En resumen. Nuestra metodología recomendada para el diseño de sistemas de localización utiliza el modelo en V: una ruta estructurada desde los requisitos hasta la producción en masa con el menor riesgo, coste y tiempo posible. El lado izquierdo del modelo en V define y diseña; el lado derecho valida y escala. Cada decisión del lado izquierdo se convierte en una prueba o una restricción en el lado derecho, y el coste de modificarla aumenta aproximadamente diez veces por etapa.
Los problemas de posicionamiento más complejos rara vez tienen que ver con el posicionamiento. Tienen que ver con el diseño de sistemas.
En el área de ingeniería de campo de Point One, los equipos de robótica y autonomía suelen acudir a nosotros con una consulta sobre las correcciones en nuestra red RTK o nuestro motor de posicionamiento, pero en cuestión de minutos la conversación suele derivar en un debate más amplio sobre todos los componentes de la pila de localización y cómo interactúan entre sí.
No se puede obtener un posicionamiento de calidad sin acertar en las decisiones a nivel de componentes. Antes de centrarnos en componentes específicos, errores o mejores prácticas, conviene repasar el modelo en V y la metodología que permite alcanzar la producción en masa con el menor riesgo, el menor coste y el plazo más corto.
Definición del diseño del sistema de localización
El diseño de sistemas es la disciplina que consiste en determinar qué se está construyendo, cómo se estructurará su arquitectura y cómo se probará, antes de comprometerse con el diseño detallado y la fabricación. Si se hace bien, da como resultado un conjunto claro de requisitos, una arquitectura que los satisface y un plan de validación que lo demuestra.
Un sistema de localización es la pila tecnológica que permite a un robot, vehículo o dispositivo obtener su posición en el mundo. Point One se centra en el GNSS y la fusión inercial, pero el trabajo rara vez termina ahí; ayudamos en toda la pila que nuestros clientes están diseñando. Esa pila incluye todo lo relacionado con la emisión final de una posición: antenas, receptores GNSS, IMU, la dinámica de la plataforma inherente al movimiento de una máquina específica y, cada vez más, la fusión de sensores de cámaras y lidar con la solución GNSS/INS.
Los siguientes ejemplos provienen de pilas basadas en GNSS, ya que es donde pasamos la mayor parte del tiempo con nuestros clientes.
La forma del modelo en V
El enfoque del modelo en V es un método de ingeniería de sistemas ampliamente utilizado y estandarizado en el desarrollo aeroespacial, de defensa y automotriz. Lo hemos adaptado específicamente para la localización.
El lado izquierdo es donde defines lo que estás construyendo: requisitos, diseño de sistemas y diseño detallado, cada uno más específico que el anterior. La parte inferior es donde construyes el primer hardware y lo validas: EVT (prueba de validación de ingeniería). El lado derecho es donde demuestras que el sistema funciona a medida que aumenta la integración y la escala: DVT (prueba de validación de diseño), PVT (prueba de validación de producción) y producción en masa.
Cada paso en el lado derecho del modelo en V pone a prueba una decisión tomada en el lado izquierdo. Por ejemplo, la construcción se valida en el EVT, el diseño detallado en el DVT, el diseño del sistema en el PVT y los requisitos en la aceptación.
Cada decisión en el lado izquierdo también genera una prueba o una restricción en el lado derecho. Si te apresuras en algo en el lado izquierdo, te darás cuenta en el lado derecho. Cuanto más avanzado sea el punto del lado derecho en el que se detecte el problema, más costosa será su solución.
Explicación de las fases del modelo en V
Requisitos
Todo empieza con la pregunta de la que depende todo lo demás: ¿qué es lo que realmente intentas lograr?
Para un sistema de localización, la respuesta superficial suele ser una cifra, como «necesitamos una precisión de 10 cm». Pero eso es el parámetro, no el requisito. Las verdaderas preguntas están por debajo:
- ¿Qué salida de posición necesitas realmente? ¿Posición absoluta, actitud, velocidad o las tres?
- ¿Qué objetivo de negocio depende de esta posición? Un dron que captura datos cartográficos de calidad topográfica necesita algo muy diferente a un robot de reparto que navega hasta la puerta de una casa.
- ¿En qué entorno operará el sistema? ¿Cielo abierto, cañón urbano, interiores, bajo la copa de los árboles o todo lo anterior?
- ¿Qué significa «suficientemente bueno» cuando se interrumpe la señal GNSS? ¿Se permite que el sistema falle o necesita seguir funcionando?
- ¿Qué nivel de fiabilidad requiere la aplicación y para qué tamaño de flota?
La cuestión no es solo la precisión, sino tener la precisión suficiente para hacer qué. Un equipo de cartografía con drones y un equipo de vehículos autónomos pueden decir ambos «tres centímetros», pero los requisitos detrás de esas dos afirmaciones apuntan a niveles de hardware, estrategias de corrección y clases de IMU completamente diferentes.
Dedicamos mucho tiempo a ayudar a los clientes a convertir los objetivos de precisión en requisitos reales que tengan en cuenta el entorno, la dinámica, los modos de fallo y el resultado comercial.
Diseño del sistema
Una vez claros los requisitos, el diseño del sistema es la fase en la que se determina, a grandes rasgos, cómo es la arquitectura. ¿Qué sensores necesita la aplicación? ¿Cómo interactúan entre ellos? ¿Qué nivel de hardware exige el objetivo de rendimiento? Dependiendo de la complejidad, esta fase puede ser rápida o prolongada.
En esta etapa no se está diseñando una placa de circuito impreso (PCB) definitiva. Se está construyendo una versión representativa a nivel de hardware del sistema que se pretende diseñar, a veces a partir de kits de desarrollo y hardware de referencia, y se comprueba si cumple los requisitos antes de comprometerse con el diseño detallado.
Este es uno de los aspectos en los que Point One aporta más valor. Disponemos del hardware habitual (receptores, IMU, antenas, kits de desarrollo y el motor de posicionamiento ejecutándose en un ordenador representativo) para permitir realizar pruebas tempranas sin que tenga que buscar y integrar todo por su cuenta. Esto reduce el tiempo que va desde «creemos que esta arquitectura funciona» hasta «hemos medido que funciona», pasando de meses a semanas.
Diseño detallado
El diseño detallado convierte la arquitectura validada en un producto fabricable: el esquema, el CAD mecánico, la lista de materiales (BOM) y el diseño de la placa de circuito impreso. La línea entre ambas fases puede ser difusa, pero la distinción importa. El diseño del sistema valida cómo funciona; el diseño detallado lo convierte en algo que se puede fabricar.
Realizar el diseño detallado antes de que el sistema esté validado es una de las formas más habituales de que un proyecto se genere un costoso trabajo de rediseño.
EVT (prueba de validación de ingeniería)
En la parte inferior del modelo en V, la EVT es la primera vez que las placas diseñadas por el cliente llegan a sus manos, normalmente cinco o diez unidades. El objetivo es sencillo: validar que el hardware funciona. ¿Recibimos datos del receptor? ¿Está transmitiendo la IMU? ¿Produce el sistema los resultados que esperábamos?
La EVT consiste principalmente en pruebas de laboratorio y validación de ingeniería más que en validación sobre el terreno. La pregunta es: «¿el diseño que hemos trazado produce lo que esperábamos?»
Lo que NO es la EVT es una prueba de rendimiento. Todavía no sabrá cómo gestiona el sistema las multitrayectorias intensas ni cómo se comporta la IMU bajo la dinámica real de su plataforma. Eso viene después con la DVT.
DVT (prueba de validación de diseño)
La DVT cambia el enfoque de «¿funciona el hardware?» a «¿cumple el sistema integrado los requisitos técnicos y comerciales?». Ahora se realizan pruebas en entornos que se asemejan a la aplicación real, con volúmenes de unos pocos cientos de unidades y con datos que fluyen a través de la pila tecnológica real del cliente.
Aquí es donde la dinámica de la plataforma empieza a importar. Una motocicleta es un buen ejemplo. En la fase de EVT, se valida en un banco de pruebas que los chips y la placa emiten la salida correctamente. La DVT implica llevar la moto a la pista y validar que el sistema gestiona los cambios reales de actitud en las curvas, como el aspecto que tiene la salida de actitud en una curva muy inclinada. El objetivo ya no es «¿informa el receptor de una posición?». Es «¿gestiona el sistema de localización lo que la plataforma hace realmente?»
Cuando trabajamos con clientes, Point One participa activamente en la DVT. Cómo utiliza la salida de posición en su sistema general, cómo ajusta la integración y cómo gestiona los casos límite se define aquí a través de nuestra API, el motor de posicionamiento y la red de corrección.
Las decisiones tomadas en la DVT determinan si el sistema sobrevive al salto a la PVT.
PVT (prueba de validación de producción)
En la PVT, la pregunta pasa a ser: ¿podemos fabricar esto de forma fiable y a escala? El reto cambia de «¿funciona el diseño?» a «¿funciona el proceso de producción?»
Para cuando se llega a la PVT, el diseño ya debería ser estable. Por lo general, ya se habrá pasado por un par de iteraciones multiplicadas por diez (de 5 unidades a 50 y a 500), lo que saca a la luz problemas que no se aprecian con volúmenes más bajos. La PVT valida el proceso de fabricación: los bancos de pruebas, el software de validación, los procedimientos de calibración y los controles de calidad. Fabricar una unidad que funcione deja de ser el listón; fabricarla de forma constante sí lo es.
Aquí es también donde se construyen las herramientas de validación que se integran en la línea de fábrica, de modo que una unidad pueda ser flasheada y confirmada antes de su envío. Se trata de un volumen de trabajo independiente que abarca la validación de hardware y software, y es fácil subestimarlo. Point One ayuda a estructurar estos planes de prueba, incluida la integración de la API y los parámetros que deben estar disponibles en el entorno de pruebas para validar a escala.
Producción en masa y aceptación
En la producción en masa, el objetivo es sencillo: cada unidad que sale de la línea cumple las especificaciones, siempre. La pila de localización se flashea y configura como parte del proceso de fabricación, y la validación de la PVT pasa a funcionar como un control de calidad en la producción. La aceptación es la aprobación definitiva de que se han cumplido los requisitos establecidos desde el principio.
El coste de retroceder
El modelo en V es fundamental porque el coste de modificar una decisión aumenta drásticamente en cada etapa hacia la derecha, aproximadamente unas 10 veces por fase. Un cambio en los requisitos es solo una reunión. Un cambio en el diseño del sistema requiere unos días de trabajo de adaptación. Pero una vez fijado el esquema, se convierte en un gasto real. Con los prototipos ya fabricados, entramos en costes de reequipamiento. Y en fase de producción, hablamos de retiradas de producto.
Esa matemática justifica por completo el lado izquierdo. Tomar una decisión en la fase inicial frente a descubrirla en la final representa la diferencia entre una conversación de cinco minutos y un retraso de seis meses.
Permanecer en el bucle interno frente al externo
Cuando una deficiencia del lado izquierdo aflora tarde, un programa entra en uno de dos bucles posibles. El bucle externo implica requisitos, diseño, fabricación, EVT, fallo y vuelta a empezar: meses y presupuesto perdidos. El bucle interno comprende requisitos, prueba de concepto, diseño del sistema y diseño detallado, con un flujo constante de retroalimentación entre ellos: ajustado, económico y rápido.
El hábito que le mantiene en el bucle interno consiste en no aferrarse a una única arquitectura antes de haberla validado. Le recomendamos mantener abiertas dos o tres opciones hasta que los datos indiquen cuáles descartar.
La escala redefine los factores críticos
El modelo en V no es un proceso de una sola pasada; cada salto en la escala representa una transición que vuelve a ejecutarlo. Pasar de diez placas a cien multiplica por diez la escala, y experimentará varios saltos de este tipo hasta alcanzar estabilidad. Lo que cambia en cada nivel son los factores críticos: con diez unidades se puede ajustar manualmente cada dispositivo; con mil, la economía de unidades pasa a dominar y una elección económica de IMU se convierte en un coste para toda la flota; con diez mil, una tasa de fallo del uno por ciento significa un centenar de unidades con problemas sobre el terreno.
Cada salto también revela nuevos entornos y requisitos que pasaban inadvertidos en el nivel anterior, lo que le devuelve nuevamente al lado izquierdo.
Próximamente: Errores frecuentes en el lado izquierdo del modelo en V
Los equipos que cumplen con los plazos de entrega no son necesariamente los que cuentan con los mejores ingenieros o los mayores presupuestos. Son aquellos que ejecutan una fase izquierda estructurada antes de comprometer hardware: tratan los requisitos como un diálogo, realizan pruebas tempranas en el entorno real y diseñan un plan de validación que avanza en sentido inverso desde la producción. En próximas publicaciones analizaremos cómo implementamos este proceso.
No se trata de problemas aislados. Un sistema que reúne los componentes adecuados pero está mal configurado o se prueba en el entorno incorrecto no funcionará. El enfoque se centra en el comportamiento global del sistema.
En la próxima publicación analizaremos los errores más comunes del lado izquierdo que solemos observar: copiar y pegar especificaciones de receptores como requisitos, decidir la ubicación de la antena por cuestiones de diseño físico, elegir la IMU más económica sin modelizar las pérdidas de señal, asumir cobertura celular en todas partes y limitar la validación al aparcamiento. Cada uno de estos errores se puede prevenir en el lado izquierdo, pero resulta drástico de solucionar en el derecho.
No es posible acortar el modelo en V. Tan solo se puede elegir dónde invertir el tiempo: en la fase económica o en la costosa.
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Preguntas frecuentes
¿Qué es el modelo en V en el diseño de sistemas de localización?
El modelo en V es un marco estructurado para llevar un producto desde el concepto hasta la producción en masa. El lado izquierdo define y diseña mediante requisitos, diseño del sistema y diseño detallado. El lado derecho valida a través de las fases EVT, DVT y PVT a una escala progresiva. Cada decisión de diseño en el lado izquierdo se corresponde con una prueba o restricción en el lado derecho.
¿Qué es un sistema de localización?
El conjunto completo responsable de generar una posición fiable: la antena y el receptor GNSS, la IMU, la dinámica de movimiento específica de la plataforma y el software del motor de posicionamiento que fusiona todos los datos. Muchos sistemas también integran datos de cámaras, LiDAR o sensores de velocidad de las ruedas junto con las mediciones GNSS e inerciales.
¿Cuál es la diferencia entre EVT, DVT y PVT?
La fase EVT (validación de ingeniería) confirma que una placa diseñada funciona, por lo general en laboratorio con entre cinco y diez unidades. La fase DVT (validación de diseño) confirma que el sistema integrado cumple los requisitos en condiciones reales representativas y a mayor volumen. La fase PVT (validación de producción) confirma que el diseño se puede fabricar de forma fiable a escala, incluyendo el utillaje de la línea de montaje para validar cada unidad.
¿Por qué aumenta el coste de una modificación de diseño en las etapas posteriores del modelo en V?
Cada etapa acumula más trabajo que debe deshacerse al realizar un cambio. Un cambio en los requisitos es una breve conversación; una modificación en los esquemas implica reanudar el trabajo de diseño; un cambio tras fabricar los prototipos exige reequipamiento; y un cambio en producción puede derivar en una retirada del mercado. El coste se incrementa aproximadamente en un orden de magnitud por etapa, razón por la cual una validación temprana y económica aporta un valor estratégico tan elevado.