Oggi le startup che vogliono trasformare idee tecniche in realtà si trovano ad affrontare diverse problematiche:
- Velocità: come si accelerano i cicli di sviluppo?
- Risparmio: cosa fare per tagliare i costi e aumentare la produttività?
- Scalabilità: come portare un prodotto da concept al mercato?
La risposta a tutte queste domande è la progettazione Model-Based, vale a dire un approccio ingegneristico che contribuisce al successo delle startup aiutandole a trasformare i loro prodotti da idee a prototipi, per poi passare in produzione.
“Non avremmo potuto costruire la Tesla® Roadster 2008 senza MathWorks. Ci sarebbero servite risorse di cui la nostra nuova startup automotive semplicemente non disponeva. Continueremo ad affidarci a MATLAB® e Simulink® per prendere decisioni di progettazione consapevoli per la realizzazione dei veicoli Tesla di prossima generazione.”
La progettazione Model-Based si basa sull’uso sistematico di modelli lungo l’intero processo di sviluppo.
Il modello funge da:
- Rappresentazione visiva del progetto basata su diagrammi a blocchi e altri elementi grafici o testuali. I modelli promuovo la comprensione dell’intento progettuale, che si tratti di un flusso di dati o di un’architettura di sistema.
- Specifica eseguibile del progetto. I modelli consentono di simulare il comportamento del sistema in più domini.
Grazie ai modelli, gli ingegneri possono valutare i tradeoff di progettazione, eseguire verifiche e convalide continue e generare automaticamente codice per l’implementazione hardware.
Per le startup, un prodotto si origina da un’idea, che viene poi affinata e prende forma diventano un concept di progettazione definito da una serie di requisiti, il quale si evolve rapidamente in specifiche tecniche dettagliate. Creare un prototipo rispondente a queste specifiche è un passaggio essenziale per le startup. Il prototipo dimostra il valore del prodotto in fase iniziale, alimenta la fiducia tra i team interni e contribuisce all’ottenimento di finanziamenti da investitori esterni che fin da subito vogliono vedere prove concrete di successo. La progettazione Model-Based aiuta le startup a passare rapidamente dall’idea al prototipo.
Dall’idea al prototipo
Parola d’ordine: velocità
Quando si inizia a lavorare a un’idea, spesso ci si ritrova davanti a una tela bianca indecisi sul da farsi. Ma con la progettazione Model-Based non si deve partire da un foglio bianco. Simulink e i suoi prodotti complementari mettono a disposizione degli esempi di riferimento e dei blocchi predefiniti da cui poter iniziare.
Gli esempi di riferimento sono utili come punti di partenza per i nuovi progetti. Gli esempi sono modelli di sistemi completi realizzati per applicazioni specifiche, come le pompe per l’insulina, i parchi eolici, i droni per la consegna di pacchi e tante altre applicazioni in praticamente tutti i settori.
Man mano che il progetto viene modificato per includere algoritmi dettagliati e funzionalità complete, è possibile aggiungervi direttamente dei blocchi predefiniti. Tali blocchi rappresentano l’incapsulamento di moduli algoritmici che sono stati rigorosamente testati e completamente documentati, che siano algoritmi di elaborazione di segnali o tecniche di controllo. Questi algoritmi possono essere aggiunti, combinati o modificati in base alle esigenze del proprio progetto.
Inoltre, è possibile applicare dei blocchi pronti all’uso e completamente parametrizzabili per la modellazione dei componenti del sistema, come un elettrolizzatore che mette in moto un sistema di produzione di idrogeno green o un rotore di un velivolo a decollo e atterraggio verticali.
Voyage Auto, startup che opera nel settore della guida autonoma, ha utilizzato gli esempi di riferimento per dare il via al suo processo di sviluppo.
“Abbiamo deciso di partire dall’esempio di sistema di cruise control adattivo (ACC) di MATLAB. Questo esempio include un modello Simulink che usa un MPC per implementare un sistema ACC in grado di mantenere una velocità impostata o una distanza impostata dal veicolo che precede. Dopo soli tre giorni stavamo eseguendo il codice generato per l’ACC nel nostro veicolo.”
Riduzione dei costi di sviluppo e dei tempi necessari per realizzare il prototipo
All’inizio del processo di progettazione si hanno sempre tante idee in mente e ci si deve barcamenare in uno spazio di progettazione vastissimo, esplorando tutte le possibili opzioni con una buona dose di incertezza. Tuttavia, le startup devono spesso fare i conti con limiti di tempo, budget, assunzioni e altre risorse. Quando si inizia a formalizzare e a convergere su una scelta di progettazione, è semplicemente impossibile testare ogni opzione con prototipi fisici.
La progettazione Model-Based consente di costruire e simulare i propri modelli come prototipi virtuali. È possibile creare studi di progettazione su larga scala, valutare le opzioni di progettazione e ottimizzare le prestazioni dei progetti in un ambiente digitale, riducendo notevolmente la necessità di realizzare prototipi fisici nonché il rischio di sforare il budget.
Ather Energy, startup che realizza scooter elettrici, ha utilizzato la modellazione e la simulazione per accelerare lo sviluppo.
“Avevamo tantissime idee promettenti ma, essendo una piccola startup, non avevamo il tempo, i fondi e nemmeno le persone per costruire i prototipi per testarle tutte. Con la progettazione Model-Based abbiamo individuato e convalidato le idee migliori grazie alla simulazione, il che ci ha permesso di realizzare uno scooter più completo dal punto di vista delle funzionalità in tempi più brevi. Invece di impiegare due mesi per costruire e testare un prototipo fisico, con i nostri modelli Simscape, abbiamo terminato i lavori in due settimane.”
Carnegie Clean Energy, startup che si occupa di tecnologie dell’energia del moto ondoso, ha utilizzato la simulazione e la prototipazione virtuale per correggere problemi di progettazione e ha realizzato il primo parco energetico marino funzionante al mondo.
“Essendo una startup, non potevamo permetterci un ciclo di sviluppo costituito da una fase di realizzazione del sistema, test, modifica e ripetizione dei test. Ci sarebbe costato troppo e costruire anche solo un modello in scala del nostro sistema completo avrebbe richiesto tempi troppo lunghi. Dal punto di vista ingegneristico, abbiamo deciso di puntare sulla prototipazione e la simulazione virtuale in modo tale che il progetto fosse corretto fin da subito. Trovare e risolvere i problemi per mezzo della simulazione è più semplice e meno costoso rispetto a eseguire i test su prototipi hardware.”
Concentrarsi sul progetto, non sul codice
Una volta confermata la propria scelta di progettazione e sviluppato il prototipo virtuale, come si fa a implementare il progetto sotto forma di codice in esecuzione su un prototipo fisico? Il progetto può essere tradotto in codice mediante la codifica manuale degli algoritmi, ma tale approccio prevede diversi passaggi durante i quali è possibile introdurre errori e incongruenze. Le modifiche apportate al progetto devono essere implementate manualmente nel codice ed è difficile stabilire la tracciabilità tra progetto e codice.
La progettazione Model-Based consente di generare automaticamente il codice dai modelli. Per passare dal progetto al codice in esecuzione su prototipi funzionali occorreranno giorni, non mesi. Il codice generato è efficiente, di alta qualità, leggibile e completamente tracciabile sul progetto, il che significa che l’ultimo codice generato rappresenterà sempre il progetto più aggiornato. La generazione di codice è un approccio efficace per lo sviluppo software delle startup in quanto consente loro di focalizzarsi sul lavoro di progettazione di alto livello.
Ellio, startup che si occupa di biciclette elettriche, ha ridotto i tempi di realizzazione del prototipo generando automaticamente codice di controllo destinato all’hardware embedded.
“Una volta modellato il nostro controller in Simulink, abbiamo creato un prototipo funzionante in un solo giorno generando codice per Raspberry Pi® con Simulink Coder™. Secondo le nostre stime, avremmo avuto bisogno di almeno due settimane per la codifica e il debug manuale del software sulla bicicletta prototipo, soprattutto considerando il fatto che nel nostro team non c’è un vero esperto di codifica.”
Preceyes, startup che opera nel ramo della robotica chirurgica, ha creato il primo robot al mondo per la chirurgia oculistica implementando il suo software con la generazione automatica di codice.
“Grazie a MATLAB e Simulink non mi sono ritrovato a dover programmare un’architettura di basso livello per il controller. Essendo l’unico ingegnere software a sviluppare la prima release, questo è stato un enorme vantaggio. Dubito che un solo ingegnere avrebbe potuto fare il lavoro in altri modi.”
Bigfoot Biomedical, startup che opera nel campo delle tecnologie mediche, ha sviluppato dei sistemi di somministrazione dell’insulina grazie alla simulazione e alla generazione automatica di codice.
“La progettazione Model-Based ci permette di gestire la complessità, così da poterci dedicare alla modellazione e alla simulazione dei nostri sistemi e algoritmi, e non alla costruzione e al debugging di programmi di dimensioni enormi.”
Dal prototipo alla produzione
Per le startup, sviluppare un prototipo funzionale serve a dimostrare il valore del prodotto a investitori, fornitori e clienti. Tuttavia, affinché una startup possa davvero raggiungere il successo commerciale su larga scala, il prodotto deve passare dallo stato proof-of-concept (spesso limitato in termini di funzionalità, qualità e prestazioni) allo stato pronto per la produzione. La progettazione Model-Based aiuta le startup a passare rapidamente dal prototipo alla produzione.
Un solo modello, da distribuire ovunque
Quando si passa dal prototipo alla produzione, spesso è necessario cambiare l’hardware per aumentare le prestazioni, sfruttando hardware più potenti, oppure per ridurre i costi nella produzione di massa utilizzando hardware più economici e comunemente disponibili. La modifica dei requisiti hardware è una sfida per le startup: integrare il software con una piattaforma hardware diversa non solo richiede esperienza in-house nel campo hardware, ma anche modifiche al software.
La progettazione Model-Based consente di separare lo sviluppo software dall’hardware in quanto è possibile generare codice portabile dal proprio modello per hardware diversi, come codice C/C++ per i microcontroller, codice Verilog/VHDL per FPGA/ASIC, testo strutturato per PLC o codice CUDA® per le GPU. MathWorks collabora con i principali fornitori di hardware per supportare l’integrazione hardware su queste piattaforme.
Uso di Simulink per la generazione automatica di codice di produzione portabile.
Il supporto alla generazione di codice e all’integrazione hardware consente di modellare il progetto una sola volta, per poi distribuirlo su tutti i target hardware supportati. Ciò significa che non si dovrà diventare esperti hardware e ci si potrà concentrare sulla progettazione, piuttosto che dover studiare le specifiche hardware e ricodificare i propri algoritmi esistenti per adattarli a un prodotto nuovo.
Stem, startup che opera nel campo dei sistemi di accumulo di energia, ha utilizzato la progettazione Model-Based per separare lo sviluppo dei software di controllo dall’hardware dei microcontroller.
“La progettazione Model-Based ci ha permesso di sviluppare il software del controller prima ancora di disporre dell’hardware. Quando sono arrivate le prime schede, tutti gli algoritmi di controllo erano già pronti; cinque giorni dopo stavano erogando potenza con il codice generato con Embedded Coder.”
Dynisma, startup che si occupa di simulatori di moto, ha scalato il suo progetto sulla base di microcontroller e sistemi hardware diversi.
“Nonostante abbiamo tre tipi di prodotti diversi in campo, riusciamo ancora a utilizzare lo stesso software, che distribuiamo su tre controller diversi e tre sistemi diversi.”
Difetti ridotti al minimo e garanzia di qualità
Un obiettivo fondamentale del passaggio dalla fase di prototipazione a quella di produzione è ridurre i difetti e garantire la qualità del prodotto. Le startup però si trovano spesso di fronte al rischio di individuare gli errori nelle fasi avanzate del processo di sviluppo. Questi errori richiedono una notevole rilavorazione e sono spesso onerosi da risolvere, in termini di tempi e costi.
La progettazione Model-Based permette di verificare e convalidare il progetto in modo continuativo mettendo a disposizione strumenti per svolgere analisi, controlli e test in ogni fase principale del processo di sviluppo, dai requisiti e la verifica iniziale del progetto fino ai test di integrazione del sistema.
Con la simulazione, le operazioni di verifica vengono anticipate con un trasferimento di tempo e risorse dai test fisici a quelli virtuali. Questo “spostamento a sinistra” contribuisce al taglio dei costi dei test associati alle attrezzature e ai prototipi fisici e può eliminare intere categorie di errori prima che il prodotto venga testato in condizioni reali. I test virtuali aiutano anche a rispondere alle domande “what if” e simulano scenari di test o casi limite difficili, se non impossibili, da replicare in un ambiente operativo reale.
Supporto per l’intero workflow di verifica e convalida
| Tracciabilità dei requisiti | Prevenire comportamenti di progettazione indesiderati |
| Modellazione dei requisiti | Formalizzare e convalidare i requisiti |
| Conformità agli standard | Garantire la corrispondenza tra progetto e linee guida standard |
| Verifica formale | Dimostrare che il progetto è solido e rispondente ai requisiti |
| Test di componenti e sistemi | Confermare che il progetto soddisfa i requisiti per mezzo di test basati sulla simulazione |
| Test back-to-back | Eseguire verifiche di equivalenza e test per SIL e PIL |
| Analisi della copertura | Accertarsi che il progetto sia stato completamente testato in MIL, SIL, PIL |
| Generazione automatica di test | Generare test per l’analisi della copertura, i test back-to-back, eccetera |
| Analisi statica del codice | Accertarsi che il codice soddisfi gli standard e non contenga errori di runtime |
| Test Hardware-In-the-Loop | Testare i controlli emulando sistemi fisici con computer target in tempo reale |
BPG Motors, startup che realizza motociclette elettriche, ha utilizzato i test basati sulla simulazione per identificare le problematiche dei prodotti e trasferire il prodotto dalla fase di prototipazione a quella di pre-produzione.
“Con il passaggio di Uno da prototipo alla fase di pre-produzione, stiamo ampliando l’uso di Simulink per modellare e simulare aspetti di Uno che sarebbe troppo pericoloso e oneroso, in termini di tempi e costi, sperimentare su un hardware effettivo.
“Anche le simulazioni di Simulink ci hanno aiutato a individuare un problema nel nostro convertitore da analogico a digitale (ADC). Usando alcuni blocchi ADC di base in Simulink, abbiamo costruito e simulato un modello semplice che ci è stato utile per identificare le zone d’ombra nel nostro algoritmo di controllo che stavano incidendo sulle prestazioni.”
Airnamics, startup che si occupa di sistemi aerei a pilotaggio remoto, ha eliminato gran parte dei bug del software testando il sistema in modo virtuale prima del primo volo.
“Nei sistemi di controllo di volo aspetti quali le prestazioni, l’affidabilità e la sicurezza sono di primaria importanza. Non si possono prendere scorciatoie. Chi lo fa, va incontro a conseguenze decisamente negative.
“La progettazione Model-Based ci ha permesso di testare virtualmente ogni parte del sistema a terra. I bug, per cui un tempo avevamo bisogno di settimane anche solo per individuarli e test di volo ripetuti, sono stati risolti nel giro di qualche ora grazie alla simulazione. Abbiamo scoperto più del 95% dei bug del software di controllo prima del primo volo. Ne è risultato un prodotto più sicuro, più affidabile e di maggiore qualità.”
Conseguimento delle certificazioni
Per le startup che sviluppano applicazioni fondamentali per la sicurezza in settori quali quello aerospaziale, automotive, dei dispositivi medici e delle energie rinnovabili, il software nel sistema non solo deve superare test rigorosi, ma deve anche aderire a standard di sicurezza funzionale stabiliti da organizzazioni internazionali per la normazione o da gruppi di lavoro di settore. Per le startup è essenziale, ma può essere complicato, trovare gli strumenti giusti da usare e i processi corretti a cui attenersi per i workflow di certificazione.
La progettazione Model-Based mette a disposizione gli strumenti necessari per verificare se il proprio modello e il codice risultante sono conformi allo standard industriale.
In più, l’IEC Certification Kit fornisce artefatti, certificati e suite di test per la qualificazione di strumenti e genera matrici di tracciabilità. Questo kit aiuta a qualificare gli strumenti di generazione e verifica del codice, come Embedded Coder®, HDL Coder™ e le famiglie di prodotti Polyspace®, oltre a semplificare la certificazione dei sistemi embedded rispetto alle norme ISO® 26262, IEC 61508, EN 50128, ISO 25119 e agli standard correlati come IEC 62304 e EN 50657. Il kit include certificati e rapporti di valutazione dell’autorità di certificazione TÜV SÜD per i prodotti e gli standard supportati.
Anche Stem, la startup che opera nel campo dei sistemi di accumulo di energia menzionata in precedenza, ha utilizzato le simulazioni dei propri sistemi per superare i test di prodotto e ottenere la certificazione IEEE® 1547 in tempi più rapidi.
“Siamo anche riusciti a ottenere la certificazione in tempi più rapidi del 25% rispetto al solito grazie alla progettazione Model-Based. PowerStore interagisce con la rete, per cui deve essere certificato rispetto a IEEE 1547 per l’interconnessione tra le risorse distribuite e i sistemi di energia elettrica, oltre ad altri standard. Abbiamo simulato i test di certificazione che il nostro progetto inizialmente non aveva superato, apportato le dovute modifiche al modello di controller, generato nuovamente il codice e superato i test il giorno successivo.”
Progetti riutilizzabili per i prodotti di prossima generazione
Una volta riscosso il successo iniziale con il primo lancio prodotto, la progettazione Model-Based aiuta ad accelerare i tempi di sviluppo dei prodotti di prossima generazione consentendo di riutilizzare i modelli di progettazione delle iterazioni precedenti nel progetto nuovo. È inoltre possibile creare e gestire in tutta semplicità delle varianti progettuali mentre si scala il prodotto per raggiungere clienti con esigenze diverse.
VONSCH, azienda che realizza apparecchiature di elettronica di potenza, ha riutilizzato i modelli di progettazione per lanciare in tempi rapidi nuovi prodotti con un piccolo team di ingegneri.
“Per il prodotto FOTO CHARGER abbiamo riutilizzato i nostri algoritmi MPPT e numerosi modelli Simulink di FOTO CONTROL. MATLAB e Simulink ci hanno permesso di ridurre a un terzo i tempi di ricerca e sviluppo lasciandoci inoltre la libertà di passare a un’altra piattaforma hardware nel caso avessimo voluto farlo.”
Adozione graduale
Nonostante i potenziali vantaggi derivanti dall’uso della progettazione Model-Based, le startup spesso riflettono sul rischio di adottare un nuovo processo di sviluppo. Ciò è particolarmente vero per le startup più piccole che non dispongono di uno staff dedicato a gestire un processo nuovo e a imparare strumenti nuovi.
Le startup di successo hanno mitigato questo rischio introducendo la progettazione Model-Based in modo incrementale. In genere partono da un unico progetto, identificando i primi risultati ottenibili tramite la progettazione Model-Based rispetto alle pratiche usate al momento. Per introdurre la progettazione Model-Based in modo efficace occorre procedere in modo graduale, a fasi incrementali che possano aiutare il progetto senza rallentarlo:
- Sperimentare su una piccola parte del progetto.
- Utilizzare i risultati positivi ottenuti con le prime modellazioni come punto di partenza.
- Utilizzare modelli per risolvere problemi di progettazione specifici.
- Non dimenticare i principi basilari.
- Sfruttare le conoscenze di altri esperti MathWorks.
Per conoscere le esperienze dei team più piccoli e capire gli approcci adottati, è possibile consultare il white paper How Engineering Teams Adopt Model-Based Design.
Un team di tre ingegneri di Océ ha adottato la progettazione Model-Based in circa una/due settimane con l’aiuto dei corsi di formazione MathWorks.
“Non avevamo alcuna esperienza pregressa con Simulink Coder e Stateflow®. Tuttavia, nel giro di una o due settimane, durante le quali abbiamo seguito i corsi di formazione MathWorks, siamo riusciti a descrivere scenari molto complessi senza alcuna difficoltà.”
Misurazione del ritorno sull’investimento (ROI)
L’adozione della progettazione Model-Based può portare a notevoli risparmi durante la fase di ingegneria del sistema, la fase di sviluppo e quella di test. Le organizzazioni che implementano la progettazione Model-Based registrano risparmi che vanno dal 20% al 60% rispetto all’uso dei metodi tradizionali.
Per capire in che modo quantificare i risparmi previsti grazie alla progettazione Model-Based rispetto a un approccio di sviluppo tradizionale, è possibile consultare il white paper Measuring the Return on Investment of Model-Based Design.
Vanderhall Motor Works, startup che si occupa di veicoli elettrici, ha adottato la progettazione Model-Based e realizzato un veicolo UTV completamente elettrico con un team di ingegneri limitato in meno di un anno.
“Di norma per scrivere il software per un sistema di controllo di un veicolo servirebbero anni e numerosi creatori di codice. Quello dei veicoli elettrici è un mercato in continua evoluzione; se avessimo scelto un percorso di sviluppo convenzionale, staremmo ancora in alto mare e la concorrenza ci avrebbe battuto sul tempo.”
Il programma per startup di MathWorks
Il programma per startup di MathWorks offre alle startup idonee tariffe più basse pensate proprio per loro, l’assistenza di tecnici delle applicazioni e assistenza tecnica, opzioni formative in varie lingue, uno sconto del 50% sui crediti formativi e opportunità di co-marketing per mostrare la propria tecnologia o i propri prodotti. L’ampio supporto e le risorse messe a disposizione da MathWorks sono particolarmente utili per le startup che potrebbero non avere lo stesso livello di esperienza in-house o di risorse delle organizzazioni più grandi.
RangeAero, startup che si occupa di elicotteri cargo autonomi, ha collaborato con il team di ingegneria delle applicazioni MathWorks per adottare strumenti per la progettazione Model-Based e risolvere problemi complessi.
“Il team tecnico di RangeAero ha lavorato insieme al team di ingegneria delle applicazioni di MathWorks per imparare a usare gli strumenti e implementarli nelle nostre applicazioni complesse. Il team di MathWorks è sempre stato a completa disposizione. Bastava una telefonata per ricevere l’aiuto di cui avevamo bisogno in relazione ai toolbox che ci sarebbero serviti per configurare i workflow.”
Monarch Tractor, startup che si occupa di trattori autonomi, ha adottato la progettazione Model-Based e realizzato il suo veicolo di lancio con l’aiuto del programma per startup di MathWorks.
[Il] programma per startup di MathWorks ha aiutato Monarch Tractor a trasformare i suoi primi veicoli in realtà, a partire dai test dell’architettura con i veicoli di lancio, per passare rapidamente alla consegna dei primi trattori agli agricoltori.”
Programma MathWorks Accelerator
Il programma MathWorks Accelerator aiuta le startup che fanno parte di acceleratori partner a fare progressi. Le startup vengono trattate come veri e propri clienti commerciali, a cui vengono offerte assistenza tecnica e linee guida da parte di esperti di settore, oltre alla possibilità di accedere gratuitamente a software comprovati dal settore.
Forge, un acceleratore in India, ha collaborato con il programma MathWorks Accelerator consentendo alle sue startup di adottare la progettazione Model-Based e strumenti di calcolo tecnico in fase di sviluppo.
“Saper sfruttare il giusto supporto tecnologico è essenziale per realizzare il prodotto corretto e realizzare correttamente il prodotto. Noi di Forge, lo facciamo collaborando con i principali protagonisti della scena tecnologica. La collaborazione con MathWorks ha permesso alle nostre startup di fare uso di strumenti standard del settore come MATLAB e Simulink.”
Presente in:
Xfinito Biodesigns, startup che ha ricevuto supporto per la fase di incubazione dalla Dayananda Sagar Entrepreneurship Research & Business Incubation Foundation (fondazione DERBI), ha utilizzato MathWorks per realizzare un innovativo dispositivo medico per trattare la neuropatia diabetica.
“Grazie al programma di affiancamento tecnico e alla nostra esperienza con MATLAB e Simulink, abbiamo potuto accelerare il nostro processo di sviluppo intelligente.”
Che si tratti di realizzare impianti a energie rinnovabili per contrastare i problemi climatici, di definire il futuro della mobilità su terra, nell’aria o nei mari o di migliorare la qualità della vita grazie a nuovi dispositivi medici, le startup che operano in diversi settori hanno ottenuto risultati tangibili e immediati con costanza grazie alla progettazione Model-Based.
Adottando un approccio incrementale e grazie al supporto fornito da MathWorks, le startup riescono a utilizzare la progettazione Model-Based con successo e a sviluppare prodotti innovativi in modo rapido, efficiente ed economicamente conveniente, passando dall’idea alla produzione.
