自主救援無人機的虛擬設計和測試加速產(chǎn)品開發(fā)

試想：一名徒步旅行者在一座危險的山上墜落;又或者一家人被困在洪水災區(qū)。這樣的緊急情況經(jīng)常發(fā)生在危險且難以到達的地方。在這種情況下，傳統(tǒng)的救援方法可能既緩慢又有風險。這就是 AVILUS，一家總部位于德國的初創(chuàng)公司想通過新型救援無人機 Grille 徹底改變應急響應方式解決的問題。

該無人機配備了先進的航空電子設備和自主導航系統(tǒng)，能夠在崎嶇的地形上小心翼翼地飛行。Grille 有一個專門的病人急救箱，可以進行初步治療并在運輸過程中穩(wěn)定病人的情況。這一功能至關重要，尤其是在偏遠地區(qū)，因為“黃金時間”——創(chuàng)傷后關鍵的第一個小時——可以決定生存的機會。

無人機撤離

AVILUS 由 Ernst Rittinghaus 和 Prof. Dr.-Ing. 的博士生創(chuàng)立。慕尼黑工業(yè)大學 (TUM) Florian Holzapfel 的飛行系統(tǒng)動力學研究所。當 Rittinghaus 向博士生提出需要一架“飛行擔架”時，包括 Niclas B?hr、Max S?pper 和 Daniel Dollinger 在內(nèi)的博士生們正在從事飛行控制、系統(tǒng)架構和飛行物理學領域的工作。他們利用業(yè)余時間在一周內(nèi)開發(fā)了飛行擔架的技術概念。

AVILUS 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術官索珀表示：“恩斯特非常喜歡這個概念，所以他說，‘那就做吧’。他想建立一個原型并證明這種情況是可行的?！?/p>

這個想法最終演變成基于無人機的疏散系統(tǒng)的概念，而價值主張為 AVILUS 奠定了基礎。在偏遠或難以到達的地區(qū)，由于缺乏基礎設施或地形復雜，傳統(tǒng)的救援行動受到阻礙，疏散無人機發(fā)揮著重要作用。無人機能夠快速有效地在復雜地形中導航，這使其成為在這些地區(qū)提供緊急醫(yī)療護理或疏散服務的理想解決方案。

無人機還可以降低安全風險，因為它們是遠程操作的，不需要飛行員或醫(yī)務人員登機或進入潛在危險區(qū)域。這使得他們能夠用更少的人手做更多的事情。

S?pper 說：“兩個人可以操作 10 到 20 架無人機，而傳統(tǒng)方法則需要一名外科醫(yī)生和一名直升機飛行員。我們并不認為我們的系統(tǒng)是一種替代品。我們認為它是一種資產(chǎn)，可以與傳統(tǒng)救援手段和人員配合使用，在系統(tǒng)達到極限的緊急情況下提供幫助?！?/p>

從頭開始構建

對于科技公司來說，從概念到創(chuàng)造可能是一段漫長而充滿挑戰(zhàn)的旅程。與大多數(shù)初創(chuàng)公司一樣，AVILUS 最初規(guī)模很小?！耙婚_始，我們是飛行控制系統(tǒng)動力學研究所的一個非常小的團隊，大約有五到八個人，”聯(lián)合創(chuàng)始人兼設計主管多林格說。“我們從一張白紙開始，決定從頭開始制造無人機?！?/p>

建造這架飛行器面臨著許多挑戰(zhàn)。該團隊需要學習如何用碳纖維和鋁混合組件來制作結構。他們還需要獲得大量有關構建車輛電力動力系統(tǒng)的知識。而且他們必須在有限的啟動預算內(nèi)完成所有工作。

從一張白紙開始可以確保車輛能夠滿足救援隊的精確需求，而無需對現(xiàn)有車輛進行改裝。通過采用簡約的設計，他們還可以大幅削減生產(chǎn)成本和時間。

多林格說：“我們希望提供一種具有救援直升機功能的無人機，但價格卻僅為直升機的一小部分?！?/p>

從最初的概念救援無人機，該產(chǎn)品已發(fā)展成為名為 DRONEVAC 的完整救援系統(tǒng)，包括 MEDEVAC 救援無人機(也就是 Grille 無人機)、移動地面站和其他設備。

基于模型的設計

AVILUS 團隊成功的關鍵之一是采用基于模型的設計，這是一種在系統(tǒng)完全構建之前使用建模工具進行模擬設計和分析的方法。基于模型的設計允許工程師在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建、測試和迭代系統(tǒng)，從而大大簡化從概念設計到實施和測試的開發(fā)過程。

這種設計方法使得 AVILUS 團隊甚至可以在所有物理組件準備好之前進行仿真和功能測試。他們使用 System Composer 來開發(fā)和測試物理和功能系統(tǒng)架構。這種早期測試有助于識別和解決潛在問題，而無需反復構建物理原型。

而子系統(tǒng)的詳細模型，包括帶電池、中間電路、逆變器和發(fā)動機的電動動力系統(tǒng)，是用 Simscape 開發(fā)的。

團隊還使用了 Simulink 開發(fā)飛行控制算法和飛行器的整體仿真模型，使他們能夠在仿真環(huán)境中測試和驗證整個飛行器系統(tǒng)。這種方法確保在進行更昂貴、更耗時的物理測試之前，系統(tǒng)的行為得到充分理解和優(yōu)化。

“我們使用 Simulink 為我們的飛行器開發(fā)仿真模型，以便最終我們可以對其所有系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件以及飛行器相應組件所代表的飛行控制算法進行完整的模型在環(huán)仿真，”Dollinger 說?！拔覀儗δ荛_發(fā)有一系列要求，并據(jù)此創(chuàng)建測試用例，然后這些測試用例在 Simulink 中的模型在環(huán)仿真中運行?！?/p>

AVILUS 通過使用基于模型的設計顯著縮短了開發(fā)時間和成本。Simulink 中的模型在環(huán)仿真非常有效，它們將實際硬件測試期間所需的額外驗證工作量減少到 5% 到 10% 之間。

“從系統(tǒng)角度來看，當我們在系統(tǒng)中引入變化時，我們閉環(huán) Simulink 仿真模型中的所有軟件組件和測試用例足以自動評估所有影響，”Dollinger 說?！白詈?，這就像勾選了你也做了硬件在環(huán)仿真的框，因為在大多數(shù)情況下，模型在環(huán)和硬件之間的差異非常小?！?/p>

硬件測試

基于模型的設計和 MATLAB 的使用使得執(zhí)行硬件在環(huán)測試變得更加容易。該團隊使用了Embedded Coder 將 Simulink 模型從高級算法轉換為可以在無人機嵌入式處理器上運行的底層 C 代碼。

“我們通常從接口數(shù)據(jù)庫開始，然后根據(jù)物理系統(tǒng)架構使用該數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建具有輸入和輸出端口的 Simulink 模型模板，”Dollinger 說?！爱斘覀儗崿F(xiàn)我們的算法時，這個模板模型就變成了設計模型。從這個設計模型出發(fā)，我們生成代碼，然后根據(jù)我們現(xiàn)有的硬件將其集成到我們的嵌入式框架中?！?/p>

在硬件在環(huán)測試期間，實時系統(tǒng)會生成合成傳感器數(shù)據(jù)，代表傳感器在實際飛行過程中感知到的內(nèi)容。這些數(shù)據(jù)被輸入到正在測試的硬件組件(例如飛行控制計算機)中，以查看它們對各種飛行場景的反應。

在完成硬件在環(huán)測試之后，該團隊進行了“系留飛行”，即將飛行器固定在一根桿子上，使飛行器可以上下移動而不會產(chǎn)生完全的空中風險。這種設置提供了一個安全的環(huán)境，可以在接近真實條件下測試飛行器的行為，而不存在自由飛行的完全風險。此后，該系統(tǒng)已準備好進行全面飛行測試。

多林格說：“當我們完全組裝好的飛行器開始首次自由飛行時，我們所有人都感到非常激動。從那時到現(xiàn)在，我們已經(jīng)積累了大量的飛行時間?！?/p>

加速創(chuàng)新

AVILUS 已經(jīng)交付了其第一款產(chǎn)品——Grille 無人機。但它并未停止其研發(fā)。得益于 AVILUS 團隊創(chuàng)建的設計流程，他們正在快速改進他們的車輛并運送新的車輛。

“基于模型的設計的優(yōu)點在于我們可以輕松地更改模型，因為我們已經(jīng)設置了流程和工具鏈，”S?pper 說道。“我們已經(jīng)建立了流程、工具結構和團隊，以便在新的設計迭代中再次做同樣的事情。我們預計，由于我們可以利用現(xiàn)有模型，因此第二款產(chǎn)品所需的時間將僅為第一款產(chǎn)品的五分之一?！?/p>

該團隊目前正在對他們的第二架無人機進行飛行測試，并已開始建造具有附加功能的第三架無人機。然而，隨著團隊不斷擴大其工具庫并實現(xiàn)設計、測試和部署過程的自動化，建造每架新飛行器都變得更快、更容易。

“現(xiàn)在我們擁有了所有這些經(jīng)驗，并整合了占80%具有挑戰(zhàn)性的工作的系統(tǒng)，”S?pper說。

然而，AVILUS 團隊從這種設計方法中獲得的最大收獲是，它改善了初創(chuàng)企業(yè)的學習和創(chuàng)新流程，尤其是在受到嚴格監(jiān)管和敏感的行業(yè)中。

S?pper 表示：“傳統(tǒng)的開發(fā)模式是從一開始就定義所有需求，但這對于此類項目來說并不是最佳方法，因為客戶的運營理念會隨著時間的推移而改變或發(fā)展。因此，隨著運營需求的出現(xiàn)和產(chǎn)品開發(fā)的發(fā)展，建筑商和客戶需要共同努力，相互學習。”