이 페이지는 기계 번역되었습니다.
번역 품질에 대한 1분 설문 조사에 참여해 주세요.
자율 구조 드론의 가상 설계 및 테스트를 통한 제품 개발 가속화
드론 기반 응급 후송 시스템을 구축한 스타트업
한 등산객이 험준한 산에서 추락 사고를 당합니다. 한 가족이 홍수 피해 지역에 고립됩니다. 이렇듯 응급 상황은 종종 위험하고 접근하기 어려운 장소에서 발생합니다. 이런 상황에서는 전통적인 구조 방법이 느리고 위험할 수 있습니다. 이것이 바로 자율 주행 드론을 통해 응급 대응에 혁명을 일으키고 있는 독일 스타트업 AVILUS가 새로운 구조 드론 Grille로 해결하고자 하는 점입니다.
첨단 항공전자 및 자율 내비게이션 시스템이 장착된 드론은 험난한 지형 속에서 조심스럽게 기동합니다. Grille은 환자 이송 중 초기 치료를 시행하고 환자를 안정시킬 수 있는 특수 환자 상자를 구비하고 있습니다. 이런 특징은 외상성 부상 후의 소중한 첫 1시간을 의미하는 "골든아워"가 생존 가능성을 좌지우지할 수 있기 때문에 매우 중요한데 특히 외딴 지역에서는 더욱 그렇습니다.
드론 후송
AVILUS는 Ernst Rittinghaus와 TUM(Technical University in Munich)의 비행 시스템 역학 연구소의 교수이자 공학박사인 Florian Holzapfel의 박사 과정 학생들에 의해 설립되었습니다. Rittinghaus가 "날으는 들것"의 필요성에 대해 설파하며 Niclas Bähr, Max Söpper, Daniel Dollinger 등의 박사 과정 학생들에게 접근했을 때 그들은 비행 제어, 시스템 아키텍처 및 비행 물리학 분야를 연구하고 있었습니다. 그들은 여가시간을 활용해 일주일 만에 날으는 들것에 대한 기술 개념을 개발했습니다.
"우리는 우리의 시스템을 대체물로 보지 않습니다. 우리는 이를 전통적인 구조 수단과 인력과 함께 작동하여 시스템이 한계에 도달한 응급 상황에서 견인하는 자산으로 보고 있습니다."
"Ernst는 그 컨셉을 너무 좋아해서 '이걸 해보자'고 말했어요." AVILUS의 공동 창립자이자 CTO인 Söpper가 말합니다. "그는 프로토타입을 만들고 그런 시나리오가 작동할 수 있음을 보여주고 싶어했습니다."
이 아이디어는 결국 드론 기반 후송 시스템이라는 개념으로 발전했으며, 이러한 가치 제안은 AVILUS의 토대를 마련했습니다. 후송 드론은 인프라가 부족하거나 지형이 험해서 전통적인 구조 작업이 어려운 먼 곳이나 접근하기 어려운 지역에서 매우 귀중한 도움을 줍니다. 드론은 험난한 지형 속에서도 빠르고 효율적으로 탐색할 수 있는 능력을 갖추고 있어 이러한 곳에서 긴급 의료 서비스나 후송 서비스를 제공하는 데 이상적인 솔루션입니다.
드론은 원격으로 작동하고 조종사나 의료진이 탑승하거나 잠재적으로 위험한 지역에 들어갈 필요가 없으므로 안전 위험도 줄어듭니다. 이를 통해 더 적은 인력으로 더 많은 일을 처리할 수 있습니다.
산속에서 수행되는 AVILUS의 Grille 드론 구조 임무의 콘셉트 아트. (이미지 출처: AVILUS)
"의사와 조종사가 헬리콥터에 탑승하는 기존 방식과 비교하면 두 사람이 10~20대의 드론을 조작할 수 있습니다." Söpper는 말합니다. "우리는 우리의 시스템을 대체물로 보지 않습니다. 우리는 이를 전통적인 구조 수단과 인력과 함께 작동하여 시스템이 한계에 도달한 응급 상황에서 견인하는 자산으로 보고 있습니다."
무에서 출발
기술 기업에 있어서 개념에서 실제 구현으로 가는 과정은 길고도 어려울 수 있습니다. 대부분의 스타트업과 마찬가지로 AVILUS도 매우 작은 규모로 시작되었습니다. "처음에는 비행 제어 시스템 역학 연구소에서 5~8명으로 구성된 아주 작은 팀이었습니다." 공동 창립자이자 설계 책임자인 Dollinger가 말합니다. "우리는 빈 종이 한 장으로 시작해서 처음부터 드론을 만들기로 했습니다."
"우리는 구조 헬리콥터의 기능을 갖춘 드론을 헬리콥터 가격보다 훨씬 싼 가격으로 공급하고 싶었습니다."
항공기 제작에는 많은 어려움이 따랐습니다. 팀은 탄소섬유와 알루미늄의 복합재에서 구조를 만드는 방법을 배워야 했습니다. 또한 그들은 차량의 전기 파워트레인을 구축하는 데 필요한 많은 지식을 쌓아야 했습니다. 그리고 그들은 모든 것을 제한된 창업 예산으로 해야 했습니다.
백지 상태에서 시작함으로써 기존 차량을 개조하면서 수반되는 타협 없이 구조대의 정확한 요구를 충족할 수 있는 차량이 탄생했습니다. 미니멀리즘 설계를 채택함으로써 생산 비용과 시간도 상당히 줄일 수 있었습니다.
"우리는 구조 헬리콥터의 기능을 갖춘 드론을 헬리콥터 가격보다 훨씬 싼 가격으로 공급하고 싶었습니다." Dollinger의 말입니다.
구조 드론이라는 초기 개념에서 시작된 이 제품은 MEDEVAC 후송 UAV(또는 Grille 드론), 이동식 지상국 및 추가 장비로 구성된 DRONEVAC©이라는 이름의 완전한 구조 시스템으로 진화했습니다.
비행 중인 AVILUS의 Grille 드론. (비디오 출처: AVILUS)
모델 기반 설계
AVILUS 팀의 성공을 이끈 핵심 요소 중 하나는 모델 기반 설계를 도입한 것이었습니다. 이는 시스템이 완전히 구축되기 전에 모델링 툴을 사용하여 시뮬레이션을 통해 시스템을 설계하고 분석하는 방법론입니다. 모델 기반 설계를 통해 엔지니어는 가상 환경 내에서 시스템을 만들고, 테스트하고, 반복할 수 있으며, 개념 설계부터 구현과 테스트까지 이르는 개발 공정을 크게 간소화할 수 있습니다.
"우리는 궁극적으로 Simulink를 사용해 항공기의 컴포넌트에 표현되는 비행 제어 알고리즘과 함께 모든 시스템, 서브시스템 및 컴포넌트의 전체 Model-in-the-Loop 시뮬레이션을 수행하기 위해 항공기의 시뮬레이션 모델을 개발합니다."
이 설계 방법을 통해 AVILUS 팀은 모든 물리적 컴포넌트가 준비되기 전에도 시뮬레이션과 기능 테스트를 수행할 수 있었습니다. 그들은 System Composer™를 사용하여 물리적 및 기능적 시스템 아키텍처를 개발하고 테스트했습니다. 이 초기 테스트를 통해 실물 프로토타입을 반복적으로 만들지 않고도 잠재적인 문제를 식별하고 해결할 수 있었습니다.
Simscape™는 배터리, 중간 회로, 인버터, 엔진으로 전기 파워트레인을 비롯한 서브시스템의 상세한 모델에 사용되었습니다.
이 팀은 Simulink®로 비행 제어 알고리즘과 항공기의 전반적인 시뮬레이션 모델을 개발하여 시뮬레이션 환경에서 전체 항공기 시스템을 테스트하고 검증할 수 있었습니다. 이러한 접근 방식을 통해 더 많은 비용과 시간이 소요되는 물리적 테스트로 넘어가기 전에 시스템의 거동을 잘 이해하고 최적화할 수 있었습니다.
"우리는 궁극적으로 Simulink를 사용해 항공기의 컴포넌트에 표현되는 비행 제어 알고리즘과 함께 모든 시스템, 서브시스템 및 컴포넌트의 전체 Model-in-the-Loop 시뮬레이션을 수행하기 위해 항공기의 시뮬레이션 모델을 개발합니다." Dollinger가 말합니다. "우리는 테스트 케이스를 생성하는 기능 개발을 위한 일련의 요구사항을 가지고 있으며, 이러한 테스트 케이스는 Simulink의 Model-in-the-Loop 시뮬레이션에서 실행됩니다."
AVILUS는 모델 기반 설계를 사용하여 개발 시간과 비용을 크게 줄였습니다. Simulink의 Model-in-the-Loop 시뮬레이션은 매우 효과적이어서 실제 하드웨어 테스트에 필요한 추가 검증 작업을 5~10%로 줄였습니다.
"시스템 관점에서 볼 때, 우리의 폐루프 Simulink 시뮬레이션 모델과 테스트 케이스의 모든 소프트웨어 컴포넌트는 우리가 시스템에 변경을 도입할 때 모든 효과를 자동으로 평가하기에 충분합니다." Dollinger는 말합니다. "결국, Hardware-in-the-Loop 시뮬레이션도 했다는 상자를 체크하는 것과 같습니다. 대부분의 경우 Model-in-the-Loop와 하드웨어의 차이가 매우 작기 때문입니다."
하드웨어 테스트
모델 기반 설계 및 MATLAB®을 사용함에 따라 Hardware-in-the-Loop 테스트를 수행하기가 더 쉬워졌습니다. 팀은 Embedded Coder®를 사용해 Simulink 모델을 고급 알고리즘에서 드론의 임베디드 프로세서에서 실행될 수 있는 저급 C 코드로 변환했습니다.
모델 기반 설계 및 MATLAB®을 사용함에 따라 Hardware-in-the-Loop 테스트를 수행하기가 더 쉬워졌습니다. 팀은 Embedded Coder®를 사용해 Simulink 모델을 고급 알고리즘에서 드론의 임베디드 프로세서에서 실행될 수 있는 저급 C 코드로 변환했습니다.
Dollinger는 "우리는 일반적으로 인터페이스 데이터베이스에서 시작하여 이를 사용하여 물리 시스템 아키텍처를 기반으로 입력 및 출력 포트가 있는 Simulink 모델 템플릿을 만듭니다."라고 말합니다. "우리가 알고리즘을 구현할 때 이 템플릿 모델이 디자인 모델이 됩니다. 이 설계 모델에서 우리는 코드를 생성한 다음, 우리가 보유한 하드웨어를 기반으로 하는 임베디드 프레임워크에 통합합니다."
Hardware-in-the-Loop 테스트 동안 실시간 시스템은 합성 센서 데이터를 생성하는데, 이는 센서가 실제 비행 중에 감지하는 내용을 나타냅니다. 이러한 데이터는 비행 제어 컴퓨터와 같은 테스트 중인 하드웨어 컴포넌트에 입력되어 다양한 비행 시나리오에서 어떻게 반응하는지 확인합니다.
Hardware-in-the-Loop 테스트 이후, 팀은 항공기를 기둥에 고정하여 공중에서 완전한 위험 없이 위아래로 움직일 수 있는 "테더 비행"을 실시했습니다. 이러한 설정은 자유 비행에 대한 완전한 위험 없이 거의 실제와 같은 조건에서 항공기의 동작을 테스트할 수 있는 안전한 환경을 제공했습니다. 그 후, 시스템은 완전한 비행 시험을 할 준비가 되었습니다.
DRONEVAC 구조 시스템 모델. (이미지 출처: AVILUS)
"완전히 조립된 항공기의 첫 번째 자유 비행을 시작했을 때, 그것은 우리 모두에게 매우 감동적인 순간이었습니다."라고 Dollinger는 말합니다. “그 이후로 우리는 많은 비행 시간을 모았습니다.”
혁신 가속화
AVILUS는 이미 첫 제품인 Grille 드론을 출시했습니다. 하지만 연구개발을 멈추지 않았습니다. AVILUS 팀이 만든 디자인 과정 덕분에 그들은 차량을 빠르게 개선하고 새로운 차량을 출시하고 있습니다.
Söpper는 "모델 기반 설계의 장점은 프로세스와 툴체인을 이미 설정해 놓았기 때문에 모델을 변경하기 쉽다는 점"이라고 말합니다. "우리는 새로운 디자인 반복을 위해 동일한 작업을 다시 수행할 프로세스, 도구 구조 및 팀을 구축했습니다. 우리는 기존 모델을 활용할 수 있기 때문에 두 번째 제품은 첫 번째 제품보다 1/5의 시간만 소요될 것으로 예상합니다."
"모델 기반 설계의 장점은 프로세스와 툴체인을 이미 설정해 놓았기 때문에 모델을 변경하기 쉽다는 것입니다. 우리는 새로운 디자인 반복을 위해 동일한 작업을 다시 수행할 수 있는 프로세스, 도구 구조, 팀을 구축했습니다. 우리는 기존 모델을 활용할 수 있기 때문에 두 번째 제품은 첫 번째 제품보다 1/5의 시간만 소요될 것으로 예상합니다."
이 팀은 현재 두 번째 무인 항공기의 비행 시험을 진행 중이며, 추가 기능이 추가된 세 번째 항공기의 제작에 들어갔습니다. 하지만 팀이 도구 기반을 확장하고 설계, 테스트, 배포 프로세스를 자동화함에 따라 새로운 항공기를 만드는 일이 점점 더 빠르고 쉬워지고 있습니다.
"이제 우리는 이 모든 경험을 쌓았고 어려운 작업의 80%를 차지하는 시스템을 통합했습니다."라고 Söpper는 말합니다.
그러나 AVILUS 팀이 이러한 디자인 접근 방식을 통해 얻은 가장 큰 성과는 스타트업, 특히 규제가 엄격하고 민감한 산업의 스타트업으로서 학습 및 혁신 프로세스가 개선되었다는 것입니다.
비행 중인 AVILUS의 Grille 드론. (이미지 출처: AVILUS)
"모든 요구사항을 처음부터 정의하는 전통적인 개발 모델은 고객의 운영 개념이 시간이 지남에 따라 변경되거나 성장하기 때문에 이와 같은 프로젝트에 가장 적합한 접근 방식이 아닙니다."라고 Söpper는 말합니다. "따라서 빌더와 고객은 운영상의 필요성이 나타나고 제품 개발이 진화함에 따라 함께 일하고 서로에게서 배워야 합니다."
