Dyson impulsa el desarrollo de nuevos productos con simulación en nivel de sistema

Diseño basado en modelos utilizado para desarrollar un producto de primera generación

El departamento de investigación de Dyson descubrió que se necesitaba un nuevo enfoque para lograr la mejor solución de limpieza en húmedo. Esto dio lugar a Dyson WashG1, que reinventa un elemento básico del hogar cuyos orígenes se remontan a siglos atrás: el trapeador.

Para este último logro, los ingenieros de Dyson recurrieron a métodos de ingeniería para sistemas complejos de la industria aeroespacial para diseñar un producto de uso cotidiano. El flujo de trabajo basado en documentos de Dyson, que funcionaba bien para desarrollar nuevas versiones de productos existentes, no era el más adecuado para crear una nueva línea de productos. En cambio, Romain Guicherd, ingeniero jefe de sistemas de control avanzado en Dyson, convenció a su equipo de probar el diseño basado en modelos. El diseño basado en modelos utiliza modelos de simulación en nivel de sistema para optimizar el desarrollo de sistemas de ingeniería.

"Nos permitió acelerar el flujo de trabajo de desarrollo y generar código más sólido para las pruebas", afirma Guicherd.

Producto de primera generación

Al diseñar una nueva versión de un producto existente, como una aspiradora, Dyson utiliza un enfoque basado en documentos para pasar requisitos de un equipo a otro durante el proceso de desarrollo. Este enfoque funciona bien para productos establecidos, ya que los ingenieros pueden consultar y repetir diseños anteriores y software embebido. Sin embargo, este proceso de transferencia de documentos ralentiza el desarrollo de una nueva línea de productos.

Dyson WashG1 elimina derrames húmedos y residuos secos. — Dyson WashG1. (Crédito de la imagen: Dyson)

"Con una especificación de diseño escrita, otros ingenieros pueden interpretar los requisitos de manera diferente", afirma Guicherd. "Desarrollar una nueva línea de productos nos brindó la oportunidad de investigar una nueva forma de trabajar que reduce problemas de comunicación entre equipos y garantiza un proceso de colaboración más fluido".

Un camino difícil hacia un proceso sin problemas

Dyson consideró el diseño basado en modelos como el proceso que permitiría explorar capacidades innovadoras.

"Necesitábamos explorar muchos conceptos y direcciones diferentes", señala Guicherd. "El uso del diseño basado en modelos y modelos de Simulink nos permitió ser ágiles y generar nuevas ideas el doble de rápido comparado con el proceso de desarrollo basado en documentos".

"El uso del diseño basado en modelos y modelos de Simulink nos permitió ser ágiles y generar nuevas ideas el doble de rápido comparado con el proceso de desarrollo basado en documentos".

La propuesta ganadora para WashG1 incorpora un cabezal de limpieza con rodillos contrarrotatorios recubiertos de una densa tela de microfibra. Para separar los residuos húmedos y secos, WashG1 utiliza un conjunto de rodillos secundarios que recogen todos los residuos sólidos en una bandeja. Un filtro de malla recubre el fondo de la bandeja, permitiendo que el líquido pase al tanque de agua sucia. Para lograrlo y enfrentar todas las situaciones potenciales, el equipo de Guicherd necesitaba herramientas que facilitaran la simulación de elementos interactuantes del sistema y respaldaran desde el diseño hasta la generación de código y pruebas de software.

Para desarrollar los controles de los rodillos de limpieza, el equipo modeló los motores de los rodillos de espuma y los accionamientos de los motores utilizando Simscape Electrical™. Utilizaron Stateflow^® para diseñar la programación y los controles de las dos bombas de la limpiadora: una para hidratar los rodillos con agua limpia y otra para extraer el agua sucia. Stateflow también se utilizó para implementar el mecanismo de autolimpieza en el producto.

El rendimiento de limpieza de WashG1 requirió múltiples niveles de hidratación seleccionables, cada uno con niveles de sensibilidad ajustables. Estos diferentes ajustes y variaciones en las cargas de limpieza exigían un control de voltaje preciso.

"Utilizamos modelos de Simulink para ajustar parámetros y probar diferentes valores para optimizar y desarrollar el control de voltaje del motor más rápido", añade Guicherd. "Las simulaciones nos ayudaron a comprender los efectos de los cambios de diseño sin construir un prototipo físico".

Modelo de Simscape que muestra un sistema complejo con componentes interconectados y líneas etiquetadas. — Tecnología de rodillos Dyson modelada en Simscape. (Crédito de la imagen: Dyson)

El equipo utilizó Requirements Toolbox™ para vincular requisitos con un modelo de Simulink^®, que ayuda a mostrar cómo un requisito impulsa las características del producto. "Antes de utilizar Requirements Toolbox, no sabíamos si un requisito era incorrecto hasta que llegábamos a la etapa de prueba en hardware", señala Guicherd. «Vincular los requisitos con el modelo nos permite entender cómo se implementa cada requisito y las relaciones entre ellos".

Beneficios de la simulación de sistemas para el diseño

El diseño basado en modelos con Simulink y Simscape™ facilitó un enfoque más sistemático y permitió realizar varios tipos de pruebas in-the-loop antes de construir y probar el prototipo. Con el diseño basado en modelos, los ingenieros pueden realizar modelos multidominio y colaborar con otros equipos. Por ejemplo, el equipo de Guicherd creó un modelo preciso de sistemas de baterías de cuatro celdas con datos del equipo de celdas y sistemas de gestión de baterías. Trabajando con el equipo de electrónica, el grupo de Guicherd utilizó Simscape Electrical para modelar y simular el comportamiento del hardware de electrónica de potencia.

"El uso de simulación en nivel de sistema con Simulink nos permitió considerar más opciones de diseño y comparar tradeoffs, por lo que dedicamos más tiempo a la fase de diseño del proyecto. La ventaja fue que encontramos errores de diseño y problemas de integración cuando era más fácil y menos costoso corregirlos".

"El uso de simulación en nivel de sistema con Simulink nos permitió considerar más opciones de diseño y comparar tradeoffs, por lo que dedicamos más tiempo a la fase de diseño del proyecto", dice Guicherd. "La ventaja fue que encontramos errores de diseño y problemas de integración cuando era más fácil y menos costoso corregirlos".

De la arquitectura de software al código embebido

En un proyecto posterior, el equipo agregó System Composer™ para desarrollar la arquitectura del software. Guicherd señala: "Con System Composer, los equipos de producto y software trabajaron juntos para desarrollar las interfaces y la programación del software y para modelar diferentes escenarios". System Composer permitió organizar modelos de gran tamaño en grupos lógicos, lo que posibilitó la colaboración del equipo y evitó conflictos de fusión.

"Con el prototipado rápido de control, pudimos generar código rápidamente y, al día siguiente, demostrar cómo funciona el producto en el laboratorio.

El modelo de Simulink proporcionó una descripción visual del comportamiento del producto, lo que también mejoró la colaboración entre los integrantes del equipo durante todo el proceso de desarrollo. El código C se generó a partir de estos modelos de sistemas de control. "Ajustábamos el modelo, comentábamos algunas partes, añadíamos nuevos bloques y mostrábamos a los ingenieros de software los nuevos comportamientos del limpiador. Con el prototipado rápido de control, pudimos generar código rápidamente y, al día siguiente, demostrar cómo funciona el producto en el laboratorio", declara Guicherd.

En lugar de codificar manualmente, el equipo utilizó Embedded Coder^® para generar código C a partir de modelos de Simulink. Luego, el equipo de software lo incorporó a la base de código principal del microcontrolador NXP™ de la máquina. "Con Embedded Coder, pudimos publicar software cada nueve días", dice Guicherd. "Antes, cuando codificábamos manualmente, era aproximadamente una vez cada diez semanas".

"Al principio, nos centramos más en hacerlo funcionar en el laboratorio, por lo que el modelo y el código generado fueron las piezas clave. Pero muy rápidamente nos dimos cuenta de que el modelo, más el código, las pruebas y la cobertura, estaban haciendo que nuestro producto fuera aún mejor", afirma Guicherd.

Pruebas a la perfección

El equipo dedicó más tiempo a optimizar el diseño de lo que era habitual con los productos anteriores. Con Simulink, pudieron abordar rápidamente los errores que surgieron durante las simulaciones, lo que dio sus frutos durante las pruebas. La fase fue mucho más sencilla y rápida que en el pasado, ahorrando tiempo y esfuerzo de desarrollo.

"Con Embedded Coder, pudimos publicar software cada nueve días. Antes, cuando codificábamos manualmente, era aproximadamente una vez cada 10 semanas".

"Una vez que diseñas algo en el modelo y funciona, lo implementas en un producto y funciona exactamente igual que en el modelo. Las pruebas fueron bastante sencillas en ese sentido", dice Guicherd. «Permitieron una entrega sin defectos".

El éxito del diseño basado en modelos y la generación de código para WashG1 eliminaron el escepticismo inicial del equipo de software. Si bien al principio desconfiaban de la capacidad del código generado para cumplir con los estándares internos y mantener la eficiencia de ejecución, ahora han desarrollado confianza en dicho código. El equipo de software ahora se trabaja en conjunto con el equipo de hardware para definir la API para el código generado. El uso de Simulink para el diseño basado en modelos ofreció flexibilidad y mayor velocidad.

"Ahora son los primeros que nos piden que lo hagamos de nuevo y nos preguntan si podemos utilizar este proceso para otro producto", afirma Guicherd. "A medida que aumenta la complejidad del proyecto, ven el beneficio del diseño basado en modelos".

Prueba de la limpiadora Dyson WashG1. (Crédito del vídeo: Dyson)

Para futuras iteraciones de WashG1, el equipo de Dyson puede reutilizar elementos de su modelo, y su ejemplo de metodología de diseño basada en modelos está ganando aceptación en otros departamentos. Por ejemplo, Guicherd menciona que algunos equipos están considerando su uso en productos para el cuidado del cabello y en otros aspectos del cuidado de suelos, lo que abre el camino a aún más innovaciones en los productos de Dyson.

Más casos prácticos

STARTUPS / PROCESAMIENTO DE SEÑALES