THEMA First time right van ontwerp naar productie.
Hoogste tijd voor Model Based Design
De wereld om ons heen verandert – zie drones en zelfrijdende auto’s – doordat de ontwikkelingen rond sensoriek, rekenkracht, communicatie en besturing elkaar 
versterken. Dat was de boodschap van MathWorks-marketeer Rich Rovner op de eerste MATLAB Conference in de Benelux. MathWorks, voegde hij eraan toe, biedt met MATLAB en Simulink de tools om die wereld vorm te geven, middels Model Based Design. Daarmee proberen machinefabrikanten, van supernauwkeurige lithografie tot grofstoffelijke landbouw, greep te houden op hun ontwerpproces.
- Systemen worden almaar complexer, met steeds meer (softwaregebaseerde) functionaliteit.
- Eerst de systeemhardware ontwerpen en dan de besturingssoftware, kost te veel tijd en levert te veel fouten op.
- ‘Ook mkb’ers, zoals toeleveranciers, kunnen met Model Based Design werken.’
- ‘Mkb en onderwijs hebben behoefte aan een ‘lichtgewicht’ MBD-proces.’
Amerikanen weten het vaak mooi te zeggen. Rich Rovner, vice president Marketing van MathWorks, spreekt half juni op de MATLAB Conference 2015 Benelux in Eindhoven van ‘the transformative fusion of sensing, computing, communication & control’. Om te beginnen: sensoren, waaronder camera’s, worden almaar kleiner, beter en goedkoper – een smartphone telt nu al 15-20 sensoren. Rekenkracht voor de verwerking van alle sensordata is tegenwoordig schier onbeperkt beschikbaar dankzij steeds krachtiger processoren en de alom aanwezige cloud. Gevoegd bij de gestage opmars van draadloze communicatie – van 3G naar 4G naar 5G, maar ook wifi en Bluetooth – legt dat de basis voor het ontwikkelen van almaar complexere systemen met steeds meer (softwaregebaseerde) functionaliteit. De zelfrijdende auto bijvoorbeeld verwerkt informatie van allerlei sensoren (voor voetgangerdetectie, rijbaandetectie, enzovoort) en externe verkeerssystemen, en communiceert met collega-auto’s en verkeerscentrales om veilig z’n weg te kunnen vinden.
De grote uitdaging ligt in het ontwerp van de besturing (control) van dergelijke complexe systemen. Dat lukt niet meer sequentieel: eerst de systeemhardware ontwerpen en dan de besturingssoftware, kost te veel tijd en levert te veel fouten op. Het moderne recept is Model Based Design (MBD): een complex systeem (hardware) ontwerpen met behulp van modellen en daaruit automatisch de besturing (software) genereren. MathWorks is een vooraanstaande leverancier van de tools daarvoor, in de vorm van MATLAB (voor algoritmeontwikkeling, data-analyse, visualisatie en numerieke berekeningen) en Simulink (voor modelgebaseerd ontwerpen en simuleren van multi-domein dynamische systemen).
Een team weigerde om met Simulink te werken; ze wilden hun robot meteen in C programmeren. Uiteindelijk gingen ze overstag en binnen een uur hadden ze al een model in Simulink. Dat was hun moment van ‘victorie’. Ze begrepen opeens de waarde van MBD: ze hoefden geen tijd meer te besteden aan low-level coding, maar konden die gebruiken om na te denken over de echte ontwerpproblemen.’
Complexiteit
Ontwikkelingen in de lithografie drijven de wet van Moore (structuren in halfgeleiders krimpen gestaag, waardoor de rekenkracht van processoren en de capaciteit van geheugenchips almaar toenemen). ASML bouwt er de machines voor die steeds meer kunnen, maar ook steeds complexer worden (zie infographic). Het Veldhovense bedrijf staat voor de uitdaging om deze groeiende 
complexiteit zo min mogelijk te laten leiden tot inefficiënties, meldt Markus Matthes, executive vice president Development and Engineering, op de MATLAB Conference in Eindhoven. Een oplossing ligt volgens hem in modelgedreven r&d: van het vastleggen van nieuwe systeemspecificaties in een model in MATLAB tot aan de formele verificatie van datzelfde model en het genereren van de softwarecode met behulp van Simulink.
Door een modelmatige aanpak in de vroege ontwikkelfase wil ASML het aantal problemen in de fase van systeemintegratie verminderen en zo het aantal (dure en tijdvretende) redesigns beperken. Op de steeds kleinere (nanometer)schaal van het lithografieproces gaan fysische verschijnselen een dominante rol spelen. Kleine variaties in bijvoorbeeld temperatuur of luchtvochtigheid hebben al een nadelig effect op de nauwkeurigheid; dus moet daarvoor worden gecorrigeerd. Matthes geeft een kleine illustratie: de laserbundel die via een systeem van lenzen op de halfgeleiderwafer wordt geprojecteerd warmt die lenzen iets op, waardoor zij gaan vervormen en de laserbundel een heel klein beetje de verkeerde kant op sturen. Daarvoor moet worden gecorrigeerd; met een lensmodel kan worden berekend hoe groot die correctie moet zijn. Dat model is geïmplementeerd en de softwarecode is geoptimaliseerd, zodat die correctie vliegensvlug kan worden uitgevoerd. Matthes concludeert: ‘Deze modelmatige aanpak zorgt ook op nanometerniveau voor efficiëntieverbeteringen. Het helpt ons om de wet van Moore te blijven voortdrijven.’
Naar het veld
In de meer grofstoffelijke wereld vindt Model Based Design ook al volop toepassing. Zoals bij 
(CNHi), multinationale fabrikant van ‘toys for boys’ zoals trucks, bussen, brandweerauto’s en landbouwmachines. CNHi’s inzet is op een hoger abstractieniveau te ontwerpen, door alles in modellen te vangen. Dat vereenvoudigt de overgang van abstracte innovatie naar concreet ontwikkelwerk en maakt het handmatige programmeren overbodig. MathWorks reikt CNHi de tools aan. Zoals voor de systeemintegratie, het combineren van de modellen van honderden modules tot één werkend voertuig. En voor concurrent engineering, in een groot team werken aan hetzelfde ontwerp met behulp van een gemeenschappelijke data dictionary.
In Eindhoven presenteren Carlo Cloet en Karel Viaene van de CNHi-vestiging in Zedelgem (B) de case van het IntelliFill systeem voor het oogsten van maïs. Een hakselaar in het veld blaast de maïs meteen in een meerijdende silagewagen; zo blijft de hakselaar continu in bedrijf, terwijl silagewagens elkaar afwisselen om de maïs af te voeren. De kunst is zo’n silagewagen gelijkmatig te vullen, zonder verliezen. Voorheen moest de hakselaar-chauffeur met ‘ogen in z’n achterhoofd’ de vulpijp in de gaten houden. CNHi ontwikkelde er een intelligent systeem voor met vision en een daaraan gekoppelde besturing van de vulpijp. De modelgebaseerde aanpak betaalde zich vooral uit bij het testen. Immers, het uiteindelijke fysieke testen in het veld kan alleen gedurende het – korte – oogstseizoen. Is dat voorbij dan is het bijna een jaar wachten op het volgende testvenster.
Door het model vooraf grondig virtueel te testen en verbeteren, konden de ontwerpers volstaan met één finale fysieke testperiode. Meerijdend op de hakselaar konden ze op hun laptop de laatste aanpassingen in het model meteen vertalen naar de besturingssoftware en opnieuw testen. Zo werkt het twee kanten op: Model Based Design brengt de werkelijkheid naar het model en het model naar de realiteit van het veld.
Model Based Design (MBD) op maat voor mkb en onderwijs
Voor mkb’ers – en onderwijsinstellingen – ligt er een barrière om te investeren in de expertise en tools voor MBD. Zij hebben behoefte aan een ‘lichtgewicht’ MBD-proces, aldus de laatste keynote-spreker op de MATLAB Conference, Jan Benders van de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (HAN). Hij is projectmanager Model-Based Development en leidde het RAAK-MKB-project Fast & Curious. ‘Samen met bedrijven uit automotive, machinebouw en robotica hebben we HANcoder ontwikkeld: een bibliotheek met functieblokjes, gecombineerd met een volautomatisch proces (op basis van Simulink, red.) om van die blokjes voor een machine of apparaat bruikbare besturingsprogrammatuur te maken. Ook hebben we HANtune ontwikkeld, een realtime dashboard waarmee alle waardes van een besturing kunnen worden uitgelezen en afgesteld, om de machine op precies de gewenste manier te laten werken.’
Zo is rond MBD een community ontstaan van bedrijven als Inalfa, VSE, e-Traction en Prodrive. Zij hebben, door de functieblokken te gebruiken en hun ervaringen terug te koppelen, de ontwikkeling van MBD een zet in de rug gegeven. Enkele bedrijven hebben daadwerkelijk meeontwikkeld. ‘Zo hebben we onze bibliotheek steeds verder kunnen uitbreiden met pre-competitieve, generieke blokken die voor alle community-leden én het onderwijs beschikbaar zijn.’
Als vervolg is vorig najaar het RAAK-MKB-project SMARTcode gestart. Doel: de software die MBD oplevert robuuster maken, zodat die niet alleen geschikt is voor protypering, maar ook voor certificeerbare serieproducten, verklaart Benders. ‘Zeker het mkb heeft vaak niet de mogelijkheid eerst rustig een prototype te ontwikkelen, dat te testen en daarna pas de series te ontwikkelen en bouwen. Product- en productie-ontwikkeling moet in één keer. Dit vervolg moet daarvoor de tools opleveren en onze community nog volwassener maken.’ En uiteindelijk de inzet van MBD in mkb en onderwijs tot wasdom brengen.
www.han.nl
Model in een uurtje
Rich Rovner noemt naast de zelfrijdende auto’s (of, iets minder vergaand, advanced driver assistance systems) als voorbeelden ook drones en cube sats (miniatuursatellieten die goedkoop in grote aantallen worden gelanceerd voor onderzoeks- of andere doeleinden). Nieuwe producten met een hoog Silicon Valley-gehalte (denk ook aan de Google Car). Maar ook in ‘traditionele’ industrieën – de automobielsector, aerospace, medische technologie, enzovoort – zijn de ontwikkelingen niet te stoppen. Aan de Nederlandse (hightech) industrie geeft de marketingman van MathWorks mee dat het een misverstand is te denken dat MBD alleen iets voor grote oem’ers zou zijn. ‘Ook mkb’ers, zoals toeleveranciers, kunnen deze aanpak hanteren in hun ontwerpproces.’ Het wil niet zeggen dat er geen barrières liggen. ‘Bedrijven hebben een bestaande ontwerpaanpak, kennen een bepaalde workflow in hun proces van ontwerp naar productie en hebben al de nodige softwarecode. Daarin veranderen is psychologisch natuurlijk lastig. Maar wij bieden trainingen aan en hebben tools om die software naar een MBD-omgeving te brengen. We adviseren altijd: begin klein, niet in het hart van een groot project. En ga meten, laat zien hoe groot de reductie is van je ontwerptijd, om je organisatie van de waarde van MBD te overtuigen. MathWorks sponsort studentenwedstrijden, bijvoorbeeld op robotica-gebied.
