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Dyson accelera lo sviluppo di nuovi prodotti con la simulazione a livello di sistema
Progettazione Model-Based utilizzata per sviluppare un prodotto di prima generazione
Dalle ricerche di Dyson è emerso che, per ottenere risultati ottimali nella pulizia a umido, era necessario adottare un approccio completamente nuovo. Questo ha portato alla creazione del Dyson WashG1, una reinterpretazione innovativa di uno strumento domestico tradizionale le cui origini risalgono a secoli fa: il mocio.
Per questa ultima impresa, gli ingegneri Dyson hanno preso in prestito metodi di ingegneria per sistemi complessi in altri settori, come quello aerospaziale, per progettare un prodotto di uso quotidiano. Il workflow basato su documenti adottato da Dyson, efficace per lo sviluppo di nuove versioni di prodotti già esistenti, non si è rivelato adatto alla creazione di una nuova linea di prodotti. Romain Guicherd, ingegnere capo dei sistemi di controllo avanzati presso Dyson, ha invece convinto il suo team a sperimentare la progettazione Model-Based. La progettazione Model-Based utilizza modelli di simulazione a livello di sistema per migliorare il modo in cui vengono sviluppati i sistemi ingegnerizzati.
“Ci ha permesso di accelerare il flusso di sviluppo e di fornire un codice più solido per la fase di test”, afferma Guicherd.
Prodotto di prima generazione
Quando Dyson progetta una nuova versione di un prodotto esistente, come ad esempio un aspirapolvere, utilizza un approccio scritto e basato su documenti per trasferire i requisiti da un team all’altro durante il processo di sviluppo. Questo approccio funziona bene per i prodotti consolidati, poiché gli ingegneri possono fare riferimento ai progetti precedenti e apportare modifiche iterative al software embedded. Tuttavia, questo processo di passaggio di documenti potrebbe complicare lo sviluppo di una linea di prodotti completamente nuova.
Il Dyson WashG1. (Crediti dell’immagine: Dyson)
“Con una specifica di progetto scritta, altri ingegneri potrebbero interpretare i requisiti in modo diverso”, afferma Guicherd. “Sviluppare una nuova linea di prodotti è stata un’opportunità per noi di esplorare un nuovo modo di lavorare che riducesse le possibilità di incomprensioni tra i team e garantisse un processo collaborativo più fluido.”
Da un percorso difficile a un processo senza intoppi
Dyson ha visto la progettazione Model-Based come il processo che avrebbe permesso loro di esplorare capacità innovative.
“Avevamo bisogno di esplorare molti concetti e direzioni diverse”, afferma Guicherd. “L’uso della progettazione Model-Based e dei modelli Simulink ci ha dato la possibilità di essere agili e di realizzare nuove idee con il doppio della rapidità rispetto al nostro processo di sviluppo basato su documenti”.
“L’utilizzo della progettazione Model-Based e dei modelli Simulink ci ha permesso di essere agili e di realizzare nuove idee il doppio più velocemente rispetto al nostro processo di sviluppo basato su documenti.”
Il concetto vincente per la pulizia del WashG1 incorpora una testina di pulizia con rulli contro-rotanti rivestiti da un panno in microfibra denso. Per separare i detriti umidi da quelli secchi, WashG1 utilizza un gruppo di rulli secondari che raccolgono tutti i detriti solidi in un vassoio. Un filtro a rete riveste il fondo del vassoio, permettendo al liquido di passare nel serbatoio dell’acqua sporca. Per far sì che tutto questo funzionasse e gestire tutte le situazioni potenziali, il team di Guicherd aveva bisogno di strumenti in grado di facilitare la simulazione degli elementi interagenti del sistema e di supportare tutte le fasi, dalla progettazione alla generazione del codice e ai test del software.
Per sviluppare i controlli dei rulli pulenti, il team ha modellato i motori dei rulli in schiuma e i relativi azionamenti utilizzando Simscape Electrical™. Hanno usato Stateflow® per progettare la gestione temporale e i controlli delle due pompe dell’aspirapolvere: una per idratare i rulli con acqua pulita e l’altra per estrarre l’acqua sporca. Stateflow è stato utilizzato anche per implementare il meccanismo di autopulizia del prodotto.
Componenti della tecnologia dei rulli Dyson. (Crediti dell’immagine: Dyson)
Componenti della tecnologia dei rulli Dyson. (Crediti dell’immagine: Dyson)
Componenti della tecnologia dei rulli Dyson. (Crediti dell’immagine: Dyson)
Componenti della tecnologia dei rulli Dyson. (Crediti dell’immagine: Dyson)
Le prestazioni di pulizia del WashG1 richiedevano più livelli di idratazione selezionabili, ciascuno con livelli di sensibilità finemente regolabili. Queste diverse impostazioni e le variazioni nei carichi di pulizia richiedevano tutte un controllo preciso della tensione.
“Abbiamo utilizzato i nostri modelli Simulink per regolare i parametri e testare diversi valori, in modo da perfezionare e sviluppare più rapidamente il controllo della tensione del motore”, afferma Guicherd. “Le simulazioni ci hanno aiutato a comprendere gli effetti delle modifiche progettuali senza dover costruire un prototipo fisico.”
Tecnologia dei rulli Dyson modellata in Simscape. (Crediti dell’immagine: Dyson)
Il team ha utilizzato Requirements Toolbox™ per collegare i propri requisiti al modello Simulink®, il che aiuta a mostrare come un requisito influenzi le caratteristiche del prodotto. “Prima di utilizzare Requirements Toolbox, non sapevamo se un requisito fosse errato fino a quando non arrivavamo alla fase di test sull’hardware”, afferma Guicherd. “Collegando i requisiti al modello, comprendiamo come viene implementato ciascun requisito e le relazioni tra di essi.”
Vantaggi della simulazione di sistema per la progettazione
La progettazione Model-Based con Simulink e Simscape™ ha facilitato un approccio più sistematico e ha consentito a Dyson di condurre vari tipi di test in-the-loop prima di costruire e testare il prototipo. Grazie alla progettazione Model-Based, gli ingegneri possono eseguire modellazioni multidominio e collaborare con altri team. Ad esempio, il team di Guicherd ha creato un modello accurato di un pacco batteria a quattro celle utilizzando i dati delle celle e del team di gestione della batteria. Collaborando con il team di elettronica, il gruppo di Guicherd ha utilizzato Simscape Electrical per modellare e simulare il comportamento dell’hardware di elettronica di potenza.
“L’utilizzo della simulazione a livello di sistema con Simulink ci ha dato la possibilità di considerare più opzioni di progettazione e confrontare i compromessi, permettendoci così di dedicare più tempo alla fase di progettazione del progetto. Il vantaggio è che abbiamo individuato errori di progettazione e problemi di integrazione quando era più facile ed economico correggerli.”
“L’utilizzo della simulazione a livello di sistema con Simulink ci ha dato la possibilità di considerare più opzioni di progettazione e confrontare i compromessi, permettendoci così di dedicare più tempo alla fase di progettazione del progetto”, afferma Guicherd. “Il vantaggio è che abbiamo individuato errori di progettazione e problemi di integrazione quando era più facile ed economico correggerli.”
Dall'architettura software al codice incorporato
In un progetto successivo, il team ha aggiunto System Composer™ per sviluppare l'architettura software. Guicherd afferma: “Con System Composer, i team di prodotto e software hanno lavorato insieme per sviluppare le interfacce software, la gestione temporale e per modellare diversi scenari”. System Composer ha permesso al team di organizzare modelli di grandi dimensioni in raggruppamenti logici, favorendo la collaborazione tra i membri e evitando conflitti di unione (merge).
Utilizzando la prototipazione a controllo rapido, abbiamo potuto generare rapidamente il codice e, il giorno successivo, mostrare loro il comportamento del prodotto in laboratorio”.
Il modello Simulink ha fornito una descrizione visiva del comportamento del prodotto, migliorando anche la collaborazione tra i membri del team durante l'intero processo di sviluppo. Da questi modelli di sistemi di controllo è stato generato il codice C. “Modificavamo il modello, disabilitavamo alcune parti, aggiungevamo nuovi blocchi e mostravamo agli ingegneri del software i nuovi comportamenti del pulitore. “Utilizzando la prototipazione a controllo rapido, abbiamo potuto generare rapidamente il codice e, il giorno successivo, mostrare loro il comportamento del prodotto in laboratorio”, afferma Guicherd.
Invece di codificare manualmente, il team ha utilizzato Embedded Coder® per generare codice C dai loro modelli Simulink. Il team del software lo ha poi incorporato nel codice di base principale del microcontrollore NXP™ della macchina. “Con Embedded Coder, riuscivamo ad avere un release software ogni nove giorni”, afferma Guicherd. “Prima, quando codificavamo manualmente, lo avevamo circa una volta ogni 10 settimane”.
“Inizialmente, ci siamo concentrati di più sul farlo funzionare in laboratorio, quindi il modello e il codice generato erano gli elementi chiave. Ben presto abbiamo capito che il modello, unito al codice, ai test e alla copertura, migliorava notevolmente il nostro prodotto”, spiega Guicherd.
Test di eccellenza
Il team ha dedicato più tempo a perfezionare il design rispetto a quanto fatto solitamente con i prodotti precedenti. Grazie a Simulink, hanno potuto correggere rapidamente gli errori emersi durante le simulazioni, il che ha dato i suoi frutti durante i test. Questa fase è stata molto più semplice e veloce rispetto al passato, permettendo al team di risparmiare tempo e fatica nello sviluppo.
“Con Embedded Coder potremmo avere un release software ogni nove giorni. Prima, quando codificavamo manualmente, lo avevamo circa una volta ogni 10 settimane”.
"Quando realizzi un progetto nel modello e funziona, lo incorpori in un prodotto, che poi funziona allo stesso modo del modello. In questo senso, il test è stato piuttosto semplice”, afferma Guicherd. “Ha permesso una consegna senza difetti.” |
Il successo della progettazione Model-Based e della generazione del codice per il WashG1 ha dissipato lo scetticismo iniziale del team software. Inizialmente diffidenti sulla capacità del codice generato di rispettare gli standard interni e mantenere l’efficienza di esecuzione, hanno poi acquisito fiducia nel codice. Il team software ora collabora con il team hardware per definire l'API per il codice generato. L'utilizzo di Simulink per la progettazione Model-Based ha offerto loro flessibilità e maggiore velocità.
“Adesso sono i primi a chiederci di rifarlo e a domandare se possiamo usare questo processo per un altro prodotto”, afferma Guicherd. “Con l'aumentare della complessità del progetto, si accorgono dei vantaggi della progettazione Model-Based”.
Test del mocio Dyson WashG1. Crediti del video: Dyson)
Per le prossime versioni del WashG1, il team Dyson potrà riutilizzare parti del modello già sviluppato. Inoltre, il loro approccio basato sulla progettazione Model-Based sta iniziando a essere adottato anche in altri reparti: ad esempio, Guicherd racconta che i team stanno pensando di applicarlo ai prodotti per la cura dei capelli e ad altri dispositivi per la pulizia dei pavimenti, aprendo così la strada a nuove innovazioni in tutta la gamma Dyson.
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