Dyson beschleunigt die Entwicklung neuer Produkte durch Simulation auf Systemebene

Model-Based Design zur Entwicklung eines Produkts der ersten Generation

Dysons Untersuchungen ergaben, dass für die beste Nassreinigungslösung ein neuer Ansatz erforderlich war. Dies führte zum Dyson WashG1, der ein Haushaltsgerät neu interpretiert, dessen Ursprünge Jahrhunderte zurückreichen: den Wischmopp.

Für diese neueste Leistung haben die Ingenieure von Dyson Konstruktionsmethoden für komplexe Systeme aus anderen Branchen, beispielsweise der Luft- und Raumfahrt, übernommen, um ein Alltagsprodukt zu entwerfen. Dysons dokumentenbasierter Workflow, der sich für die Entwicklung neuer Versionen bestehender Produkte gut bewährt hatte, war für die Schaffung einer neuen Produktlinie nicht optimal geeignet. Stattdessen überzeugte Romain Guicherd, leitender Ingenieur für fortgeschrittene Steuerungssysteme bei Dyson, sein Team, es mit Model-Based Design zu versuchen. Beim Model-Based Design werden Simulationsmodelle auf Systemebene verwendet, um die Entwicklung technischer Systeme zu verbessern.

„Dadurch konnten wir den Entwicklungsablauf beschleunigen und einen robusteren Code zum Testen bereitstellen“, sagt Guicherd.

Produkt der ersten Generation

Beim Entwurf einer neuen Version eines bestehenden Produkts, beispielsweise eines Staubsaugers, verwendet Dyson einen schriftlichen, dokumentenbasierten Ansatz, um die Anforderungen während des Entwicklungsprozesses von einem Team an das nächste weiterzugeben. Dieser Ansatz eignet sich gut für etablierte Produkte, da Ingenieure auf frühere Designs und eingebettete Software zurückgreifen und diese iterieren können. Dieser Prozess der Dokumentenübergabe könnte jedoch die Entwicklung einer brandneuen Produktlinie beeinträchtigen.

Der Dyson WashG1 entfernt nasse Flecken und trockenen Schmutz. — Der Dyson WashG1. (Bildquelle: Dyson)

„Bei einer schriftlichen Designspezifikation können andere Ingenieure die Anforderungen möglicherweise anders interpretieren“, sagt Guicherd. „Die Entwicklung einer neuen Produktlinie war für uns eine Gelegenheit, eine neue Arbeitsweise zu untersuchen, die die Möglichkeit von Missverständnissen zwischen Teams verringert und einen reibungsloseren Zusammenarbeitsprozess gewährleistet.“

Ein holpriger Weg zu einem reibungslosen Prozess

Dyson betrachtete das Model-Based Designs als den Prozess, der es ihnen ermöglichen würde, innovative Fähigkeiten zu erkunden.

„Wir mussten viele verschiedene Konzepte und Richtungen erkunden“, sagt Guicherd. „Durch die Verwendung von Model-Based Design und Simulink-Modellen konnten wir flexibel sein und neue Ideen im Vergleich zu unserem dokumentenbasierten Entwicklungsprozess doppelt so schnell umsetzen.“

„Durch die Verwendung von Model-Based Design und Simulink-Modellen konnten wir flexibel sein und neue Ideen im Vergleich zu unserem dokumentenbasierten Entwicklungsprozess doppelt so schnell umsetzen.“

Das überzeugende Reinigungskonzept des WashG1 umfasst einen Reinigungskopf mit gegenläufigen Walzen, die mit einem dichten Mikrofasertuch überzogen sind. Um nassen und trockenen Schmutz zu trennen, verwendet WashG1 eine Reihe von Sekundärrollen, die alle festen Rückstände in einer Schale auffangen. Ein Netzfilter bedeckt den Boden der Schale und lässt die Flüssigkeit in den Schmutzwassertank gelangen. Um all dies zu ermöglichen und alle möglichen Situationen zu bewältigen, benötigte Guicherds Team Tools, die die Simulation der interagierenden Systemelemente erleichtern und alles vom Design bis zur Codegenerierung und zum Softwaretest unterstützen würden.

Um die Steuerungen für die Reinigungswalzen zu entwickeln, modellierte das Team die Motoren und Motorantriebe der Schaumstoffwalzen mit Simscape Electrical™. Sie verwendeten Stateflow^®, um die Zeitsteuerung und Regelung der beiden Pumpen des Reinigers zu entwerfen – eine zum Befeuchten der Walzen mit sauberem Wasser und eine andere zum Absaugen des Schmutzwassers. Stateflow wurde auch verwendet, um den Selbstreinigungsmechanismus des Produkts zu implementieren.

Für die Reinigungsleistung des WashG1 waren mehrere wählbare Feuchtigkeitsstufen mit jeweils fein einstellbaren Empfindlichkeitsstufen erforderlich. Diese unterschiedlichen Einstellungen und Variationen der Reinigungslasten erforderten allesamt eine genaue Spannungsregelung.

„Wir haben unsere Simulink-Modelle verwendet, um Parameter anzupassen und verschiedene Werte zu testen, um die Motorspannungsregelung schneller zu optimieren und weiterzuentwickeln“, sagt Guicherd. „Die Simulationen haben uns geholfen, die Auswirkungen der Designänderungen zu verstehen, ohne einen physischen Prototyp zu bauen.“

Diagramm eines Simscape-Modells, das ein komplexes System mit miteinander verbundenen Komponenten und beschrifteten Linien zeigt. — Dyson-Rollentechnologie, modelliert in Simscape. (Bildquelle: Dyson)

Das Team nutzte die Requirements Toolbox™, um seine Anforderungen mit seinem Simulink^®-Modell zu verknüpfen, das zeigt, wie eine Anforderung Produktfunktionen beeinflusst. „Bevor wir die Requirements Toolbox verwendet haben, wussten wir erst in der Phase des Hardwaretests, ob eine Anforderung falsch war“, sagt Guicherd. „Indem wir die Anforderungen mit dem Modell verknüpfen, verstehen wir, wie jede Anforderung umgesetzt wird und welche Beziehungen zwischen ihnen bestehen.“

Vorteile der Systemsimulation für das Design

Model-Based Design mit Simulink und Simscape™ ermöglichte einen systematischeren Ansatz und erlaubte Dyson, verschiedene Arten von In-the-Loop-Tests durchzuführen, bevor der Prototyp gebaut und getestet wurde. Mit Model-Based Design konnten die Ingenieure Multidomain-Modellierung durchführen und mit anderen Teams zusammenarbeiten. Beispielsweise erstellte Guicherds Team mithilfe der Daten des Teams für Zellen- und Batteriemanagementsysteme ein genaues Modell eines vierzelligen Batteriepacks. In Zusammenarbeit mit dem Elektronikteam verwendete Guicherds Gruppe Simscape Electrical, um das Verhalten der Leistungselektronik-Hardware zu modellieren und zu simulieren.

„Durch die Verwendung der Systemebenensimulation mit Simulink konnten wir mehr Designoptionen in Betracht ziehen und Kompromisse vergleichen, sodass wir mehr Zeit in die Designphase des Projekts investieren konnten. Der Vorteil dabei war, dass wir Designfehler und Integrationsprobleme fanden, als ihre Korrektur einfacher und kostengünstiger war.“

„Durch die Verwendung der Systemebenensimulation mit Simulink konnten wir mehr Designoptionen in Betracht ziehen und Alternativen vergleichen, sodass wir mehr Zeit in die Designphase des Projekts investieren konnten“, sagt Guicherd. „Der Vorteil bestand darin, dass wir Designfehler und Integrationsprobleme fanden, als ihre Korrektur einfacher und kostengünstiger war.“

Von der Softwarearchitektur zum eingebetteten Code

In einem nachfolgenden Projekt fügte das Team System Composer™ hinzu, um die Softwarearchitektur zu entwickeln. Guicherd sagt: „Bei System Composer haben die Produkt- und Softwareteams zusammengearbeitet, um die Softwareschnittstellen und die Zeitplanung zu entwickeln und verschiedene Szenarien zu modellieren.“ Mit System Composer konnte das Team große Modelle in logische Gruppierungen organisieren, was die Zusammenarbeit im Team ermöglichte und gleichzeitig Konflikte bei der Zusammenführung vermied.

„Mithilfe des Rapid Control Prototyping konnten wir schnell Code generieren und ihnen am nächsten Tag zeigen, wie sich das Produkt im Labor verhält.“

Das Simulink-Modell lieferte eine visuelle Beschreibung des Produktverhaltens, was auch die Zusammenarbeit zwischen den Teammitgliedern während des gesamten Entwicklungsprozesses verbesserte. Aus diesen Steuerungsmodellen wurde C-Code generiert. „Wir würden das Modell anpassen, einige Teile auskommentieren, einige neue Blöcke hinzufügen und den Softwareentwicklern das neue Verhalten des Reinigers zeigen. Mithilfe von Rapid Control Prototyping konnten wir schnell Code generieren und ihnen am nächsten Tag zeigen, wie sich das Produkt im Labor verhält“, sagt Guicherd.

Anstatt manuell zu codieren, nutzte das Team Embedded Coder^® um C-Code aus ihren Simulink-Modellen zu generieren. Das Softwareteam hat dies dann in die Hauptcodebasis für den NXP™-Mikrocontroller der Maschine integriert. „Mit Embedded Coder könnten wir alle neun Tage eine Softwareversion herausbringen“, sagt Guicherd. „Früher, als wir manuell codiert haben, war das etwa alle 10 Wochen der Fall.“

„Anfangs haben wir uns mehr darauf konzentriert, es im Labor zum Laufen zu bringen, daher waren das Modell und der generierte Code die Schlüsselelemente. Aber wir haben sehr schnell erkannt, dass das Modell zusammen mit dem Code, den Tests und der Abdeckung unser Produkt noch besser machten“, sagt Guicherd.

Testen bis zur Perfektion

Das Team widmete der Verfeinerung des Designs mehr Zeit als bei früheren Produkten üblich. Mit Simulink konnten sie während der Simulationen auftretende Fehler schnell beheben, was sich beim Testen auszahlte. Die Phase verlief wesentlich einfacher und schneller als in der Vergangenheit, was dem Team Entwicklungszeit und -aufwand ersparte.

„Mit Embedded Coder könnten wir alle neun Tage eine Softwareversion herausbringen. Früher, als wir manuell codiert haben, war das etwa alle 10 Wochen der Fall.“

„Wenn Sie etwas im Modell entworfen haben und es funktioniert, bauen Sie es in ein Produkt ein, und es funktioniert genauso wie das Modell. „In dieser Hinsicht war das Testen ziemlich einfach“, sagt Guicherd. „Es ermöglichte eine fehlerfreie Lieferung.“

Der Erfolg des Model-Based Designs und der Codegenerierung für den WashG1 beseitigte die anfängliche Skepsis des Softwareteams. Waren sie einst besorgt, ob der generierte Code die internen Standards einhalten und die Ausführungseffizienz aufrechterhalten würde, haben sie mittlerweile Vertrauen in den Code entwickelt. Das Softwareteam arbeitet nun mit dem Hardwareteam zusammen, um die API für den generierten Code zu definieren. Die Verwendung von Simulink für Model-Based Design bot ihnen sowohl Flexibilität als auch höhere Geschwindigkeit.

„Jetzt sind sie die Ersten, die uns bitten, es noch einmal zu tun und zu fragen, ob wir dieses Verfahren für ein anderes Produkt verwenden können“, sagt Guicherd. „Mit zunehmender Komplexität des Projekts erkennen sie den Nutzen des Model-Based Designs.“

Test des Dyson WashG1-Mopps. (Videoquelle: Dyson)

Für zukünftige Versionen des WashG1 kann das Dyson-Team Elemente seines Modells wiederverwenden und sein Beispiel für eine Designmethodik mit Model-Based Design findet auch in anderen Abteilungen Anklang. Guicherd zufolge ziehen die Teams beispielsweise den Einsatz bei Haarpflegeprodukten und anderen Aspekten der Bodenpflege in Erwägung, was den Weg für noch mehr Innovationen bei allen Produkten von Dyson ebnet.

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