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Le design et les tests virtuels d'un drone de sauvetage autonome accélèrent le développement du produit
Une start-up crée un système d'évacuation d'urgence par drone
Un randonneur chute sur une montagne dangereuse. Une famille se retrouve bloquée dans une zone touchée par les inondations. Les urgences surviennent souvent dans des endroits dangereux et inaccessibles. Les méthodes de sauvetage traditionnelles peuvent être lentes et risquées dans de telles circonstances. AVILUS, une startup basée en Allemagne qui révolutionne les interventions d’urgence grâce à des drones autonomes, cherche à répondre à ces problématiques avec Grille, son nouveau drone de sauvetage.
Équipé d'une avionique avancée et de systèmes de navigation autonomes, le drone manœuvre avec précaution sur un terrain accidenté. Grille dispose d’une cabine spécialisée pour le patient permettant d’administrer les premiers traitements et de le stabiliser pendant le transport. Cette caractéristique est cruciale, en particulier dans les zones reculées où « l’heure d’or » – la première heure critique après une blessure traumatique – peut déterminer les chances de survie.
Évacuation par drone
AVILUS a été fondée par Ernst Rittinghaus et les étudiants en doctorat du professeur Dr.-Ing. Florian Holzapfel (Institute of Flight Control System Dynamics - Institut de dynamique des systèmes de vol à l'Université technique de Munich (TUM)). Les doctorants, parmi lesquels Niclas Bähr, Max Söpper et Daniel Dollinger, travaillaient dans les domaines des commandes de vol, de l'architecture des systèmes et de la physique du vol lorsque Rittinghaus leur a fait part de la nécessité d'une « civière volante ». Durant leur temps libre, en une semaine, ils ont développé un concept technique pour la civière volante.
« Nous ne considérons pas notre système comme un remplacement. Nous le considérons comme un atout qui fonctionne avec les moyens et le personnel de sauvetage traditionnels pour aider dans les situations d'urgence où les systèmes sont à leurs limites. »
« Ernst a tellement aimé le concept qu'il a dit : « Faisons-le » », explique Söpper, cofondateur et directeur technique d'AVILUS. « Il voulait construire un prototype et démontrer qu’un tel scénario peut fonctionner. »
L’idée a finalement évolué vers le concept de systèmes d’évacuation par drone, et la proposition de valeur a posé les bases d’AVILUS. Les drones d’évacuation sont d’une aide précieuse dans les zones reculées ou difficiles d’accès où le manque d’infrastructures et parfois le terrain difficile entravent les opérations de sauvetage traditionnelles. La capacité des drones à se déplacer rapidement et efficacement dans des environnements difficiles en fait une solution idéale pour fournir des soins médicaux d'urgence ou des services d'évacuation dans de tels endroits.
Les drones réduisent également les risques de sécurité puisqu’ils sont commandés à distance et ne nécessitent pas de pilotes ou de personnel médical à bord pour accéder dans des zones potentiellement dangereuses. Cela leur permet de faire plus avec moins de personnel.
Illustration conceptuelle d'une mission de sauvetage par drone AVILUS Grille dans les montagnes. (Crédit : AVILUS)
« Deux personnes peuvent piloter 10 à 20 drones, contrairement aux approches classiques où le chirurgien et le pilote sont dans l’hélicoptère », explique Söpper. « Nous ne considérons pas notre système comme un remplacement. Nous le considérons comme un atout qui fonctionne avec les moyens et le personnel de sauvetage traditionnels pour aider dans les situations d'urgence où les systèmes sont à leurs limites. »
Construction à partir de zéro
Passer du concept à la création peut être un parcours long et difficile pour les entreprises technologiques. Comme la plupart des startups, AVILUS a démarré très petit. « Au début, nous étions une très petite équipe d'environ cinq à huit personnes à l'Institute of Flight Control System Dynamics », explique Dollinger, cofondateur et responsable du design. « Nous sommes partis d’une feuille blanche et avons décidé de construire le drone à partir de zéro. »
« Nous voulions fournir un drone avec les capacités d'un hélicoptère de sauvetage, mais à une fraction du prix d'un hélicoptère. »
La construction de l’équipement s’accompagnait de nombreux défis. L’équipe a dû apprendre à fabriquer la structure à partir d’un assemblage hybride de fibre de carbone et d’aluminium. Ils devaient également acquérir de nombreuses connaissances sur la construction du groupe motopropulseur électrique du véhicule. Et ils ont dû tout faire avec un budget de démarrage limité.
Partir d’une page blanche garantissait que le véhicule pourrait répondre aux besoins précis des équipes de secours sans les compromis qui pourraient résulter de l’adaptation de véhicules existants. En adoptant un design minimaliste, ils pourraient également réduire considérablement les coûts et le temps de production.
« Nous voulions fournir un drone avec les capacités d'un hélicoptère de sauvetage, mais à une fraction du prix d'un hélicoptère », explique Dollinger.
Du concept initial d'un drone de sauvetage, le produit a évolué vers un système de sauvetage complet nommé DRONEVAC©, composé de drones d'évacuation MEDEVAC, ou drones Grille, d'une station terrestre mobile et d'autres équipements.
Un drone Grille d’AVILUS en vol. (Crédit : AVILUS)
Approche Model-Based Design
L’une des clés du succès de l’équipe d’AVILUS a été l’adoption de l’approche Model-Based Design, une méthodologie qui utilise la simulation à l’aide d’outils de modélisation pour concevoir et analyser les systèmes avant qu’ils ne soient entièrement construits. L’approche Model-Based Design permet aux ingénieurs de créer, de tester et d'itérer des systèmes dans un environnement virtuel, simplifiant ainsi considérablement le processus de développement depuis le design conceptuel jusqu'à la mise en œuvre et aux tests.
« Nous utilisons Simulink pour développer des modèles de simulation pour notre équipement afin de pouvoir, au final, réaliser la simulation complète model-in-the-loop de tous ses systèmes, sous-systèmes et composants, ainsi que les algorithmes de contrôle de vol représentés dans les composants correspondants de l’équipement. »
Cette méthode de design a permis à l’équipe AVILUS de réaliser des simulations et des tests fonctionnels avant même que tous les composants physiques ne soient prêts. Ils ont utilisé System Composer™ pour développer et tester l’architecture physique et fonctionnelle du système. Ces tests précoces ont permis d’identifier et de résoudre les problèmes potentiels sans avoir à construire à plusieurs reprises des prototypes physiques.
Simscape™ a été utilisé pour les modèles détaillés des sous-systèmes, y compris le groupe motopropulseur électrique avec batterie, le circuit intermédiaire, l’onduleur et le moteur.
L'équipe a également utilisé Simulink® pour développer des algorithmes de contrôle de vol et des modèles de simulation globaux de l’équipement, ce qui leur a permis de tester et de valider l'ensemble du système de l’équipement dans un environnement simulé. Cette approche a permis de garantir que le comportement du système était bien compris et optimisé avant de passer à des tests physiques plus coûteux et plus longs.
« Nous utilisons Simulink pour développer des modèles de simulation pour notre équipement afin de pouvoir, au final, réaliser la simulation complète model-in-the-loop de tous ses systèmes, sous-systèmes et composants, ainsi que les algorithmes de contrôle de vol représentés dans les composants correspondants de l’équipement », explique Dollinger. « Nous avons un ensemble d'exigences pour le développement des fonctions à partir desquelles nous créons des cas de test, et ces cas de test sont ensuite exécutés dans la simulation model-in-the-loop dans Simulink. »
AVILUS a considérablement réduit le temps et les coûts de développement en utilisant l’approche Model-Based Design. Les simulations model-in-the-loop de Simulink étaient si efficaces qu'elles ont réduit de 5 à 10 % l'effort de vérification supplémentaire nécessaire lors des tests hardware réels.
« Du point de vue des systèmes, tous les composants logiciels de notre modèle de simulation en boucle fermée Simulink et les cas de test suffisent à évaluer automatiquement tous les effets lorsque nous introduisons des modifications dans le système », explique Dollinger. « En fin de compte, c'est comme cocher la case selon laquelle vous avez également effectué des simulations hardware-in-the-loop, car, dans la plupart des cas, la différence entre model-in-the-loop et le hardware est très faible. »
Tests hardware
L'utilisation de l’approche Model-Based Design et de MATLAB® a facilité la réalisation des tests hardware-in-the-loop. L'équipe a utilisé Embedded Coder® pour transformer les modèles Simulink d'algorithmes de haut niveau en code C de bas niveau qui pourrait s'exécuter sur les processeurs embarqués des drones.
L'utilisation de l’approche Model-Based Design et de MATLAB® a facilité la réalisation des tests hardware-in-the-loop. L'équipe a utilisé Embedded Coder® pour transformer les modèles Simulink d'algorithmes de haut niveau en code C de bas niveau qui pourrait s'exécuter sur les processeurs embarqués des drones.
« Nous commençons généralement par une base de données d'interface, qui est ensuite utilisée pour créer un modèle Simulink avec des ports d'entrée et de sortie basés sur l'architecture de votre système physique », explique Dollinger. « Lorsque nous implémentons notre algorithme, ce modèle devient le modèle de design. À partir de ce modèle de design, nous générons le code, puis l'intégrons dans notre infrastructure embarquée en fonction du hardware dont nous disposons. »
Lors des tests hardware-in-the-loop, le système temps réel génère des données de capteur synthétiques, représentant ce que les capteurs percevraient lors d'un vol réel. Ces données sont transmises aux composants hardware testés, tels que l’ordinateur de contrôle de vol, pour voir comment ils réagissent à différents scénarios de vol.
Après les tests hardware-in-the-loop, l'équipe a effectué des « vols captifs », qui consistaient à fixer l’équipement à un poteau permettant au véhicule de monter et de descendre sans risque en vol. Cette configuration a fourni un environnement sûr pour tester le comportement de l’équipement dans des conditions quasi réelles sans le risque d’un vol libre. Après cela, le système était prêt pour des tests de vol complets.
Maquette du système de sauvetage DRONEVAC. (Crédit : AVILUS)
« Lorsque nous avons commencé le premier vol libre de notre équipement entièrement assemblé, ce fut un moment très émouvant pour nous », déclare Dollinger. « Depuis, nous avons accumulé beaucoup d’heures de vol. »
Accélération de l'innovation
AVILUS a déjà livré son premier produit, le drone Grille. Mais l’équipe poursuit les recherches et le développement. Grâce au processus de design créé par l’équipe d’AVILUS, les ingénieurs améliorent rapidement leurs véhicules et en expédient de nouveaux.
« L'avantage de l’approche Model-Based Design est qu'il est facile d'apporter des modifications au modèle, car nous avons déjà mis en place les processus et les chaînes d’outils », explique Söpper. « Nous avons développé les processus, la structure des outils et l'équipe pour refaire la même chose pour de nouvelles itérations de design. Nous prévoyons que notre deuxième produit ne prendra qu’un cinquième du temps de développement de notre premier produit, car nous pouvons exploiter les modèles existants. »
« L'avantage de l’approche Model-Based Design est qu'il est facile d'apporter des modifications au modèle car nous avons déjà configuré les processus et les chaînes d'outils. Nous avons mis en place les processus, la structure des outils et l’équipe pour refaire la même chose pour de nouvelles itérations de design. Nous prévoyons que notre deuxième produit ne prendra qu’un cinquième du temps de développement de notre premier produit, car nous pouvons exploiter les modèles existants. »
L'équipe teste actuellement en vol son deuxième véhicule sans pilote et a commencé à en construire un troisième avec des fonctionnalités supplémentaires. Cependant, la construction de chaque nouveau véhicule devient plus rapide et plus facile à mesure que l’équipe continue d’élargir sa base d’outils et d’automatiser le processus de design, de test et de déploiement.
« Nous avons désormais acquis toutes ces expériences et avons intégré le système qui représente 80 % du travail difficile », explique Söpper.
Pour l'équipe AVILUS, un enseignement clé de cette approche de design est l'amélioration de leur processus d'apprentissage et d'innovation, ce qui est particulièrement crucial pour une startup dans un secteur hautement réglementé et sensible.
Un drone Grille d’AVILUS en vol. (Crédit : AVILUS)
« Le modèle de développement classique, dans lequel toutes les exigences sont définies dès le début, n'est pas la meilleure approche pour des projets comme celui-ci, car le concept opérationnel du client change ou évolue au fil du temps », explique Söpper. « Le constructeur et le client doivent donc travailler ensemble et apprendre l’un de l’autre à mesure que les besoins opérationnels émergent et que le développement des produits évolue. »
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