全球供應(yīng)鏈正處于危機(jī)之中?，F(xiàn)如今的貨物采購(gòu)比以往任何時(shí)候都要便捷：您只需點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)就能在指定地址收貨，而且所需的時(shí)間通常也很短。這種便捷所需的則是包含許多可能會(huì)出問(wèn)題的環(huán)節(jié)的復(fù)雜供應(yīng)鏈。鑒于電子商務(wù)呈兩位數(shù)增長(zhǎng)，再加之全球勞動(dòng)力短缺，供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都承受著壓力：在港口從船上卸載貨物，將材料運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)，最后將包裹分發(fā)到本地配送中心。在這一新的短途配送物流環(huán)境中，各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用。

解決物流難題需要新技術(shù)，包括小到沿人行道巡航實(shí)現(xiàn)最后一英里送貨的機(jī)器人，大到可在供應(yīng)鏈早期運(yùn)輸重型貨物的航空貨載飛行器。RangeAero 是來(lái)自印度班加羅爾的一家初創(chuàng)企業(yè)，致力于緩解短途運(yùn)輸重型貨物的物流難題。

想象一下，一架無(wú)人機(jī)攜帶 100 公斤（220 磅）的包裹升空下降，再以極高的精度和速度將供應(yīng)商的材料投遞到裝配線(xiàn)，這是多么令人驚嘆的場(chǎng)景。RangeAero 開(kāi)發(fā)了一款垂直起降 （VTOL） 飛機(jī)，使這種投遞成為了可能。

▼ 精準(zhǔn)的垂直起降

與傳統(tǒng)直升機(jī)不同，RangeAero 的直升機(jī)采用流線(xiàn)型同軸設(shè)計(jì)，具有上下同心旋翼，兩者以相反方向旋轉(zhuǎn)。槳葉通過(guò)改變其槳距來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。

同軸設(shè)計(jì)不僅使直升機(jī)具有垂直起降能力，而且最大限度地減少了它的占地面積。傳統(tǒng)直升機(jī)在機(jī)身上方有一副旋翼，并帶一個(gè)用來(lái)抵消旋翼扭矩的尾槳。與之不同，同軸直升機(jī)沒(méi)有尾槳組件所需的額外長(zhǎng)度，同時(shí)能夠保持穩(wěn)定性。這種直升機(jī)更適用于起降空間有限、需要精準(zhǔn)投遞的物流系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施。

“同軸直升機(jī)具有很高的敏捷性，可以在非常擁擠的空間降落，”RangeAero 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Arpit Sharma 說(shuō)道。“這種直升機(jī)采用同軸轉(zhuǎn)子配置，具有非凡的載貨能力，即使在極端天氣條件下也能可靠地工作?！?/p>

同軸直升機(jī)的旋翼比四軸直升機(jī)的要大，后者使用四個(gè)小旋翼來(lái)產(chǎn)生升力。四軸直升機(jī)或多旋翼直升機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于易于使用，采用模塊化設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)部件較少。但在起降空間狹小的情況下，它們?cè)谛省w行能力和適航安全性方面表現(xiàn)欠佳。

“靠近擁擠城市地區(qū)的倉(cāng)庫(kù)就很適合 B2B 配送方式，”Sharma 補(bǔ)充道。“在這些區(qū)域運(yùn)營(yíng)時(shí)，安全和效率是關(guān)鍵?！?/p>

加速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

RangeAero 采用大型復(fù)雜飛機(jī)設(shè)計(jì)中常用的系統(tǒng)工程方法來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)共軸直升機(jī)?！拔覀兊拈_(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)特別參照了 NASA 的系統(tǒng)工程方法，”Sharma 說(shuō)道?！斑@需要通過(guò)不同層級(jí)的原型構(gòu)建來(lái)開(kāi)發(fā)飛機(jī)，每個(gè)原型都是一個(gè)為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)而制造的工程產(chǎn)品。”

這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷程始于加速器 Forge。Forge 加入了 MathWorks 加速器計(jì)劃。該計(jì)劃旨在使初創(chuàng)企業(yè)能夠利用基于模型的設(shè)計(jì)和科學(xué)計(jì)算工具，包括 MATLAB 和 Simulink。MathWorks 還為加速器成員提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

飛機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)精通航空航天系統(tǒng)工程和原型開(kāi)發(fā)。他們最初面臨的挑戰(zhàn)是驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)決策。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于縮放原型的測(cè)試方法。他們從原型階段就開(kāi)始迭代設(shè)計(jì)下一代更大型的飛機(jī)。仿真在 Simulink 中完成。

RangeAero 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Rohit Gupta 表示，“在共軸直升機(jī)中，旋翼之間相互作用形成的旋翼流非常復(fù)雜，會(huì)影響直升機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。我們使用 MATLAB 和 Simulink 基于理論假設(shè)對(duì)飛機(jī)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了建模。然后，我們驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果。為了快速解讀分析，我們使用基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了工作流，包括分析飛行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)和每次飛行的通信日志?？傮w看來(lái)，它有助于快速不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)?！?/p>

“我們使用基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了工作流，包括分析飛行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)和每次飛行的通信日志?？傮w看來(lái)，它有助于快速不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)?！?/p>

—— Rohit Gupta，RangeAero 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官

RangeAero 直升機(jī)的基于模型的設(shè)計(jì)。（圖片所有權(quán)：RangeAero）

▼ 基于復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)

“RangeAero 專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)此類(lèi)運(yùn)營(yíng)所需的端到端生態(tài)系統(tǒng)，”Sharma 說(shuō)道?！拔覀冮_(kāi)發(fā)和制造飛機(jī)。然后，我們將運(yùn)營(yíng)無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)，它具有類(lèi)似于空中交通管制的命令和控制中心。我們的最終目標(biāo)是成為一家貨運(yùn)航空公司?！?/p>

“當(dāng)我們開(kāi)發(fā)飛機(jī)的大腦（包括控制系統(tǒng)和其他集成系統(tǒng)）時(shí)，我們廣泛使用了 MATLAB，”Gupta 說(shuō)道。“我們希望快速開(kāi)發(fā)、測(cè)試和部署?！?/p>

Simulink 中的仿真是開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。仿真具有安全、成本低和包容的優(yōu)點(diǎn)。它讓 RangeAero 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)有充足的機(jī)會(huì)來(lái)完善設(shè)計(jì)，應(yīng)用不同設(shè)定，準(zhǔn)確測(cè)試其原型，以及驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)。

Gupta 說(shuō)道，“在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，采用基于系統(tǒng)工程的決策方法有助于在向受眾展示概念時(shí)樹(shù)立信心。”“做出正確的預(yù)測(cè)并仿真各種用例的性能，是幫助產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵因素。”

Gupta 還對(duì) MathWorks 的應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)給予高度評(píng)價(jià)，稱(chēng)贊他們?yōu)槠鋱F(tuán)隊(duì)提供了及時(shí)有效的幫助。

“RangeAero 的技術(shù)團(tuán)隊(duì)在 MathWorks 應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)的幫助下，學(xué)會(huì)了如何使用這些工具并將其應(yīng)用于我們的復(fù)雜應(yīng)用，”Gupta 說(shuō)道?！爱?dāng)我們?cè)谠O(shè)置工作流所需的工具箱方面需要幫助時(shí)，MathWorks 團(tuán)隊(duì)總是有求必應(yīng)，隨叫隨到?！?/p>

在 Simulink 中實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的偏航控制器。（圖片所有權(quán)：RangeAero）

RangeAero 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)已對(duì)其原型機(jī)進(jìn)行了 100 多次試飛，并在繼續(xù)開(kāi)發(fā)具有不同航程和有效載荷能力的同軸直升機(jī)。他們的目標(biāo)是用其標(biāo)志性的共軸直升機(jī) Range100 承載 100 公斤的重物成功飛行 80 公里（50 英里）。Range100 是一款自重 223 公斤（492 磅，不計(jì)燃油和有效載荷）的輕型直升機(jī)。其最長(zhǎng)維度是 7 米（23 英尺）寬，這是轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)路徑的直徑。它可攜帶 100 公斤的重物在兩到三個(gè)小時(shí)內(nèi)飛行 200 公里（124 英里）。

“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這款直升機(jī)的縮小版 Range5 和 Range10，它們的有效載荷分別為 5 公斤（11 磅）和 10 公斤（22 磅），”Sharma 說(shuō)道?！斑@些縮小版有助于我們驗(yàn)證所涉及的技術(shù)，以及物流集群的軸輻式模型的部署策略?！陛S輻式模型是用于高效管理運(yùn)輸系統(tǒng)中貨物運(yùn)輸?shù)奈锪髋渲谩?/p>

面臨的重大運(yùn)營(yíng)挑戰(zhàn)之一是，針對(duì)指定的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠精確接近著陸臺(tái)并在其上降落的飛機(jī)。在分析不同數(shù)據(jù)感知方法以及隨后的快速?zèng)Q策能力后，該團(tuán)隊(duì)決定利用基于視覺(jué)的系統(tǒng)，從而進(jìn)一步降低硬件需求。此外，還可以將圖像處理與傳感器融合巧妙結(jié)合，從而與飛行中涉及的其他傳感器相協(xié)調(diào)。

▼ 在復(fù)雜受控的環(huán)境中運(yùn)營(yíng)

“當(dāng)前，監(jiān)管環(huán)境范圍日益擴(kuò)大，無(wú)人駕駛飛機(jī)也被納入監(jiān)管的范疇；不過(guò)，法規(guī)引入的進(jìn)度因地而異，”Sharma 說(shuō)道?！拔覀冋诟鶕?jù)歐盟航空安全局設(shè)立的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)飛機(jī)，該機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制定認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以及適航和安全指令。我們的飛機(jī)和投遞生態(tài)系統(tǒng)屬于 1 類(lèi)和 2 類(lèi)認(rèn)證?！?/p>

這些類(lèi)別的認(rèn)證適用于按照儀表飛行規(guī)則 （IFR） 在某類(lèi)空域飛行的飛機(jī)。當(dāng)云冪離地面的高度低于 305 米（1000 英尺），或能見(jiàn)度小于 4.8 公里（3 英里）時(shí)，與空中交通管制交互的航班按照 IFR 飛行。

“很快，我們有望將觸角從預(yù)定無(wú)人機(jī)走廊的專(zhuān)用無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)延伸到貨運(yùn)航班領(lǐng)域，全面進(jìn)軍印度和國(guó)外的市場(chǎng)，”Sharma 說(shuō)道。

MATLAB 和 Simulink 的主要優(yōu)勢(shì)在于，這些工具提供了團(tuán)隊(duì)可以應(yīng)用的飛行“假設(shè)分析”場(chǎng)景，并可幫助更正設(shè)計(jì)中存在的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)。

“了解您的系統(tǒng)如何響應(yīng)實(shí)際環(huán)境并向設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供更正措施的反饋，有助于加速設(shè)計(jì)過(guò)程，”Sharma 說(shuō)道。

機(jī)載系統(tǒng)和命令控制中心之間的交互至關(guān)重要。

“我們使用預(yù)測(cè)性維護(hù)方法和健康診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。健康診斷系統(tǒng)會(huì)將飛機(jī)中涉及的子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)健康數(shù)據(jù)傳播到命令和控制中心，”Sharma 說(shuō)道。“它是使用 MATLAB 工具箱和我們?cè)谶^(guò)去三年中開(kāi)發(fā)的核心代碼庫(kù)構(gòu)建的。”

RangeAero 正在用正確的工具、正確的方法和正確的團(tuán)隊(duì)掀起航空物流的變革，展示無(wú)人直升機(jī)連接工業(yè)樞紐并安全及時(shí)地投遞貨物的可行性。

Forge 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Vish Sahasranamam 說(shuō)道，“利用正確的技術(shù)支持對(duì)于構(gòu)建正確的產(chǎn)品和正確地構(gòu)建產(chǎn)品至關(guān)重要。通過(guò)與領(lǐng)先的技術(shù)公司合作，我們具備了這種能力。通過(guò)與 MathWorks 的合作，我們這樣的初創(chuàng)企業(yè)能夠利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，如 MATLAB 和 Simulink?！?/p>

對(duì)于 RangeAero 的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們用直升機(jī)重新詮釋和顛覆物流技術(shù)的使命仍在繼續(xù)，因?yàn)樗麄冎铝τ跒槿蚬?yīng)鏈開(kāi)啟新的可能性。

審核編輯 ：李倩