Virtuelles Design und Testen einer autonomen Rettungsdrohne beschleunigt die Produktentwicklung

AVILUS wurde von Ernst Rittinghaus und Doktoranden von Professor Dr.-Ing. Florian Holzapfels Lehrstuhl für Flugsystemdynamik an der Technischen Universität München (TUM) gegründet. Die Doktoranden, darunter Niclas Bähr, Max Söpper und Daniel Dollinger, arbeiteten in den Bereichen Flugsteuerung, Systemarchitektur und Flugphysik, als Rittinghaus mit dem Bedarf an einer „fliegenden Trage“ an sie herantrat. In ihrer Freizeit entwickelten sie innerhalb einer Woche ein technisches Konzept für die fliegende Trage.

„Ernst gefiel das Konzept so gut, dass er sagte: ‚Lass es uns machen‘“, sagt Söpper, Mitbegründer und CTO von AVILUS. „Er wollte einen Prototyp bauen und zeigen, dass ein solches Szenario funktionieren kann.“

Aus der Idee entwickelte sich schließlich das Konzept eines Evakuierungssystems auf Drohnenbasis und das Nutzenversprechen bildete den Grundstein für AVILUS. Evakuierungsdrohnen sind in abgelegenen oder schwer erreichbaren Gebieten von unschätzbarem Wert, in denen herkömmliche Rettungseinsätze aufgrund fehlender Infrastruktur oder schwierigen Geländes erschwert sind. Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich schnell und effizient in schwierigem Gelände zurechtzufinden, stellen Drohnen eine ideale Lösung für die Bereitstellung dringender medizinischer Hilfe oder von Evakuierungsdiensten an solchen Orten dar.

Drohnen verringern außerdem Sicherheitsrisiken, da sie ferngesteuert werden und weder Piloten noch medizinisches Personal an Bord sein oder potenziell gefährliche Bereiche betreten müssen. Dadurch können sie mit weniger Personal mehr erreichen.

Der Weg von der Idee bis zur Umsetzung kann für Technologieunternehmen ein langer und anspruchsvoller Weg sein. Wie die meisten Startups hat AVILUS sehr klein angefangen. „Am Anfang waren wir ein sehr kleines Team von etwa fünf bis acht Leuten am Institut für Dynamik von Flugregelungssystemen“, sagt Dollinger, Mitgründer und Designchef. „Wir begannen mit einem leeren Blatt Papier und beschlossen, die Drohne von Grund auf neu zu bauen.“

Der Bau der Drohne war mit vielen Herausforderungen verbunden. Das Team musste lernen, wie man die Struktur aus einer Hybridbaugruppe aus Kohlefaser und Aluminium herstellt. Darüber hinaus mussten sie sich umfangreiche Kenntnisse über den Aufbau des elektrischen Antriebsstrangs des Fluggeräts aneignen. Und sie mussten alles mit einem begrenzten Startbudget bewerkstelligen.

Durch den völlig neuen Ansatz wurde sichergestellt, dass das Fahrzeug genau die Bedürfnisse von Rettungsteams erfüllen konnte, ohne die Kompromisse, die bei der Anpassung vorhandener Fluggeräte entstehen könnten. Durch die Wahl eines minimalistischen Designs konnten sie zudem die Produktionskosten und -zeit erheblich senken.

„Wir wollten eine Drohne mit den Fähigkeiten eines Rettungshubschraubers bereitstellen, aber zu einem Bruchteil des Preises eines Helikopters“, sagt Dollinger.

Vom ursprünglichen Konzept einer Rettungsdrohne hat sich das Produkt zu einem vollständigen Rettungssystem namens DRONEVAC^© entwickelt, bestehend aus den Evakuierungs-UAVs MEDEVAC bzw. Grille-Drohnen, einer mobilen Bodenstation und weiterer Ausrüstung.

Einer der Schlüssel zum Erfolg des AVILUS-Teams war die Einführung des Model-Based Designs, einer Methodik, die mithilfe von Simulationen und Modellierungstools Systeme entwirft und analysiert, bevor sie vollständig gebaut sind. Model-Based Design ermöglicht Ingenieuren das Erstellen, Testen und Iterieren von Systemen in einer virtuellen Umgebung, wodurch der Entwicklungsprozess vom Konzeptentwurf bis hin zu Implementierung und Test erheblich rationalisiert wird.

Der Einsatz von Model-Based Design und MATLAB^® erleichterte die Durchführung der Hardware-in-the-Loop-Tests. Das Team verwendete Embedded Coder^®, um die Simulink-Modelle von Hochsprachen-Algorithmen in maschinennahen C-Code umzuwandeln, der auf den eingebetteten Prozessoren der Drohnen ausgeführt werden kann.

„Wir beginnen normalerweise mit einer Schnittstellendatenbank, die dann verwendet wird, um eine Simulink-Modellvorlage mit Eingabe- und Ausgabeports basierend auf Ihrer physischen Systemarchitektur zu erstellen“, sagt Dollinger. „Wenn wir unseren Algorithmus implementieren, wird dieses Vorlagenmodell zum Entwurfsmodell. Aus diesem Entwurfsmodell generieren wir den Code und integrieren ihn dann basierend auf der vorhandenen Hardware in unser eingebettetes Framework.“

Während des Hardware-in-the-Loop-Tests generiert das Echtzeitsystem synthetische Sensordaten, die repräsentieren, was die Sensoren während eines tatsächlichen Fluges wahrnehmen würden. Diese Daten werden an die getesteten Hardwarekomponenten, beispielsweise den Flugsteuerungscomputer, übermittelt, um zu sehen, wie sie auf verschiedene Flugszenarien reagieren.

Nach den Hardware-in-the-Loop-Tests führte das Team „angebundene Flüge“ durch, bei denen das Fluggerät an einem Mast befestigt wurde, sodass es sich auf und ab bewegen konnte, ohne dass es in der Luft einem vollständigen Risiko ausgesetzt war. Dieser Aufbau bot eine sichere Umgebung, um das Verhalten des Flugzeugs unter nahezu realen Bedingungen zu testen, ohne das volle Risiko eines freien Flugs einzugehen. Danach war das System für umfassende Flugtests bereit.

AVILUS hat bereits sein erstes Produkt, die Grille-Drohne, ausgeliefert. Aber das Unternehmen hat seine Forschung und Entwicklung nicht eingestellt. Dank des vom AVILUS-Team entwickelten Designprozesses können sie ihre Fahrzeuge schnell verbessern und neue ausliefern.

„Das Tolle an Model-Based Design ist, dass sich Änderungen am Modell problemlos vornehmen lassen, da wir die Prozesse und Toolchains bereits eingerichtet haben“, sagt Söpper. „Wir haben die Prozesse, die Tool-Struktur und das Team aufgebaut, um bei neuen Designiterationen dasselbe zu wiederholen. Wir gehen davon aus, dass wir für unser zweites Produkt nur ein Fünftel der Zeit benötigen werden, die wir für das erste benötigten, da wir auf bestehende Modelle zurückgreifen können.“

Das Team führt derzeit Flugtests seines zweiten unbemannten Flugzeugs durch und hat mit dem Bau eines dritten mit zusätzlichen Funktionen begonnen. Allerdings wird der Bau jedes neuen Flugzeugs schneller und einfacher, da das Team seine Werkzeugbasis kontinuierlich erweitert und den Entwurfs-, Test- und Bereitstellungsprozess automatisiert.

„Jetzt haben wir all diese Erfahrungen gesammelt und das System integriert, das 80% der anspruchsvollen Arbeit ausmacht“, sagt Söpper.

Der größte Nutzen dieses Designansatzes für das AVILUS-Team liegt jedoch in den verbesserten Lern- und Innovationsprozessen als Startup, insbesondere in einer stark regulierten und sensiblen Branche.