Approche virtuelle pour la conception et le développement de systèmes mécatroniques – Méthodologie

Pour offrir des services nouveaux et des performances accrues dans le respect de l'environnement, la plupart des produits industriels, même les plus simples, deviennent plus intelligents et plus évolutifs grâce à l'introduction massive d'informatique et d'électronique. Les systèmes de transmission de puissance mécanique tirent eux aussi profit de cette évolution. En intégrant toujours plus d'électronique et d'informatique, ils deviennent de plus en plus mécatroniques [BM 8 000]. C'est ainsi que plus de 30 % de la valeur d'une automobile de milieu de gamme est aujourd'hui lié à l'informatique et à l'électronique : on ne compte pas moins d'une bonne vingtaine de processeurs sur ces véhicules.

L'amélioration des performances, la recherche de fonctionnalités nouvelles, la réduction des coûts et la maîtrise de l'impact environnemental sont autant d'objectifs contradictoires qui posent des challenges constants pour la conception et le développement. Pour répondre à ces besoins, les produits mécatroniques ont naturellement tendance à se complexifier [BM 8 080]. Ils se présentent alors comme des systèmes technologiques complexes dans lesquels de nombreux éléments de technologies très variées interagissent fortement. Par exemple, sur un avion gros porteur, les commandes de vol impliquent plus de 50 actionneurs de commande de vol qui comportent des éléments mécaniques, hydrauliques, électrotechniques, électroniques analogiques et numériques, thermiques, et qui interagissent avec les réseaux de puissance électriques et hydrauliques, les réseaux d'information, la cellule, l'avionique, etc.

Bien établie industriellement domaine par domaine, la conception des systèmes mécatroniques basée sur les modèles est encore délicate à mettre en œuvre efficacement. Certes, de nombreux logiciels commerciaux sont désormais disponibles, mais ils sont encore souvent dédiés à des types d'activités (par exemple synthèse de la commande ou dimensionnement en résistance mécanique) ou à des domaines technologiques (par exemple systèmes mécaniques poly-articulés, mécanique des fluides ou électrotechnique). Malheureusement, les concepteurs et développeurs sont souvent démunis dès lors qu'ils veulent appliquer une démarche intégrée basée sur les modèles. Malgré cette diversité de l'offre logicielle, ils manquent de méthodologies structurées pour mettre en œuvre efficacement une approche virtuelle avec une vision système (fortes et multiples interactions) sur des produits mécatroniques (par nature multidisciplinaires) et pour des tâches variées (architectures, analyse, dimensionnement, intégration et vérification, etc.).

Pour concevoir ces systèmes mécatroniques [BM 8 020], il est donc intéressant de s'appuyer sur les processus d'ingénierie des systèmes tels qu'ils sont définis dans des standards ou dans des guides de bonnes pratiques dédiés à un secteur industriel particulier. Initialement conçus pour les systèmes complexes, ces processus se propagent rapidement des intégrateurs (par exemple constructeurs d'avions ou d'automobiles) aux systémiers (par exemple fournisseurs de commandes de vol ou de systèmes de freinage) puis aux équipementiers (par exemple fournisseurs de servocommandes ou d'antiblocage de roue) et même aux fournisseurs d'organes (par exemple de pompe d'actionneur de commande de vol ou électrovanne proportionnelle d'ABS).

La complexité de la conception et du développement est réduite par décomposition du produit en niveaux (par exemple produit, systèmes, sous-systèmes, équipements, organes, composants élémentaires) et pour chaque niveau en activités (par exemple exigences, architectures, dimensionnement, fabrication/intégration, essais). La virtualisation, c'est-à-dire le recours à des modèles numériques de la réalité, est un moyen efficace de réduire la durée des cycles de développement, des risques et des coûts [S 7 260]. La dématérialisation permet ainsi de procéder à des itérations multiples et rapides pour évaluer les concepts, prévoir les performances des produits, ou même les optimiser et les robustifier (c'est-à-dire maintenir le niveau de performance au cours de la vie opérationnelle).