試想：一名徒步旅行者在一座危險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)。這就是 AVILUS，一家總部位于德國(guó)的初創(chuàng)公司想通過(guò)新型救援無(wú)人機(jī) Grille 徹底改變應(yīng)急響應(yīng)方式解決的問(wèn)題。

該無(wú)人機(jī)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(gè)專門的病人急救箱，可以進(jìn)行初步治療并在運(yùn)輸過(guò)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?yàn)椤包S金時(shí)間”——?jiǎng)?chuàng)傷后關(guān)鍵的第一個(gè)小時(shí)——可以決定生存的機(jī)會(huì)。

無(wú)人機(jī)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(dòng)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(shí)，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(shí)間在一周內(nèi)開(kāi)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(gè)概念，所以他說(shuō)，‘那就做吧’。他想建立一個(gè)原型并證明這種情況是可行的。”

這個(gè)想法最終演變成基于無(wú)人機(jī)的疏散系統(tǒng)的概念，而價(jià)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(dòng)受到阻礙，疏散無(wú)人機(jī)發(fā)揮著重要作用。無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)還可以降低安全風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兪沁h(yuǎn)程操作的，不需要飛行員或醫(yī)務(wù)人員登機(jī)或進(jìn)入潛在危險(xiǎn)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(shuō)：“兩個(gè)人可以操作 10 到 20 架無(wú)人機(jī)，而傳統(tǒng)方法則需要一名外科醫(yī)生和一名直升機(jī)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(kāi)始構(gòu)建

對(duì)于科技公司來(lái)說(shuō)，從概念到創(chuàng)造可能是一段漫長(zhǎng)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(kāi)始，我們是飛行控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究所的一個(gè)非常小的團(tuán)隊(duì)，大約有五到八個(gè)人，”聯(lián)合創(chuàng)始人兼設(shè)計(jì)主管多林格說(shuō)。“我們從一張白紙開(kāi)始，決定從頭開(kāi)始制造無(wú)人機(jī)。”

建造這架飛行器面臨著許多挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)需要學(xué)習(xí)如何用碳纖維和鋁混合組件來(lái)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(dòng)力系統(tǒng)的知識(shí)。而且他們必須在有限的啟動(dòng)預(yù)算內(nèi)完成所有工作。

從一張白紙開(kāi)始可以確保車輛能夠滿足救援隊(duì)的精確需求，而無(wú)需對(duì)現(xiàn)有車輛進(jìn)行改裝。通過(guò)采用簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)，他們還可以大幅削減生產(chǎn)成本和時(shí)間。

多林格說(shuō)：“我們希望提供一種具有救援直升機(jī)功能的無(wú)人機(jī)，但價(jià)格卻僅為直升機(jī)的一小部分。”

從最初的概念救援無(wú)人機(jī)，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(wú)人機(jī)(也就是 Grille 無(wú)人機(jī))、移動(dòng)地面站和其他設(shè)備。

基于模型的設(shè)計(jì)

AVILUS 團(tuán)隊(duì)成功的關(guān)鍵之一是采用基于模型的設(shè)計(jì)，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(jì)和分析的方法。基于模型的設(shè)計(jì)允許工程師在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建、測(cè)試和迭代系統(tǒng)，從而大大簡(jiǎn)化從概念設(shè)計(jì)到實(shí)施和測(cè)試的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

這種設(shè)計(jì)方法使得 AVILUS 團(tuán)隊(duì)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(cè)試。他們使用 System Composer 來(lái)開(kāi)發(fā)和測(cè)試物理和功能系統(tǒng)架構(gòu)。這種早期測(cè)試有助于識(shí)別和解決潛在問(wèn)題，而無(wú)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(dòng)機(jī)的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，是用 Simscape 開(kāi)發(fā)的。

團(tuán)隊(duì)還使用了 Simulink 開(kāi)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(cè)試和驗(yàn)證整個(gè)飛行器系統(tǒng)。這種方法確保在進(jìn)行更昂貴、更耗時(shí)的物理測(cè)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(kāi)發(fā)仿真模型，以便最終我們可以對(duì)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(shuō)。“我們對(duì)功能開(kāi)發(fā)有一系列要求，并據(jù)此創(chuàng)建測(cè)試用例，然后這些測(cè)試用例在 Simulink 中的模型在環(huán)仿真中運(yùn)行。”

AVILUS 通過(guò)使用基于模型的設(shè)計(jì)顯著縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。Simulink 中的模型在環(huán)仿真非常有效，它們將實(shí)際硬件測(cè)試期間所需的額外驗(yàn)證工作量減少到 5% 到 10% 之間。

“從系統(tǒng)角度來(lái)看，當(dāng)我們?cè)谙到y(tǒng)中引入變化時(shí)，我們閉環(huán) Simulink 仿真模型中的所有軟件組件和測(cè)試用例足以自動(dòng)評(píng)估所有影響，”Dollinger 說(shuō)。“最后，這就像勾選了你也做了硬件在環(huán)仿真的框，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，模型在環(huán)和硬件之間的差異非常小。”

硬件測(cè)試

基于模型的設(shè)計(jì)和 MATLAB 的使用使得執(zhí)行硬件在環(huán)測(cè)試變得更加容易。該團(tuán)隊(duì)使用了Embedded Coder 將 Simulink 模型從高級(jí)算法轉(zhuǎn)換為可以在無(wú)人機(jī)嵌入式處理器上運(yùn)行的底層 C 代碼。

“我們通常從接口數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始，然后根據(jù)物理系統(tǒng)架構(gòu)使用該數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建具有輸入和輸出端口的 Simulink 模型模板，”Dollinger 說(shuō)。“當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)我們的算法時(shí)，這個(gè)模板模型就變成了設(shè)計(jì)模型。從這個(gè)設(shè)計(jì)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。”

在硬件在環(huán)測(cè)試期間，實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)生成合成傳感器數(shù)據(jù)，代表傳感器在實(shí)際飛行過(guò)程中感知到的內(nèi)容。這些數(shù)據(jù)被輸入到正在測(cè)試的硬件組件(例如飛行控制計(jì)算機(jī))中，以查看它們對(duì)各種飛行場(chǎng)景的反應(yīng)。

在完成硬件在環(huán)測(cè)試之后，該團(tuán)隊(duì)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(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生完全的空中風(fēng)險(xiǎn)。這種設(shè)置提供了一個(gè)安全的環(huán)境，可以在接近真實(shí)條件下測(cè)試飛行器的行為，而不存在自由飛行的完全風(fēng)險(xiǎn)。此后，該系統(tǒng)已準(zhǔn)備好進(jìn)行全面飛行測(cè)試。

多林格說(shuō)：“當(dāng)我們完全組裝好的飛行器開(kāi)始首次自由飛行時(shí)，我們所有人都感到非常激動(dòng)。從那時(shí)到現(xiàn)在，我們已經(jīng)積累了大量的飛行時(shí)間。”

加速創(chuàng)新

AVILUS 已經(jīng)交付了其第一款產(chǎn)品——Grille 無(wú)人機(jī)。但它并未停止其研發(fā)。得益于 AVILUS 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的設(shè)計(jì)流程，他們正在快速改進(jìn)他們的車輛并運(yùn)送新的車輛。

“基于模型的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于我們可以輕松地更改模型，因?yàn)槲覀円呀?jīng)設(shè)置了流程和工具鏈，”S?pper 說(shuō)道。“我們已經(jīng)建立了流程、工具結(jié)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)，以便在新的設(shè)計(jì)迭代中再次做同樣的事情。我們預(yù)計(jì)，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(shí)間將僅為第一款產(chǎn)品的五分之一。”

該團(tuán)隊(duì)目前正在對(duì)他們的第二架無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行測(cè)試，并已開(kāi)始建造具有附加功能的第三架無(wú)人機(jī)。然而，隨著團(tuán)隊(duì)不斷擴(kuò)大其工具庫(kù)并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、測(cè)試和部署過(guò)程的自動(dòng)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(yàn)，并整合了占80%具有挑戰(zhàn)性的工作的系統(tǒng)，”S?pper說(shuō)。

然而，AVILUS 團(tuán)隊(duì)從這種設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)模式是從一開(kāi)始就定義所有需求，但這對(duì)于此類項(xiàng)目來(lái)說(shuō)并不是最佳方法，因?yàn)榭蛻舻倪\(yùn)營(yíng)理念會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變或發(fā)展。因此，隨著運(yùn)營(yíng)需求的出現(xiàn)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的發(fā)展，建筑商和客戶需要共同努力，相互學(xué)習(xí)。”