Model-Based Design pro vývoj technických systémů
Metoda Model-Based Design nabízí moderní přístup k vývoji technických systémů, zefektivňuje vývojový proces a umožňuje dodávat na trh produkty, které splňují požadavky na bezpečnost, spolehlivost, účinnost a výkon. Metoda se opírá o simulační modely fyzických komponent, jako jsou mechanické, elektrické či kapalinové části systému. Na jejich základě je možné vyvíjet pokročilý řídicí a obslužný software, který je dnes nedílnou součástí většiny technických zařízení. Software je možné podrobně testovat a nakonec jej převést do podoby vhodné pro cílovou platformu s využitím automatického generování zdrojového kódu.
Co je metoda Model-Based Design
Metoda Model-Based Design (zkráceně MBD) je postavena na systematickém využívání simulačních modelů napříč vývojovým procesem. Simulace s virtuálním modelem umožňují rychle získat vhled do chování systému v reálném světě, provádět virtuální testování různých scénářů a ověřovat funkčnost vestavěného softwaru (embedded sw). Využití modelů pomáhá urychlit posouzení variant, bezpečně studovat mezní případy a zlepšit celkovou kvalitu vyvíjeného systému. Vývojovým prostředím pro aplikaci metody Model-Based Design je například software MATLAB a Simulink.
Schematické znázornění vývoje metodou Model-Based Design
Mezi základní přínosy metody Model-Based Design patří:
- vývoj, testování a implementace algoritmů
- optimalizace návrhu a analýza možností pomocí simulací
- ověření splnění požadavků v raných fázích vývoje
- generování kódu pro vývoj prototypu i výrobu (mikroprocesory, FPGA, SoC)
- analýza dat z provozu zařízení včetně konceptu digitální dvojče
- vývoj dle standardů, jako jsou AUTOSAR, ASPICE, ISO 26262, EN 50128 a MISRA-C
Modelování systému
Modelování systému (fyzické soustavy) je obvykle prvním krokem, který při aplikaci metody MBD řešíme. Model systému lze získat dvěma základními přístupy – modelováním fyzikálních vztahů a/nebo identifikací modelu z dat naměřených přímo na reálném zařízení. Každý z přístupů má své výhody a oba přístupy lze také vzájemně kombinovat. Výhodou modelu založeného na fyzikálních principech je to, že jej můžete vytvořit, aniž bychom měli fyzické zařízení k dispozici a můžete jej tedy využít i v raných etapách vývoje. Výhodou přístupu založeného na datech z reálného zařízení je relativní snadnost jeho získání a fakt, že model přímo odráží chování systému, který máme „v ruce“. V prostředí MATLAB a Simulink se modely vytváří v grafické podobě blokových schémat.
Různé přístupy k vytvoření simulačního modelu v prostředí Simulink
Vývoj algoritmů
Na modelování soustav navazuje návrh, vývoj a testování softwarových algoritmů. Jedná se obvykle o řídicí systémy, algoritmy pro úpravu a zpracování měřených signálů, případně analýzu obrazu a podobně. Cílem je, aby byl výsledný algoritmus provozovaný ve spojení s reálným zařízením, a to ve formě vestavěného programu na zvolené cílové platformě (mikroprocesor, FPGA, apod.).
Vývoj vestavěného software sestává ze dvou kroků. Prvním krokem je vytvoření a testování algoritmu ve formě simulačního modelu. Model algoritmu je možné simulovat ve spojení s modelem soustavy a testovat tak chování algoritmu, aniž bychom ohrozili reálné zařízení.
Druhým krokem je generování zdrojového kódu pro zvolenou cílovou platformu. Toto generování je plně automatické a jedná se v podstatě o převod funkčnosti algoritmu z modelovacího prostředí do cílového jazyka (C/C++, VHDL, apod.) učeného k implementaci na vybraný hardware.
Ukázkový model vektorového řízení pohonu (FOC) a vygenerovaný kód v jazyce C
Verifikace a testování
Hlavním přínosem metody je možnost průběžného ověřování funkčnosti pomocí simulací. Můžeme ověřovat, zda navržené řešení odpovídá zadaným požadavkům, zda algoritmus funguje i pro krajní případy chování soustavy nebo zda cílový zdrojový program splňuje závazné standardy. Testování navíc může probíhat i v reálném čase, kdy simulovaný algoritmus propojíme s reálnou soustavou nebo naopak simulovanou soustavu propojíme s reálným elektronickým zařízením nesoucím vestavěný software.
Závěr
Metoda Model-Based Design nabízí moderní a flexibilní přístup k vývoji technických systémů. Založení vývoje na simulačních modelech zefektivňuje vývojový proces a umožňuje dodávat na trh produkty, které splňují požadavky na bezpečnost, spolehlivost, účinnost a výkon.
Navazující články:
- Vývoj elektrických pohonných systémů metodou Model-Based Design
- AI a Model-Based Design – vývoj technických systémů využívajících AI
Jaroslav Jirkovský (HUMUSOFT) , 11.03.2024