自律型救助ドローンの仮想設計とテスト - MATLAB & Simulink

自律型救助ドローンの仮想設計とテストにより製品開発がスピードアップ

スタートアップ企業がドローンを使った緊急避難システムを構築


登山客が危険な山で転落事故に遭ったり、家族が洪水に見舞われた地域に取り残されたり、緊急事態は人が近づけない危険な場所で多発します。このような状況下では、従来の救助方法は時間がかかり、危険を伴う可能性があります。これは、無人ドローンを通じて緊急事態対応の世界に革命を起こそうとしているドイツのスタートアップ企業 AVILUS 社が、新しい救助用ドローン「Grille」を使って解決しようとしている課題です。

高度な航空電子機器と自律航法システムを搭載したドローンは、険しい地形を慎重に飛行して通り抜けます。Grille には、初期治療を施し、輸送中に患者の状態を安定させることができる専用の患者ボックスがあります。この機能は非常に重要であり、特に遠隔地では「ゴールデンアワー」(外傷後の重要な最初の1時間)が生存の可能性を左右することがあります。

ドローンによる搬送

AVILUS は、ミュンヘン工科大学 (TUM) のフローリアン・ホルツアプフェル教授 (工学博士) が率いるフライト システム ダイナミクス研究所のエルンスト・リッティングハウス氏と博士課程の学生たちによって設立されました。ニクラス・ベア、マックス・ゼッパー、ダニエル・ドリンガーを含む博士課程の学生たちは、飛行制御、システムアーキテクチャ、飛行物理学の分野で研究していたときに、リッティングハウス氏が「空飛ぶ担架」の必要性について彼らに話を持ちかけました。彼らは自由時間を利用して、1週間以内に空飛ぶ担架の技術的コンセプトを開発しました。

「私たちは自分たちのシステムを代替手段とは考えていません。従来の救助手段や人員と連携し、システムが限界に達している緊急事態において支援となる資産として捉えています。」

「エルンストはこのコンセプトをとても気に入り、『これをやってみよう』と言ったんです」と AVILUS 社の共同設立者兼最高技術責任者であるゼッパー氏は言いいます。「彼はプロトタイプを作り、そのようなシナリオが機能することを実証したかったのです。」

このアイデアは最終的にドローンベースの避難システムというコンセプトへと発展し、その価値提案が AVILUS の基礎を築きました。避難用ドローンは、インフラの不足や困難な地形により従来の救助活動が妨げられる遠隔地やアクセスが困難な地域では非常に貴重です。ドローンは困難な地形を迅速かつ効率的に移動できるため、そのような場所で緊急の医療ケアや避難サービスを提供するための理想的なソリューションとなります。

ドローンは遠隔操作され、操縦士や医療従事者が搭乗したり、潜在的に危険なエリアに入る必要がないため、安全上のリスクも軽減されます。これにより、少ない人員でより多くのことが可能になります。

6 つの同軸ローターを備えた AVILUS Grille ドローンが、山頂近くにしゃがんでいる冬装備の 5 人グループに向かって、雪に覆われた山頂に降下する様子を描いたコンセプト アート。

山岳地帯での AVILUS Grille ドローン救助ミッションのコンセプト アート。(画像著作権: AVILUS 社)

「従来の方法では外科医とパイロットがヘリコプターに乗っていたのに対し、この方法なら 2 人で 10 ~ 20 機のドローンを操縦できる」とゼッパー氏は言います。「私たちは自分たちのシステムを代替手段とは考えていません。従来の救助手段や人員と連携し、システムが限界に達している緊急事態において支援となる資産として捉えています。」

ゼロからの構築

テクノロジー企業にとって、構想から実現に至るまでは長く困難な道のりとなる可能性があります。ほとんどのスタートアップ企業と同様に、AVILUS も非常に小規模からスタートしました。「当初、私たちはフライト システム ダイナミクス研究所の 5 人から 8 人ほどの非常に小さなチームでした」と共同設立者であり、設計責任者でもあるドリンガー氏は語ります。「私たちは白紙の状態から始めて、ドローンをゼロから作ることにしました。」

「私たちは、救助ヘリコプターの機能をドローンに搭載しながらも、ヘリコプターの何分の一かの価格で提供したいと考えました。」

航空機の製造には多くの課題が伴いました。チームは、カーボンファイバーとアルミニウムのハイブリッドアセンブリから構造物を作成する方法を学ぶ必要がありました。また、機体の電動パワートレインの構築についても多くの知識を習得する必要がありました。そして、彼らは限られたスタートアップ予算内ですべてを行わなければなりませんでした。

白紙の状態から始めることで、既存の機体を改造することで生じる妥協なしに、救助チームの正確なニーズに応えることができるようになりました。ミニマリストデザインを採用することで、生産コストと時間を大幅に削減することもできました。

「私たちは、救助ヘリコプターの機能をドローンに搭載しつつ、ヘリコプターの何分の一かの価格で提供したいと考えました」とドリンガー氏は言います。

救助ドローンという当初のコンセプトから、この製品は DRONEVAC © という完全な救助システムへと進化しました。医療搬送無人機または Grille ドローン、移動式地上局、その他の機器で構成されます。

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      飛行中の AVILUS Grille ドローン。(動画著作権: AVILUS 社)

      モデルベースデザイン

      AVILUS チームの成功の鍵の 1 つは、モデルベース デザインを採用したことです。これは、モデリング ツールを使用してシミュレーションを行い、システムが完全に構築される前に設計および分析する方法です。モデルベースデザインにより、エンジニアは仮想環境内でシステムを作成、テスト、反復することができ、概念設計から実装、テストまでの開発プロセスが大幅に効率化されます。

      「当社では、Simulink を使用して機体のシミュレーション モデルを開発しています。これにより、最終的には、対応する機体のコンポーネントで表現された飛行制御アルゴリズムとともに、すべてのシステム、サブシステム、コンポーネントの完全なモデルインザループ シミュレーションを実行できるようになります。」

      この設計方法により、AVILUS チームはすべての物理コンポーネントが準備される前でもシミュレーションと機能テストを実行することができました。彼らは、System Composer™ を使用して、物理システム アーキテクチャと機能システム アーキテクチャを開発してテストしました。この早期テストにより、物理的なプロトタイプを繰り返し作成する必要なく、潜在的な問題を特定して解決することができました。

      Simscape™ は、バッテリー、中間回路、インバーター、エンジンを備えた電動パワートレインを含むサブシステムの詳細なモデルに使用されました。

      チームはまた、Simulink® を活用して、飛行制御アルゴリズムと機体の包括的なシミュレーション モデルを開発し、シミュレーション環境で機体システム全体をテストして検証できるようになりました。このアプローチにより、よりコストと時間のかかる物理テストに移行する前に、システムの動作を十分に理解し、最適化することができました。

      「当社では、Simulink を使用して航空機のシミュレーション モデルを開発しています。これにより、最終的には、航空機の対応するコンポーネントに表現される飛行制御アルゴリズムとともに、すべてのシステム、サブシステム、コンポーネントの完全なモデルインザループ シミュレーションを実行できます」とドリンガー氏は述べています。「テストケースを作成するための関数の開発には一連の要件があり、これらのテストケースはSimulinkのモデルインザループ シミュレーションで実行されます。」

      AVILUS はモデルベースデザインを使用することで開発時間とコストを大幅に削減しました。Simulinkのモデルインザループ シミュレーションは非常に効果的で、実際のハードウェア テスト中に必要な追加の検証作業を 5 ~ 10% 削減しました。

      「システムの観点から見ると、閉ループ Simulink シミュレーション モデル内のすべてのソフトウェア コンポーネントとテスト ケースは、システムに変更を導入したときにすべての影響を自動的に評価するのに十分です」とドリンガー氏は述べています。「最終的には、ハードウェアインザループシミュレーションも実行したというチェックボックスをオンにするようなものです。ほとんどの場合、モデルインザループとハードウェアの違いは非常に小さいからです。」

      ハードウェアテスト

      モデルベースデザインと MATLAB® の使用により、ハードウェアインザループテストが容易に実行できるようになりました。チームは Embedded Coder® を使用して、Simulinkモデルの高度なアルゴリズムから、ドローンの組み込みプロセッサで実行できる低水準 C コードに変換しました。

      モデルベースデザインと MATLAB® の使用により、ハードウェアインザループテストが容易に実行できるようになりました。チームは Embedded Coder® を使用して、Simulink モデルの高度なアルゴリズムから、ドローンの組み込みプロセッサで実行できる低水準 C コードに変換しました。

      「通常はインターフェース データベースから開始し、それを使用して物理システム アーキテクチャに基づいた入力ポートと出力ポートを備えた Simulink モデル テンプレートを作成します」とドリンガー氏は言います。「アルゴリズムを実装すると、このテンプレート モデルが設計モデルになります。この設計モデルからコードを生成し、それを私たちが持っているハードウェアに基づいて組み込みフレームワークに統合します。」

      ハードウェアインザループテスト中、リアルタイムシステムは、実際の飛行中にセンサーが感知するものを表す合成センサーデータを生成します。このデータは、飛行制御コンピュータなどのテスト対象のハードウェア コンポーネントに送信され、さまざまな飛行シナリオに対してどのように反応するかが確認されます。

      ハードウェアインザループのテストの後、チームは「繋留飛行」を実施しました。これは、機体をポールに固定し、空中でのリスクを一切負うことなく上下動させる飛行のことです。この設定により、自由飛行のリスクを一切負うことなく、実際の状況に近い状態で航空機の動作をテストできる安全な環境が提供されました。その後、システムは完全な飛行テストの準備が整いました。

      DRONEVAC 救助システムの図。医療搬送無人機 Grille、患者避難調整セル内の地上コントロール セグメント、ドローンが離着陸可能な運用・運搬用トレーラー、すべてのコンポーネントをつなぐデジタル基盤で構成されます。

      DRONEVAC 救助システムのモデル。(画像著作権: AVILUS 社)

      「完成した機体の初の自由飛行を開始したとき、それは私たち全員にとって非常に感動的な瞬間でした」とドリンガー氏は語ります。「それ以来、私たちはたくさんの飛行時間を積み重ねてきました。」

      イノベーションの加速

      AVILUS はすでに最初の製品である Grille ドローンを出荷しています。しかし、研究開発は止まっていません。AVILUS チームが作り上げた設計プロセスのおかげで、彼らは機体の改良を迅速に進め、新しい機体を出荷しています。

      「モデルベース デザインの優れた点は、プロセスとツールチェーンがすでに設定されているため、モデルの変更が簡単なことです」とゼッパー氏は言います。「私たちは、新しいデザインの反復に対して同じことを繰り返すためのプロセス、ツール構造、チームを構築しました。既存のモデルを活用できるため、2 番目の製品の開発には最初の製品の 5 分の 1 の時間しかかからないと予想しています。」

      「モデルベース デザインの優れた点は、プロセスとツールチェーンがすでに設定されているため、モデルの変更が簡単なことです。私たちは、新しいデザインの反復作業のために、同じことを繰り返すためのプロセス、ツール構造、チームを構築しました。既存のモデルを活用できるため、2 番目の製品の開発には最初の製品の 5 分の 1 の時間しかかからないと予想しています。」

      チームは現在、2 機目の無人機の飛行試験を行っており、追加機能を備えた 3 機目の製造も開始しています。ただし、チームがツール ベースを拡張し、設計、テスト、展開プロセスを自動化し続けるにつれて、新しい航空機の製造はより迅速かつ容易になります。

      「今では、私たちはこうした経験をすべて積んでおり、困難な作業の 80% を占めるシステムを統合しました」とゼッパー氏は言います。

      しかし、AVILUS チームがこの設計アプローチから得た最大の成果は、スタートアップ企業、特に規制が厳しく繊細な業界のスタートアップ企業として、学習とイノベーションのプロセスが改善されたことです。

      飛行中の AVILUS Grille ドローンを下から見た図。

      飛行中の AVILUS Grille ドローン。(画像著作権: AVILUS 社)

      「最初からすべての要件を定義する従来の開発モデルは、顧客の運用コンセプトが時間の経過とともに変化したり拡大したりするので、このようなプロジェクトでは最適なアプローチではありません」とゼッパー氏は言います。「したがって、運用上のニーズが生まれ、製品開発が進化するにつれて、ビルダーと顧客は協力し合い、お互いから学ぶ必要があります。」


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