La progettazione e il collaudo virtuali di un drone di soccorso autonomo accelerano lo sviluppo del prodotto

AVILUS è stata fondata da Ernst Rittinghaus e dagli studenti di dottorato del Professor Dr.-Ing. Istituto di dinamica dei sistemi di volo di Florian Holzapfel presso la Technical University di Monaco di Baviera (TUM). Gli studenti di dottorato, tra cui Niclas Bähr, Max Söpper e Daniel Dollinger, lavoravano nei settori dei controlli di volo, dell'architettura di sistema e della fisica del volo quando Rittinghaus li contattò con la necessità di una “barella volante”. Nel loro tempo libero, nel giro di una settimana, svilupparono un concetto tecnico per la barella volante.

“A Ernst il concetto è piaciuto così tanto che ha detto: 'Facciamolo', afferma Söpper, cofondatore e CTO di AVILUS. “Voleva costruire un prototipo e dimostrare che uno scenario del genere può funzionare”.

L'idea si è poi evoluta nel concetto di sistemi di evacuazione basati sui droni e la proposta di valore ha gettato le basi per AVILUS. I droni da evacuazione sono di inestimabile valore nelle aree remote o difficili da raggiungere, dove la mancanza di infrastrutture o il terreno accidentato ostacolano le tradizionali operazioni di soccorso. La capacità dei droni di muoversi in modo rapido ed efficiente in contesti difficili li rende una soluzione ideale per fornire cure mediche urgenti o servizi di evacuazione in tali luoghi.

I droni riducono anche i rischi per la sicurezza poiché vengono azionati da remoto e non necessitano della presenza di piloti o personale medico a bordo o di entrare in aree potenzialmente pericolose. Ciò consente loro di fare di più con meno personale.

Per le aziende tecnologiche, passare dall'ideazione alla realizzazione può essere un percorso lungo e impegnativo. Come la maggior parte delle startup, anche AVILUS ha iniziato in piccolo. “All'inizio eravamo un team molto piccolo di circa cinque-otto persone presso l'Institute of Flight Control System Dynamics”, afferma Dollinger, co-fondatore e responsabile del design. “Siamo partiti da un foglio bianco e abbiamo deciso di costruire il drone da zero”.

La costruzione dell'aereo ha comportato numerose sfide. Il team aveva bisogno di imparare come realizzare la struttura partendo da un assemblaggio ibrido di fibra di carbonio e alluminio. Avevano anche bisogno di acquisire molte conoscenze sulla costruzione del gruppo propulsore elettrico del veicolo. E hanno dovuto fare tutto con un budget iniziale limitato.

Partire da zero ha garantito che il veicolo potesse soddisfare le precise esigenze delle squadre di soccorso senza i compromessi che potrebbero derivare dall'adattamento di veicoli esistenti. Adottando un design minimalista, potrebbero anche ridurre notevolmente i costi e i tempi di produzione.

“Volevamo fornire un drone con le capacità di un elicottero di soccorso, ma a una frazione del prezzo di un elicottero”, afferma Dollinger.

Dal concetto iniziale di drone di soccorso, il prodotto si è evoluto in un sistema di soccorso completo denominato DRONEVAC^©, costituito dai droni da evacuazione MEDEVAC, o droni Grille, da una stazione di terra mobile e da ulteriori attrezzature.

Uno degli elementi chiave del successo del team AVILUS è stata l'adozione della progettazione Model-Based, una metodologia che sfrutta la simulazione mediante strumenti di modellazione per progettare e analizzare i sistemi prima che siano completamente costruiti. La progettazione Model-Based consente agli ingegneri di creare, testare e ripetere sistemi all'interno di un ambiente virtuale, semplificando notevolmente il processo di sviluppo dalla progettazione concettuale all'implementazione e al collaudo.

L'uso della progettazione Model-Based e MATLAB^® ha reso più semplice l'esecuzione dei test Hardware-In-the-Loop. Il team ha utilizzato Embedded Coder^® per trasformare i modelli Simulink da algoritmi di alto livello in codice C di basso livello che potrebbe essere eseguito sui processori integrati nei droni.

“Di solito partiamo da un database di interfaccia, che viene poi utilizzato per creare un modello Simulink con porte di input e output basate sull'architettura del sistema fisico”, afferma Dollinger. “Quando implementiamo il nostro algoritmo, questo modello diventa il modello di progettazione. Da questo modello di progettazione, generiamo il codice e poi lo integriamo nel nostro framework embedded in base all'hardware di cui disponiamo”.

Durante i test Hardware-In-the-Loop, il sistema in tempo reale genera dati sintetici dei sensori, che rappresentano ciò che i sensori percepirebbero durante un volo reale. Questi dati vengono trasmessi ai componenti hardware sottoposti a test, come il computer di controllo del volo, per vedere come reagiscono ai vari scenari di volo.

Dopo i test Hardware-In-the-Loop, il team ha condotto dei “voli vincolati”, che prevedevano di fissare l'aereo a un palo che consentiva al veicolo di salire e scendere senza rischi di volo. Questa configurazione ha fornito un ambiente sicuro per testare il comportamento dell'aereo in condizioni quasi reali, senza tutti i rischi del volo libero. Dopodiché il sistema era pronto per i test di volo completi.

AVILUS ha già consegnato il suo primo prodotto, il drone Grille. Ma non ha interrotto la sua ricerca e sviluppo. Grazie al processo di progettazione creato dal team AVILUS, l'azienda sta rapidamente migliorando i propri veicoli e ne sta consegnando di nuovi.

“Il bello della progettazione Model-Based è che è facile apportare modifiche al modello perché abbiamo già impostato i processi e le toolchain”, afferma Söpper. “Abbiamo sviluppato i processi, la struttura degli strumenti e il team per fare la stessa cosa di nuovo per nuove iterazioni di progettazione. Ci aspettiamo che il nostro secondo prodotto impiegherà solo un quinto del tempo rispetto al primo, poiché possiamo sfruttare i modelli esistenti”.

Il team sta attualmente testando in volo il suo secondo velivolo senza pilota e ha iniziato a costruirne un terzo con funzionalità aggiuntive. Tuttavia, la costruzione di ogni nuovo velivolo diventa più rapida e semplice man mano che il team continua ad ampliare la propria base di strumenti e ad automatizzare il processo di progettazione, test e distribuzione.

“Ora abbiamo tutte queste esperienze e abbiamo integrato il sistema che rappresenta l'80% del lavoro impegnativo”, afferma Söpper.

Tuttavia, la cosa più importante che il team di AVILUS ha imparato da questo approccio progettuale è il miglioramento del processo di apprendimento e innovazione in quanto startup, soprattutto se si tratta di un settore altamente regolamentato e sensibile.