White Paper

Model-Based Design ebnet Start-ups den Weg zum Erfolg

Einführung

Start-ups sehen sich heute bei der Verwirklichung ihrer technischen Ideen mit etlichen Herausforderungen konfrontiert:

  • Geschwindigkeit: Wie können die Entwicklungszyklen beschleunigt werden?
  • Einsparungen: Wie können die Kosten verringert und die Produktivität erhöht werden?
  • Skalierung: Wie wird aus einem Konzept ein marktreifes Produkt?

Die Antwort lautet Model-Based Design – ein Entwicklungsansatz, der Start-ups den Weg zum Erfolg ebnet, indem er es ihnen ermöglicht, ihre Produkte von der Idee über den Prototyp bis zur Produktion zu begleiten.

Ohne MathWorks hätten wir den Tesla® Roadster 2008 nicht bauen können. Dies hätte Ressourcen verlangt, die unser neues Automobil-Start-up einfach nicht hatte. Um begründete Entwurfsentscheidungen für die nächste Generation von Tesla-Fahrzeugen treffen zu können, werden wir uns auch weiterhin auf MATLAB® und Simulink® verlassen.“

Dr. Chris Gadda und Dr. Andrew Simpson, Tesla Motors
Abschnitt

Einführung in Model-Based Design

Model-Based Design basiert auf dem systematischen Einsatz von Modellen im gesamten Entwicklungsprozess.

Das Modell dient als:

  • Visuelle Darstellung des Entwurfs auf der Grundlage von Blockdiagrammen und anderen Grafik- oder Textelementen. Modelle erleichtern das Verständnis der Absicht eines Entwurfs – ob Datenstrom oder Systemarchitektur.
  • Ausführbare Spezifikation des Entwurfs. Modelle ermöglichen die domänenübergreifende Simulation des Systemverhaltens.
Eine Person betrachtet das Modell einer Windturbine auf einem Monitor.

Mithilfe von Modellen können Ingenieure Alternativen beim Entwurf abwägen, eine kontinuierliche Verifikation und Validierung durchführen und automatisch Code für die Hardware-Implementierung generieren.

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Warum Model-Based Design für Start-ups?

Die Entwicklung eines Produkts beginnt bei Start-ups mit einer Idee, die daraufhin verfeinert und zu einem Entwurfskonzept geformt wird, das durch eine Reihe von Anforderungen definiert ist. Diese Anforderungen entwickeln sich dann schnell zu detaillierten technischen Spezifikationen. Der Bau eines Prototyps, der diese Spezifikationen erfüllt, ist für Start-ups von entscheidender Bedeutung. Ein Prototyp dient schon frühzeitig als Nachweis des Mehrwerts eines Produkts, stärkt das Vertrauen der internen Teams und hilft, die Finanzierung durch externe Investoren zu sichern, die nach einem frühen Erfolgsnachweis verlangen. Model-Based Design hilft Start-ups, die Phasen von der Idee bis zum Prototyp schnell zu durchlaufen.

Von der Idee zum Prototyp

Geschwindigkeit als Erfolgsfaktor

Am Anfang der Arbeit an einer Idee steht man manchmal ratlos vor einem leeren Blatt Papier. Mit Model-Based Design muss man jedoch nicht komplett von vorne anfangen. Simulink und seine Add-on-Produkte erleichtern Ihnen mit Referenzbeispielen und vorgefertigten Blöcken den Einstieg.

Referenzbeispiele sind ein nützlicher Ausgangspunkt für neue Entwürfe. Bei den Beispielen handelt es sich um vollständige Systemmodelle, die für bestimmte Anwendungen erstellt wurden, zum Beispiel Insulinpumpen, Windparks, Logistikdrohnen und weitere Anwendungen, die so gut wie alle Branchen umspannen.

Bei der Anpassung Ihres Entwurfs mit detaillierten Algorithmen und dem Aufbau des vollständigen Funktionsumfangs können Sie vorgefertigte Blöcke direkt Ihrem Entwurf hinzufügen. Dabei handelt es sich um Kapselungen algorithmischer Module, die umfassend getestet und vollständig dokumentiert wurden – ganz gleich, ob Signalverarbeitungsalgorithmen oder Regelungstechniken. Sie können diese Algorithmen im Einklang mit den Anforderungen Ihres Entwurfs hinzufügen, kombinieren oder verändern.

Darüber hinaus können Sie vorgefertigte und vollständig parametrierbare Blöcke für die Modellierung von Systemkomponenten anwenden, beispielsweise einen Elektrolyseur als Antrieb eines umweltfreundlichen Wasserstofferzeugungssystems oder einen Rotor als Antrieb eines Senkrechtstarters.

Voyage Auto, ein Start-up im Bereich des autonomen Fahrens, begann seinen Entwicklungsprozess mit Referenzbeispielen.

„Wir entschieden uns für den Einstieg mit dem MATLAB-Systembeispiel für adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC). Dieses Beispiel enthält ein Simulink-Modell, das mithilfe von modellprädiktiver Regelung (MPC) ein ACC-System implementiert, das in der Lage ist, eine vorgegebene Geschwindigkeit oder einen vorgegebenen Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug einzuhalten. Innerhalb von drei Tagen konnten wir den generierten Code für die ACC in unserem Fahrzeug ausführen.“

Alan Mond, Leiter Hardware, Voyage Auto

Geringere Entwicklungskosten und schnellere Prototypenerstellung

Ihr Entwurfsprozess beginnt mit zahlreichen Ideen, bei der Betrachtung Ihrer Entwicklungsoptionen sind Sie jedoch auch mit einem riesigen Entwurfsraum und großer Ungewissheit konfrontiert. Als Start-up hat man aber auch oft mit Zeit-, Budget-, Personal- und weiteren Ressourceneinschränkungen zu kämpfen. Wenn Sie mit der Formalisierung und Konkretisierung Ihrer Entwurfsentscheidung beginnen, ist die Vorstellung, jede Option mit physischen Prototypen zu testen, einfach unrealistisch.

Mit Model-Based Design erstellen und simulieren Sie Ihre Modelle hingegen in Form von virtuellen Prototypen. Sie können umfangreiche Designstudien erstellen, Entwurfsoptionen bewerten und die Leistung Ihres Entwurfs in einer digitalen Designumgebung optimieren. Damit reduzieren Sie deutlich die Notwendigkeit physischer Prototypen und mindern dabei auch das Risiko, Ihr Budget zu sprengen.

Ather Energy, ein Elektroroller-Start-up, beschleunigte seine Entwicklung mithilfe von Modellierung und Simulation.

Carnegie Clean Energy, ein Start-up im Bereich der Wellenenergie, konnte mit virtuellem Prototyping Probleme in seinen Entwürfen beheben und ein betriebsfertiges Wellenkraftwerk bereitstellen.

Schwerpunkt auf dem Entwurf statt auf dem Code

Wie implementieren Sie Ihren Entwurf als Code zur Ausführung auf einem physischen Prototypen, nachdem Sie eine Entwurfsentscheidung getroffen und einen virtuellen Prototypen entwickelt haben? Natürlich können Sie Ihren Entwurf manuell in Code für Ihre Algorithmen übersetzen, doch dieser Ansatz umfasst zahlreiche Schritte und kann für Fehler und Unstimmigkeiten im Prozess sorgen. Änderungen am Entwurf müssen manuell im Code implementiert werden, und es ist nicht einfach, die Rückverfolgbarkeit zwischen Ihrem Entwurf und Ihrem Code zu gewährleisten.

Mit Model-Based Design können Sie automatisch Code aus Ihren Modellen generieren. Statt Monate aufzuwenden, können Sie innerhalb von Tagen vom Entwurf zum Code auf funktionalen Prototypen übergehen. Der generierte Code ist effizient, qualitativ hochwertig, lesbar und vollständig mit dem Entwurf rückverfolgbar. So ist sichergestellt, dass der zuletzt generierte Code stets Ihr aktuellstes Design widerspiegelt. Die Codegenerierung ist ein nützlicher Ansatz für die Softwareentwicklung in Start-ups, weil sie es den Mitarbeitern von Start-ups ermöglicht, sich auf die Entwurfsarbeit auf hoher Abstraktionsebene zu konzentrieren.

Ellio, ein Start-up im Bereich der Elektrofahrräder, konnte sein Prototyping durch die automatische Generierung von Regelungscode für eingebettete Hardware beschleunigen.

Preceyes, ein Start-up im Bereich der chirurgischen Roboter, erschuf durch die Implementierung seiner Software mit automatischer Codegenerierung den weltweit ersten Roboter für Augenoperationen.

Bigfoot Biomedical, ein Start-up im Bereich der Medizintechnik, entwickelte mithilfe von Simulation und automatischer Codegenerierung Systeme für die Insulinabgabe.

Vom Prototyp zur Produktion

Die Entwicklung eines funktionalen Prototyps ist ein entscheidender Schritt, damit Start-ups den Mehrwert ihrer Produkte gegenüber Investoren, Lieferanten und Kunden nachweisen können. Aber wenn ein Start-up echten kommerziellen Erfolg im großen Maßstab erzielen möchte, muss es sein Produkt von der Machbarkeitsstudie (oftmals mit begrenzter Funktionalität, Qualität und Leistung) in einen produktionsbereiten Zustand bringen. Model-Based Design hilft Start-ups bei einem schnellen Durchlauf vom Prototypen zur Produktion.

Einmal modellieren, überall bereitstellen

Auf dem Weg vom Prototypen zur Produktion sind häufig Hardwareänderungen notwendig – entweder zur Steigerung der Leistung durch den Einsatz leistungsfähigerer Hardware oder zur Senkung der Kosten in der Serienproduktion durch den Einsatz kostenwirksamerer und allgemein zugänglicher Hardware. Die veränderten Hardwareanforderungen stellen Start-ups vor eine Herausforderung: Die Integration von Software auf einer neuen Hardwareplattform verlangt nicht nur nach internem Hardware-Know-how, sondern auch nach Änderungen an der Software.

Mit Model-Based Design können Sie Ihre Softwareentwicklung von der Hardware abkoppeln, da Sie portierbaren Code von Ihrem Modell für unterschiedliche Ziel-Hardware generieren können, zum Beispiel C/C++ Code für Microcontroller, Verilog-/VHDL-Code für FPGAs/ASICs, strukturierten Text für SPS oder CUDA®-Code für Grafikkarten. Zur Unterstützung der Hardwareintegration auf allen diesen Plattformen arbeitet MathWorks partnerschaftlich mit wichtigen Hardwareherstellern zusammen.

Diagramm mit der Verknüpfung von Simulink mit automatischer Codegenerierung und verschiedener Hardware, bestehend aus Prozessor, Grafikkarte, SPS und FPGA.

Nutzen Sie Simulink zur automatischen Generierung von portierbarem Produktionscode.

Mithilfe der Unterstützung für die Codegenerierung und Hardwareintegration können Sie Ihren Entwurf einmal modellieren und anschließend auf allen unterstützten Hardwarezielen bereitstellen. So müssen Sie und Ihr Team nicht zu Hardwareexperten werden und können sich voll und ganz auf die Arbeit an Ihrem Entwurf konzentrieren, statt sich über die Besonderheiten der Hardware zu informieren und den Code Ihrer bestehenden Algorithmen an ein neues Produkt anzupassen.

Stem, ein Start-up für Energiespeichersysteme, konnte mithilfe von Model-Based Design die Entwicklung von Regelungssoftware von der Microcontroller-Hardware entkoppeln.

„Mit Model-Based Design konnten wir die Reglersoftware entwickeln, bevor wir überhaupt Hardware hatten. Als unsere ersten Platinen eintrafen, waren alle Regelungsalgorithmen bereits vorhanden, und fünf Tage später erzeugten wir mit dem von Embedded Coder generierten Code Energie.“

Brad Landseadel, Chief Power Electronics Engineer, Stem

Dynisma, ein Start-up im Bereich der Bewegungssimulatoren, skalierte seinen Entwurf für verschiedene Microcontroller und Hardwaresysteme.

Weniger Mängel und garantierte Qualität

Ein wichtiges Ziel beim Übergang von der Prototypenphase zur Produktionsphase ist die Reduzierung von Mängeln und die Gewährleistung der Produktqualität. Allerdings laufen Start-ups oft Gefahr, Fehler erst spät im Entwicklungsprozess zu identifizieren. Diese Fehler erfordern erhebliche Nacharbeiten und sind zeit- und kostenaufwendig zu beheben.

Mit Tools für die Durchführung von Analysen, Prüfungen und Tests in jeder wesentlichen Phase Ihres Entwicklungsprozesses – von den Anforderungen und der frühen Entwurfsverifikation bis hin zu Systemintegrationstests – ermöglicht Model-Based Design Ihnen eine kontinuierliche Verifikation und Validierung Ihres Entwurfs.

Durch Simulation verlagern Sie Ihre Verifikationsarbeit zeitlich nach vorne, indem Sie Zeit und Ressourcen von physischen Tests zu virtuellen Tests verschieben. Diese „Linksverschiebung“ senkt die Kosten im Zusammenhang mit Ausrüstung und physischen Prototypen und kann ganze Fehlerkategorien beseitigen, bevor Sie das Produkt unter realen Bedingungen testen. Mit virtuellen Tests können Sie außerdem „Was-wäre-wenn“-Fragen beantworten und Testszenarien oder Extremfälle simulieren, die in einer realen operativen Umgebung nur schwer – teilweise unmöglich – nachzustellen sind.

Unterstützung des gesamten Verifikations-/Validierungs-Workflows
Rückverfolgbarkeit der Anforderungen Vermeidung von unerwünschtem Entwurfsverhalten
Modellierung der Anforderungen Formalisierung und Validierung von Anforderungen
Erfüllung von Standards Gewährleistung der Standardkonformität des Entwurfs
Formale Verifikation Nachweis der Robustheit und Übereinstimmung des Entwurfs mit den Anforderungen
Komponenten- und Systemtests Bestätigung der Erfüllung der Anforderungen des Entwurfs durch simulationsbasierte Tests
Back-to-Back-Tests Durchführung von Äquivalenzprüfungen und Tests für SIL und PIL
Abdeckungsanalyse Verifikation der vollständigen Tests des Entwurfs in MIL, SIL, PIL
Automatische Testerzeugung Generieren von Tests für Abdeckungsanalyse, Back-to-Back-Tests usw.
Statische Codeanalyse Überprüfung der Standardkonformität und der Ausführung des Codes ohne Laufzeitfehler
Hardware-in-the-Loop-Tests Testen von Steuerungen durch die Emulation physischer Systeme mit Echtzeit-Zielcomputern

BPG Motors, ein Start-up für Elektromotorräder, nutzte simulationsbasierte Tests zur Identifizierung von Problemen mit seinem Produkt und zur Verlagerung des Produkts von der Prototypen- in die Vorproduktionsphase.

Airnamics, ein Start-up für unbemannte Luftbildsysteme, beseitigte einen Großteil der Softwarefehler mithilfe virtueller Systemtests vor dem ersten Flug.

Der Weg zur Zertifizierung

Bei Start-ups, die sicherheitskritische Anwendungen in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizinprodukte und erneuerbare Energien entwickeln, muss die Software im System nicht nur strenge Tests durchlaufen, sondern auch die von internationalen Normungsorganisationen oder Branchenarbeitsgruppen festgelegten funktionalen Sicherheitsstandards einhalten. Start-ups sind mit der Herausforderung konfrontiert, die richtigen Tools und Prozesse für Zertifizierungs-Workflows zu identifizieren.

Model-Based Design stellt Ihnen Tools zur Verfügung, mit denen Sie überprüfen können, ob Ihr Modell und der Code, den Sie daraus generieren, dem Industriestandard entsprechen.

Zusätzlich enthält das IEC Certification Kit Artefakte, Zertifikate und Test-Suiten zur Tool-Qualifizierung und generiert Rückverfolgbarkeitsmatrizen. Dieses Kit hilft Ihnen bei der Qualifikation von Codegenerierungs- und Verifikationstools wie den Embedded Coder®-, HDL Coder™- und Polyspace®-Produktfamilien sowie bei der Optimierung der Zertifizierung Ihrer Embedded Systems gemäß ISO® 26262, IEC 61508, EN 50128, ISO 25119 und zugehörigen Standards wie IEC 62304 und EN 50657. Zertifikate und Bewertungsberichte von der Zertifizierungsbehörde TÜV SÜD für die unterstützten Produkte und Standards sind im Kit enthalten.

Stem, das früher erwähnte Start-up für Energiespeichersysteme, nutzte auch Simulationen von Energiesystemen, um schneller Produkttests zu durchlaufen und die Zertifizierung gemäß IEEE® 1547 zu erreichen.

Wiederverwendung von Entwürfen für die nächste Produktgeneration

Wenn Sie bereit sind, auf dem Erfolg Ihrer ersten Produkteinführung aufzubauen, hilft Model-Based Design Ihnen bei der Beschleunigung der Entwicklung Ihrer nächsten Produktgeneration, da es die Wiederverwendung von Entwurfsmodellen aus vorherigen Iterationen in Ihrem neuen Entwurf ermöglicht. Außerdem können Sie bei der Skalierung des Produkts für Kunden mit verschiedenen Erwartungen ganz einfach Entwurfsvarianten erstellen und verwalten.

VONSCH, ein Unternehmen im Bereich der Leistungselektroniksysteme, konnte durch die Wiederverwendung von Entwurfsmodellen auch mit einem kleinen Ingenieurteam in kürzester Zeit neue Produkte einführen.

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Wie können Start-ups Model-Based Design einführen?

Phasenweise Einführung

Trotz der potenziellen Vorteile von Model-Based Design betrachten Start-ups häufig auch die Risiken bei der Einführung eines neuen Entwicklungsprozesses. Dies gilt insbesondere für kleinere Start-ups, die über kein eigenes Personal verfügen, um einen neuen Prozess zu erproben und den Umgang mit neuen Tools zu erlernen.

Erfolgreiche Start-ups haben dieses Risiko durch eine phasenweise Einführung von Model-Based Design vermindert. Sie beginnen in der Regel mit einem einzelnen Projekt, in dem sie frühe Erfolge identifizieren, die im Vergleich zu ihrer aktuellen Praxis durch Model-Based Design erzielt werden können. Eine erfolgreiche Einführung von Model-Based Design besteht aus aufeinander aufbauenden Schritten, die ein Projekt voranbringen können, ohne es auszubremsen:

  1. Experimentieren mit einem kleinen Teil des Projekts.
  2. Aufbauen auf den ersten Modellierungserfolgen.
  3. Verwendung von Modellen zur Lösung bestimmter Entwurfsprobleme.
  4. Festhalten an den Grundlagen.
  5. Nutzen der Erfahrung von MathWorks Experten.

Einzelheiten zu den Erfahrungen und Einführungsansätzen kleiner Teams finden Sie im Whitepaper So nutzen Ingenieure Model-Based Design.

Ein dreiköpfiges Ingenieurteam bei Océ konnte mit der Unterstützung durch MathWorks Training innerhalb von einer oder zwei Wochen Model-Based Design einführen.

„Wir hatten keine vorherigen Erfahrungen mit Simulink Coder und Stateflow®. Trotzdem konnten wir nach ein oder zwei Wochen mit MathWorks Training hochgradig komplexe Szenarien ohne Schwierigkeiten beschreiben.“

René van der Meer, Forscher, Océ

Messung des Return-on-Investment (ROI)

Die Einführung von Model-Based Design kann erhebliche Einsparungen während der Systementwurfsphase, der Entwicklungsphase und der Testphase ermöglichen. Unternehmen, die Model-Based Design einführen, erzielen im Vergleich zu traditionellen Methoden Einsparungen von 20 bis 60%.

Weiterführende Informationen zur Quantifizierung der erwarteten Einsparungen mit Model-Based Design gegenüber einem traditionellen Entwicklungsansatz finden Sie im Whitepaper Messen des Return-on-Investment des Model-Based Designs.

Vanderhall Motor Works, ein Elektrofahrzeug-Start-up, führte Model-Based Design ein und entwickelte mit einem kleinen Ingenieurteam in weniger als einem Jahr ein vollelektrisches Utility Task Vehicle (UTV).

Das MathWorks Startup Program

Das MathWorks Startup Program bietet qualifizierten Start-ups niedrige Einstiegspreise, Unterstützung durch Anwendungsexperten und technischen Support, Schulungsoptionen in den jeweiligen Sprachen, unter anderem mit 50% Ermäßigung auf Training Credits, sowie Co-Marketing-Möglichkeiten zur Präsentation ihrer Technologie oder ihrer Produkte. Die umfassende Unterstützung und die Ressourcen von MathWorks sind besonders nützlich für Start-ups, die möglicherweise nicht über das gleiche Maß an internem Know-how oder internen Ressourcen verfügen wie größere Unternehmen.

RangeAero, ein Start-up für autonome Transporthubschrauber, arbeitete mit dem Team von MathWorks Application Engineering zusammen, um Tools für Model-Based Design einzuführen und komplexe Probleme zu lösen.

Monarch Tractor, ein Start-up im Bereich der autonomen Traktoren, konnte mit der Unterstützung des MathWorks Startup Program Model-Based Design einführen und sein erstes Fahrzeug auf den Markt bringen.

Das MathWorks Accelerator-Programm

Das MathWorks Accelerator-Programm hilft Start-ups in Partner-Accelerators dabei, ihre Entwicklung voranzubringen. Dabei werden die Start-ups wie vollwertige kommerzielle Kunden behandelt, die technischen Support und Anleitung von Expertenteams erhalten und gleichzeitig kostenlosen Zugang zu praxisbewährter Software haben.

Forge, ein indischer Accelerator, tat sich mit dem MathWorks Accelerator-Programm zusammen und ermöglichte seinen Start-ups die Einführung von Model-Based Design und technischen Informatiktools in ihrer Entwicklung.

Xfinito Biodesigns, ein Start-up-Unternehmen, das Gründerunterstützung von der Dayananda Sagar Entrepreneurship Research & Business Incubation Foundation (DERBI Foundation) erhielt, konnte mit der Unterstützung von MathWorks ein neuartiges Medizinprodukt für die Behandlung von diabetischer Neuropathie bereitstellen.

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Mit Model-Based Design zum Erfolg

Ganz gleich, ob sie erneuerbare Energiesysteme zur Bewältigung der Klimaherausforderungen entwickeln, die Zukunft der Mobilität zu Wasser, zu Lande und in der Luft gestalten oder mit neuen Medizinprodukten für mehr Lebensqualität sorgen – Start-ups aus zahlreichen Branchen konnten mit Model-Based Design konsistent unmittelbare und belastbare Ergebnisse erzielen.

Mit einem schrittweisen Ansatz und Unterstützung durch MathWorks können Start-ups erfolgreich Model-Based Design nutzen und Innovationen schnell, kostengünstig und effizient von der Idee zur Produktion führen.