无人驾驶直升机精准投递重型货物
自主直升机初创企业测试原型机实现无人机送货
全球供应链正处于危机之中。现如今的货物采购比以往任何时候都要便捷：您只需点击一下鼠标就能在指定地址收货，而且所需的时间通常也很短。这种便捷所需的则是包含许多可能会出问题的环节的复杂供应链。鉴于电子商务呈两位数增长，再加之全球劳动力短缺，供应链的各个环节都承受着压力：在港口从船上卸载货物，将材料运送到仓库，最后将包裹分发到本地配送中心。在这一新的短途配送物流环境中，各个环节都发挥着重要的作用。
解决物流难题需要新技术，包括小到沿人行道巡航实现最后一英里送货的机器人，大到可在供应链早期运输重型货物的航空货载飞行器。RangeAero 是来自印度班加罗尔的一家初创企业，致力于缓解短途运输重型货物的物流难题。
想象一下，一架无人机携带 100 公斤（220 磅）的包裹升空下降，再以极高的精度和速度将供应商的材料投递到装配线，这是多么令人惊叹的场景。RangeAero 开发了一款垂直起降 (VTOL) 飞机，使这种投递成为了可能。
携带货物的 RangeAero 无人驾驶直升机。（图片所有权：RangeAero）
精准的垂直起降
与传统直升机不同，RangeAero 的直升机采用流线型同轴设计，具有上下同心旋翼，两者以相反方向旋转。桨叶通过改变其桨距来控制运动。
同轴设计不仅使直升机具有垂直起降能力，而且最大限度地减少了它的占地面积。传统直升机在机身上方有一副旋翼，并带一个用来抵消旋翼扭矩的尾桨。与之不同，同轴直升机没有尾桨组件所需的额外长度，同时能够保持稳定性。这种直升机更适用于起降空间有限、需要精准投递的物流系统和基础设施。
“同轴直升机具有很高的敏捷性，可以在非常拥挤的空间降落。这种直升机采用同轴转子配置，具有非凡的载货能力，即使在极端天气条件下也能可靠地工作。”
“同轴直升机具有很高的敏捷性，可以在非常拥挤的空间降落，”RangeAero 联合创始人兼首席执行官 Arpit Sharma 说道。“这种直升机采用同轴转子配置，具有非凡的载货能力，即使在极端天气条件下也能可靠地工作。”
同轴直升机的旋翼比四轴直升机的要大，后者使用四个小旋翼来产生升力。四轴直升机或多旋翼直升机的优势在于易于使用，采用模块化设计，旋转部件较少。但在起降空间狭小的情况下，它们在效率、飞行能力和适航安全性方面表现欠佳。
“靠近拥挤城市地区的仓库就很适合 B2B 配送方式，”Sharma 补充道。“在这些区域运营时，安全和效率是关键。”
RangeAero 团队试飞其自主直升机原型机。（视频所有权：RangeAero）
加速系统开发
RangeAero 采用大型复杂飞机设计中常用的系统工程方法来设计和开发共轴直升机。“我们的开发团队特别参照了 NASA 的系统工程方法，”Sharma 说道。“这需要通过不同层级的原型构建来开发飞机，每个原型都是一个为实现特定目标而制造的工程产品。”
这项技术的发展历程始于加速器 Forge。Forge 加入了 MathWorks 加速器计划。该计划旨在使初创企业能够利用基于模型的设计和科学计算工具，包括 MATLAB® 和 Simulink®。MathWorks 还为加速器成员提供技术支持和指导。
飞机的设计和开发团队精通航空航天系统工程和原型开发。他们最初面临的挑战是验证理论设计决策。该团队开发了一种基于缩放原型的测试方法。他们从原型阶段就开始迭代设计下一代更大型的飞机。仿真在 Simulink 中完成。
RangeAero 联合创始人兼首席技术官 Rohit Gupta 表示，“在共轴直升机中，旋翼之间相互作用形成的旋翼流非常复杂，会影响直升机的动力学特性。我们使用 MATLAB 和 Simulink 基于理论假设对飞机动力学特性进行了建模。然后，我们验证了测试结果。为了快速解读分析，我们使用基于模型的设计开发了工作流，包括分析飞行数据、系统健康数据和每次飞行的通信日志。总体看来，它有助于快速不断地改进设计。”
“我们使用基于模型的设计开发了工作流，包括分析飞行数据、系统健康数据和每次飞行的通信日志。总体看来，它有助于快速不断地改进设计。”
RangeAero 直升机的基于模型的设计。（图片所有权：RangeAero）
基于复杂生态系统进行设计
“RangeAero 专注于开发此类运营所需的端到端生态系统，”Sharma 说道。“我们开发和制造飞机。然后，我们将运营无人机机场，它具有类似于空中交通管制的命令和控制中心。我们的最终目标是成为一家货运航空公司。”
“当我们开发飞机的大脑（包括控制系统和其他集成系统）时，我们广泛使用了 MATLAB，”Gupta 说道。“我们希望快速开发、测试和部署。”
Simulink 中的仿真是开发的关键。仿真具有安全、成本低和包容的优点。它让 RangeAero 开发团队有充足的机会来完善设计，应用不同设定，准确测试其原型，以及验证整体设计。
Simulink 中的仿真是开发的关键。仿真具有安全、成本低和包容的优点。它让 RangeAero 开发团队有充足的机会来完善设计，应用不同设定，准确测试其原型，以及验证整体设计。
Gupta 说道，“在开发新产品时，采用基于系统工程的决策方法有助于在向受众展示概念时树立信心。”“做出正确的预测并仿真各种用例的性能，是帮助产品取得成功的关键因素。”
Gupta 还对 MathWorks 的应用工程团队给予高度评价，称赞他们为其团队提供了及时有效的帮助。
“RangeAero 的技术团队在 MathWorks 应用工程团队的帮助下，学会了如何使用这些工具并将其应用于我们的复杂应用，”Gupta 说道。“当我们在设置工作流所需的工具箱方面需要帮助时，MathWorks 团队总是有求必应，随叫随到。”
在 Simulink 中实现基于深度学习的偏航控制器。（图片所有权：RangeAero）
RangeAero 开发团队已对其原型机进行了 100 多次试飞，并在继续开发具有不同航程和有效载荷能力的同轴直升机。他们的目标是用其标志性的共轴直升机 Range100 承载 100 公斤的重物成功飞行 80 公里（50 英里）。Range100 是一款自重 223 公斤（492 磅，不计燃油和有效载荷）的轻型直升机。其最长维度是 7 米（23 英尺）宽，这是转子运动路径的直径。它可携带 100 公斤的重物在两到三个小时内飞行 200 公里（124 英里）。
“我们已经开发了这款直升机的缩小版 Range5 和 Range10，它们的有效载荷分别为 5 公斤（11 磅）和 10 公斤（22 磅），”Sharma 说道。“这些缩小版有助于我们验证所涉及的技术，以及物流集群的轴辐式模型的部署策略。”轴辐式模型是用于高效管理运输系统中货物运输的物流配置。
面临的重大运营挑战之一是，针对指定的生态系统设计能够精确接近着陆台并在其上降落的飞机。在分析不同数据感知方法以及随后的快速决策能力后，该团队决定利用基于视觉的系统，从而进一步降低硬件需求。此外，还可以将图像处理与传感器融合巧妙结合，从而与飞行中涉及的其他传感器相协调。
在复杂受控的环境中运营
“当前，监管环境范围日益扩大，无人驾驶飞机也被纳入监管的范畴；不过，法规引入的进度因地而异，”Sharma 说道。“我们正在根据欧盟航空安全局设立的设计标准开发飞机，该机构负责制定认证标准以及适航和安全指令。我们的飞机和投递生态系统属于 1 类和 2 类认证。”
RangeAero 直升机。（图片所有权：RangeAero）
这些类别的认证适用于按照仪表飞行规则 (IFR) 在某类空域飞行的飞机。当云幂离地面的高度低于 305 米（1000 英尺），或能见度小于 4.8 公里（3 英里）时，与空中交通管制交互的航班按照 IFR 飞行。
“很快，我们有望将触角从预定无人机走廊的专用无人机机场延伸到货运航班领域，全面进军印度和国外的市场，”Sharma 说道。
MATLAB 和 Simulink 的主要优势在于，这些工具提供了团队可以应用的飞行“假设分析”场景，并可帮助更正设计中存在的缺陷或薄弱环节。
“了解您的系统如何响应实际环境并向设计团队提供更正措施的反馈，有助于加速设计过程，”Sharma 说道。
机载系统和命令控制中心之间的交互至关重要。
“我们使用预测性维护方法和健康诊断系统实现了这一目标。健康诊断系统会将飞机中涉及的子系统的实时健康数据传播到命令和控制中心，”Sharma 说道。“它是使用 MATLAB 工具箱和我们在过去三年中开发的核心代码库构建的。”
RangeAero 正在用正确的工具、正确的方法和正确的团队掀起航空物流的变革，展示无人直升机连接工业枢纽并安全及时地投递货物的可行性。
Forge 联合创始人兼首席执行官 Vish Sahasranamam 说道，“利用正确的技术支持对于构建正确的产品和正确地构建产品至关重要。通过与领先的技术公司合作，我们具备了这种能力。通过与 MathWorks 的合作，我们这样的初创企业能够利用行业标准工具，如 MATLAB 和 Simulink。”
对于 RangeAero 的团队来说，他们用直升机重新诠释和颠覆物流技术的使命仍在继续，因为他们致力于为全球供应链开启新的可能性。
