Fliegende Ersthelfer dank Model-Based Design Münchner Start-up entwickelt Notfall-Evakuierungssystem auf Drohnenbasis

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In unwegsamem Gelände oder in entlegenen Regionen geraten klassische Rettungsmethoden schnell an ihre Grenzen. Genau hier setzt das deutsche Start-up AVILUS an: Mit einer speziell entwickelten autonomen Drohne revolutionieren die Gründer die Notfallhilfe. Das Projekt konnte insbesondere dank Model-Based Design abheben.

Ein Wanderer stürzt auf einem gefährlichen Berg ab. Eine Familie strandet in einem überschwemmten Gebiet. In Notfällen zählt jede Sekunde – doch wenn sie an gefährlichen und schwer zugänglichen Orten geschehen, stoßen herkömmliche Rettungsmethoden schnell an ihre Grenzen. Das deutsche Start-up AVILUS will genau dieses Problem lösen und setzt mit seiner autonomen Rettungsdrohne „Grille“ neue Maßstäbe in der Notfallhilfe.

Ausgestattet mit modernster Avionik und autonomen Navigationssystemen, manövriert die Drohne durch unwegsames Gelände. „Grille“ verfügt über eine spezielle Patientenbox, in der die Erstbehandlung erfolgen und der Patient während des Transports stabilisiert werden kann. Diese Funktion ist insbesondere in abgelegenen Gebieten von entscheidender Bedeutung, wo die „goldene Stunde“ – die kritische erste Stunde nach einer traumatischen Verletzung – über die Überlebenschancen entscheiden kann.

Die Entwicklung dieser Drohne gelang dem AVILUS-Team mithilfe von Model-Based Design. Diese Methodik ermöglicht es Ingenieuren, Systeme in einer virtuellen Umgebung zu entwerfen, zu testen und iterativ zu verbessern. So konnten sie Simulationen und Funktionstests durchführen, noch bevor alle physischen Komponenten fertiggestellt wurden.

Smarte Evakuierung per Drohne: Wenn Technologie Leben rettet

In abgelegenen Orten oder schwer zugänglichen Gebieten sind solche Evakuierungsdrohnen von unschätzbarem Wert. Herkömmliche Rettungseinsätze sind hier aufgrund fehlender Infrastruktur oder schwierigen Geländes schwierig. Da Drohnen sich schnell und effizient in schwierigem Gelände zurechtfinden, sind sie eine ideale Lösung für die Bereitstellung dringender medizinischer Hilfe oder für Evakuierungen.

Drohnen verringern außerdem Sicherheitsrisiken, da sie ferngesteuert werden und weder Piloten noch medizinisches Personal an Bord sein oder potenziell gefährliche Bereiche betreten müssen. Dadurch können Rettungsdienste mit weniger Personal mehr erreichen. Zudem können zwei Personen zehn bis zwanzig Drohnen steuern, während bei klassischen Ansätzen ein Chirurg und ein Pilot pro Hubschrauber nötig sind. Dieses neue Rettungsmodell soll aber nicht als Ersatz betrachtet werden, sondern vielmehr als Unterstützung der konventionellen Rettungsmittel und -kräfte in Notfällen, wenn bestehende Systeme an ihre Grenzen stoßen.

Von der Idee zur Realität: Wie Drohnen die Evakuierung transformieren

Der Weg von der Idee bis zur Umsetzung kann für Technologieunternehmen ein langer und anspruchsvoller Weg sein. Wie die meisten Start-ups hat AVILUS sehr klein angefangen. Sie starteten bei null – mit nichts als einer Idee und der Entscheidung, ihre Drohne von Grund auf neu zu entwickeln.

Gegründet wurde AVILUS von Ernst Rittinghaus und Doktoranden des Lehrstuhls für Flugsystemdynamik an der TU München. Die Doktoranden, darunter Niclas Bähr, Max Söpper und Daniel Dollinger, arbeiteten in den Bereichen Flugsteuerung, Systemarchitektur und Flugphysik, als Rittinghaus mit dem Gedanken an eine „fliegende Trage“ an sie herantrat. In ihrer Freizeit entwickelten sie innerhalb einer Woche ein technisches Konzept dafür. Hieraus entwickelte sich schließlich die Vision eines drohnengestützten Evakuierungssystems, was den Grundstein für die Gründung von AVILUS legte.

Der Bau der Drohne war mit vielen Herausforderungen verbunden. Zuerst musste das Team lernen, wie man die Konstruktion aus Kohlefaser und Aluminium in Hybridbauweise herstellt. Ebenso mussten sie sich umfangreiche Kenntnisse über den Aufbau des elektrischen Antriebsstrangs des Fluggeräts aneignen – all das mit einem begrenzten Startbudget.

Da die Drohne von Grund auf neu konzipiert wurde, konnte das Team sicherstellen, dass sie genau die Bedürfnisse von Rettungsteams erfüllt, ohne die Kompromisse, die bei einer Anpassung vorhandener Fluggeräte entstehen könnten. Durch die Wahl eines minimalistischen Designs konnten sie zudem die Produktionskosten und -zeit erheblich senken.

Vom ursprünglichen Konzept einer Rettungsdrohne hat sich das Produkt zu einem vollständigen Rettungssystem namens DRONEVAC entwickelt, bestehend aus den Evakuierungsdrohnen MEDEVAC (auch Grille-Drohnen genannt), einer mobilen Bodenstation und weiterer Ausrüstung.

Von der Simulation zu mehr Sicherheit: Model-Based Design im Einsatz

Maßgeblich zum Erfolg des AVILUS-Teams hat die Nutzung von Model-Based Design beigetragen, einer Methodik, bei der Systeme mithilfe von Simulationen und Modellierungstools entworfen und analysiert werden, bevor sie komplett gebaut werden. Model-Based Design ermöglicht Ingenieuren das Erstellen, Testen und Iterieren von Systemen in einer virtuellen Umgebung, wodurch der Entwicklungsprozess vom Konzeptentwurf bis zu Implementierung und Test erheblich verkürzt wird.

Diese Methodik ermöglichte es dem AVILUS-Team, Simulationen und Funktionstests durchzuführen, noch bevor alle physischen Komponenten fertig waren. Sie verwendeten System Composer, um die physische und funktionale Systemarchitektur zu entwickeln und zu testen. Durch diese frühen Tests konnten potenzielle Probleme erkannt und gelöst werden, ohne dass wiederholt physische Prototypen erstellt werden mussten.

Des Weiteren wurde Simscape für detaillierte Modelle der Subsysteme verwendet, einschließlich des elektrischen Antriebsstrangs mit Batterie, Zwischenschaltkreis, Wechselrichter und Motor.

Das Team verwendete außerdem Simulink, um Flugsteuerungsalgorithmen und Gesamt-Simulationsmodelle der Drohne zu entwickeln, wodurch sich das gesamte Flugsystem in einer simulierten Umgebung testen und validieren ließ. Dieser Ansatz stellte sicher, dass das Systemverhalten gut verstanden und optimiert wurde, bevor kostspielige und zeitaufwändigere physische Tests durchgeführt wurden.

Mithilfe von Model-Based Design hat AVILUS so Entwicklungszeit und -kosten deutlich reduziert. Die Model-in-the-Loop-Simulationen in Simulink waren so effektiv, dass sie den zusätzlichen Verifizierungsaufwand bei realen Hardwaretests auf 5–10 Prozent reduzierten. „Das Tolle an Model-Based Design ist, dass sich Änderungen am Modell problemlos vornehmen lassen, da wir die Prozesse und Toolchains bereits eingerichtet haben“, so Max Söpper. „Wir haben die Prozesse, die Tool-Struktur und das Team aufgebaut, um bei neuen Design-Iterationen dasselbe zu wiederholen. Wir gehen davon aus, dass wir für unser zweites Produkt nur ein Fünftel der Zeit benötigen werden, die wir für das erste benötigten, da wir auf bestehende Modelle zurückgreifen können.“

Hardwaretests: Präzision und Zuverlässigkeit im Fokus

Der Einsatz von Model-Based Design und MATLAB erleichterte die Durchführung der Hardware-in-the-Loop-Tests. Das Team verwendete Embedded Coder, um die Simulink-Modelle von Hochsprachen-Algorithmen in maschinennahen C-Code umzuwandeln, der auf den Embedded-Prozessoren der Drohnen ausgeführt werden kann. Zunächst wurde eine Schnittstellendatenbank erstellt. Diese wurde dann verwendet, um eine Modellvorlage in Simulink mit Eingabe- und Ausgabeports zu generieren, die auf der physischen Systemarchitektur basiert. Mit der Implementierung des Algorithmus wurde dieses Vorlagenmodell zum Design-Modell. Aus diesem Design-Modell generierte das AVILUS-Team den Code und integrierte ihn dann in ihr Embedded-Framework, basierend auf der vorhandenen Hardware.

Während des Hardware-in-the-Loop-Tests generiert das Echtzeitsystem synthetische Sensordaten, die widerspiegeln, was die Sensoren während eines tatsächlichen Fluges wahrnehmen würden. Diese Daten werden an die getesteten Hardwarekomponenten, etwa den Flugsteuerungscomputer, übermittelt, um zu sehen, wie sie auf verschiedene Flugszenarien reagieren.

Nach den Hardware-in-the-Loop-Tests führte das Team „angebundene Flüge“ durch, bei denen die Drohne an einem Mast befestigt wurde, wo sie sich auf und ab bewegen konnte, ohne dem vollen Risiko eines freien Fluges ausgesetzt zu werden. Danach war das System für umfassende Flugtests bereit. „Als wir den ersten freien Flug unseres fertig montierten Fluggeräts starteten, war das für uns alle ein sehr emotionaler Moment“, sagt Daniel Dollinger. „Seitdem haben wir viele Flugstunden gesammelt.“

Die Zukunft beschleunigen: neue Innovationen, neue Möglichkeiten

AVILUS hat bereits sein erstes Produkt, die Grille-Drohne, entwickelt. Aber das Unternehmen hat seine Forschung und Entwicklung nicht eingestellt. Das Team führt derzeit Flugtests für sein zweites unbemanntes Flugzeug durch und hat mit dem Bau eines dritten mit zusätzlichen Funktionen begonnen. Allerdings wird der Bau jedes neuen Flugzeugs schneller und einfacher, da das Team seine Tool-Basis kontinuierlich erweitert und den Design-, Test- und Bereitstellungsprozess automatisiert.

„Jetzt haben wir all diese Erfahrungen gesammelt und das System integriert, das 80 Prozent der anspruchsvollen Arbeit ausmacht“, erklärt Max Söpper. Der größte Nutzen dieses Design-Ansatzes liegt für das AVILUS-Team jedoch in den verbesserten Lern- und Innovationsprozessen als Start-up, insbesondere in einer stark regulierten und sensiblen Branche. Durch den gezielten Einsatz von Model-Based Design und Simulink hat das AVILUS-Team innovative Lösungen für Rettungseinsätze entwickelt, die neue Standards in der medizinischen Notfallversorgung setzen und deren Zukunft maßgeblich mitgestalten werden. (sb)

* Stefan Raab ist Application Engineer bei MathWorks, Christian Merkl ist Application Engineer bei MathWorks, und Max Söpper ist Co-Founder und CTO bei AVILUS

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