Selbstfahren ist bei schweren Fahrzeugen ein alter Hut

Autonome Technologie im Bergbau und in der Landwirtschaft gut etabliert

Der größte Fokus der Autoindustrie liegt derzeit auf selbstfahrenden Autos. Etablierte Autohersteller sowie Technologieunternehmen wie Apple Inc. und Google von Alphabet Inc. arbeiten an der Entwicklung von Autos und leichten Lastkraftwagen, die entweder menschliche Fahrer unterstützen oder sich selbst führen.

Hersteller von Schwerfahrzeugen haben dies bereits erreicht. Caterpillar Inc. (Peoria, IL) vermarktet mit Unterstützung des National Robotics Engineering Center von Carnegie Mellon (Pittsburgh) autonome Lastwagen für den Bergbau und andere Anwendungen. John Deere (Moline, IL) von Deere &Co. war ein früher Entwickler von autonomen Fahrzeugen, in diesem Fall Traktoren und anderen landwirtschaftlichen Fahrzeugen. Im Laufe der Jahre hat es Hilfe von der NASA erhalten.

Der Auslöser für solche Produkte war die Notwendigkeit, Kosten zu senken und die Produktivität zu steigern. Selbstfahrende Mining-Trucks zum Beispiel arbeiten länger, weil sie keine Fahrer haben. Autonome Traktoren können Saatgut und Dünger präziser ausbringen und Geld sparen, indem sie Überschneidungen reduzieren oder eliminieren.

Solche Fahrzeuge fahren auch auf ausgewiesenen Off-Highway-Strecken in Minen und Feldern. Das ist einfacher als Autos, die auf offener Straße selbst navigieren.

„Die Anwendung [Land- und Bergbaufahrzeuge] ist definitiv eingeschränkter, obwohl sie immer noch sehr komplex ist“, sagte Herman Herman, Direktor des National Robotics Engineering Center, Teil von Robotics Institute von Carnegie Mellon. Das Zentrum hat sowohl mit Caterpillar als auch mit Deere zusammengearbeitet.

Jüngste Fortschritte in der Technologie haben die Weiterentwicklung von selbstfahrenden Off-Highway-Fahrzeugen beschleunigt, sagte Herman.

"Auf der Hardwareseite gibt es viele neue Sensoren, die nicht nur leistungsfähiger, sondern auch kostengünstiger sind und eine ganze Reihe neuer Anwendungen ermöglichen", sagte er in einem E-Mail-Interview. "Auf der Softwareseite gab es viele Fortschritte bei KI-Algorithmen [künstliche Intelligenz], die auch viel bessere Fähigkeiten ermöglichen."

Darüber hinaus sagte Herman:„Da wir immer mehr Roboter entwerfen und bauen, haben wir aus systemtechnischer Sicht viel besser verstanden, was es braucht, um autonome Systeme zu bauen, wie z der selbstfahrende Lkw.“

Automatisierung des Bergbaubetriebs

Selbstfahrende schwere Fahrzeuge gibt es seit mehr als einem Vierteljahrhundert. Caterpillar und Carnegie Mellon begannen in den 1980er Jahren zusammenzuarbeiten, um Möglichkeiten zur Automatisierung von Oberflächenbergbaugeräten zu entwickeln.

In den späten 1990er Jahren arbeiteten die beiden Partner zusammen an einem Roboterbagger zur automatischen LKW-Beladung. Dieses System verwendete Scan-Entfernungsmesser, um den zu beladenden LKW zu erkennen und Hindernisse im Arbeitsbereich zu erkennen.

„Wir haben ein autonomes Beladesystem für Bagger demonstriert, das in der Lage ist, Lastwagen mit weichem Material mit der Geschwindigkeit von erfahrenen menschlichen Bedienern zu beladen“, sagte das Robotikinstitut in einem veröffentlichten technischen Papier im Jahr 1998. „Das System modifiziert sowohl seine Grab- als auch seine Deponiepläne auf der Grundlage der von seinen Sensoren erfassten Setzung des Bodens.“ Herman war Teil des Teams, das an dem Projekt gearbeitet hat.

In den 2000er Jahren arbeiteten Carnegie Mellon und Caterpillar bei Wettbewerben für autonome Fahrzeuge der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) zusammen. Danach arbeitete das Duo an Autonomous Haulage Solutions (AHS) oder selbstfahrenden Muldenkippern wie dem Cat 793F.

Caterpillar begann 2011 mit drei autonomen Bergbau-LKWs zum Testen und Validieren, laut Hintergrundmaterial des Schwermaschinenherstellers. Zwei Jahre später setzte Caterpillar sechs autonome Lkw kommerziell ein. Bis Ende dieses Jahres erwartet der Schwermaschinenhersteller, dass 100 solcher Lkw auf drei Kontinenten im Einsatz sein werden.

Die Lastwagen haben keine menschlichen Bediener. Sie haben Routen entworfen, können aber alternative Routen auswählen, um ihre zugewiesenen Ziele zu erreichen. Sie werden an abgelegenen Bergbaustandorten eingesetzt und von einem zentralen Kontrollsystem beaufsichtigt, das von menschlichen Vorgesetzten besetzt ist. Sensoren und zugehörige Technologie ermöglichen es Lastwagen, anderen Fahrzeugen und Bergbaupersonal auszuweichen. Die Lastwagen halten an, wenn ein Gegenstand oder ein Fahrzeug im Weg ist. Sie liefern auch Diagnosedaten und alarmieren die Leitstelle, wenn Reparaturen erforderlich sind.

Caterpillar arbeitet weiterhin „aktiv“ mit dem Robotikzentrum von Carnegie Mellon zusammen, sagte Joe Forcash, technischer Leiter im Pittsburgh Automation Center des Unternehmens, in einer E-Mail.

„In diese Lösung fließen viel Komplexität und Technologie ein“, sagte Herman.

Unten auf der Farm

Farmfelder sind auch der Standort von selbstfahrenden Fahrzeugen, einschließlich Traktoren und Mähdreschern. Die Fahrzeuge von John Deere sind nicht vollständig autonom. Operator sind noch an Bord. Sie fahren die erste gebogene Reihe und lehren sie praktisch dem Leitsystem des Traktors. Danach übernimmt das System den größten Teil der Fahrt und der Bediener kann die Hände vom Lenkrad nehmen.

Deere betrachtete die selbstfahrende Technologie als einen Weg für Kunden, um Kosten zu senken und Geräte länger laufen zu lassen.

„Stellen Sie sich vor, Sie fahren auf einer Autobahn und müssen Ihren Reifen auf der weißen Linie halten“, sagt Terry Pickett, Manager of Advanced Engineering bei John Deere Integrated Solutions. „Jedes Mal, wenn Sie die weiße Linie verlassen haben, hat es Sie 3 Dollar gekostet. Du würdest fast ängstlich aussehen.

„Wir haben 1996 wirklich einen fokussierten Weg eingeschlagen“, fuhr Pickett fort. „Wir haben mit der Stanford University an GPS-basierter Führung gearbeitet.“ In den späten 1990er Jahren arbeitete das Unternehmen eng mit Stanford an einem fortschrittlichen GPS-basierten Leitsystem sowie einem Deere-System zusammen, das auf Robustheit und Kosteneffizienz ausgelegt war, sagte Pickett:„Wir versuchten zu diesem Zeitpunkt zu entscheiden, wie genau wir sein mussten um Operationen im Feld durchzuführen.“

In den frühen 2000er Jahren führte Deere sein erstes AutoTrac-System ein. Das damalige Ziel war eine Genauigkeit innerhalb von 40 Zentimetern „und wir kamen auf 25“, sagte Pickett.

Auch während dieser Zeit schloss Deere eine Vereinbarung mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA über GPS-Empfänger.

Im Jahr 2004 modifizierte Deere seine StarFire-GPS-Empfänger, sodass sie das Bodenstationsnetzwerk der NASA anzapfen und die NASA-Software zur Korrektur von GPS-Signalen verwenden konnten. Die Lizenz des Unternehmens bei der NASA endete 2015, nachdem Deere sein eigenes System entwickelt hatte.

Der NASA-Pakt „hat uns drei oder vier Jahre früher auf den Markt gebracht“, sagte Pickett. „Es ermöglichte uns einen fokussierteren und tieferen Denkprozess“, während es gleichzeitig sein eigenes System entwickelte, sagte er.

„Es hat uns von einem 25-Zentimeter-[Genauigkeits-]System auf ein 7- oder 8-Zentimeter-System heruntergebracht“, sagte er. „Jetzt ist es 3 Zentimeter genau.“

Neben der Unterstützung des Fahrers helfen Deere-Systeme bei der Führung von Anbaugeräten beim Bestellen, Pflanzen und Düngen. Deere-Systeme helfen einem Traktor und einem Anbaugerät, denselben präzisen Pfad zu verfolgen. Ein Traktor, der einen Getreidewagen zieht, kann zum Beispiel an die richtige Stelle kommen, um Getreide von einem Mähdrescher zu laden.

Deere hat Prototypen für vollständig selbstfahrende landwirtschaftliche Fahrzeuge gebaut, erwartet aber nicht, dass solche Fahrzeuge bald eingesetzt werden, sagte Pickett. „Es ist nicht so sehr die Technologie selbst“, sagte er. „So machst du die ganze Arbeit.“

Selbstfahrende Prototypen

Andere Unternehmen untersuchen vollständig selbstfahrende Traktoren. CNH Industrial (London), das landwirtschaftliche Geräte unter den Marken Case und New Holland verkauft, und Autonomous Solutions Inc. (Logan, UT) stellten letztes Jahr zwei Prototypen auf der Farm Progress Show 2016 in Boone, IA, vor.

„Landmaschinen können derzeit nicht fahrerlos betrieben werden “, sagte Matt Nielsen, Marketingleiter von Autonomous Solutions, dem Technologiepartner von CNH. „Es gibt einige Technologien, die beim Kurvenfahren helfen, aber nichts wirklich fahrerloses.“

Gleichzeitig:„Das ist die Richtung, in die es geht“, sagte er. „Es ist ganz einfach, sich für diese Technologie zu begeistern. Es ist ein grandioser Sprung. Aber es gibt noch viel zu tun.“

Die Prototypen sind mit Kameras, Radar und LIDAR ausgestattet, das Laser zum Erfassen von Objekten verwendet. „Das gibt dem Fahrzeug seine Augen“, sagte Nielsen. Bediener können Routen programmieren und das Fahrzeug mit einem Laptop oder Tablet-Computer überwachen. „Wir haben noch keine Smartphone-Fähigkeit; das wird in der Zukunft sein“, sagte er.

Die Technologie der selbstfahrenden Traktorprototypen wurde durch die Entwicklungsarbeit für autonome Autos unterstützt, was die Kosten für Sensoren gesenkt hat, sagte Nielsen.

„Wir sind den GMs, Fords und Googles der Welt sehr dankbar“, sagte er. „Die Geldbeträge, die in die Technologie geflossen sind, [haben] uns sicherlich geholfen.“

Es ist nicht bekannt, wann vollständig selbstfahrende Traktoren kommerziell eingesetzt werden. Wie bei autonomen Autos werden wahrscheinlich rechtliche Haftungsfragen zu lösen sein. Und da ist die Kostenfrage.

„Technologie in ihrem jungen Zustand ist sehr teuer“, sagte er. „Early Adopters werden Ihre großen Farmen sein.“

Self-Parking Semis

Ein weiterer Bereich für selbstfahrende schwere Fahrzeuge liegt direkt an der Autobahn – an Laderampen und anderen Einrichtungen.

Eaton Corp. (Dublin, Irland), ein Energieverwaltungsunternehmen, entwickelt Selbstparkvorrichtungen für schwere Nutzfahrzeuge. Das Unternehmen bezeichnet es als Advanced Driver Assist System (ADAS).

Es gibt zwei Formen von ADAS. Mit Dock Assist setzt ein Fahrer einen Lkw so nah wie möglich an eine Laderampe heran. Der Fahrer betätigt dann die Betriebsbremse und stoppt das fahrende Fahrzeug. Ein Schalter am Gerät wird umgelegt und der Lkw beginnt langsam rückwärts zu fahren. Dock Assist aktiviert die Getriebesteuerung.

Das Getriebe erkennt das Dock anhand des angelegten Drehmoments beim Drücken gegen das Dock. Der Lkw hält an und parkt. Dock Assist ist als „Level 2“-System bekannt und kann nicht ohne jemanden auf dem Fahrersitz betrieben werden.

Autonomes Self-Docking ist aufwendiger. Es enthält GPS und findet das Dock, an dem der LKW parken soll. Das System sendet Befehle an das Getriebe, das die Geschwindigkeit anpasst und die Kupplung betätigt. Das System steuert das Lenkrad, ohne dass der Fahrer es berührt.

„Wir haben kein festes Einführungsdatum“, sagte Chris Nielsen, Global Product Strategy Manager für Eaton Commercial Powertrain Group. „Man kann mit Sicherheit sagen, dass Sie in ein paar Jahren Technologie von uns sehen werden, die beim Andocken eines Lastwagens hilft.“

Das Vorantreiben der Entwicklung kostet Geld. Lastwagen werden oft bei Pannen beim Andocken beschädigt. „Sie können Kupplungen, Infrastrukturen und Anhängern Schaden zufügen“, sagte er. Außerdem:„Eine der größten Herausforderungen, die wir branchenweit haben, sind die Fahrer. Da draußen herrscht ein großer Mangel.

„Wir spielen jetzt seit drei bis vier Jahren damit herum, um das zu entwickeln, was wir haben“, fuhr Nielsen fort. „Es ist ein bisschen warten, bis die Industrie aufholt. Angesichts des steigenden Interesses fangen wir an, unsere Bemühungen zu verstärken.“

Es sind nicht nur schwere Fahrzeuge, die in industriellen Umgebungen autonom fahren. Seegrid (Coraopolis, PA) stellt seinen selbstfahrenden Hubwagen GP8 Serie 6 zum Be- und Entladen von Paletten vor. Es hat die Größe eines Gabelstaplers und verwendet fünf Videokameras.

Herman Herman von Carnegie Mellon erwartet, dass autonome Fahrsysteme in Off-Highway-Umgebungen schneller werden.

„Ich gehe davon aus, dass die Einführung der Selbstfahrtechnologie in vielen industriellen Anwendungen zunehmen wird, bevor sie sich in der Verbraucher-/öffentlichen Nutzung verbreitet“, sagte er. „Wir würden gerne ähnliche Lösungen für andere Branchen entwickeln.“