Hoy en día, las startups enfrentan muchos desafíos para convertir sus ideas en realidad:
- Velocidad, para acelerar los ciclos de desarrollo
- Ahorros, para reducir costes y aumentar la productividad
- Escalabilidad, para llevar un producto del concepto al mercado
La solución radica en aplicar el diseño basado en modelos, un enfoque de ingeniería que prepara a las startups para el éxito y las ayuda a llevar sus productos de la idea al prototipo, y del prototipo a la producción.
“No podríamos haber desarrollado el Tesla® Roadster 2008 sin MathWorks. Habría requerido recursos que nuestra nueva startup de automoción simplemente no tenía. Seguiremos confiando en MATLAB® y Simulink® en la producción de nuestros vehículos Tesla de próxima generación para ayudarnos a tomar decisiones de diseño bien fundadas”.
El diseño basado en modelos se centra en el uso sistemático de modelos a lo largo de todo el proceso de desarrollo.
El modelo actúa como:
- Una representación visual del diseño, basada en diagramas de bloques y otros elementos gráficos o textuales. Los modelos amplían la comprensión del diseño, ya sea un flujo de datos o una arquitectura de sistema.
- Una especificación ejecutable del diseño. Los modelos permiten simular el comportamiento del sistema en varios dominios.
Los modelos permiten evaluar tradeoffs de diseño, realizar verificación y validación continuas, y generar código automáticamente para implementación en hardware.
Un producto comienza con una idea que luego se perfecciona y transforma en un concepto de diseño, basado en una serie de requisitos, que evoluciona rápidamente hasta convertirse en especificaciones técnicas detalladas. En el caso de startups, crear un prototipo que cumpla con estas especificaciones es fundamental. Un prototipo demuestra el valor del producto desde un principio, refuerza la confianza entre los equipos de trabajo internos, y ayuda a garantizar la financiación por parte de inversores externos que buscan una garantía de éxito para tomar decisiones. El diseño basado en modelos ayuda a las startups a pasar rápidamente de la idea al prototipo.
De la idea al prototipo
Iníciese rápidamente
Cuando surge una idea, es posible sentirse perplejo y no saber cómo proceder. Sin embargo, con el diseño basado en modelos no tendrá que empezar de cero. Simulink y sus productos complementarios ofrecen ejemplos de referencia y bloques prediseñados que ayudan a iniciar sus proyectos rápidamente.
Ofrecemos ejemplos de referencia útiles para emplearlos como puntos de partida de un nuevo diseño. Estos ejemplos son modelos de sistemas completos creados para aplicaciones específicas, tales como bombas de insulina, plantas de energía eólica, drones de entrega de paquetes, y otras aplicaciones que abarcan casi todos los sectores.
A medida que vaya modificando el diseño para incluir algoritmos detallados y desarrollar todas las prestaciones, podrá agregar directamente bloques prediseñados. Estos compendios de módulos algorítmicos, ya sean de procesamiento de señales o técnicas de control, se han probado rigurosamente y documentado ampliamente. Puede agregar, combinar o modificar estos algoritmos para adaptarlos a sus necesidades de diseño.
También puede aplicar bloques listos para usar y totalmente parametrizables para modelar componentes del sistema, tales como un electrolizador que alimenta un sistema de producción de hidrógeno ecológico, o un rotor que alimenta una aeronave de despegue y aterrizaje verticales.
Voyage Auto, una startup de conducción autónoma, utilizó ejemplos de referencia para poner en marcha su proceso de desarrollo.
“Decidimos comenzar con el ejemplo del sistema de control de crucero adaptativo (CCA) de MATLAB. Este ejemplo incluye un modelo de Simulink que utiliza MPC para implementar un sistema de CCA que permite mantener una velocidad o una distancia fijas con respecto a un vehículo de referencia. En tres días estábamos ejecutando el código generado para el CCA de nuestro vehículo”.
Reduzca los costes y plazo de desarrollo de prototipos
El proceso de diseño comienza con muchas ideas en mente, un vasto espacio de diseño por delante y una gran incertidumbre a medida que se exploran las posibles opciones. Además, las startups también se enfrentan a limitaciones de tiempo, presupuesto, contratación y recursos. Al principio, no es realista probar todas las opciones de diseño con prototipos físicos.
Con el diseño basado en modelos, puede crear y simular modelos como prototipos virtuales. Puede crear estudios de diseño masivos, evaluar opciones y optimizar el rendimiento de un diseño en un entorno digital, lo que reduce radicalmente la necesidad de crear prototipos físicos al tiempo que mitiga los riesgos de sobrecostes presupuestarios.
Ather Energy, una startup de scooters eléctricos, utilizó modelado y simulación para acelerar el desarrollo.
“Teníamos muchas ideas prometedoras, pero al ser una startup pequeña, no disponíamos de tiempo, dinero ni personal para crear y probar todos los prototipos. Con el diseño basado en modelos, identificamos y validamos las mejores ideas a través de simulación, y nos permitió ofrecer un scooter con más funcionalidades en menos tiempo. En lugar de tardar dos meses en crear y probar un prototipo físico, con modelos de Simscape, terminamos en dos semanas”.
Carnegie Clean Energy, una startup de tecnología de energía undimotriz, recurrió al prototipado virtual y simulación para solucionar problemas de diseño y construir la primera planta de energía undimotriz en funcionamiento del mundo.
“Al ser una startup, no podemos permitirnos un ciclo de desarrollo en el que se crea un sistema, se prueba, se hacen cambios y se vuelve a probar. Incluso crear un modelo a escala de nuestro sistema completo llevaría mucho tiempo y costaría demasiado. Decidimos dedicar nuestro esfuerzo en prototipado virtual y simulación para obtener el diseño correcto en primer lugar. Identificar y solucionar problemas a través de la simulación es más fácil y menos costoso que realizar pruebas en prototipos de hardware”.
Céntrese en el diseño, no en el código
Para convertir el diseño en código que se ejecuta en un prototipo físico, primero debe confirmar el diseño y desarrollar el prototipo virtual. Luego, puede codificar manualmente los algoritmos, pero este método implica muchos pasos y puede introducir errores e incongruencias en el proceso. Los cambios en el diseño deben implementarse manualmente en el código y es difícil establecer trazabilidad entre diseño y código.
El diseño basado en modelos permite generar código automáticamente a partir de los modelos. Podrá pasar del diseño al código que se ejecuta en prototipos funcionales en cuestión de días, en lugar de meses. El código generado es eficiente, de alta calidad, legible y totalmente trazable al diseño, lo que significa que el último código generado siempre refleja el diseño más actualizado. La generación de código es un enfoque sólido para el desarrollo de software en startups, porque permite centrarse en el trabajo de diseño de alto nivel.
Ellio, una startup de bicicletas eléctricas, redujo el plazo de desarrollo de prototipos generando automáticamente código de control para hardware objetivo integrado.
“Una vez que modelamos el controlador en Simulink, creamos un prototipo funcional en un solo día, generando código para Raspberry Pi® con Simulink Coder™. Estimamos que nos habría llevado al menos dos semanas codificar y depurar manualmente el software del prototipo de bicicleta, sobre todo porque nadie en nuestro equipo de trabajo es especialista en codificación”.
Preceyes, una startup de robótica quirúrgica, creó el primer robot de cirugía ocular del mundo implementando su software con generación automática de código.
“Con MATLAB y Simulink, no tuve que programar yo mismo la arquitectura elemental del controlador. Siendo el único ingeniero de software encargado de desarrollar la primera versión, eso fue una gran ventaja; de hecho, dudo que una sola persona hubiera podido lograrlo”.
Bigfoot Biomedical, una startup de tecnología médica, desarrolló un sistema de administración de insulina usando simulación y generación automática de código.
“El diseño basado en modelos nos permite eliminar la complejidad, y dedicar más tiempo a modelar y simular sistemas y algoritmos, que crear y solucionar programas”.
Del prototipo a la producción
En el caso de startups, desarrollar un prototipo funcional es fundamental para demostrar el valor del producto a inversores, proveedores y clientes. Sin embargo, para lograr éxito comercial a gran escala, el producto debe pasar de la prueba de concepto (a menudo con limitaciones de funcionalidad, calidad y rendimiento) a estar listo para producción. El diseño basado en modelos ayuda a pasar rápidamente del prototipo a la producción.
Modele una vez, despliegue en todas partes
Cuando se pasa del prototipo a la producción, a menudo es necesario cambiar el hardware, ya sea para aumentar el rendimiento con hardware más potente o reducir los costes de producción en masa con hardware más rentable y fácilmente disponible. Los cambios en los requisitos de hardware suponen un reto para las startups: integrar software con una plataforma de hardware diferente no solo requiere experiencia en hardware internamente, sino también cambios en el software.
El diseño basado en modelos permite desvincular el hardware del desarrollo de software, dado que se puede generar código portátil a partir del modelo para diferentes plataformas objetivo, tales como código C/C++ para microcontroladores, código Verilog/VHDL para FPGA/ASIC, texto estructurado para PLC o código CUDA® para GPU. MathWorks se asocia con los principales proveedores de hardware para ofrecer soporte para integración de hardware en estas plataformas.
Utilice Simulink para generar automáticamente código de producción portátil.
El soporte para generación de código e integración de hardware permite modelar el diseño una vez y desplegarlo en todas las plataformas de hardware admitidas. Esto significa que no se requiere un especialista en hardware, y así el equipo de trabajo puede centrarse en el diseño, en lugar de aprender sobre hardware y recodificar algoritmos existentes para adaptarlos a un nuevo producto.
Stem, una startup de sistemas de almacenamiento de energía, empleó el diseño basado en modelos para desvincular el desarrollo de software de control del hardware del microcontrolador.
“El diseño basado en modelos nos permitió desarrollar el software del controlador antes de adquirir el hardware. Cuando llegaron las primeras placas, todos los algoritmos de control ya estaban listos; cinco días después estábamos suministrando energía con el código generado por Embedded Coder”.
Dynisma, una startup de simuladores de movimiento, escaló el proceso de diseño para desplegarlo en diferentes microcontroladores y sistemas de hardware.
“A pesar de que tenemos tres tipos de productos diferentes en el mercado, podemos seguir usando el mismo software, que desplegamos en tres controladores y tres sistemas diferentes”.
Reduzca errores y garantice la calidad
Un objetivo clave al pasar del prototipado a la producción es reducir los errores y garantizar la calidad del producto. Sin embargo, las startups suelen identificar errores en fases avanzadas del proceso de desarrollo. Estos errores implican un trabajo considerable de corrección, y requieren mucho tiempo y recursos significativos.
El diseño basado en modelos permite verificar y validar continuamente el diseño, ya que proporciona herramientas de análisis, comprobación y pruebas en todas las fases de desarrollo, desde los requisitos y la verificación temprana del diseño hasta las pruebas de integración del sistema.
Con la simulación, puede agilizar la verificación trasladando el tiempo y los recursos de pruebas físicas a pruebas virtuales. El desarrollo en etapas iniciales ayuda a reducir los costes de las pruebas relacionados con el equipo y los prototipos físicos, y puede eliminar por completo categorías de errores antes de probar el producto en condiciones del mundo real. Las pruebas virtuales también ayudan a responder preguntas hipotéticas y simular escenarios de prueba o casos límite que son difíciles y, a veces, imposibles de replicar en un entorno operativo real.
Soporte del flujo de trabajo de verificación y validación
| Trazabilidad de requisitos | Evita comportamiento no deseado del diseño |
| Modelado de requisitos | Formaliza y valida requisitos |
| Conformidad con estándares | Garantiza que el diseño cumple con estándares |
| Verificación formal | Demuestra que el diseño es sólido y cumple con los requisitos |
| Pruebas de componentes y sistemas | Confirma mediante pruebas basadas en simulación que el diseño cumple con los requisitos |
| Pruebas consecutivas | Realiza comprobaciones y pruebas de equivalencia para SIL y PIL |
| Análisis de cobertura | Verifica que el diseño se ha probado completamente en MIL, SIL y PIL |
| Generación automática de pruebas | Genera pruebas para análisis de cobertura, pruebas consecutivas, y otras |
| Análisis estático de código | Comprueba que el código cumple con estándares y no presenta errores en tiempo de ejecución |
| Pruebas de hardware-in-the-loop | Prueba sistemas de control emulando sistemas físicos con plataformas objetivo en tiempo real |
BPG Motors, una startup de motocicletas eléctricas, utilizó pruebas basadas en simulación para identificar problemas en el producto y llevar el producto del prototipo a la preproducción.
“A medida que la Uno pasaba del prototipo a la preproducción, ampliamos el uso de Simulink para modelar y simular aspectos que serían demasiado costosos, peligrosos o lentos de experimentar en hardware real.
Las simulaciones de Simulink también nos ayudaron a identificar una deficiencia en nuestro convertidor analógico-digital (ADC). Utilizando algunos bloques básicos de ADC en Simulink, creamos y simulamos un modelo simple que nos ayudó a identificar zonas problemáticas en nuestro algoritmo de control que estaban afectando al rendimiento”.
Airnamics, una startup de sistemas aéreos no tripulados, eliminó la mayoría de los bugs de software probando el sistema virtualmente antes del primer vuelo.
“En el rendimiento del sistema de control de vuelo, la fiabilidad y seguridad son las prioridades fundamentales. No se pueden escatimar esfuerzos; de lo contrario, los dispositivos podrían estrellarse.
El diseño basado en modelos nos permite probar virtualmente todas las partes del sistema en el terreno. Los errores que antes tardaban semanas en identificarse y requerían múltiples pruebas de vuelo para solucionarlos, se corrigieron en pocas horas mediante simulación. Detectamos más del 95% de los bugs de software de control antes del primer vuelo. Así logramos un producto más seguro, fiable y de mayor calidad”.
Obtenga certificación
En el caso de las startups que desarrollan aplicaciones para seguridad en los sectores aeroespacial, automoción, dispositivos médicos y energías renovables, el software del sistema no solo debe superar rigurosas pruebas, sino que también debe cumplir con estándares de seguridad funcional establecidos por organizaciones internacionales de normalización o grupos de trabajo del sector correspondiente. Es un desafío para las startups identificar las herramientas adecuadas y los procesos correctos para los flujos de trabajo de certificación.
El diseño basado en modelos proporciona herramientas para verificar si un modelo y el código correspondiente cumplen con los estándares de la industria.
Además, IEC Certification Kit proporciona artefactos de calificación de herramientas, certificados y conjuntos de pruebas, y genera matrices de trazabilidad. Este kit ayuda a calificar herramientas de generación y verificación de código, tales como Embedded Coder®, HDL Coder™ y las líneas de productos Polyspace®, además de simplificar la certificación de sistemas integrados conforme a ISO® 26262, IEC 61508, EN 50128, ISO 25119 y otros estándares relacionados, tales como IEC 62304 y EN 50657. El kit incluye certificados e informes de evaluación del organismo de certificación TÜV SÜD para productos y estándares admitidos.
Stem, la startup de sistemas de almacenamiento de energía mencionada anteriormente, también utilizó simulaciones de sistemas de energía para pasar las pruebas de producto y lograr la certificación IEEE® 1547 más rápidamente.
“También logramos la certificación un 25% más rápido de lo habitual con el diseño basado en modelos. Dado que PowerStore interactúa con la red, debe estar certificado conforme a IEEE 1547, entre otros estándares, para interconectar recursos distribuidos con sistemas de energía eléctrica. Simulamos pruebas de certificación que nuestro diseño no superó inicialmente, realizamos cambios en el modelo del controlador, volvimos a generar el código, y al día siguiente, pasamos las pruebas”.
Reutilice el diseño en productos de próxima generación
Cuando llegue el momento de aprovechar el éxito del primer producto, el diseño basado en modelos ayudará a acelerar el desarrollo de productos de próxima generación, ya que permite la reutilización de modelos de diseño de iteraciones anteriores en el diseño nuevo. También puede crear y gestionar variantes de diseño fácilmente cuando desee adaptar el producto para otros clientes con diferentes necesidades.
VONSCH, una empresa de equipos de electrónica de potencia, reutilizó modelos de diseño para lanzar rápidamente nuevos productos con un pequeño equipo de ingeniería.
“Para FOTO CHARGER, reutilizamos nuestros algoritmos MPPT y numerosos modelos de Simulink de FOTO CONTROL. Con MATLAB y Simulink, logramos investigar y desarrollar tres veces más rápido de lo normal, con la opción de cambiar de plataforma de hardware si así lo deseáramos”.
Adopción por etapas
A pesar de las ventajas potenciales que ofrece el diseño basado en modelos, las startups suelen plantearse los riesgos de adoptar un nuevo proceso de desarrollo. Y en particular las startups más pequeñas, que no cuentan con personal dedicado para probar un nuevo proceso y aprender nuevas herramientas.
Las startups que han tenido éxito han mitigado este riesgo introduciendo el diseño basado en modelos gradualmente. Por lo general, comienzan con un solo proyecto e identifican las ganancias rápidas que se pueden lograr con el diseño basado en modelos en comparación con sus prácticas actuales. Para que la introducción del diseño basado en modelos sea exitosa, se deben dar pasos graduales que ayuden al avance del proyecto, sin ralentizarlo. Por ejemplo:
- Experimentar con una pequeña parte del proyecto.
- Aprovechar modelos anteriores exitosos.
- Utilizar modelos para resolver problemas de diseño específicos.
- Ceñirse a lo elemental.
- Aprovechar la experiencia del personal experto de MathWorks.
Para comprender el enfoques de adopción y las experiencias de equipos de trabajo pequeños, consulte el white paper Cómo los equipos de ingeniería adoptan el diseño basado en modelos.
Un equipo de ingeniería de Océ, formado por tres personas, tardó entre una y dos semanas en adoptar el diseño basado en modelos con la ayuda de los servicios de formación de MathWorks.
“No teníamos experiencia con Simulink Coder y Stateflow®. Sin embargo, unas semanas después de completar los cursos de formación de MathWorks, pudimos describir escenarios muy complejos sin dificultad”.
Mida la rentabilidad sobre la inversión
La adopción del diseño basado en modelos puede generar un ahorro significativo durante las fases de ingeniería, desarrollo y pruebas del sistema. Las organizaciones que adoptan el diseño basado en modelos obtienen un ahorro de entre el 20% y el 60% respecto de los métodos tradicionales.
Para comprender cómo cuantificar los ahorros esperados del diseño basado en modelos con respecto a un enfoque de desarrollo tradicional, consulte el white paper Cómo medir la rentabilidad sobre la inversión del diseño basado en modelos.
Vanderhall Motor Works, una startup de vehículos eléctricos, adoptó el diseño basado en modelos y desarrolló un vehículo utilitario eléctrico (UTV) con un equipo de ingeniería pequeño en menos de un año.
“Por lo general, desarrollar el software de un sistema de control de vehículos leva años y requiere un equipo de codificadores grande. El mercado de vehículos eléctricos cambia con rapidez; de haber adoptado un enfoque de desarrollo convencional, seguiríamos soñando con un producto y nuestros competidores nos habrían superado”.
Programa MathWorks Startup
El programa MathWorks Startup ofrece a las startups que reúnen los requisitos tarifas reducidas, soporte técnico de ingeniería de aplicaciones, cursos de formación en otros idiomas con un 50% de descuento en créditos de formación, y oportunidades de comarketing para promocionar productos y tecnología. El apoyo y los recursos de MathWorks son especialmente útiles para startups que no cuentan con el mismo nivel de experiencia o recursos internos que otras empresas más grandes.
RangeAero, una startup de helicópteros de carga autónomos, colaboró con el equipo de ingeniería de aplicaciones de MathWorks para adoptar herramientas de diseño basado en modelos y resolver problemas complejos.
“El equipo técnico de RangeAero colaboró con el equipo de ingeniería de aplicaciones de MathWorks para aprender a utilizar las herramientas y aplicarlas en aplicaciones complejas. El equipo de MathWorks estuvo siempre atento a nuestras necesidades brindando ayuda con las toolboxes necesarias para configurar nuestros flujos de trabajo”.
Monarch Tractor, una startup de tractores autónomos, adoptó el diseño basado en modelos y creó su vehículo de lanzamiento con el apoyo del programa MathWorks Startup.
"El programa MathWorks Startup ayudó a Monarch Tractor a poner en marcha sus primeros vehículos, probar la arquitectura con los vehículos de lanzamiento y entregar rápidamente los primeros tractores a agricultores”.
Programa MathWorks Accelerator
El programa MathWorks Accelerator ayuda a las startups a asociarse con aceleradoras para potenciar su desarrollo. Las startups reciben el mismo trato que un cliente comercial, con soporte técnico y orientación de personal experto, además de acceso gratuito a software avalado por la industria.
Forge, una aceleradora de India, se asoció al programa MathWorks Accelerator, lo que permitió a sus startups adoptar el diseño basado en modelos y herramientas de cálculo técnico para desarrollo.
“Aprovechar el soporte tecnológico adecuado es crucial para desarrollar correctamente el producto adecuado. En Forge, ofrecemos esa posibilidad a través de asociaciones con los principales agentes tecnológicos. La asociación con MathWorks ha permitido a nuestras startups sacar partido de herramientas estándar de la industria tales como MATLAB y Simulink”.
Publicado en:
Xfinito Biodesigns, una startup que recibió apoyo de la incubadora Dayananda Sagar Entrepreneurship Research & Business Incubation Foundation (DERBI Foundation), aprovechó el apoyo de MathWorks para desarrollar un dispositivo médico innovador para el tratamiento de la neuropatía diabética.
“Con el programa de mentoría técnica y nuestra experiencia con MATLAB y Simulink, pudimos acelerar el desarrollo inteligente”.
Con el diseño basado en modelos, las startups de diversos sectores han logrado sistemáticamente resultados inmediatos y tangibles: han creado sistemas de energía renovable para abordar el riesgo climático, definido el futuro de la movilidad en tierra, aire y mar, y mejorando la calidad de vida con nuevos dispositivos médicos.
Con un enfoque gradual y el apoyo de MathWorks, las startups pueden adoptar con éxito el diseño basado en modelos y ofrecer innovaciones de forma rápida, rentable y eficiente, escalando de la idea a la producción.
