Als Treffpunkt der Entscheider und führender Business-Marktplatz ist die Agritechnica nicht nur Schaufenster der globalen Landtechnikindustrie und Forum für Zukunftsfragen, sondern auch Plattform für Innovationen. In diesem Jahr präsentiert die Messe unter dem Leitthema „Global Farming – Local Responsibility“ die aktuellen Technologien und Trends, die eine nachhaltige Produktivitätssteigerung in der Landwirtschaft ermöglichen und gibt Antworten, wie sowohl der Ertrag gesichert als auch die Umwelt geschont werden können.

 Verbesserte Sensorik, elektrische Antriebe und die damit einhergehende Elektronik haben die Komplexität der Maschinen in den letzten Jahren erheblich erhöht, was quasi als Folge auch neue digitale Bedienkonzepte erfordert, um das Maschinenpotenzial nutzbar zu machen und den Bediener zu unterstützen. Die Spanne der Neuheiten zur Fahrerentlastung beginnt bei der Nutzung von holografischen Elementen in der Fahrerkabine sowie erweiterten Realitäten (Augmented Reality) und geht bis hin zu frei konfigurierbaren Multiterminalsystemen. Überladeautomatiken mit künstlicher Intelligenz sowie radargestützten Personenwarnsystemen im Umfeld landwirtschaftlicher Maschinen dienen ebenfalls der Fahrerentlastung und sollen die Unfallhäufigkeit vermindern.

Was derzeit technisch machbar ist, präsentiert Fendt mit einer neuen Bedienphilosophie, mit der die Grenzen zwischen Onboard-Welt auf dem Traktor und Offboard-Welt im Büro verschwinden sollen. In der komplett neu gestalteten Kabine gibt es insgesamt vier Monitore mit freier Auswahl der Inhalte. So lässt sich beispielsweise die Spurführungsanzeige im elektronischen Armaturenbrett genauso anzeigen wie im Dachmonitor. Fast alle Tasten in der neuen Bedienarmlehne können mit individuellen Traktorfunktionen belegt werden. Über ein dynamisches Farbkonzept lässt sich die aktuelle Belegung schnell erkennen. Dies zeigt u. a. dass die „große“ Digitalisierung auch bei Traktoren definitiv angekommen ist. So zeigen mehrere Hersteller Telemetrie-Systeme für effizientes Flottenmanagement, Ferndiagnose und automatische Geräteerkennung über SmartTags und webbasierte Einstellempfehlungen. Ich wünsche allen Lesern Ihnen viel Spaß bei der Lektüre dieses Heftes und eine erfolgreiche Messe!

Editorial Gast

Oertel, Klaus

Mobile Automation

Elektronik

„Wir fungieren als externe  Entwicklungsabteilung“

Die 1990 gegründete und in Sachsen ansässige IBL-hydronic GmbH und Co. KG gehört zu den Topadressen in Deutschland, wenn es um die Kombination von Hydraulik und Elektrik geht. Das Unternehmen automatisiert im Kundenauftrag mobile Maschinen und hat dafür auch eigene Produkte entwickelt. Im Interview mit HANSER automotive stellt der Gründer und CEO Dr. Thomas Löcher eine Weltpremiere und den jüngsten Neuzugang im Produktportfolio vor.

Herr Dr. Löcher, Sie automatisieren mit Ihrem Unternehmen seit knapp 30 Jahren mobile Maschinen. Bis ins Fernsehen hat es einer Ihrer Kunden mit einer ferngesteuerten Abrissmaschine geschafft. Um was ging es und welchen Beitrag haben Sie zu dieser Weltpremiere beigesteuert?

Dr. Löcher: Es ging um den Abriss des ursprünglich 162 Meter hohen Kühlturms des AKWs Mülheim-Kärlich. Dafür wurde ein mobiler Bagger benötigt, der auf der Mauerkrone platziert, stückweise die obere Hälfte der Betonhülle abtragen sollte. Wir waren von Anfang an Teil des Projekts und haben zusammen mit dem Kunden das Anforderungsprofil für die Hydraulik, die Elektronik und den Funktionsumfang des Gesamtsystems definiert. Die komplette Elektronik, Teile der Hydraulik und die Software der Steuerung wurden dann von uns entwickelt und auch umgesetzt. Im Sommer 2018 hat der Bagger seinen Betrieb aufgenommen und sofort eine hohe mediale Aufmerksamkeit erzeugt. Es gab sogar einen Livestream im Internet.

Was war der schwierigste Teil bei dieser Aufgabe?

Das Schwierigste war, dass man von Anfang an wusste: Ist die Maschine erst einmal am Arbeitsort in über 100 Meter Höhe, sind Reparaturen oder Nachbesserungen nur noch bedingt oder gar nicht möglich. Unser genereller Anspruch, in kurzer Zeit funktionsfähige und ausfallsichere Systeme zu realisieren, wurde hier zur harten Anforderung. Es war klar, dass die Aufgabe nur mit den besten Ingenieuren und Fachkräften bewältigt werden kann. Unsere Experten und die des Kunden haben ein enges Team gebildet und vorbildlich zusammengearbeitet, was letztendlich auch den Erfolg brachte.

Wie hält sich die Maschine auf der nur 16 cm breiten Mauer?

Ja das war auch für uns alle die erste Frage. Aber Halten ist das Eine, Fahren und nicht Abkippen ist das Andere und der bedeutend schwierigere Teil. Ein spezielles System aus Abstützung, Fahrwerk und Steuerung machte dies möglich. So wird permanent die Neigung der Maschine überwacht und korrigiert. Die Abstützungen gewährleisten ein sicheres Bewegen der Maschine innerhalb der zulässigen Neigungsgrenzen und geben dem System den notwendigen Halt auf der Abtragekante.

Welche besonderen Anforderungen stellt die Maschine an die Hydraulik und die Elektrik?

Die Funktionalität stellt erst einmal im Vergleich zu herkömmlichen Projekten keine besonderen Anforderungen. Allerdings ist die Maschine völlig ungeschützt den Unbilden des Wetters ausgesetzt: UV-Strahlung, große Temperaturschwankungen, Stürme, Starkregen und nicht zuletzt diverse Blitzeinschläge musste die Maschine wegstecken. Da kommt es auf die Robustheit und die Zuverlässigkeit im besonderen Maße an. Das System hat sich hier über die zwölf Monate währenden Abrissarbeiten bestens bewährt.

Hydraulik und Elektrik wachsen immer enger zusammen. Worin liegt nach Ihrer Erfahrung dabei die größte Herausforderung für die Hersteller von Arbeitsmaschinen und wie können Sie dabei helfen?

Wir arbeiten vorwiegend mit Mittelständlern zusammen, die im Allgemeinen keine eigene Entwicklungsabteilung unterhalten. Hier springen wir ein und fungieren als externe Entwicklungsabteilung. Diese Arbeit ist vom Projektgeschäft und oft sehr ambitionierten Terminplanungen geprägt. Unter diesen Bedingungen ist es wichtig, die Auslegung von Hydraulik und Elektronik inklusive Sensorik sowie der Mechanik ganzheitlich zu betrachten und durchzuführen. Nur so lassen sich sehr gute Ergebnisse auch in kurzer Zeit erreichen. Besonderes Augenmerk muss dabei der Verkabelung gewidmet werden. Ein dezentraler und modularer Aufbau der Steuerungsmodule garantiert hier eine übersichtliche, fertigungs- und serviceorientierte Lösung. Dies alles im Vorfeld zu erkennen und die entsprechenden Lösungen zu erarbeiten ist sicherlich eine Herausforderung für viele Hersteller. Hinzu kommen in nächster Zeit die Anforderungen aus dem Bereich IoT, die mit Sicherheit auch auf die mobile Automation wirken werden. Zusätzlich werden die verfügbaren Ressourcen der Hersteller durch den Fachkräftemangel belastet. Wir können mit unserer langjährigen Erfahrung und unseren auf modulare Systeme zugeschnittenen Komponenten und Softwaretools den Herstellern helfen, diese Herausforderungen zu meistern, indem wir sie mit robusten und zuverlässigen Lösungen für Produktion und Aftersale unterstützen.

Bereits 1993 haben Sie ein mobiltaugliches PC-basiertes Steuerungssystem mit grafischer Bedienoberfläche und integrierter PLC auf den Markt gebracht. Nun stellen Sie ein neues HMI-Konzept vor. Heißt das, Sie beobachten eine Abkehr Ihrer Kunden von PC-Lösungen?

Wir haben 1993 den vPC als grafisches Bediengerät mit Touchscreen und integrierter PLC eingeführt. Basis dieses „intelligenten“ HMI war eine DOS-basierte PC-Lösung. Danach folgte 2007 eine Linux-basierte Lösung. Beide stellen aufgrund des umfangreichen Betriebssystems höhere Anforderungen an Ressourcen wie den Speicher und die Energieversorgung, bieten dann aber auch alle Schnittstellen und Möglichkeiten der IT-Welt. Im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen ist der Einsatz solcher Bedieneinheiten damit jedoch nur in entsprechend komplexen Maschinen vertretbar. Da vermehrt auch kleinere Maschinen automatisiert werden, kam der Wunsch nach leistungsstarken Bedieneinheiten auf, die deutlich weniger Ressourcen bei vergleichbarer Leistung beanspruchen.

Worin unterscheidet sich diese Steuerungslösung von anderen Panel-PC bzw. „intelligenten“ HMIs?

Zuvörderst hebt sie sich durch minimale Boot-Zeiten aus: Je nach Softwareprojekt liegen sie zwischen 0,6 und 1,6 Sekunden. Das oft lästige Warten nach jedem Einschalten der Maschine entfällt also. Es besteht gegenüber üblichen Web-Visu-Lösungen ein geringerer Bedarf an Hard- und Software bei gleichzeitig höherer Grafikperformance. Selbst zu komplexen GUI-Toolkits, wie zum Beispiel Qt, steht das HMI-OCTO in nichts nach. Die kompakten und leichten Geräte sind in 5 und 7 Zoll Bildschirmgröße erhältlich. Hinzu kommen neben den Standardausführungen optional eine individuelle 3D-Gehäusegestaltung und zusätzliche Ausstattungsmerkmale wie Joysticks, Taster, LED und Potentiometer. Wer seinen Geräten durch technische Vorteile, professionelle Grafik und individuelles Design des HMI einen unverwechselbaren Wiedererkennungswert verschaffen möchte, ist bei uns an der richtigen Stelle.

Herzlichen Dank für das Gespräch Herr Dr. Löcher.

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HMI-OCTO: Leistungsstarke Bedieneinheit, die deutlich weniger Ressourcen bei vergleichbarer Leistung beansprucht.

IBL-hydronic hat die Steuerung eines mobilen Baggers entwickelt, der, platziert auf der Mauerkrone des 162 m hohen Kühlturms des AKW Mülheim-Kärlich, stückweise die obere Hälfte der Betonhülle abträgt.

IBL - Interview

Fahrerassistenzsysteme / Automatisiertes Fahren

Kfz-Elektronik

Entwicklungs-Tools

Intelligente Landmaschinen für Smart Farming

Smart Farming, die Digitalisierung der Landwirtschaft, lautet die Antwort auf die Frage nach der weltweiten Sicherstellung von Nahrungsmitteln einer wachsenden Menschheit.

Smart Farming, die Digitalisierung der Landwirtschaft, lautet die Antwort auf die Frage nach der weltweiten Sicherstellung von Nahrungsmitteln einer wachsenden Menschheit. Auf die Fragen, die sich die Agrarbranche zu Smart Farming stellt, hat Continental Antworten: Intelligente Produkte und Systeme, die die Transparenz von Prozessen und vor allem die Effizienz von Arbeitskraft, Maschinen sowie der nachhaltigen Bearbeitung von Böden erhöhen.

Preisdruck, die steigenden Anforderungen an den Umweltschutz und die Qualität von Lebensmitteln sind die wichtigsten gesellschaftspolitischen Herausforderungen der globalen Agrarwirtschaft. Heute leben rund 7,6 Milliarden Menschen auf der Welt. Die Vereinten Nationen (UN) prognostizieren, dass die Weltbevölkerung schon 2050 auf 9,8 Milliarden Menschen angewachsen sein wird. Diese Menschen müssen ernährt werden. Möglich wird das nur durch eine moderne und effiziente Landwirtschaft. Continental begegnet diesen Herausforderungen gemeinsam mit ihren Kunden. Das Technologieunternehmen arbeitet gemeinsam mit weiteren Akteuren der Branche mit Hochdruck an neuen, intelligenten Lösungen für mehr Effizienz, Produktivität und Nachhaltigkeit auf dem Feld. Die branchenübergreifende Expertise von Continental, etwa aus der Entwicklung automatisiert fahrender Pkw und Lkw oder der Vernetzung von Baumaschinen, ist dabei eine entscheidende Unterstützung. Von diesem Sprungbrett aus können flexibel und zügig für die Landwirtschaft maßgeschneiderte digitale Lösungen entwickelt werden.

Mit intelligenten Zukunftstechnologien gibt der Industriezulieferer wichtige Impulse für Smart Farming. Das Unternehmen appliziert beispielsweise seine 3D-Flash-Lidar-Umfeldsensoren für Drohnen, die damit umfangreiche Daten wie beispielsweise zur Oberflächenbeschaffenheit sammeln, die Höhe von Pflanzen messen oder Objekte besser identifizieren. Außerdem entwickelt Continental Konzepte für Roboter, die unter anderem auf dem Feld – etwa im Flottenverband – zum Einsatz kommen könnten: Ein für landwirtschaftliche Zwecke modular aufsetzbarer robotischer Geräteträger arbeitet autonom und kann mit den entsprechenden Anbaugeräten für zahlreiche Aufgaben eingesetzt werden, zum Beispiel für die Überwachung des Wachstumsprozesses von Pflanzen, präzises Unkrautjäten oder das zielgerichtete Ausbringen von Saatgut und Dünger.

Die genaue Umfelderfassung mittels Kamera, Radar und Lidar ist eine zentrale Voraussetzung dafür, dass Landmaschinen in Zukunft automatisiert arbeiten können. Dank ihres breiten Portfolios für Pkw, Nutzfahrzeuge und weitere Fahrzeugtypen hat Continental schon heute umfangreiche Erfahrung mit allen diesen Sensortypen. Die Informationen aus den Sensoren bilden die Basis für das Berechnen der Fahrstrategie. Die Grundlage dafür bildet die Hard- und Software von Continental, die spezifisch für den Einsatzfall angepasst werden. Auch für die Verbindung außerhalb des Fahrzeugs arbeitet Continental an 5G-fähiger Telematik-Hardware und verfügt über die erforderlichen Ressourcen zur Programmierung von Schnittstellen und Software.

Eine Lösung, die heute schon die Möglichkeiten zukünftiger smarter Landmaschinen deutlich macht, ist das intelligente Surround-View-System ProViu 360. Insgesamt vier 1,3-Megapixel-Kameras – für jede Richtung eine – stehen bei der zweiten Generation des bewährten Kamerasystems zur Verfügung und verschaffen dem Fahrer eine Vogelperspektive auf seine Maschine. Die zweite Generation wird im Vergleich zum Vorgänger komplett digital. Dadurch liefert das System schärfere und qualitativ bessere Bilder in HD-Auflösung, ausgespielt auf einem 10 Zoll großen HD-Touchdisplay. Der Produktionsstart ist für 2020 geplant.

In einem weiteren Schritt wird ProViu 360 dann intelligent: Wertvolle zusätzliche Informationen wie Radardaten oder Reifendruck können ins System eingespeist werden. Als Augmented Reality werden dann Markierungen, Piktogramme oder Texte direkt auf das Kamerabild gelegt und sind im Display zu sehen. So kann das System beispielsweise einen Hinweis auf den Fahrzeugzustand wie Reifendruck genauso einblenden wie eine Warnung vor Hindernissen auf dem Boden. Dies wird ganz plastisch und farblich hervorgehoben im Bildschirm gezeigt. Dieses Zusammenspiel verschiedener Sensordaten erhöht die Qualität der Informationen. Das gilt insbesondere für die Fusion von Kamera- und Radardaten.

Für einen ganz besonders sicherheitskritischen Fall arbeiten die Ingenieure bei Continental auf der Basis ihrer Erfahrungen am Lkw an einer Lösung für die Landwirtschaft: Abbiegeunfälle – insbesondere beim Linksabbiegen. Wenn ein unübersichtlicher Mähdrescher sich in einer Ortschaft oder auf dem Hof bewegen muss, wenn ein Traktor über die Gegenfahrbahn in den Feldweg einbiegen will, dann sind Verkehrsteilnehmer in den toten Winkeln noch immer gefährdet. Mit Long-Range-Radar, Software-Algorithmen und Summer oder Leuchte sorgt Continental dafür, dass der Fahrer rechtzeitig vor kritischen Situationen gewarnt wird. Auch hier wird schon die nächste Generation auf fusionierte Daten von Kamera- und Radarsensoren zugreifen können.

Lösungen für den Trend zur Vollautomatisierung

Neben solchen Assistenzsystemen bedient Continental den Trend zur Vollautomatisierung von Landmaschinen mit Lösungen zur Komponentenüberwachung: Auf der Agritechnica feiert der VF TractorMaster Hybrid Weltpremiere. Der intelligente Reifen – mit VF-Technologie und Sensorik ausgestattet – misst und überwacht kontinuierlich Reifendruck und -temperatur. So können Produktivität, Ertrag und Komfort gesteigert sowie Kraftstoffverbrauch, Reifenverschleiß und Instandhaltungskosten reduziert werden – von einer Verminderung des Ernteertrags ganz zu schweigen. Neben den Reifen werden bei der Agritechnica auch Gummiraupenketten mit integrierter Sensortechnik gezeigt.

Sensortechnik ermöglicht es zukünftig auch, Riemen in Mähdreschern permanent zu überwachen und somit zur Erhöhung der Betriebssicherheit von Landmaschinen beizutragen. Sensoren sorgen dafür, dass mögliche Ausfälle erkannt werden, bevor sie auftreten. Dadurch können ungeplante und kostspielige Maschinenstillstände während der Erntezeit vermieden werden. Das spart Zeit, Material und Geld. Darüber hinaus können Servicepartner und Hersteller dank dieser Technologie auch ihre Reaktionszeit, Verfügbarkeit und Servicequalität umfassend verbessern. Continental testet das digitale Riemenkonzept gemeinsam mit dem Landmaschinenhersteller CLAAS.

<a href="https://www.continental-offhighway.com" target="_blank">Continental AG</a>

Mit Sensor- und Kamera-Anwendungen von Continental können Drohnen und Roboter umfangreiche Daten über den Zustand von Feldern und Pflanzen sammeln.

Das intelligente Surround-View-System ProViu 360 macht die Möglichkeiten zukünftiger smarter Landmaschinen deutlich.

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Mario Branco ist Leiter Business Development Off-Highway bei Continental.

Display für raue  Off-Highway-Umgebungen

TTControl, ein Joint-Venture von TTTech und HYDAC International, unterstützt die Hersteller von mobilen Maschinen und Off-Highway-Fahrzeugen mit der neuesten Displaygeneration namens Vision 3. Sie ist die passende Lösung für die aktuellen Trends und zukünftigen Anforderungen an die Bedienoberflächen von Off-Highway-Fahrzeugen.

Unsere Welt unterliegt einem ständigen Wandel oder wie der griechische Philosoph Heraklit von Ephesos gerne stark verkürzend zitiert wird: „Alles fließt“ („panta rhei“). Der stetige Umgang mit Geräten und Maschinen, seien es nun Smartphones oder intelligente Haushaltsgeräte, zählt zu unserem Alltag. Was sich aber nach wie vor ändert ist die Art und Weise, in der wir mit diesen Maschinen interagieren.

Dies trifft auch auf den Umgang der Fahrer von mobilen Arbeitsmaschinen mit ihren Arbeitsgeräten zu. Hierzu zählen zum Beispiel Baumaschinen wie Bagger oder Radlader bzw. Landmaschinen wie etwa Mähdrescher oder Traktoren. Die Hersteller solcher Maschinen sind einerseits gefordert die Effizienz und Sicherheit immer weiter zu verbessern, andererseits verändern sich in gleicher Weise aber auch die Erwartungen der Maschinenbediener an das Fahrzeug. Die Nutzer der Maschinen sind durchaus vielfältig. In den Kabinen mobiler Arbeitsmaschinen sind erfahrene Bediener mit 20 Jahren und mehr Erfahrung genauso zu finden wie „digital natives“, junge Fahrer, die mit aufwändigen Computerspielen und Smartphones aufgewachsen sind. Diese Entwicklungen erfordern von den Fahrzeugherstellern gänzlich neue Zugänge bezüglich der Gestaltung des Human Machine Interfaces (HMI) am Fahrzeug.

Assistenzsysteme entlasten den Maschinenbediener

Zu den aktuellen Trends zählt die fortschreitende Automatisierung der mobilen Maschinen ebenso wie die konstant steigende Zahl an Assistenzsystemen, mit denen Maschinenbediener unterstützt werden. Als Fahrzeughersteller gilt es, diese Entwicklungen im HMI Design neuer Fahrzeuge vorausschauend zu berücksichtigen. Denn dieses Design ist ein Kernelement, um in einem globalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Eine zusätzliche Marktentwicklung, die es in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen gilt, ist der Rückgang erfahrener und gut ausgebildeter Maschinenbediener. Ein modernes Off-Highway-Fahrzeug sollte leicht und sicher zu bedienen sein und lediglich minimalen Trainingsaufwand erfordern. Wiederkehrende und ermüdende Aufgaben sollten möglichst durch die Maschine übernommen werden, so dass sich der Fahrer auf die wesentlichen Arbeitsfunktionen konzentrieren kann. Assistenzsysteme führen zu effizienteren Arbeitsprozessen, die Kosteneinsparungen für die Flottenbetreiber sowie eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und dadurch auch von umweltschädlichen Emissionen ermöglichen.

Alles im Blick durch das richtige Set an Schnittstellen

Überträgt man die genannten Trends auf die Systemarchitektur einer mobilen Maschine, so bedeutet dies, dass mehr und mehr Daten aus einer steigenden Zahl an Sensoren verarbeitet werden müssen. Schlussendlich sollen diese Informationen dem Bediener in einer intuitiven Art und Weise präsentiert werden. Diese Informationen stammen nicht nur von den Kameras und Sensoren, die an der Maschine selbst montiert sind, sondern auch aus der Umgebung des Fahrzeugs. So werden zukünftig auch Daten, die vom Umfeld, beispielsweise von anderen Fahrzeugen, von Robotern und sogar Drohnen erzeugt werden, in einem intuitiven Lagebild für den Maschinenbediener zusammengefasst werden.

Vision 3, die dritte Displaygeneration von TTControl, welche aktuell aus den beiden Varianten Vision 312 und Vision 312Plus besteht, ist daher mit einem umfangreichen Set an Kommunikationsschnittstellen ausgestattet. Bis zu vier CAN-Schnittstellen ermöglichen das Anzeigen unterschiedlichster Fahrzeugparameter. Eine dieser CAN-Schnittstellen ist ISOBUS-fähig und verwandelt das Vision 312Plus Display so zu einem ISOBUS Virtual Terminal. Dieses ISOBUS Virtual Terminal ist essenziell für den Einsatz des Displays in Landmaschinen. Zusätzlich ist das Display mit bis zu zwei USB-Schnittstellen und einer seriellen Schnittstelle ausgestattet.

Je nach Variante verfügt Vision 3 entweder über eine Standard Ethernet (100BASE-TX) oder alternativ auch über eine BroadR-Reach (100BASE-T1) Schnittstelle. BroadR-Reach kann als Weiterentwicklung des traditionellen Ethernets gesehen werden und benötigt lediglich eine verdrillte Zweidraht-Kabelverbindung, welche zu einer Reduktion der Kabelbaumkosten und des Gewichts führt. Die Ethernet-Verbindung ermöglicht den Anschluss von hochauflösenden Digitalkameras, eine Voraussetzung für Bildverarbeitung etwa zur Objekt- oder Personenerkennung. In Kombination mit dem robustem TTConnect 616 Ethernet Switch von TTControl können bis zu 5 BroadR-Reach Kameras mit dem Vision 3 Display verbunden werden. Für einige Anwendungsfälle werden jedoch auch weiterhin analoge Kameras Verwendung finden, insbesondere werden nicht alle bestehenden Fahrzeug- architekturen auf digitale Kameras umgerüstet werden. Aus diesem Grund können auch bis zu vier analoge Kameras direkt mit dem Vision 312Plus Display verbunden werden.

Einen anderen Megatrend der letzten Jahre stellt das Internet of Things (IoT) dar, welches auch im Bereich der mobilen Maschinen von hoher Relevanz ist. Durch das Verbinden der Maschinen mit einer Cloud entstehen große Vorteile sowohl für die Fahrzeugflottenbetreiber als auch für den Bediener auf dem Fahrzeug. Fernwartung oder kabellose Software Updates sind nur einige wenige Beispiele der voranschreitenden Technologie. Connectivity wird zukünftig viele neue Features und Anwendungsfälle und damit einhergehend komplett neue Geschäftsmodelle eröffnen. Das Vision 3 Display von TTControl bringt mit seinen umfangreichen Schnittstellen und in Kombination mit der IoT Plattform TTConnect Cloud Service mobile Maschinen auf das nächste Level der Konnektivität.

Betrachtet man die Systemarchitektur mobiler Maschinen, so müssen sich moderne Displays nahtlos in die Elektronikarchitektur des Fahrzeugs einfügen. So können etwa die beschriebenen Kommunikationsschnittstellen des Displays dazu verwendet werden, um mit den Steuerungsgeräten zu kommunizieren, welche die Maschinen- und Arbeitsfunktionen kontrollieren. Ein Beispiel ist das neueste TTControl Steuerungsgerät HY-TTC 590, welches mittels CAN-Bus oder BroadR-Reach Ethernet-Schnittstelle mit dem Vision 3 Display verbunden werden kann.

Komfortable Bedienung und herausragende User Experience (UX) sind weitere Voraussetzungen für ein innovatives HMI mobiler Maschinen. Dies wird bereits beim Start des Fahrzeuges durch ein sehr schnelles Hochfahren des Vision 3 Displays sichergestellt. Um darüberhinausgehend eine User Experience vergleichbar mit modernen Consumer Devices zu ermöglichen, welche allerdings im rauen Off-Highway-Umfeld nicht bestehen würden, ist ein großer und brillanter Bildschirm erforderlich. Um den Anforderungen an die User Experience gerecht zu werden, hat TTControl seine Vision 3 Displays mit einem großen, optisch gebondeten 12.1“ LCD mit einer Auflösung von 1280 x 800 Pixeln und einem sehr weiten Blickwinkel ausgestattet. Mit einer Helligkeit von bis zu 1000 cd/m² ermöglicht Vision 3 die optimale Ablesbarkeit auch unter direkter Sonneneinstrahlung. Eine intuitive Bedienung wird durch den projektiv kapazitiven Touchscreen sichergestellt, welcher auch mit Arbeitshandschuhen bedient werden kann.

Assistenzsysteme und Multimedia erfordern eine hohe Rechenleistung, daher ist die im Vision 3 Display integrierte Elektronik mit einem 4-Core Prozessor und einem ausreichend großen Arbeitsspeicher ausgerüstet. Ein durchdachtes Kühlkonzept stellt sicher, dass die Leistung auch unter den Umgebungsbedingungen im rauen Off-Highway-Alltag jederzeit abgerufen werden kann. So können vier Kamerabilder gleichzeitig angezeigt werden und Multimedia Features Anwendung finden, wie z. B. Fahrzeugbedienungsanweisungen in Form von Videos. Dies wird zusätzlich durch einen eingebauten Lautsprecher unterstützt. Für weniger aufwändige Anwendungsfälle steht auch ein Display mit einem Single-Core Prozessor zur Verfügung. Alle Varianten sind mit einem Linux Betriebssystem ausgestattet und können entweder mit CODESYS oder alternativ mit C/C++ und Qt programmiert werden.

Bei all den Veränderungen und technischen Verbesserungen hat sich jedoch eines über die Jahre nicht verändert: das raue Umfeld, in dem mobile Maschinen und Off-Highway-Fahrzeuge betrieben werden. Der beste Prozessor kann seine Leistung nur mit dem richtigen Kühlkonzept erfüllen und optimale Kommunikationsschnittstellen funktionieren im rauen Off-Highway Umfeld nur mit den richtigen Steckern. Um sowohl die digitale Welt, bestehend aus Bits und Bytes, Konnektivität und User Experience, als auch die Off-Highway-Welt mit ihrer rauen Umgebung und den extremen Temperaturen in Einklang zu bringen, kann TTControl auf langjährige Erfahrung in der Elektronikentwicklung für den Off-Highway-Bereich zurückblicken. So wurde das Vision 3 Display vom ersten Designentwurf an für die raue Off-Highway-Umgebung entwickelt, um mobile Maschinen schon jetzt bereit für die Zukunft zu machen.

TTControl ist auf der Agritechnica in Halle 17, Stand H21.

<a href="http://www.ttcontrol.com">www.ttcontrol.com</a>

Vision 3 Display im Zentrum einer komplexen Maschinenarchitektur.

Vision 3, die dritte Displaygeneration von TTControl, ist mit einem umfangreichen Set an Kommunikationsschnittstellen ausgestattet.

TTControl - Hauptartikel

Arno Purkrabek ist Team Lead Product Management bei der TTControl GmbH, A-1040 Wien.

Validierung automatisierter  Systeme in mobilen Maschinen

Themen, wie die Vorfelderkennung, die Heckraumüberwachung, die Umfeldüberwachung oder gar selbstfahrende Maschinen, sind in aller Munde und können nur mit erweiterter Sensorausstattung realisiert werden. b-plus bietet für die Validierung und Verifikation von Multi-Sensorsystemen eine aufeinander abgestimmte Werkzeugkette und begleitet Kunden dabei ihr Steuergerät in Serie zu bringen.

Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall benötigen mobile Maschinen unterschiedlichste Sensoren für die Umweltwahrnehmung. Radar- und Ultraschallsensoren sind hierbei sehr beliebt, weil sie mit Herausforderungen wie Sonneneinstrahlung, Staub und Wärme gut umgehen können. Optische Sensoren wie Kamera oder auch Lidar Sensoren sind für viele Applikationen jedoch unumgänglich. Diese benötigen aber aufgrund Ihrer Physik weitere Abschirmungs- oder Reinigungsmöglichkeiten beim Einsatz in einer, beispielsweise, staubigen Umgebung. In vielen Fällen werden bereits bestehende Sensoren, aus dem Einsatzbereich der Automobil-Industrie eingesetzt und entsprechend auf die Anwendung in der mobilen Maschine optimiert. Die Kombination aus verschiedenen und hochauflösenden Sensortechnologien, wie Lidar, Kamera oder Radar, generiert eine größere Datenmenge als es in bisherigen Systemkonfigurationen mit „klassischer“ Sensorik der Fall war. Damit einhergehend steigen auch die Anforderungen an eine Werkzeugkette für die Entwicklung derartiger Assistenzsysteme.

In der Automobilindustrie werden bereits seit einigen Jahren große Mengen an hoch- und höchstauflösendenen Sensortechnologien verbaut und erfolgreich eingesetzt. Der Erfolg und die Einsatzmöglichkeiten der Automobilindustrie eröffnen weitere Möglichkeiten im Bereich der mobilen Maschinen. Intelligente Maschinensteuerungen in Kombination mit neuesten Assistenzsystemen rücken in den Fokus jeder Agrar- und Baumaschinenmesse. Es liegt daher nahe, für die Entwicklung der Assistenzsysteme im Bereich der mobilen Maschinen die gleichen Werkzeuge einzusetzen, wie sie sich im Automobilbereich bereits bewährt haben.

Recording großer Datenmengen im Testfahrzeug

Rohdaten der Sensoren bilden die Basis für die Entwicklung neuer Steuergeräte und Funktionen, da sie das Umfeld des Fahrzeugs am besten abbilden. Diese Sensor-Rohdaten werden bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium bei Testfahrten aufgenommen, um zum einen die Qualität der Sensorik zu evaluieren, als auch erste Datensätze für die Algorithmik-Entwicklung zu erhalten. Im Verlauf der Entwicklung werden weitere Daten aufgezeichnet, um z.B. auftretende Fehler des Systems zu erkennen, welche anschließend analysiert und simuliert werden. Besonders für die Optimierung der integrierten Algorithmik ist dies von Nöten. Wichtig ist es dabei große Datenmengen möglichst schnell und vor allem zeitsynchron aufzunehmen, damit die Daten in der Simulation optimal weiter genutzt werden können.

Um die Rohdaten möglichst reibungslos aufzeichnen zu können empfiehlt es sich eine Rohdaten-Schnittstelle für Messtechnik in die Steuergeräte zu verbauen. Damit wird die optimale Validierung des Systems sichergestellt.

Die Auswahl der passenden Messtechnikschnittstelle ist entscheidend für den Validierungserfolg. Die Umsetzung der in der Regel sehr sensorspezifischen Signale auf eine Standardschnittstelle bietet hierbei viele Vorteile.

Mit diesen sogenannten Messdaten-Konvertern werden beispielsweise bei Kamerasensoren typische CSI-2 Schnittstellen auf 10 GBit Ethernet gewandelt. Damit braucht das Steuergerät minimale Hardware oder Software um die Sensorrohdaten für die Messtechnik zur Verfügung zu stellen. Dies ermöglicht eine verlässliche Übertragung von hohen Bandbreiten aus dem Steuergerät und durch 10 GBit Ethernet den sicheren Transport ohne Verlust über längere Distanzen.

Aufzeichnen großer Datenmengen im Testfahrzeug

Eine große Herausforderung bei der Aufzeichnung von Rohdaten ergibt sich aufgrund unterschiedlicher Sensor-Hersteller, welche zudem immer hochauflösendere Sensoren mit unterschiedlichen Serialisern und Deserialisern zur Datenübertragung ausstatten. Diese serialisierten Signale müssen ebenfalls im Zuge der Rohdatenaufzeichnung zurückgewandelt werden und mit den anderen Datenquellen zeitsynchron erfasst werden.

Im Anschluss an die Aufzeichnung im Fahrzeug müssen diese großen Rohdatenmengen in ein Rechenzentrum übertragen werden, um die Weiterverwendung der Daten in den Entwicklungsstandorten zu gewährleisten. Dazu ist eine etablierte Werkzeugkette notwendig, welche große Datenmengen zeitsynchron und zuverlässig aufnimmt, abspeichert, analysiert und anschließend für Simulationen im HiL oder SiL Bereich zur Verfügung stellen kann.

Neben einer leistungsstarken Hardware ist auch der Einsatz aufeinander abgestimmter Software ein großes Thema beim Aufzeichnen und Validieren von Rohdaten. Eine Recording Software für die Aufzeichnung der Sensordaten muss dabei äußerst performant sein und möglichst optimal auf die verwendete Hardware abgestimmt werden. Anspruchsvolle, messtechnische Aufgaben werden ermöglicht um die generierten Daten im Anschluss zu validieren. Schwerpunkt ist hierbei die Sicherstellung der Datenintegrität nach ISO26262–8 sowie verlässliche und sichere Aufzeichnung auch in geclusterten, zeitsynchronen Systemen, welche bei besonders großen Datenvorkommen Anwendung finden.

Ein flexibles Framework-System (Bild 2) eröffnet sehr viele Einsatzmöglichkeiten in der kompletten Testphase eines Steuergeräts und sollte jedem Entwickler zur Verfügung stehen. Somit können aufgenommene Daten, Werte und Ergebnisse anhand einer Visualisierung für Analysezwecke oder weitere Tests, wie zum Beispiel Hardware-in-the-Loop, verwendet werden.

HiL-Verfahren zum Einspeisen von Rohdaten ins Steuergerät

HiL- Verfahren werden im Entwicklungsbereich dafür eingesetzt, die real gefahrenen Szenen und damit aufgezeichneten Rohdaten im Rahmen der Softwareoptimierung immer und immer wieder „durchfahren“ zu können (Bild 1). Die damit ggf. noch vorhandenen Fehler in der Algorithmik werden somit ohne den kostspieligen Einsatz von weiteren Testfahrten eliminiert.

Diese Art des Testens setzt eine sehr hohe Datenverfügbarkeit voraus, die aus synthetischen und aufgezeichneten Daten bestehen kann. Synthetische Daten, die über entsprechende Entwicklungstools generiert werden, decken in der Realität schwer darstellbare Situationen ab, wie beispielsweise ein im Feld liegendes Wildtier während der Ernte mit dem Mähdrescher. Allerdings ist die Generierung von synthetischen Daten nur als eine Annäherung an die Realität zu betrachten, so dass die Validierung zusätzlich immer mit real eingefahrenen Daten durchzuführen ist.

Um die realitätsnahe Fahrzeugumgebung sowohl mit Sensordaten als auch den mit aufgezeichneten Fahrzeugbus-Systemen lückenlos nachzubilden, werden die aufgezeichneten Busdaten zeitsynchron zu den Bilddaten abgespielt. Des Weiteren ist die Vorhaltung der Sensorinitialisierung und deren Kommunikation über z. B. I2C von großer Bedeutung, da das Steuergerät bei der Wiedergabe von aufgezeichneten Rohdaten nicht den erwarteten Input, vor allem in der Initialisierungsphase, bekommen würde. Hierbei wird z. B. das „Grey Pattern“, aber auch der aufgezeichnete Bildzähler mithilfe von Softwaremechanismen vorgehalten und abgeändert, um keine Fehlermeldungen im Steuergerät auszulösen.

Über eine 10-Gbit-Ethernet-Schnittstelle werden die aufgenommenen Rohdaten in das kompakte, clusterfähige HiL-System eingespielt. Dabei ist es für genaue Werte sehr wichtig die Bilddaten mit den Busdaten zeitsynchron abzuspielen. Ein optimiertes HiL-System bietet dem Entwickler dafür die Möglichkeit, Bilddaten entweder zu „verlangsamen“ oder frameweise zu „beschleunigen“, um hier synchron zum restlichen Fahrzeugbus bleiben zu können und einen etwaigen Jitter auszugleichen. Ein kleines, kompaktes Gehäuse, welches all diese Fähigkeiten vereint und gleichzeitig mit den vielen Datenströmen umgehen kann, ermöglicht das Testen bereits am Entwicklertisch. Somit werden auftretende Fehler bereits in der frühen Entwicklungsphase erkannt und können noch vor den ersten Fahrzeugtests behoben werden. Dies verringert die Kosten für die aufwendigen Testfahrten und ermöglicht es, abgesicherte Produkte schneller in Serie zu bringen.

Bild 1: HiL- Verfahren werden eingesetzt, um die real gefahrenen Szenen immer und immer wieder „durchfahren“ zu können.

Alexander Noack ist Head of Product Center Automotive Electronics bei b-plus.

Christine Schäfer ist CTO Assistenz bei b-plus.

b-plus - Hauptartikel

Die Elektrifizierung von mobilen Arbeitsmaschinen schreitet weiter voran, nicht nur aufgrund ökologischer Aspekte und damit einhergehenden Regelungen, sondern auch weil es in vielen Fällen bereits wirtschaftlich sinnvoll ist.

Unabhängig davon, welcher Fahrzeugtyp oder welche Arbeitsmaschine – ob Flugzeugschlepper, (Berg)-Baumaschine oder Bagger – vollelektrisch betrieben und die Batterie in jeder Umgebung geladen werden soll, einer der wichtigsten Aspekte für den zuverlässigen und sicheren Betrieb ist eine flexible Ladeinfrastruktur. Nur hiermit kann die maximale Verfügbarkeit und damit einhergehende Wirtschaftlichkeit der Maschinen sichergestellt werden.

Bisher ist REFUdrive bekannt für seine Wechselrichter für Traktions- und Hilfsantriebe in unterschiedlichsten mobilen Arbeitsmaschinen. Nun wird das Portfolio um den neuen On-Board-Charger

Aufgrund der sehr kompakten Abmessungen ist der 22-kW-On-Board-Charger auch für kleinste Bauräume geeignet und für seine Leistungsklasse mit weniger als 15 kg Gesamtgewicht extrem leicht. Durch den Einsatz neuester SiC-Technologie erreicht er einen maximalen Wirkungsgrad von über 94% und minimiert damit die Verluste beim Laden der Batterie. Er ist mit allen gängigen Lithium-basierenden Batterietechnologien kompatibel.

Der OBC 22K ist für verschiedene Ladekonzepte einsetzbar. Der Betrieb ist sowohl an allen normkonformen AC-Ladestationen als auch direkt an einem Netzanschluss über einen Ladeadapter möglich. Optional besteht die Möglichkeit einer Notladung über die Haushaltsteckdose, sollte einmal ein dreiphasiges Netz nicht zur Verfügung stehen.

Je nach Netzanschlussleistung kann die Ladeleistung durch Parallelschaltung von bis zu acht Geräten sukzessive erhöht werden. Damit bietet der OBC 22K selbst für große mobile Arbeitsmaschinen eine sehr flexible und effiziente Ladelösung. Die Möglichkeit der Zwischenladung gewährleistet einen kontinuierlichen Betrieb der Maschine oder des Fahrzeugs ohne größere Ladeunterbrechungen.

Auch für einen zukünftigen weiteren Ausbau der Ladeinfrastruktur mit DC- Ladesäulen ist der OBC 22K vorbereitet: ein DC-Laden der Arbeitsmaschine oder des Fahrzeugs mit bis zu 350 kW Ladeleistung möglich. Hierbei übernimmt der On-Board-Charger die Steuerung und Kommunikation mit der Batterie des Fahrzeugs. Der OBC 22K bietet zahlreiche Sicherheitsfeatures wie eine galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite und einen HV-Interlock-Loop. Selbstverständlich ist er konform mit den maßgebenden Standards wie beispielsweise der IEC 61851. Der OBC 22K ist somit einer der wesentlichen Bausteine für die zuverlässige Ladung von Batteriesystemen in mobilen Arbeitsmaschinen.

Der OBC 22K ist die Antwort auf die Frage nach einer flexiblen Ladeinfrastruktur und ist einer der wesentlichen Bausteine für die zuverlässige und sichere Ladung von Batteriesystemen in mobilen Arbeitsmaschinen.

Refu - Hauptartiklel

Nach Unterlagen der REFU Drive GmbH,  72793 Pfullingen.

Elektromobilität

Mobilität

Zuverlässiger, nachrüstbarer  LKW-Abbiegeassistent

Der tote Winkel von LKW birgt von jeher Gefahren für andere Verkehrsteilnehmer, insbesondere für Rad- und E-Scooter-Fahrer. Brigade Elektronik hat daher in Zusammenarbeit mit der Firma Wüllhorst ein System entwickelt, das alle kritischen Gefahrenbereiche und tote Winkel erfasst.

Mitte Juli 2019 starb die YouTuberin Emily Hartridge, als sie mit ihrem Elektroroller in einem Londoner Kreisverkehr mit einem LKW kollidierte. Laut dem Allgemeinen Deutschen Fahrrad-Club e. V. (ADFC) ist es nur eine Frage der Zeit, bis auch in Deutschland die ersten Toten durch ein solches Unglück zu beklagen sind. Gerade auch weil viele „Verkehrs-Neulinge“ ohne Fahrausbildung und Erfahrung auf die Trend-Geräte zurückgreifen. Deshalb müssen andere Verkehrsteilnehmer noch aufmerksamer sein als sonst – dies trifft besonders auf LKWs beim Rechtsabbiegen zu.

Das Sichtfeld von LKW-Fahrern wird häufig aufgrund der Karosserie oder der hohen Sitzposition behindert, wodurch schwierig einsehbare Bereiche um das Fahrzeug entstehen. „Gerade in unübersichtlichen Straßensituationen – beispielsweise an Kreisverkehren oder Ein- und Ausfahrten – sind andere Verkehrsteilnehmer hochgradig gefährdet, wenn sie im toten Winkel eines abbiegenden LKW verschwinden“, berichtet John Osmant, Managing Director bei der Brigade Elektronik GmbH. „Solche Gefahrensituationen lassen sich zwar teilweise durch Spiegel und Einzelkameras vermeiden, aber eine vollständige Sicherheit ist damit für Fußgänger, E-Scooter- und Radfahrer noch lange nicht gegeben.“

Bei herkömmlichen Kameras handelt es sich üblicherweise nur um ein passives System. Es setzt voraus, dass der Fahrer den Monitor aufmerksam im Blick behält und die Gefahr auf dem Bild rechtzeitig erkennt. In Stresssituationen muss aber einkalkuliert werden, dass dabei Fehler geschehen. „Unser Abbiegeassistent verfügt nicht nur über eine Seitenkamera, sondern ist auch mit vier Sensoren der Ultrasonic-Technik ausgerüstet“, ergänzt Osmant. Wichtig war bei diesem System besonders, dass es Gefahren zuverlässig lokalisiert, nicht abschaltbar ist und leicht nachgerüstet werden kann.

Aktive Warnung erhöht Verkehrssicherheit

Umfangreiche Tests durch die Wüllhorst GmbH & Co. KG ergaben die optimalen Montagepositionen für die vier Ultraschallsensoren: Der erste Sensor befindet sich in der Führerhausecke. Alle weiteren sind im gleichmäßigen Abstand so aufgeteilt, dass ein Überwachungsbereich von 6 m abgedeckt wird. In Verbindung mit der Seitenkamera können auf diese Weise kritische Bereiche überwacht werden. „Das System ist eine optimale Ergänzung für jedes Kamera-Monitor-System“, erläutert Osmant. „Die Sensoren sammeln kontinuierlich Informationen und warnen den LKW-Fahrer mithilfe eines dreistufigen akustischen und optischen Anzeigesystems.“ Auf diese Weise wird das Augenmerk des Fahrers aktiv auf akute Risikosituationen gelenkt. Zusätzlich wird die Nähe der Gefahrenzone mit einer farblichen Markierung übersichtlich dargestellt. Außerdem wird die Distanz des Hindernisses mit einer Abstandszahl exakt dargestellt. Darüber hinaus hat Wüllhorst einen Lenkwinkelassistenten in das System integriert, der das Abbiegesignal selbständig aktiv schaltet. Die Seitenmarkierungsleuchten können mit dem Abbiegeassistenten so geschaltet werden, dass diese bei einem Blinkvorgang mit blinken. Das führt dazu, dass andere Verkehrsteilnehmer früher über einen Abbiegevorgang informiert werden und dadurch die Gefahrensituation deutlich abgeschwächt wird.

Dank der Anzeige des Monitors sieht der Fahrer in der Kabine, in welcher Entfernung sich ein Objekt befindet. Wenn etwa der Fahrradweg durch einen Grünstreifen an der Straße versetzt ist, liegt er dennoch im Erfassungsbereich von bis zu 2,5 m. „Aufgrund des bisherigen Feedbacks wissen wir, dass die Fahrer vor allen Dingen schätzen, dass sie die Situation nicht nur auf dem Bildschirm eindeutig erkennen können, sondern auch akustisch über Lautsprecher gewarnt werden“, berichtet Heinrich Wüllhorst, Geschäftsführer bei der Wüllhorst GmbH & Co. KG. „Besonders in Stresssituationen stellt dies eine große Unterstützung dar.“

Der Abbiegeassistent kann schnell und einfach auch in bereits länger zugelassene LKW integriert werden, wodurch er der Forderung des Bundesrats, dass auch alle älteren LKW mit Abbiegeassistenten nachgerüstet werden sollen, nachkommt. „Natürlich erfordert ein solches System auch eine gewisse Umstellung für viele Fahrer“, resümiert Osmant. „Trotzdem haben wir besonders positive Rückmeldung aus der Fahrpraxis zur Übersichtlichkeit des Systems erhalten und dass die Fahrer sich schnell mit dem Abbiegeassistenten zurechtgefunden haben.“ Zahlreiche namhafte Unternehmen nutzen mittlerweile einen solchen Abbiegeassistenten und leisten somit ihren Teil für mehr Verkehrssicherheit auf der Straße – für alle Verkehrsteilnehmer.

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Das Sichtfeld von LKW-Fahrern wird häufig aufgrund der Karosserie oder der hohen Sitzposition behindert, wodurch schwierig einsehbare Bereiche um das Fahrzeug entstehen.

Die Gefahr auf Europas Straßen lauert besonders im toten Winkel. Immer wieder sterben ungeschützte Verkehrsteilnehmer bei Unfällen mit abbiegenden LKW. 

John Osmant, Managing Director bei der Brigade Elektronik GmbH.

Brigade_2 Bilder

Nach Unterlagen der Brigade Elektronik GmbH, 24539 Neumünster.

Gefahrensituationen wie tote Winkel lassen sich zwar durch Spiegel und Einzelkameras teilweise vermeiden, aber eine vollständige Sicherheit ist damit für Fußgänger, E-Scooter- und Radfahrer noch lange nicht gegeben.

Die zuverlässige Erkennung von Personen und Objekten stellt die Hersteller autonomer mobiler Arbeitsmaschinen vor große Herausforderungen. ITK Engineering setzt für den Test solcher komplexen Sensorsysteme auf spezielle Sensorsimulationsverfahren, wie die Experten Christian Astor und Sascha Kerkmann im Interview erläutern.

Sie entwickeln für mobile Arbeitsmaschinen Assistenzsysteme, die den Maschinenführer bei der Objekt- und Personenerkennung unterstützen. Welche Technologien setzen Sie hierfür ein?

Christian Astor: ITK Engineering hat mit einem intelligenten, kamerabasierten Assistenzsystem Technologien und Algorithmen zur Objekt- und Personenerkennung entwickelt, die sich in nicht-, teil- und vollautomatisierte Arbeitsmaschinen integrieren lassen. Hierbei wird im Fall bildgebender Sensoren, wie Kameras, ein Videostream aus dem lokalen Blickwinkel des Sensors generiert. Wellen-basierte Sensoren (LiDAR, Radar, Ultraschall) werden ergänzend verwendet.

Beim Test solcher Systeme fällt oft der Begriff Sensorsimulation, um z. B. das reale Geschehen virtuell im Labor nachzubilden. Welche Vorteile erzielen Sie damit?

Astor: Die Idee dahinter ist es, aufwendige Tests im Realbetrieb zu reduzieren. So können schnell erste Erkenntnisse gewonnen werden. Natürlich ist ein Ergebnis nur so gut wie die Simulation selbst. Denn die Untersuchung komplexer Multi-Sensorsysteme stellt besondere Anforderungen an die Umsetzung einer Simulation und erfordert spezielle Sensorsimulationsverfahren. Im Falle von Raytracing wird das Fahrzeug mit virtuellen Sensoren in einer dreidimensionalen Umwelt simuliert. Vergleichbar mit realen Sensoren generieren die virtuellen Sensoren für Objekte in ihrem Sichtfeld Sensordatenströme, die anschließend analysiert werden. Fahrzeuge, Personen und Objekte können sich dabei in der virtuellen Umgebung bewegen und mit dem Device Under Test interagieren.

Für Radar und Lidar setzen Sie auf die Raytracing-Technologie. Wie nah sind solche Sensormodelle an der Realität? Wo sind die Grenzen?

Sascha Kerkmann: Hierbei wird das emittierte Signal durch geometrische Strahlen abstrahiert und deren Ausbreitung in der 3D-Umgebung berechnet bis sie über Reflexionen den Sensor wieder erreichen. Physikalische Modelle, unter anderem für Streuung, Brechung, Dämpfung und Absorption leisten die Interpretation dieser detektierten Strahlen zu virtuellen Sensordaten (Intensität, Laufzeit etc.). Realitätsnaher Gestaltung und hochauflösendem Rendering kommt in der Simulation ein besonderer Stellenwert zu, da sie maßgeblich auf die Aussagekraft der Daten wirken.  In sehr staubigen Bereichen ist die Nutzung von LiDAR-Sensoren nicht zielführend. Um diesen Fall in der Sensorsimulation abbilden zu können, müssen Umwelteinflüsse entsprechend abgebildet werden. Es muss also definiert werden, welche Einflüsse in einer Umgebung zu erwarten sind und wie sich der Sensor in diesen verhält. Nur wenn das bekannt ist, sind über die Simulation auch gute Resultate zu erwarten.

Funktioniert die Simulation auch für KI-basierte Systeme?

Kerkmann: Dadurch, dass die wir die komplette Information über die virtuelle Umgebung haben, können wir die Ground-Truth-Daten zusätzlich zu den Sensordaten, die wir erzeugen, generieren und diese dann auch bereitstellen um neuronale Netze zu trainieren.

Lassen sich damit alle Situationen bzgl. Gelände, Umwelt, Wetter usw. testen und absichern?

Kerkmann: Wechselnde Wetterverhältnisse und Umgebungsbedingungen stellen die Hersteller autonomer mobiler Arbeitsmaschinen vor große Herausforderungen. Es gibt eine Vielzahl an sicherheitsrelevanten Objekten und Umgebungsverhältnissen, für die das Detektionsvermögen nachgewiesen werden muss. Ein praktikabler Ansatz dafür ist, sensor- und anwendungsfallspezifische Prüfkörper zu definieren, mit denen der Nachweis erbracht werden kann. Umwelteinflüsse wie Wetter, Lichtverhältnisse, Blendung oder Reflexion, die Sensoren stören und zu Fehldetektionen oder Geisterzielen führen, können dabei gezielt herbeigeführt und in ihrer Auswirkung analysiert werden.

Nachdem der Nachweis der Detektionsfähigkeit erbracht und die Umwelteinflüsse untersucht wurden, erfolgt im nächsten Schritt die Hardware- und Softwareentwicklung sowie Integration auf der Zielplattform mit den anschließenden Tests und der Validierung der Systemfunktionen.

Welchen Detaillierungsgrad und Leistungsumfang haben solche Raytracing-Sensormodelle?

Kerkmann: Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren zur Berechnung einer Wellenausbreitung, zum Beispiel mit der Methode der finiten Elemente, ermöglicht das Raytracing Verfahren die Approximation der Wellenausbreitung von mehreren Sensoren immer noch in Sensor-Echtzeit. Mit Hilfe der erwähnten physikalischen Modelle, die wir einbinden, versuchen wir uns den numerischen Methoden zu nähern. Ziel war es, einen Kompromiss zwischen Detailgrad und Performance zu finden, um ein typisches Set-Up mit mehreren Sensoren unterschiedlicher Technologien im XIL-Betrieb zu simulieren.

Welche Hardware-Voraussetzungen sind für den Einsatz (dieser Sensorsimulationen) notwendig? Welche Tools setzen Sie z. B. hierfür ein?

Kerkmann: Da das Raytracing eine sehr gut parallelisierbare Methode darstellt, setzen wir bei der Berechnung unserer Modelle auf Grafikkarten. Der technische Fortschritt, vor allem getrieben durch Branchen wie der Film- und Gaming-Industrie, sorgt für einen stetigen Performancezuwachs bei den Grafikkarten, die auch unsere Methoden beschleunigen. Als Basis unserer Simulationen setzen wir ebenfalls auf Branchen untypische Tools, wie die Game-Engine Unity, die es uns ermöglichen flexible Umgebungssimulationen zu entwickeln, die je nach Domäne unterschiedlichste Anforderungen haben können.

Wird man in Zukunft aufgrund der Leistungsfähigkeit der Rechnersysteme und der Genauigkeit der Sensormodelle auf reale Tests komplett verzichten können?

Astor: Die Sensorsimulation unterstützt eine normkonforme, auf den Anwendungsfall zugeschnittene Entwicklung einer zuverlässigen Objekt- und Personenerkennung für den Außenbereich. Je mehr Varianz durch die Umwelt zu erwarten ist, desto mehr ergibt sich die Notwendigkeit einer verlässlichen Simulation auch für die finale Absicherung. Obwohl man dadurch nicht komplett auf reale Tests verzichten kann, ermöglichen die Ergebnisse der Sensorsimulation nicht nur den Versuchsaufwand in der realen Prototypenvalidierung zu reduzieren und deren Testplanung durch virtuelle Vorversuche zu optimieren. Hinsichtlich Varianz der Testszenarien liefern Sensorsimulationen in Zukunft sicher einen entscheidenden Beitrag bei der Systemabsicherung.

Haben Sie damit schon Kundenprojekte entwickelt?

Kerkmann: Zum einen haben wir für einen OEM bereits eine Ultraschall-Anwendung umgesetzt und bis in den HiL-Betrieb gebracht. Zum anderen haben wir auch die Simulation bei der Entwicklung von Flurförderfahrzeugen eingesetzt. D. h. die Fahrzeuge wurden in die virtuelle Welt gebracht und an ein Flottenmanagement-System angeschlossen, was dann getestet werden konnte. Mit dem Wissen, das wir uns bei der Sensorsimulation aufgebaut haben, wollen wir nun zusätzlich auch die reine Simulation von Systemen aus den unterschiedlichsten Domänen adressieren.

Astor: Wir entwickeln für unsere Kunden maßgeschneiderte Softwarelösungen. In der Regel arbeitet ITK hierbei nach dem sogenannte White-Box-Modell, d. h. die IP an unseren Entwicklungsleistungen bleibt beim Kunden. Wenn notwendig übernehmen wir die Koordination mit dem Hardware Lieferanten und leisten die Software- sowie Systemintegration.

Herzlichen Dank für das Gespräch!

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Christian Astor arbeitet im Business Development Off-Highway Vehicle bei ITK Engineering.

Sascha Kerkmann ist Expert Engineer Visual Computing bei ITK Engineering.

itk - Interview

Als Berater und Entwicklungspartner bietet ITK Engineering branchenübergreifendes Know-how von der Vorentwicklung bis hin zu Absicherung des Kundensystems. Dabei haben die Engineering-Experten die Trends im Bereich Land- und Baumaschinen sowie mobile Arbeitsmaschinen stets im Blick. Um das Thema Sicherheit voranzutreiben, entwickelt ITK beispielsweise technische Konzepte für die Funktionale Sicherheit – auch für das Automatisierte Fahren auf abgegrenztem Werksgelände – und Cyber Security. Zudem beschäftigt sich das Ingenieurunternehmen mit intelligenten Algorithmen und gestaltet kundenspezifische Systemlösungen für intelligente Bild- und Sensordatenverarbeitung zur Personen-, Objekt-, und Untergrunderkennung in Off-Highway-Fahrzeugen.

LiDAR Sensoren für Robotik und Industrieautomotion

Die Produktpalette von Velodyne ermöglicht fortschrittliche Autonomielösungen für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen wie Automotive, Kartierung, Robotik, Industrieautomation oder Sicherheitsapplikationen. Hierbei kommt speziell den Bereichen automatisierte Logistik, Robotik und ganz generell Industrieautomation eine immer größere Bedeutung zu.

LiDAR Sensoren (Light Detection and Ranging) von Velodyne sind in Tausenden von Fahrzeugen und mobilen Plattformen weltweit installiert. Das Unternehmen ist seit vielen Jahren auf die Herstellung von Mehrkanal-LiDARSensoren spezialisiert, die eine detailgenaue 3D-Erfassung des Sensorumfeldes mit hoher Reichweite und großer Genauigkeit in quasi Echtzeit ermöglichen. Heute ist Velodyne Lidar weltweit führend in der Entwicklung von Mehrkanal-3D-Lasersensoren für die Automotive-Industrie. Das Unternehmen bietet eine im Markt einzigartige Produktvielfalt für jeden Anwendungsfall: Von Sensoren mit einer 360 Grad Rundumerfassung und 300 Meter Reichweite bis hin zu modernster Solid State Lidar-Technologie, die integrierte Lösungen (Embedded Integration) ermöglicht.

Die Produktlinie von Velodyne umfasst eine breite Palette von Sensorlösungen, darunter den kostengünstigen Puck, den vielseitigen Ultra Puck, den es neuerdings auch in einer preislich atttraktiven Midrange- Variante gibt, den besonders leistungsstarken Alpha Puck, den ADAS-optimierten Velarray und nicht zuletzt den Nahbereichssensor VelaDome, der besonders für eine Vielzahl von Industrieanwendungen völlig neue Perspektiven mit seinem Rundum-Erfassungsfeld von 180 x 180 Grad eröffnet.

Lösungen für Industriefahrzeuge und mobile Robotplattformen

Die Vorteile einer gesteigerten Automatisierung von Industriefahrzeugen und mobilen Robotplattformen durch Unterstützung mittels 3D LiDAR liegen auf der Hand: ersichtliche Sicherheitsvorteile und gesteigerte Produktivität. Mehrkanal-LiDAR-Technologie liefert die hochauflösenden 3D-Informationen, die für die zukünftige Sicherheit und Autonomie in vielen Bereichen der industriellen Automatisierung benötigt werden.

<ul><li>Kostenreduktion durch Reduzierung der Sensoranzahl am Fahrzeug/Plattform/Roboter</li><li>Hochflexible 3D Fahrzeug-/Robotnavigation ohne Marker oder Reflektoren bzw. hochleistungsfähige Unterstützung von Kamerasensorik</li><li> Navigation auch auf unebenem Untergrund</li><li> Ladeguthandling-Aufgaben (assisted order picking)</li><li>Smart Safety: 3D Objekterkennung- und 3D Kollisionsvermeidung gewährleistet maximale Umfeldsicherheit (180 bis 360 Grad)</li></ul>

Nicht zuletzt entwickelt sich eine Vielzahl von Robotik-Geschäftsanwendungen weiter. Roboter arbeiten zunehmend autonom und ihre Fähigkeit, sich auf sich ändernde und unstrukturierte Umgebungen einzustellen, verbessert sich laufend. LiDAR-Technologie ist ein wesentlicher Bestandteil der Roboterautonomie und -navigation. Mit ihr können mobile Roboter außerhalb kontrollierter Situationen mit vordefinierten Aufgaben und Funktionen in ungewohnten und unvorhersehbaren Umgebungen eingesetzt werden.

Mit LiDAR können Roboter nicht nur das Vorhandensein einer Entität identifizieren, sondern auch in Echtzeit feststellen, ob es sich um einen Menschen oder ein Objekt handelt. Auf diese Weise kann der Roboter geeignete Risikoverhaltensmodelle bewerten, die für das Sicherheitsmanagement in der Zusammenarbeit zwischen Roboter und Mensch von wesentlicher Bedeutung sind.

Mobile Roboter, die z. B. im Freien arbeiten, können auf Geolokalisierungsfunktionen wie GPS und Sensortechnologien wie LiDAR zurückgreifen, um zu bestimmen, wo sie sich befinden und wohin sie sich bewegen. Dies wiederum ist normalerweise in Innenräumen nicht möglich. Mobile Roboter, die in Innenräumen betrieben werden, verwenden die sog. SLAM-Technologie (Simultaneous Localization and Mapping), die LiDAR-Daten verwendet, um eine präzise, verzerrungsfreie Karte der Roboterumgebung zu erstellen um den Roboter auf dieser Karte zu lokalisieren

Zu den Anwendungen für mobile Robotik gehören u. a. die industrielle Automatisierung, um die Sicherheit und Effizienz in einer Vielzahl von Bereichen wie Landwirtschaft, Bauwesen, Holzeinschlag, Schifffahrt, Bergbau, Pipeline-Inspektion und Eisenbahnwesen zu verbessern.

3D LiDAR-Sensoren helfen den Betrieb von Fahrzeugen im Logistikumfeld um ein Vielfaches sicherer zu machen.

Unfälle mit Gabelstaplern kosten z.B. allein in den USA schätzungsweise 3,7 Milliarden US-Dollar pro Jahr und verursachen 34.900 schwere Verletzungen, darunter rund 100 Todesfälle. In fast 80% dieser Unfälle sind Fußgänger außerhalb des Fahrzeuges involviert.

Velodyne-Sensorik ermöglicht für Gabelstapler, Tugbots und andere Industriefahrzeuge integrierte Sicherheits- und Navigationslösungen, denn mit einem 3D LiDAR lassen sich Objekte im Umfeld des Fahrzeugs sicher identifizieren umfahren, bzw. ansteuern. Bild 1 zeigt eineTugbot-Lösung, wo der Robot selbstständig andockt und Transportaufgaben im Lager durchführt.

Eine 360-Grad-Sensorunterstützung beinhaltet auch die Eliminierung von Blindspot-Zonen. Einzelne Punkte können als unterschiedliche interessierende Objekte klassifiziert werden, wie z. B. Fußgänger, Fahrzeuge und statische Objekte.

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Dieter Gabriel ist Marketing Manager EMEA bei der Velodyne Europe GmbH, 65428 Rüsselsheim.

Bild 1: Mit Velodyne-Sensoren lassen sich Objekte im Umfeld einer Robotplattform sicher identifizieren, klassifizieren, ansteuern und bewegen. Beispiel hier: Tugbot von Mov.ai.

LiDAR-Sensorlösungen  von Velodyne: Von links: Alphapuck, Velarray  und VelaDome.

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Sensoren / Aktoren

In unseren Köpfen sind sie ein untrennbares Duo – der Landwirt und sein Traktor bei der Feldarbeit. Dieses Bild der traditionellen Landwirtschaft wird sich erheblich verändern. Um die wachsende Weltbevölkerung ausreichend zu versorgen, bleiben der Landwirt und sein Traktor zwar ein Team, aber auf dem Feld wird die Maschine in Zukunft alleine unterwegs sein.

Bis 2050 werden laut einer Studie der Welternährungsorganisation FAO rund neun Milliarden Menschen auf unserem Planeten leben. Und eines müssen sie alle – essen. Das stellt die Landwirtschaft vor eine große Herausforderung. Der erwirtschaftete Ertrag muss erheblich steigen und das, obwohl immer weniger Anbauflächen und immer weniger qualifizierte Arbeitskräfte verfügbar sind. Die Lösung sind autonome Maschinen. Der große Vorteil: Diese Maschinen arbeiten auf den Zentimeter genau und zwar immer. Selbst der beste Landwirt oder Traktorfahrer kann diese Anforderung an Präzision nicht erfüllen und vor allem kann er nicht über Stunden hinweg diese Leistung aufrechterhalten. Eine autonome Maschine kann das durchaus. Daher ist sie unverzichtbar für die moderne Landwirtschaft.

Ernteverluste bei Kartoffeln lassen sich zum Beispiel bereits bei der Aussaat vermeiden. Damit die Kartoffel richtig anwachsen kann, muss sie exakt in die Mitte eines kleinen Erdhügels gesetzt werden. Eine autonome Maschine wird genau für diesen Pflanzvorgang programmiert, setzt jede Kartoffel exakt ein und das auf dem ganzen Feld. Sie arbeitet schnell und braucht keine Pause.

Landwirte profitieren neben der Präzision von autonomen Maschinen auch von deren sparsamem Umgang mit Ressourcen. Dünge- oder Pflanzenschutzmittel werden exakt auf die Pflanze aufgetragen und nicht großflächig verteilt. „So können Landwirte ihre Materialkosten niedrig halten und ihren Ertrag steigern, da jede Pflanze gezielt versorgt wird“, erklärt Stefan Taxer, Produktmanager für Mobile Automation bei B&R. Zudem wird die Umwelt geschont. Auch schwierige und zeitaufwendige Arbeiten wie das Pflügen von Feldern oder das Jäten von Unkraut können Maschinen übernehmen. „Mit autonomen Maschinen wird dem Mangel an Fachkräften in der Landwirtschaft entgegengewirkt“, betont Taxer. Zudem übernehmen die Maschinen monotone Aufgaben und entlasten die Arbeiter.

Damit autonome Maschinen alle diese Vorgänge übernehmen können, benötigen sie Daten, zum Beispiel von unterschiedlichen Sensoren. Zudem müssen sie diese Daten entsprechend verarbeiten können: „Wesentlich für eine autonome Maschine ist eine hohe Rechenleistung“, sagt Taxer. Einfache Steuerungssysteme zur Automatisierung von Maschinen reichen nicht mehr aus. Auch sogenannte Big-Data-Analysen sind für die Produktivitätssteigerung notwendig.

Besitzt ein autonomer Traktor zum Beispiel die Fähigkeit, Daten von Wetterstationen zu beziehen, kann er ausloten, wann auf dem Feld die besten Arbeitsbedingungen herrschen. Sind aufgrund eines Wetterwechsels Probleme absehbar, stoppt er automatisch und nimmt die Arbeit wieder von alleine auf, sobald sich die Wetterlage gebessert hat.

Um die notwendige Rechenleistung für Datenanalysen und autonome Prozesse zu gewährleisten, bietet der Automatisierungsspezialist B&R einen PC für mobile Maschinen (Bild 1): „Der PC verfügt über einen Intel-Prozessor, der über einen weiten Bereich – vom Celeron bis hin zum Core i7 – skalierbar ist“, sagt Taxer. Der Vorteil in der Technologie von Intel liegt in der deutlich höheren Performance bei gleichzeitig geringerer Leistungsaufnahme – insgesamt bietet der PC somit eine maximierte Energieeffizienz.

„Ein vergleichbares Produkt, das dieses hohe Maß an Rechenleistung und Modularität in der kompakten Form eines PC bietet, gibt es für mobile Maschinen aktuell nicht am Markt“, sagt Taxer. B&R kann auf das Know-how und die Erfahrung aus 40 Jahren Automatisierung und PC-Fertigung für die Industrie zurückgreifen und ermöglicht nun mittelständischen Maschinenbauern mobiler Maschinen den Schritt in die Digitalisierung.

Der PC verfügt über ideale Voraussetzungen für den Einsatz in rauer Umgebung. Er weist die Schutzklasse IP69K auf und kann in einem Temperaturbereich von –40°C bis +85°C eingesetzt werden. Das komplett geschlossene Gehäuse kommt ohne Lüfter aus und ist zudem hochresistent gegen Schock und Vibration. Ein speziell entwickeltes Temperaturmanagement schützt den Prozessor vor Überhitzung und stellt sicher, dass er auch bei niedrigen Temperaturen einwandfrei funktioniert.

Damit Maschinen sich untereinander vernetzen und miteinander kommunizieren können, müssen sie Daten austauschen. Der Mähdrescher kann zum Beispiel Geschwindigkeit und Lenkung des nebenherfahrenden Traktors mit Ladeanhänger übernehmen und so sicherstellen, dass die Ladefläche optimal ausgenutzt und möglichst kein Saatgut vergeudet wird. Für die Kommunikation miteinander verwenden die Maschinen spezielle Protokolle.