自主救援无人机的虚拟设计和测试加速产品开发

试想：一名徒步旅行者在一座危险的山上坠落;又或者一家人被困在洪水灾区。这样的紧急情况经常发生在危险且难以到达的地方。在这种情况下，传统的救援方法可能既缓慢又有风险。这就是 AVILUS，一家总部位于德国的初创公司想通过新型救援无人机 Grille 彻底改变应急响应方式解决的问题。

该无人机配备了先进的航空电子设备和自主导航系统，能够在崎岖的地形上小心翼翼地飞行。Grille 有一个专门的病人急救箱，可以进行初步治疗并在运输过程中稳定病人的情况。这一功能至关重要，尤其是在偏远地区，因为“黄金时间”——创伤后关键的第一个小时——可以决定生存的机会。

无人机撤离

AVILUS 由 Ernst Rittinghaus 和 Prof. Dr.-Ing. 的博士生创立。慕尼黑工业大学 (TUM) Florian Holzapfel 的飞行系统动力学研究所。当 Rittinghaus 向博士生提出需要一架“飞行担架”时，包括 Niclas Bähr、Max Söpper 和 Daniel Dollinger 在内的博士生们正在从事飞行控制、系统架构和飞行物理学领域的工作。他们利用业余时间在一周内开发了飞行担架的技术概念。

AVILUS 联合创始人兼首席技术官索珀表示：“恩斯特非常喜欢这个概念，所以他说，‘那就做吧’。他想建立一个原型并证明这种情况是可行的。”

这个想法最终演变成基于无人机的疏散系统的概念，而价值主张为 AVILUS 奠定了基础。在偏远或难以到达的地区，由于缺乏基础设施或地形复杂，传统的救援行动受到阻碍，疏散无人机发挥着重要作用。无人机能够快速有效地在复杂地形中导航，这使其成为在这些地区提供紧急医疗护理或疏散服务的理想解决方案。

无人机还可以降低安全风险，因为它们是远程操作的，不需要飞行员或医务人员登机或进入潜在危险区域。这使得他们能够用更少的人手做更多的事情。

Söpper 说：“两个人可以操作 10 到 20 架无人机，而传统方法则需要一名外科医生和一名直升机飞行员。我们并不认为我们的系统是一种替代品。我们认为它是一种资产，可以与传统救援手段和人员配合使用，在系统达到极限的紧急情况下提供帮助。”

从头开始构建

对于科技公司来说，从概念到创造可能是一段漫长而充满挑战的旅程。与大多数初创公司一样，AVILUS 最初规模很小。“一开始，我们是飞行控制系统动力学研究所的一个非常小的团队，大约有五到八个人，”联合创始人兼设计主管多林格说。“我们从一张白纸开始，决定从头开始制造无人机。”

建造这架飞行器面临着许多挑战。该团队需要学习如何用碳纤维和铝混合组件来制作结构。他们还需要获得大量有关构建车辆电力动力系统的知识。而且他们必须在有限的启动预算内完成所有工作。

从一张白纸开始可以确保车辆能够满足救援队的精确需求，而无需对现有车辆进行改装。通过采用简约的设计，他们还可以大幅削减生产成本和时间。

多林格说：“我们希望提供一种具有救援直升机功能的无人机，但价格却仅为直升机的一小部分。”

从最初的概念救援无人机，该产品已发展成为名为 DRONEVAC 的完整救援系统，包括 MEDEVAC 救援无人机(也就是 Grille 无人机)、移动地面站和其他设备。

基于模型的设计

AVILUS 团队成功的关键之一是采用基于模型的设计，这是一种在系统完全构建之前使用建模工具进行模拟设计和分析的方法。基于模型的设计允许工程师在虚拟环境中创建、测试和迭代系统，从而大大简化从概念设计到实施和测试的开发过程。

这种设计方法使得 AVILUS 团队甚至可以在所有物理组件准备好之前进行仿真和功能测试。他们使用 System Composer 来开发和测试物理和功能系统架构。这种早期测试有助于识别和解决潜在问题，而无需反复构建物理原型。

而子系统的详细模型，包括带电池、中间电路、逆变器和发动机的电动动力系统，是用 Simscape 开发的。

团队还使用了 Simulink 开发飞行控制算法和飞行器的整体仿真模型，使他们能够在仿真环境中测试和验证整个飞行器系统。这种方法确保在进行更昂贵、更耗时的物理测试之前，系统的行为得到充分理解和优化。

“我们使用 Simulink 为我们的飞行器开发仿真模型，以便最终我们可以对其所有系统、子系统和组件以及飞行器相应组件所代表的飞行控制算法进行完整的模型在环仿真，”Dollinger 说。“我们对功能开发有一系列要求，并据此创建测试用例，然后这些测试用例在 Simulink 中的模型在环仿真中运行。”

AVILUS 通过使用基于模型的设计显著缩短了开发时间和成本。Simulink 中的模型在环仿真非常有效，它们将实际硬件测试期间所需的额外验证工作量减少到 5% 到 10% 之间。

“从系统角度来看，当我们在系统中引入变化时，我们闭环 Simulink 仿真模型中的所有软件组件和测试用例足以自动评估所有影响，”Dollinger 说。“最后，这就像勾选了你也做了硬件在环仿真的框，因为在大多数情况下，模型在环和硬件之间的差异非常小。”

硬件测试

基于模型的设计和 MATLAB 的使用使得执行硬件在环测试变得更加容易。该团队使用了Embedded Coder 将 Simulink 模型从高级算法转换为可以在无人机嵌入式处理器上运行的底层 C 代码。

“我们通常从接口数据库开始，然后根据物理系统架构使用该数据库创建具有输入和输出端口的 Simulink 模型模板，”Dollinger 说。“当我们实现我们的算法时，这个模板模型就变成了设计模型。从这个设计模型出发，我们生成代码，然后根据我们现有的硬件将其集成到我们的嵌入式框架中。”

在硬件在环测试期间，实时系统会生成合成传感器数据，代表传感器在实际飞行过程中感知到的内容。这些数据被输入到正在测试的硬件组件(例如飞行控制计算机)中，以查看它们对各种飞行场景的反应。

在完成硬件在环测试之后，该团队进行了“系留飞行”，即将飞行器固定在一根杆子上，使飞行器可以上下移动而不会产生完全的空中风险。这种设置提供了一个安全的环境，可以在接近真实条件下测试飞行器的行为，而不存在自由飞行的完全风险。此后，该系统已准备好进行全面飞行测试。

多林格说：“当我们完全组装好的飞行器开始首次自由飞行时，我们所有人都感到非常激动。从那时到现在，我们已经积累了大量的飞行时间。”

加速创新

AVILUS 已经交付了其第一款产品——Grille 无人机。但它并未停止其研发。得益于 AVILUS 团队创建的设计流程，他们正在快速改进他们的车辆并运送新的车辆。

“基于模型的设计的优点在于我们可以轻松地更改模型，因为我们已经设置了流程和工具链，”Söpper 说道。“我们已经建立了流程、工具结构和团队，以便在新的设计迭代中再次做同样的事情。我们预计，由于我们可以利用现有模型，因此第二款产品所需的时间将仅为第一款产品的五分之一。”

该团队目前正在对他们的第二架无人机进行飞行测试，并已开始建造具有附加功能的第三架无人机。然而，随着团队不断扩大其工具库并实现设计、测试和部署过程的自动化，建造每架新飞行器都变得更快、更容易。

“现在我们拥有了所有这些经验，并整合了占80%具有挑战性的工作的系统，”Söpper说。

然而，AVILUS 团队从这种设计方法中获得的最大收获是，它改善了初创企业的学习和创新流程，尤其是在受到严格监管和敏感的行业中。

Söpper 表示：“传统的开发模式是从一开始就定义所有需求，但这对于此类项目来说并不是最佳方法，因为客户的运营理念会随着时间的推移而改变或发展。因此，随着运营需求的出现和产品开发的发展，建筑商和客户需要共同努力，相互学习。”