)境范圍日益擴大，無人駕駛飛機也被納入監(jiān)管的范疇；不過，法規(guī)引入的進度因地而異，”Sharma 說道?！拔覀冋诟鶕?jù)歐盟航空安全局設(shè)立的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)飛機，該機構(gòu)負(fù)責(zé)制定認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以及適航和安全指令。我們的飛機和投遞生態(tài)系統(tǒng)屬于 1 類和 2 類認(rèn)證?！?/p>

這些類別的認(rèn)證適用于按照儀表飛行規(guī)則 （IFR） 在某類空域飛行的飛機。當(dāng)云冪離地面的高度低于 305 米（1000 英尺），或能見度小于 4.8 公里（3 英里）時，與空中交通管制交互的航班按照 IFR 飛行。

“很快，我們有望將觸角從預(yù)定無人機走廊的專用無人機機場延伸到貨運航班領(lǐng)域，全面進軍印度和國外的市場，”Sharma 說道。

MATLAB 和 Simulink 的主要優(yōu)勢在于，這些工具提供了團隊可以應(yīng)用的飛行“假設(shè)分析”場景，并可幫助更正設(shè)計中存在的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)。

“了解您的系統(tǒng)如何響應(yīng)實際環(huán)境并向設(shè)計團隊提供更正措施的反饋，有助于加速設(shè)計過程，”Sharma 說道。

機載系統(tǒng)和命令控制中心之間的交互至關(guān)重要。

“我們使用預(yù)測性維護方法和健康診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了這一目標(biāo)。健康診斷系統(tǒng)會將飛機中涉及的子系統(tǒng)的實時健康數(shù)據(jù)傳播到命令和控制中心，”Sharma 說道。“它是使用 MATLAB 工具箱和我們在過去三年中開發(fā)的核心代碼庫構(gòu)建的。”

RangeAero 正在用正確的工具、正確的方法和正確的團隊掀起航空物流的變革，展示無人直升機連接工業(yè)樞紐并安全及時地投遞貨物的可行性。

Forge 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Vish Sahasranamam 說道，“利用正確的技術(shù)支持對于構(gòu)建正確的產(chǎn)品和正確地構(gòu)建產(chǎn)品至關(guān)重要。通過與領(lǐng)先的技術(shù)公司合作，我們具備了這種能力。通過與 MathWorks 的合作，我們這樣的初創(chuàng)企業(yè)能夠利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，如 MATLAB 和 Simulink?！?/p>

對于 RangeAero 的團隊來說，他們用直升機重新詮釋和顛覆物流技術(shù)的使命仍在繼續(xù)，因為他們致力于為全球供應(yīng)鏈開啟新的可能性。

審核編輯 ：李倩