Les startups d'aujourd'hui sont confrontées à de nombreux défis lorsqu'elles concrétisent leurs idées techniques :
- Rapidité : comment accélérer les cycles de développement ?
- Économies : comment réduire les coûts et augmenter la productivité ?
- Mise à l'échelle : comment passer du concept au marché ?
La réponse est l'approche Model-Based Design : une approche d'ingénierie qui permet aux startups de réussir en les aidant à passer de l'idée au prototype, puis du prototype à la production.
« Nous n'aurions pas pu construire le roadster Tesla® 2008 sans MathWorks. Cela aurait nécessité des ressources dont notre nouvelle startup automobile ne disposait tout simplement pas. Nous continuerons à nous appuyer sur MATLAB® et Simulink® pour prendre des décisions de design éclairées concernant la prochaine génération de véhicules Tesla. »
L'approche Model-Based Design est axée sur l'utilisation systématique de modèles tout au long du processus de développement.
Le modèle sert de :
- Représentation visuelle du design basée sur des schémas blocs et d'autres éléments graphiques ou textuels. Les modèles facilitent la compréhension de l'intention du design, qu’il s’agisse d’un flux de données ou d’une architecture du système.
- Spécification exécutable du design. Les modèles permettent de simuler le comportement d’un système dans plusieurs domaines.
Avec les modèles, les ingénieurs peuvent évaluer les compromis de design, effectuer la vérification et la validation continues, et générer automatiquement le code pour l'implémentation hardware.
Pour les startups, la création d'un produit commence par une idée, qui est ensuite approfondie et transformée en un concept de design défini par un ensemble d'exigences, et qui évolue rapidement en spécifications techniques détaillées. Construire un prototype capable de répondre à ces spécifications est essentiel pour les startups. Un prototype démontre la valeur du produit à un stade précoce, renforce la confiance entre les équipes internes, et aide à obtenir un financement auprès d'investisseurs externes qui recherchent les premiers éléments de preuves d’un succès. L'approche Model-Based Design aide les startups à passer rapidement de l'idée au prototype.
De l'idée au prototype
Passer rapidement à la vitesse supérieure
Lorsque vous vous lancez dans une nouvelle idée, il est parfois difficile de savoir par où commencer. Heureusement, avec l'approche Model-Based Design, vous n'avez pas besoin de partir de zéro. Simulink et ses produits supplémentaires mettent à votre disposition des exemples de référence et des blocs prédéfinis pour vous aider à démarrer.
Ces exemples de référence sont d'excellents points de départ pour votre nouveau design. Il s'agit de modèles de systèmes complets conçus pour des applications spécifiques, comme les pompes à insuline, les parcs éoliens ou les drones de livraison de colis. Ces modèles sont également conçus pour de nombreuses autres applications, couvrant presque toutes les industries.
Lorsque vous modifiez votre design pour inclure des algorithmes détaillés et développer des fonctionnalités complètes, vous pouvez directement intégrer des blocs prédéfinis. Ces blocs sont des encapsulations de modules algorithmiques qui ont été rigoureusement testés et entièrement documentés, qu'il s'agisse d'algorithmes de traitement du signal ou de techniques de contrôle. Vous pouvez les ajouter, les combiner ou les modifier selon vos besoins de design.
De plus, vous pouvez également utiliser des blocs prêts à l'emploi et entièrement paramétrables pour modéliser des composants dans le système, tels qu'un électrolyseur alimentant un système de production d'hydrogène vert ou un rotor alimentant un avion à décollage et atterrissage verticaux.
Voyage Auto, une startup spécialisée dans la conduite autonome, a utilisé ces exemples de référence pour lancer son processus de développement.
« Nous avons choisi de commencer par l'exemple MATLAB du système de régulation adaptative de la vitesse (ACC). Cet exemple comprend un modèle Simulink qui utilise l’approche MPC pour implémenter un système ACC capable de maintenir une vitesse prédéfinie ou une distance prédéfinie par rapport à un véhicule situé devant. En seulement trois jours, nous avons pu exécuter le code généré pour l'ACC dans notre véhicule. »
Réduire les coûts de développement et les délais de réalisation des prototypes
Lorsque vous entamez le processus de design, vous avez de nombreuses idées en tête et vous êtes confronté à un vaste espace de design ainsi qu'à une incertitude considérable lors de l'exploration des différentes options de design possibles. Cependant, en tant que startup, vous êtes également souvent confronté à des contraintes de temps, de budget, de recrutement ou d'autres ressources. Il est donc tout simplement irréaliste de tester chaque option avec des prototypes physiques lorsque vous commencez à formaliser et préciser votre choix de design.
C'est là que l'approche Model-Based Design entre en jeu. Vous pouvez construire et simuler vos modèles sous forme de prototypes virtuels. Cela vous permet de réaliser des études de design considérables, d'évaluer les différentes options de design et d'optimiser leurs performances dans un environnement de design numérique. Cette approche réduit considérablement la nécessité de créer des prototypes physiques tout en atténuant les risques de dépassement de budget.
Ather Energy, une startup spécialisée dans les scooters électriques, a utilisé la modélisation et la simulation pour accélérer le développement de ses produits.
« Nous avions de nombreuses idées prometteuses, mais en tant que petite startup, nous manquions de temps, d'argent et de ressources pour construire des prototypes et les tester un par un. Grâce à l'approche Model-Based Design, nous avons pu identifier et valider les meilleures idées par simulation, ce qui nous a permis de créer un scooter plus complet en moins de temps. Au lieu de consacrer deux mois à la construction et aux tests d'un prototype physique, nous avons réussi à terminer tout cela en seulement deux semaines en utilisant nos modèles Simscape. »
La startup Carnegy Clean Energy, spécialisée dans la technologie de l'énergie houlomotrice, a utilisé le prototypage et la simulation virtuels pour résoudre les problèmes de design et a réussi à mettre en place une ferme houlomotrice opérationnelle.
« En tant que startup, nous ne pouvons pas nous permettre un cycle de développement dans lequel nous construisons un système, le testons, apportons des modifications, puis le retestons. Cela serait trop coûteux et prendrait trop de temps, de construire même un modèle réduit de notre système complet. Nous avons donc décidé de concentrer nos efforts d'ingénierie sur le prototypage et la simulation virtuels afin d'obtenir le bon design dès le départ. La recherche et la résolution des problèmes par simulation sont plus simples et moins coûteuses que les tests sur des prototypes hardware. »
Se focaliser sur le design, pas sur le code
Lorsque vous avez confirmé votre choix de design et développé un prototype virtuel, comment pouvez-vous l'implémenter en un code s’exécutant sur un prototype physique ? Vous pouvez traduire votre design en code et choisir d’écrire manuellement vos algorithmes, mais cette approche comporte de nombreuses étapes et peut introduire des erreurs et des incohérences dans le processus. De plus, les modifications de design devraient être implémentées manuellement dans le code, ce qui rendrait difficile d'établir une traçabilité entre votre design et votre code.
L'approche Model-Based Design vous permet de générer automatiquement du code à partir de vos modèles. Ainsi, vous pouvez passer de votre design au code s’exécutant sur des prototypes fonctionnels en seulement quelques jours, au lieu de plusieurs mois. Le code généré est efficace, de haute qualité, lisible et entièrement traçable avec le design, ce qui signifie que le dernier code généré reflète toujours votre design le plus récent. La génération de code est une approche solide pour le développement logiciel des startups, car elle permet de se concentrer sur le travail de design de haut niveau.
La startup Ellio, spécialisée dans les vélos électriques, a accéléré le délai de prototypage en générant automatiquement le code de son système de contrôle pour le hardware cible embarqué.
« Après avoir modélisé notre contrôleur dans Simulink, nous avons pu créer un prototype fonctionnel en une seule journée en générant le code pour le hardware Raspberry Pi® grâce à Simulink Coder™. Nous estimons qu'il aurait fallu au moins deux semaines pour coder et débugger manuellement le logiciel sur le vélo prototype, d'autant plus que nous n'avions pas d'expert en codage dans l'équipe. »
Preceyes, une startup spécialisée dans la robotique chirurgicale, a développé le premier robot de chirurgie oculaire au monde en implémentant son logiciel avec la génération automatique de code.
« Grâce à MATLAB et Simulink, je n'ai pas eu à programmer moi-même une architecture de bas niveau pour le contrôleur. En tant que seul ingénieur logiciel en charge de la première version, cela a été un énorme avantage ; je doute même qu'un seul ingénieur ait pu accomplir une telle tâche sans MATLB et Simulink. »
Bigfoot Biomedical, une startup spécialisée dans la technologie médicale, a développé des systèmes d'administration d'insuline en utilisant la simulation et la génération automatique de code.
« L'approche Model-Based Design nous permet de faire abstraction de la complexité et de nous concentrer sur la modélisation et la simulation de nos systèmes et algorithmes, plutôt que de construire et débugger de larges programmes. »
Du prototype à la production
Pour les startups, le développement d'un prototype fonctionnel est essentiel pour démontrer la valeur du produit aux investisseurs, fournisseurs et clients. Cependant, pour qu'une startup signe un véritable succès commercial à grande échelle, elle doit passer d’une preuve de concept (souvent limitée en termes de fonctionnalités, de qualité et de performances) à un produit prêt pour la production. L'approche Model-Based Design aide les startups à passer rapidement du prototype à la production.
Modéliser une fois, déployer partout
Lorsque vous passez du prototype à la production, il est souvent nécessaire de modifier le hardware, que ce soit pour améliorer les performances en utilisant un hardware plus puissant, ou pour réduire les coûts de production en utilisant un hardware plus abordable et couramment disponible. L'évolution des exigences hardware est un défi pour les startups : l'intégration du logiciels dans une plateforme hardware différente nécessite non seulement une expertise hardware interne, mais également des modifications du logiciel.
L'approche Model-Based Design vous permet de décorréler le développement software du hardware, car vous pouvez générer du code portable à partir de votre modèle pour cibler différents typesde hardware, notamment le code C/C++ pour les microcontrôleurs, le code Verilog/VHDL pour les FPGA/ASIC, du texte structuré pour les PLC ou du code CUDA® pour les GPU. MathWorks collabore avec les principaux fournisseurs de hardware pour supporter l'intégration hardware sur ces plateformes.
Utiliser Simulink pour générer automatiquement du code portable pour vos produits.
Le support de la génération de code et de l'intégration hardware vous permet de modéliser votre design une seule fois et de le déployer sur toutes les cibles hardware supportées. Cela signifie que vous et votre équipe n'avez pas besoin de devenir des experts en hardware et que vous pouvez vous concentrer sur le travail de design, plutôt que sur l'apprentissage des spécificités des différents types de hardware et le recodage de vos algorithmes existants pour les adapter à un nouveau produit.
Stem, une startup spécialisée dans les systèmes de stockage d'énergie, a utilisé l'approche Model-Based Design pour décorréler le développement logiciel de leur système de contrôle du hardware des microcontrôleurs.
« L'approche Model-Based Design nous a permis de développer le logiciel du contrôleur avant même d'avoir le hardware. Lorsque nos premières cartes sont arrivées, tous les algorithmes de contrôle étaient déjà en place ; cinq jours plus tard, nous fournissions de l’énergie avec du code généré par Embedded Coder. »
Une autre startup, Dynisma, spécialisée dans la simulation de mouvement, a adapté son design pour cibler différents microcontrôleurs et systèmes de hardware.
« Malgré le fait que nous ayons trois types de produits différents sur le terrain, nous sommes toujours en mesure d'utiliser le même software, que nous déployons sur trois contrôleurs et sur trois systèmes différents. »
Minimiser les défauts et garantir la qualité
Lors du passage du prototypage à la production, un objectif clé est de réduire les défauts et d'assurer la qualité du produit. Cependant, les startups sont souvent confrontées au risque d'identifier tardivement des erreurs dans le processus de développement, ce qui nécessite des corrections importantes et s'avère long et coûteux à corriger.
L'approche Model-Based Design offre la possibilité de vérifier et valider votre design de manière continue. Elle met à votre disposition des outils d'analyse, de vérification et de test à chaque étape clé de votre processus de développement, depuis les spécifications jusqu'à la vérification précoce du design et les tests d'intégration du système.
Grâce à la simulation, vous pouvez concentrer vos efforts de vérification en transférant le temps et les ressources dédiés aux tests physiques vers les tests virtuels. Cette approche, connue sous le nom de « shift left », permet de réduire les coûts de test liés à l'équipement et aux prototypes physiques. De plus, elle peut éliminer des catégories entières d'erreurs avant même de tester le produit dans des conditions réelles. Les tests virtuels vous aident également pour répondre à des questions de type « et si » et à simuler des scénarios de test ou des cas extrêmes difficiles, voire impossibles à reproduire dans un environnement d'exploitation réel.
Support du workflow V&V complet
| Traçabilité des exigences | Prévenir les comportements inattendus du design |
| Modélisation des exigences | Formaliser et valider les exigences |
| Conformité aux normes | Assurer la conformité du design aux directives standards |
| Vérification formelle | Prouver que le design est robuste et répond aux exigences |
| Test des composants et du système | Confirmer avec des tests basés sur la simulation que le design répond aux exigences |
| Tests Back-to-Back | Effectuer des vérifications et des tests d'équivalence en mode SIL et PIL |
| Analyse de couverture | Vérifier que le design a été entièrement testé en mode MIL, SIL et PIL |
| Génération automatique de tests | Générer des tests pour l'analyse de la couverture, les tests d’équivalence, etc. |
| Analyse statique de code | Vérifier que le code est conforme aux normes et exempt d'erreurs run-time |
| Tests Hardware-in-the-Loop | Tester les contrôles en émulant des systèmes physiques avec des machines cibles temps réel |
BPG Motors, une startup développant des motos électriques, a utilisé des tests basés sur la simulation pour identifier les problèmes du produit et faire passer le produit du prototype à la préproduction.
« Alors que l’Uno passe du prototype à la préproduction, nous étendons notre utilisation de Simulink pour modéliser et simuler des aspects de l'Uno qui seraient trop coûteux, dangereux ou trop longs à expérimenter sur du hardware réel.
« Les simulations Simulink nous ont également permis d'identifier une déficience de notre convertisseur analogique-numérique (ADC). En utilisant quelques blocs ADC de base dans Simulink, nous avons construit et simulé un modèle simple qui nous a aidés à identifier les branches mortes dans notre algorithme de contrôle, qui affectaient les performances. »
Airnamics, une startup spécialisée dans les systèmes de drones, a éliminé la plupart des bugs logiciels en testant le système virtuellement avant son premier vol.
« En ce qui concerne la performance des systèmes de contrôle de vol, la fiabilité et la sécurité sont des préoccupations majeures. Vous ne pouvez pas prendre de raccourcis sur ces sujets, car si vous le faites, c’est le crash assuré.
L'approche Model-Based Design nous permet de tester virtuellement chaque partie du système au sol. Les bugs, qui prenaient autrefois des semaines à être identifiés et de nombreux essais en vol pour être résolus, peuvent maintenant être corrigés en quelques heures grâce à la simulation. Nous avons réussi à détecter plus de 95 % des bugs du logiciel de système de contrôle avant le premier vol. Le résultat est un produit plus sûr, plus fiable et de meilleure qualité. »
Obtenir la certification
Pour les startups développant des applications critiques dans des secteurs tels que l'aérospatiale, l'automobile, les équipements médicaux et les énergies renouvelables, le software du système doit non seulement passer des tests rigoureux, mais également respecter les normes de sécurité fonctionnelle définies par les organisations internationales de normalisation ou les groupes de travail de l'industrie concernée. L'identification des outils appropriés à utiliser et des processus pertinents à suivre pour les workflows de certification représente un défi pour les startups.
L'approche Model-Based Design propose des outils vous permettant de vérifier si votre modèle et le code que vous générez à partir de celui-ci sont conformes aux normes de l'industrie.
De plus, l'IEC Certification Kit offre des artefacts de qualification d'outils, des certificats ainsi que des suites de tests, et permet de générer des matrices de traçabilité. Ce kit vous aide à qualifier les outils de génération et de vérification de code, tels que Embedded Coder®, HDL Coder™ et les familles de produits Polyspace®, et à rationaliser la certification de vos systèmes embarqués selon les normes ISO® 26262, CEI 61508, EN 50128, ISO 25119 et les normes associées telles que CEI 62304 et EN 50657. Les certificats et les rapports d'évaluation de l'organisme de certification TÜV SÜD sont inclus dans le kit pour les produits et normes supportés.
Stem, la startup de systèmes de stockage d'énergie mentionnée précédemment, a également utilisé des simulations de systèmes d’alimentation électrique pour réussir les tests de ses produits et obtenir plus rapidement la certification IEEE® 1547.
« Nous avons également obtenu la certification environ 25 % plus rapidement que d'habitude grâce à l'approche Model-Based Design. PowerStore interagit avec le réseau ; il doit donc être certifié, entre autres, au standard IEEE 1547 pour l'interconnexion des ressources distribuées avec les systèmes d’alimentation électrique. Nous avons simulé des tests de certification auxquels notre design avait initialement échoué, apporté des modifications à notre modèle de contrôleur, régénéré du code et réussi les tests le lendemain. »
Réutiliser votre design pour les produits de nouvelle génération
Lorsque vous êtes prêt à capitaliser sur le succès initial de votre premier lancement de produit, l'approche Model-Based Design vous permet d'accélérer le développement de vos produits de nouvelle génération en réutilisant les modèles de design des itérations précédentes dans votre nouveau design. Vous pouvez également créer et gérer facilement des variants de design lorsque vous faites évoluer votre produit pour atteindre des clients dont les besoins sont différents.
VONSCH, une entreprise spécialisée dans les équipements d’électroniques de puissance, a réutilisé ses modèles de design, pour lancer rapidement de nouveaux produits, avec une petite équipe d’ingénieurs.
« Pour le produit FOTO CHARGER, nous avons réutilisé nos algorithmes MPPT et de nombreux modèles Simulink de FOTO CONTROL. MATLAB et Simulink nous ont permis d'accélérer la recherche et le développement par un facteur de trois tout en nous offrant la flexibilité de passer à une autre plateforme hardware si nous le souhaitions. »
Adoption progressive
Malgré les avantages potentiels de l'utilisation de l'approche Model-Based Design, les startups sont souvent hésitantes à adopter un nouveau processus de développement en raison des risques associés. Cela est particulièrement vrai pour les plus petites startups qui ne disposent pas de personnel dédié pour piloter un nouveau processus et apprendre de nouveaux outils.
Les startups qui réussissent dans cette adoption ont atténué ce risque en introduisant progressivement l'approche Model-Based Design. Elles commencent généralement par un seul projet, en identifiant les premiers succès qui peuvent être obtenus en utilisant l'approche Model-Based Design, par rapport à la pratique actuelle. Une introduction réussie de l'approche Model-Based Design implique de prendre des mesures incrémentales qui peuvent aider un projet sans le ralentir :
- Faire des tests sur une petite partie du projet.
- S'appuyer sur le succès initial de la modélisation.
- Utiliser des modèles pour résoudre des problèmes de design spécifiques.
- S'en tenir aux principes de base.
- Tirer parti de l'expérience des experts MathWorks.
Pour comprendre les expériences et les approches d'adoption pour les petites équipes, consultez le livre blanc expliquant comment les équipes d'ingénieurs adoptent l'approche Model-Based Design (How Engineering Teams Adopt Model-Based Design).
Une équipe d'ingénieurs de trois personnes chez Océ a adopté l'approche Model-Based Design en une à deux semaines en s’appuyant sur les formations MathWorks.
« Nous n'avions aucune expérience préalable avec Simulink Coder et Stateflow®. Toutefois, après avoir suivi les formations MathWorks pendant une à deux semaines, nous étions capables de décrire des scénarios très complexes sans aucune difficulté. »
Évaluer le retour sur investissement (ROI)
L'adoption de l'approche Model-Based Design peut engendrer d'importantes économies pendant les phases d'ingénierie du système, de développement et de test. Les organisations qui adoptent l'approche Model-Based Design réalisent des économies allant de 20 à 60 % par rapport aux méthodes traditionnelles.
Pour comprendre comment quantifier les économies attendues en utilisant l'approche Model-Based Design plutôt qu’une approche de développement traditionnelle, consultez le livre blanc Measuring the Return on Investment of Model-Based Design.
Vanderhall Motor Works, une startup développant des véhicules électriques, a adopté l'approche Model-Based Design et a construit un véhicule utilitaire tout électrique avec une équipe limitée d’ingénieurs, et cela en moins d'un an.
« Normalement, il faudrait des années à une armée de codeurs pour écrire le software d'un système de contrôle de véhicule. Les véhicules électriques évoluent rapidement sur le marché ; si nous avions suivi une approche de développement conventionnelle, le produit serait encore au stade du rêve, et tous nos concurrents nous devanceraient. »
Le programme MathWorks Startup
Le programme MathWorks Startup offre aux startups qualifiées, des prix avantageux, une assistance des ingénieurs d’application, du support technique, des options de formation dans votre langue incluant une réduction de 50 % sur les crédits de formation, ainsi que des opportunités de co-marketing pour présenter votre technologie ou vos produits. Le support et les ressources exhaustives de MathWorks sont particulièrement utiles pour les startups susceptibles de ne pas disposer du même niveau d'expertise ou de ressources internes que les grandes organisations.
RangeAero, une startup spécialisée dans les hélicoptères cargo autonomes, a collaboré avec les ingénieurs d'application de MathWorks pour adopter des outils basés sur l'approche Model-Based Design et résoudre des problèmes complexes.
« L'équipe technique de RangeAero a travaillé en étroite collaboration avec les ingénieurs d'application de MathWorks pour apprendre à utiliser les outils et les exploiter dans nos applications complexes. L'équipe de MathWorks était toujours disponible lorsque nous avions besoin d'aide concernant les toolboxes nécessaires à la configuration de nos workflows. »
Monarch Tractor, une startup spécialisée dans les tracteurs autonomes, a adopté l'approche Model-Based Design et a livré son premier véhicule avec le soutien du programme MathWorks Startup.
« Le programme MathWorks Startup a donné à Monarch Tractor une longueur d'avance pour lancer ses premiers véhicules, en commençant par tester l'architecture avec ses prototypes et en livrant rapidement les premiers tracteurs aux agriculteurs. »
Le programme MathWorks Accelerator
Le programme MathWorks Accelerator aide les startups à s'associer à des accélérateurs partenaires pour faire progresser leur développement. Les startups sont traitées comme des clients commerciaux à part entière, bénéficiant d'un support technique et de conseils d'experts domaine, tout en ayant un accès gratuit à des logiciels éprouvés par l'industrie.
Forge, un accélérateur basé en Inde, s'est associé au programme MathWorks Accelerator, permettant à ses startups d'adopter l'approche Model-Based Design et des outils de calcul scientifique en cours de développement.
« Tirer parti d'un bon support technologique est essentiel pour créer le bon produit et le faire correctement. Chez Forge, nous développons cette capacité grâce à des partenariats avec des acteurs technologiques de premier plan. Le partenariat avec MathWorks a permis à nos startups de bénéficier des outils standards de l'industrie tels que MATLAB et Simulink. »
Présenté dans :
Xfinito Biodesigns, une startup soutenue par l'incubateur DERBI Foundation, a utilisé le support de MathWorks pour proposer un nouvel équipement médical pour le traitement de la neuropathie diabétique.
« Grâce au programme de mentorat technique et à notre expérience avec MATLAB et Simulink, nous avons pu accélérer notre développement intelligent. »
Que ce soit pour créer des systèmes d'énergie renouvelable visant à relever le défi climatique, pour définir l'avenir de la mobilité sur terre, dans les airs ou en mer, ou pour améliorer la qualité de vie avec de nouveaux équipements médicaux, les startups de nombreux secteurs ont régulièrement obtenu des résultats immédiats et tangibles avec l'approche Model-Based Design.
Grâce à une approche incrémentale et au support de MathWorks, les startups peuvent adopter l'approche Model-Based Design et proposer rapidement, de manière rentable et efficace, des innovations en passant de l'idée à la production.
