Dyson - 시스템 수준 시뮬레이션을 통한 신제품 개발 가속화 사례

모델 기반 설계를 사용해 개발된 1세대 제품

Dyson의 연구 결과, 최고의 습식 세척 솔루션을 위해서는 새로운 접근 방식이 필요하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이로 인해 수세기 동안 사용되어 온 가정 필수품인 걸레를 재해석한 Dyson WashG1이 탄생했습니다.

이 최신 기술을 개발하기 위해 Dyson 엔지니어들은 항공우주 산업 등 다른 산업의 복잡한 시스템을 위한 엔지니어링 방법을 차용해 일상적인 제품을 설계했습니다. 기존 제품의 새로운 버전을 개발하는 데는 효과적이었던 Dyson의 문서 기반 워크플로는 새로운 제품계열을 만드는 데는 적합하지 않았습니다. 그 대신, Dyson의 수석 고급 제어 시스템 엔지니어인 Romain Guicherd는 자신의 팀을 설득하여 모델 기반 설계를 시도하게 했습니다. 모델 기반 설계는 시스템 수준 시뮬레이션 모델을 사용해 엔지니어드 시스템을 개발하는 방법을 개선합니다.

"이를 통해 개발 워크플로를 가속화하고 테스트를 위한 더욱 강력한 코드를 제공할 수 있었습니다." Guicherd는 말했습니다.

1세대 제품

Dyson은 진공청소기와 같은 기존 제품의 새로운 버전을 설계할 때, 개발 과정에서 한 팀에서 다음 팀으로 요구사항을 전달하기 위해 문서 기반의 서면 접근 방식을 사용합니다. 이러한 접근 방식은 엔지니어가 과거 설계와 내장형 소프트웨어를 참조하고 반복할 수 있으므로 기존 제품에 적합합니다. 그러나 이러한 문서 전달 과정은 완전히 새로운 제품계열의 개발을 방해할 수 있습니다.

Dyson WashG1은 젖은 액체와 마른 이물질을 제거합니다. — Dyson WashG1. (이미지 출처: Dyson)

"서면으로 작성된 설계 사양을 사용하면 다른 엔지니어가 요구사항을 다르게 해석할 수 있습니다." Guicherd는 말했습니다. "새로운 제품계열을 개발하는 것은 팀 간의 의사소통 오류를 줄이고 보다 원활한 협업 프로세스를 보장하는 새로운 작업 방식을 모색할 수 있는 기회였습니다."

순조로운 공정으로 가는 험난한 길

Dyson은 모델 기반 설계를 혁신적 역량을 탐색할 수 있는 프로세스로 여겼습니다.

"우리는 다양한 개념과 방향을 탐색해야 했습니다." Guicherd는 말했습니다. "모델 기반 설계와 Simulink 모델을 사용하면서 민첩성을 확보하고 문서 기반 개발 프로세스에 비해 두 배나 빠르게 새로운 아이디어를 구현할 수 있었습니다."

"모델 기반 설계와 Simulink 모델을 사용하면서 민첩성을 확보하고 문서 기반 개발 프로세스에 비해 두 배나 빠르게 새로운 아이디어를 구현할 수 있었습니다."

WashG1의 핵심 세척 개념은 촘촘한 마이크로파이버 천으로 덮인 반대 방향으로 회전하는 롤러가 있는 세척 헤드를 통합한 것입니다. WashG1은 젖은 이물질과 마른 이물질을 분리하기 위해 트레이에 있는 모든 고체 이물질을 모아주는 일련의 보조 롤러를 사용합니다. 트레이 바닥에는 메쉬 필터가 있어서 액체가 더러운 물 탱크로 통과할 수 있습니다. 이 모든 것을 실현하고 모든 잠재적 상황을 처리하기 위해 Guicherd의 팀에는 상호 작용하는 시스템 요소의 시뮬레이션을 용이하게 하고 설계부터 코드 생성, 소프트웨어 테스트까지 모든 것을 지원하는 툴이 필요했습니다.

청소 롤러의 제어 장치를 개발하기 위해 팀은 Simscape Electrical™을 사용하여 폼 롤러 모터와 모터 드라이브를 모델링했습니다. 팀은 Stateflow^® 사용해 청소기의 두 펌프에 대한 스케줄링과 제어를 설계했는데 하나는 깨끗한 물로 롤러에 수분을 공급하는 펌프이고, 다른 하나는 더러운 물을 추출하는 펌프입니다. Stateflow 또한 제품의 자체 세척 메커니즘을 구현하는 데 사용되었습니다.

WashG1의 세척 성능을 위해서는 여러 가지 선택 가능한 수분 수준이 필요하며, 각 수준에는 미세 조정 가능한 민감도 수준이 필요합니다. 이러한 다양한 설정과 세척 부하의 변화로 인해 정확한 전압 제어가 필요했습니다.

"우리는 Simulink 모델을 사용하여 파라미터를 조정하고 다양한 값을 테스트하여 모터 전압 제어를 미세 조정하고 더 빠르게 개발했습니다." Guicherd는 말했습니다. "시뮬레이션은 실물 프로토타입을 제작하지 않고도 설계 변경의 효과를 이해하는 데 도움이 되었습니다."

상호 연결된 구성 요소와 레이블이 지정된 선으로 구성된 복잡한 시스템을 보여주는 Simscape 모델의 도식. — Simscape에서 모델링된 Dyson 롤러 기술. (이미지 출처: Dyson)

팀은 Requirements Toolbox™를 사용해 요구사항을 Simulink^® 모델에 연결했으며, 이를 통해 요구사항이 어떻게 제품 기능을 탄생시키는지를 볼 수 있습니다. "Requirements Toolbox를 사용하기 전에는 하드웨어 테스트 단계에 도달하기 전까지는 요구사항이 잘못되었는지 알 수 없었습니다." Guicherd는 말합니다. "요구사항을 모델에 연결하면 각 요구사항이 어떻게 구현되는지, 그리고 요구사항 간의 관계를 파악할 수 있습니다."

설계에 대한 시스템 시뮬레이션의 이점

Simulink 및 Simscape™를 활용한 모델 기반 설계를 통해 보다 체계적인 접근 방식이 가능해졌고, Dyson은 프로토타입을 제작하고 테스트하기 전에 다양한 유형의 루프 내 테스트를 수행할 수 있었습니다. 모델 기반 설계를 통해 엔지니어는 멀티도메인 모델링을 수행하고 다른 팀과 협업할 수 있습니다. 예를 들어, Guicherd의 팀은 셀과 배터리 관리 시스템 팀의 데이터를 사용하여 정확한 4셀 배터리팩 모델을 만들었습니다. Guicherd의 그룹은 전자팀과 협력하여 Simscape Electrical을 사용하여 전력전자 하드웨어의 동작을 모델링하고 시뮬레이션했습니다.

"Simulink를 사용해 시스템 수준 시뮬레이션을 수행함으로써 더 많은 설계 옵션을 고려하고 장단점을 비교할 수 있었고, 그 결과 프로젝트의 설계 단계에 더 많은 시간을 투자할 수 있었습니다. 그 덕분에 설계 오류와 통합 문제를 수정하기가 더 쉽고 비용이 적게 들 때 발견할 수 있었습니다."

"Simulink를 사용하여 시스템 수준 시뮬레이션을 수행함으로써 더 많은 설계 옵션을 고려하고 장단점을 비교할 수 있었고, 그 결과 프로젝트의 설계 단계에 더 많은 시간을 투자할 수 있었습니다." Guicherd의 말입니다. "그 덕분에 설계 오류와 통합 문제를 수정하기가 더 쉽고 비용이 적게 들 때 발견할 수 있었습니다."

소프트웨어 아키텍처에서 임베디드 코드까지

이후 프로젝트에서 팀은 소프트웨어 아키텍처를 개발하기 위해 System Composer™를 추가했습니다. "System Composer를 사용하여 제품 및 소프트웨어 팀이 함께 협력하여 소프트웨어 인터페이스와 스케줄링을 개발하고 다양한 시나리오를 모델링했습니다." Guicherd의 말입니다. System Composer를 사용하면 팀은 대규모 모델을 논리적 그룹으로 구성하여 병합 충돌을 피하면서 팀 협업을 수행할 수 있습니다.

"신속 제어 프로토타이핑을 사용하면 코드를 빠르게 생성하고 다음 날까지 실험실에서 제품이 어떻게 작동하는지 보여줄 수 있습니다."

Simulink 모델은 제품 동작에 대한 시각적 설명을 제공했으며, 이를 통해 개발 프로세스 전반에 걸쳐 팀원 간의 협업이 향상되었습니다. 이러한 제어 시스템 모델에서 C 코드가 생성되었습니다. "우리는 모델을 조정하고, 일부 부분에 주석을 달고, 새로운 블록을 추가한 다음, 소프트웨어 엔지니어에게 청소기의 새로운 동작을 보여주었습니다. "신속 제어 프로토타이핑을 사용하면 코드를 빠르게 생성하고 다음 날까지 실험실에서 제품이 어떻게 작동하는지 보여줄 수 있습니다." Guicherd는 말합니다.

팀은 직접 코딩하는 대신 Embedded Coder^®를 사용해 Simulink 모델로부터 C 코드를 생성했습니다. 그런 다음 소프트웨어 팀은 이를 기계의 NXP™ 마이크로컨트롤러의 주요 코드 베이스에 통합했습니다. "Embedded Coder를 사용하면 9일마다 소프트웨어를 출시할 수 있습니다." Guicherd는 말했습니다. "이전에 직접 코딩할 때는 10주에 한 번 정도였습니다."

"처음에는 실험실에서 작동하도록 만드는 데 더 집중했기 때문에 모델과 생성된 코드가 핵심이었습니다. 하지만 곧 우리는 이 모델과 코드, 테스트, 적용 범위가 우리 제품을 더욱 개선하고 있다는 걸 깨달았습니다." Guicherd는 말합니다.

완벽을 향한 테스트

이 팀은 이전 제품보다 설계를 개선하는 데 더 많은 시간을 할애했습니다. Simulink를 사용하면 시뮬레이션 중에 발생한 오류를 신속하게 해결할 수 있었고, 이는 테스트 중에도 효과가 있었습니다. 이 단계는 과거보다 훨씬 간단하고 빨라졌으며, 팀의 개발 시간과 노력을 절약할 수 있었습니다.

"Embedded Coder를 사용하면 9일마다 소프트웨어를 출시할 수 있습니다. 이전에 직접 코딩할 때는 10주에 한 번 정도였습니다."

"모델에서 뭔가를 설계하고 그것이 작동하면, 그것을 제품에 넣으면 모델과 똑같이 작동합니다. 그런 의미에서 테스트는 매우 간단했습니다." Guicherd의 말입니다. "무결함 배포가 가능해졌습니다."

WashG1의 모델 기반 설계와 코드 생성이 성공하면서 소프트웨어 팀의 초기 회의론은 사라졌습니다. 생성된 코드가 내부 표준을 준수하고 실행 효율성을 유지할 수 있는 능력에 대해 경계심을 갖게 된 이후, 그들은 코드에 대한 확신을 갖게 되었습니다. 이제 소프트웨어 팀은 하드웨어 팀과 협력하여 생성된 코드에 대한 API를 정의합니다. 모델 기반 설계에 Simulink를 사용하면 유연성과 속도 모두 향상됩니다.

"이제 그들은 우리에게 다시 한 번 같은 작업을 해달라고 요청하는 첫 번째 사람들이 되었고, 이 프로세스를 다른 제품에도 사용할 수 있는지 물었습니다." Guicherd는 말합니다. "프로젝트의 복잡성이 증가함에 따라 모델 기반 설계의 이점을 알게 되었습니다."

Dyson WashG1 걸레 테스트. (비디오 출처: Dyson)

WashG1의 향후 반복 작업에서 Dyson 팀은 모델의 요소를 재사용할 수 있으며, 모델 기반 설계를 사용한 설계 방법론의 사례는 다른 부서에서도 주목을 받고 있습니다. 예를 들어, Guicherd에 따르면 팀에서는 헤어 케어 제품 및 바닥 관리의 다른 측면에서 이를 사용하는 것을 고려하고 있으며, Dyson 제품 전반에 걸쳐 더 많은 혁신을 이룰 수 있는 길을 마련하고 있습니다.

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