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(zāi)區(qū)。這樣的緊急情況經(jīng)常發(fā)生在危險且難以到達(dá)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(fēng)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(yīng)急響應(yīng)方式解決的問題。

該無人機配備了先進(jìn)的航空電子設(shè)備和自主導(dǎo)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(jìn)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(guān)重要，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，因為“黃金時間”——創(chuàng)傷后關(guān)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(xué) (TUM) Florian Holzapfel 的飛行系統(tǒng)動力學(xué)研究所。當(dāng) Rittinghaus 向博士生提出需要一架“飛行擔(dān)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(gòu)和飛行物理學(xué)領(lǐng)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(dān)架的技術(shù)概念。

AVILUS 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)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(chǔ)。在偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)的地區(qū)，由于缺乏基礎(chǔ)設(shè)施或地形復(fù)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(fù)雜地形中導(dǎo)航，這使其成為在這些地區(qū)提供緊急醫(yī)療護(hù)理或疏散服務(wù)的理想解決方案。

無人機還可以降低安全風(fēng)險，因為它們是遠(yuǎn)程操作的，不需要飛行員或醫(yī)務(wù)人員登機或進(jìn)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(rèn)為我們的系統(tǒng)是一種替代品。我們認(rèn)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(dá)到極限的緊急情況下提供幫助。”

從頭開始構(gòu)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。“一開始，我們是飛行控制系統(tǒng)動力學(xué)研究所的一個非常小的團(tuán)隊，大約有五到八個人，”聯(lián)合創(chuàng)始人兼設(shè)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。”

建造這架飛行器面臨著許多挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊需要學(xué)習(xí)如何用碳纖維和鋁混合組件來制作結(jié)構(gòu)。他們還需要獲得大量有關(guān)構(gòu)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(yù)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(jìn)行改裝。通過采用簡約的設(shè)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。”

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(shè)備。

基于模型的設(shè)計

AVILUS 團(tuán)隊成功的關(guān)鍵之一是采用基于模型的設(shè)計，這是一種在系統(tǒng)完全構(gòu)建之前使用建模工具進(jìn)行模擬設(shè)計和分析的方法?；谀Ｐ偷脑O(shè)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(shè)計到實施和測試的開發(fā)過程。

這種設(shè)計方法使得 AVILUS 團(tuán)隊甚至可以在所有物理組件準(zhǔn)備好之前進(jìn)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(gòu)。這種早期測試有助于識別和解決潛在問題，而無需反復(fù)構(gòu)建物理原型。

而子系統(tǒng)的詳細(xì)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(tuán)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(jìn)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(yīng)組件所代表的飛行控制算法進(jìn)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(shè)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(dāng)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。”

硬件測試

基于模型的設(shè)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(tuán)隊使用了Embedded Coder 將 Simulink 模型從高級算法轉(zhuǎn)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(gòu)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?dāng)我們實現(xiàn)我們的算法時，這個模板模型就變成了設(shè)計模型。從這個設(shè)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(yīng)。

在完成硬件在環(huán)測試之后，該團(tuán)隊進(jìn)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(fēng)險。這種設(shè)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(fēng)險。此后，該系統(tǒng)已準(zhǔn)備好進(jìn)行全面飛行測試。

多林格說：“當(dāng)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。”

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(tuán)隊創(chuàng)建的設(shè)計流程，他們正在快速改進(jìn)他們的車輛并運送新的車輛。

“基于模型的設(shè)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(shè)置了流程和工具鏈，”S?pper 說道?！拔覀円呀?jīng)建立了流程、工具結(jié)構(gòu)和團(tuán)隊，以便在新的設(shè)計迭代中再次做同樣的事情。我們預(yù)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(tuán)隊目前正在對他們的第二架無人機進(jìn)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(tuán)隊不斷擴(kuò)大其工具庫并實現(xiàn)設(shè)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(tuán)隊從這種設(shè)計方法中獲得的最大收獲是，它改善了初創(chuàng)企業(yè)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新流程，尤其是在受到嚴(yán)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(xué)習(xí)?！?/p>