Diseño y pruebas virtuales aceleran el desarrollo de un dron de rescate autónomo

AVILUS fue fundada por Ernst Rittinghaus y los estudiantes de doctorado del Profesor Holzapfel del Instituto de Dinámica de Sistemas de Vuelo de la Universidad Técnica de Múnich (TUM). Los estudiantes de doctorado, entre ellos Niclas Bähr, Max Söpper y Daniel Dollinger, estaban trabajando en las áreas de controles de vuelo, arquitectura de sistemas y física de vuelo cuando Rittinghaus les planteó la necesidad de una “camilla voladora”. En su tiempo libre, desarrollaron un concepto técnico para la camilla voladora en una semana.

“A Ernst le gustó tanto el concepto que dijo: 'Hagámoslo'”, dice Söpper, cofundador y director de tecnología de AVILUS. “Quería construir un prototipo y demostrar que puede funcionar”.

La idea finalmente evolucionó hasta convertirse en el concepto de sistemas de evacuación basados en drones, y la propuesta de valor sentó la base para AVILUS. Los drones de evacuación son imprescindibles en áreas remotas o de difícil acceso donde el terreno difícil o la falta de infraestructura dificultan las operaciones de rescate tradicionales. La capacidad de los drones para navegar por terreno difícil de forma rápida y eficiente los convierte en una solución ideal para brindar atención médica urgente o servicios de evacuación en dichos lugares.

Los drones también reducen los riesgos de seguridad, ya que se operan de forma remota y no necesitan pilotos o personal médico a bordo o que entren en áreas potencialmente peligrosas. Esto les permite hacer más con menos personal.

Pasar del concepto a la creación puede ser desafiante para las empresas de tecnología. Como la mayoría de las startup, AVILUS comenzó siendo muy pequeña. “Al principio, éramos un equipo muy pequeño de unas cinco a ocho personas en el Instituto de Dinámica de Sistemas de Control de Vuelo”, dice Dollinger, cofundador y jefe de diseño. “Comenzamos con una hoja de papel en blanco y decidimos construir el dron desde cero”.

La construcción del dron planteó muchos desafíos. El equipo necesitaba aprender a fabricar la estructura a partir de un conjunto híbrido de fibra de carbono y aluminio. También necesitaban adquirir muchos conocimientos sobre la construcción del sistema de propulsión eléctrica del vehículo. Y tuvieron que hacer todo con un presupuesto inicial limitado.

Comenzar desde cero garantizó que el vehículo puede satisfacer las necesidades precisas de los equipos de rescate sin los tradeoffs que podrían surgir al adaptar los vehículos existentes. Adoptar un diseño minimalista permitió reducir considerablemente los costes y el tiempo de producción.

“Queríamos proporcionar un dron con las capacidades de un helicóptero de rescate, pero a una fracción del precio de un helicóptero”, dice Dollinger.

Desde el concepto inicial de un dron de rescate, el producto ha evolucionado hasta convertirse en un sistema de rescate completo denominado DRONEVAC^©, compuesto por vehículos aéreos no tripulados de evacuación MEDEVAC, o drones Grille, una estación terrestre móvil y otros equipos.

Una de las claves del éxito del equipo de AVILUS fue la adopción del diseño basado en modelos, una metodología que utiliza la simulación mediante herramientas de modelado para diseñar y analizar sistemas antes de que estén completamente construidos. El diseño basado en modelos permite a los ingenieros crear, probar e iterar sistemas dentro de un entorno virtual, lo que agiliza significativamente el proceso de desarrollo desde el diseño conceptual hasta la implementación y las pruebas.

El uso del diseño basado en modelos y MATLAB^® facilitó las pruebas de hardware-in-the-loop. El equipo utilizó Embedded Coder^® para transformar los modelos de Simulink de algoritmos de alto nivel en código C de bajo nivel que pudiera ejecutarse en los procesadores integrados de los drones.

“Generalmente comenzamos con una base de datos de interfaz, que luego se utiliza para crear una plantilla de modelo de Simulink con puertos de entrada y salida basados​​en la arquitectura del sistema físico”, dice Dollinger. “Cuando implementamos nuestro algoritmo, este modelo de plantilla se convierte en el modelo de diseño. A partir de este modelo de diseño, generamos el código y luego lo integramos en nuestro marco integrado en función del hardware que tenemos”.

Durante las pruebas de hardware-in-the-loop, el sistema en tiempo real genera datos sintéticos de sensores que representan lo que los sensores percibirían durante un vuelo real. Estos datos se envían a los componentes de hardware que se están probando, como la computadora de control de vuelo, para ver cómo reaccionan a diversos escenarios de vuelo.

Después de las pruebas de hardware-in-the-loop, el equipo realizó "vuelos atados", que implicaron asegurar el dron a un poste que permitía que el vehículo se moviera hacia arriba y hacia abajo sin riesgos totales en el aire. Esta configuración proporcionó un entorno seguro para probar el comportamiento del dron en condiciones casi reales sin el riesgo total del vuelo libre. Luego, el sistema estuvo listo para pruebas de vuelo completas.

AVILUS ya ha entregado su primer producto, el dron Grille. Pero no ha detenido su investigación y desarrollo. El equipo de AVILUS está mejorando rápidamente sus vehículos y lanzando nuevos modelos con el proceso de diseño que han creado.

"Lo bueno del diseño basado en modelos es que facilita los cambios en el modelo porque ya hemos configurado los procesos y las cadenas de herramientas", dice Söpper. “Hemos desarrollado los procesos, la estructura de herramientas y el equipo para volver a hacer lo mismo en nuevas iteraciones de diseño. Esperamos que nuestro segundo producto tome solo una quinta parte del tiempo que el primero, ya que podemos aprovechar los modelos existentes”.

Actualmente, el equipo está realizando pruebas de vuelo con un segundo dron no tripulado y ha comenzado a construir un tercero con funcionalidades adicionales. Construir cada dronnuevo se vuelve más rápido y fácil a medida que el equipo continúa expandiendo su base de herramientas y automatizando el proceso de diseño, prueba y despliegue.

“Ahora tenemos experiencia integrando el sistema que representa el 80% del trabajo mas difícil”, dice Söpper.

Sin embargo, la principal lección que el equipo de AVILUS aprendió de este enfoque de diseño es la mejora del proceso de aprendizaje e innovación como startup, especialmente en una industria altamente regulada y sensible.