Schwere Nutzfahrzeuge als Vorreiter: Autonomes Fahren bereits Realität

Autonome Technologie im Bergbau und Landwirtschaft etabliert

Der größte aktuelle Fokus der Autoindustrie liegt auf selbstfahrenden Autos. Etablierte Automobilhersteller sowie Technologieunternehmen wie Apple Inc. und Alphabet Inc.s Google arbeiten an der Entwicklung von Autos und leichten LKWs, die entweder menschliche Fahrer unterstützen oder sich selbst steuern.

Hersteller schwerer Nutzfahrzeuge haben das bereits erreicht. Caterpillar Inc. (Peoria, IL), mit Unterstützung von Carnegie Mellons National Robotics Engineering Center (Pittsburgh), vermarktet autonome LKWs für Bergbau und andere Anwendungen. Deere & Co.s John Deere (Moline, IL) war ein früher Entwickler autonomer Fahrzeuge – in diesem Fall Traktoren und andere Landmaschinen. Im Laufe der Jahre erhielt es Unterstützung von der NASA.

Der Katalysator für solche Produkte war die Notwendigkeit, Kosten zu senken und Produktivität zu steigern. Selbstfahrende Bergbau-LKWs arbeiten länger, weil sie keine Fahrer benötigen. Autonome Traktoren können Saatgut präziser ausbringen und Dünger streuen, was Geld spart, indem Überlappungen reduziert oder eliminiert werden.

Solche Fahrzeuge befahren auch festgelegte Off-Highway-Routen in Minen und Feldern. Das ist einfacher als Autos, die sich auf offenen Straßen selbst navigieren.

„Die Anwednung [landwirtschaftliche und Bergbau-Fahrzeuge] ist definitiv stärker eingeschränkt, obwohl sie immer noch sehr komplex ist“, sagte Herman Herman, Direktor des National Robotics Engineering Center, Teil von Carnegie Mellons Robotics Institute. Das Zentrum hat sowohl mit Caterpillar als auch mit Deere zusammengearbeitet.

Jüngste technologische Fortschritte haben die kontinuierliche Entwicklung selbstfahrender Off-Highway-Fahrzeuge beschleunigt, sagte Herman.

„Von der Hardwareseite gibt es viele neue Sensoren, die nicht nur leistungsfähiger, sondern auch kostengünstiger sind und eine ganz neue Reihe von Anwendungen ermöglichen“, sagte er in einem E-Mail-Interview. „Von der Softwareseite gab es viele Fortschritte bei KI-Algorithmen, die ebenfalls viel bessere Fähigkeiten ermöglichen.“

Zudem, so Herman, „je mehr Roboter wir entwerfen und bauen, desto besser wird das systemtechnische Verständnis dafür, was es braucht, um autonome Systeme wie den selbstfahrenden LKW zu bauen.“

Automatisierung von Bergbauoperationen

Selbstfahrende Schwerlastfahrzeuge gibt es seit mehr als einem Vierteljahrhundert. Caterpillar und Carnegie Mellon begannen in den 1980er Jahren mit der Automatisierung von Tagebauausrüstung.

In den späten 1990er Jahren arbeiteten die beiden Partner an einem robotischen Bagger für automatisches LKW-Beladen. Dieses System nutzte Scanning-Entfernungsmesser, um den zu beladenden LKW zu erkennen und Hindernisse im Arbeitsbereich zu erfassen.

„Wir haben ein autonomes Beladesystem für Bagger demonstriert, das in der Lage ist, LKWs mit weichem Material mit der Geschwindigkeit erfahrener menschlicher Bediener zu beladen“, schrieb das Robotik-Institut in einem technischen Papier von 1998. „Das System modifiziert sowohl seine Grab- als auch seine Abladepläne basierend auf der Setzung des Bodens, wie von seinen Sensoren erfasst.“ Herman war Teil des Teams, das an dem Projekt arbeitete.

In den 2000er Jahren arbeiteten Carnegie Mellon und Caterpillar an DARPA-Wettbewerben für autonome Fahrzeuge. Danach kollaborierten sie an Autonomous Haulage Solutions (AHS), also selbstfahrenden Bergbau-LKWs wie dem Cat 793F.

Caterpillar startete 2011 mit drei autonomen Bergbau-LKWs für Test und Validierung, laut Hintergrundmaterial des Schwerlastgeräteherstellers. Zwei Jahre später setzte Caterpillar sechs autonome LKWs kommerziell ein. Bis Ende dieses Jahres erwartet der Schwerlastgerätehersteller, dass 100 solcher LKWs auf drei Kontinenten im Einsatz sind.

Die LKWs haben keine menschlichen Bediener. Sie haben festgelegte Routen, können aber Alternativrouten wählen, um ihre zugewiesenen Ziele zu erreichen. Sie werden an abgelegenen Bergbaustandorten eingesetzt und von einem zentralen Kontrollsystem überwacht, das von menschlichen Supervisoren bemannt ist. Sensoren und zugehörige Technologie ermöglichen es den LKWs, andere Fahrzeuge und Bergbaupersonal zu vermeiden. Die LKWs stoppen, wenn ein Objekt oder Fahrzeug in den Weg gerät. Sie liefern auch Diagnosedaten und warnen das Kontrollzentrum, wenn Reparaturen nötig sind.

Caterpillar arbeitet weiterhin „aktiv“ mit dem Carnegie-Mellon-Robotikzentrum zusammen, sagte Joe Forcash, Engineering Supervisor im Pittsburgh Automation Center des Unternehmens, per E-Mail.

„Es steckt viel Komplexität und Technologie in dieser Lösung“, sagte Herman.

Auf dem Bauernhof

Auch Ackerfelder sind Schauplatz selbstfahrender Fahrzeuge, einschließlich Traktoren und Mähdrescher. John Deeres Fahrzeuge sind nicht vollautonom. Bediener sind noch an Bord. Sie fahren die erste Kurvenreihe und lehren sie so dem Führungssystem des Traktors. Danach übernimmt das System den größten Teil des Fahrens, und der Bediener kann die Hände vom Lenkrad nehmen.

Deere betrachtete selbstfahrende Technologie als Möglichkeit für Kunden, Kosten zu senken und Geräte länger laufen zu lassen.

„Stellen Sie sich vor, Sie fahren auf der Autobahn und müssen Ihren Reifen auf der weißen Linie halten“, sagte Terry Pickett, Manager Advanced Engineering für John Deere Integrated Solutions. „Jedes Mal, wenn Sie von der weißen Linie abweichen, kostet es Sie 3 Dollar. Sie wären fast bug-eyed.“

„Wir begannen 1996 wirklich einen fokussierten Pfad“, fuhr Pickett fort. „Wir arbeiteten mit der Stanford University an GPS-basierter Führung.“ In den späten 1990er Jahren arbeitete das Unternehmen eng mit Stanford an einem fortschrittlichen GPS-basierten Führungsystem sowie an einem Deere-System, das für Robustheit und Kosteneffizienz entwickelt wurde, sagte Pickett: „Wir versuchten damals zu entscheiden, wie genau wir sein mussten, um Feldoperationen durchzuführen.“

Anfang der 2000er Jahre führte Deere sein erstes AutoTrac-System ein. Das Ziel war Genauigkeit innerhalb von 40 Zentimetern „und wir kamen auf 25“, sagte Pickett.

In dieser Zeit schloss Deere auch eine Vereinbarung mit NASAs Jet Propulsion Laboratory über GPS-Empfänger.

2004 modifizierte Deere seine StarFire-GPS-Empfänger, sodass sie auf NASAs Bodenstationsnetz zugreifen und NASA-Software zur Korrektur von GPS-Signalen nutzen konnten. Die Lizenz mit der NASA endete 2015, nachdem Deere sein eigenes System entwickelt hatte.

Der NASA-Pakt „brachte uns drei bis vier Jahre früher auf den Markt“, sagte Pickett. „Er erlaubte uns einen fokussierteren und tieferen Denkprozess“ während der Entwicklung des eigenen Systems.

„Er brachte uns von einem 25-Zentimeter-[Genauigkeits-]System auf ein 7-oder-8-Zentimeter-System“, sagte er. „Jetzt sind es 3 Zentimeter Genauigkeit.“

Neben der Unterstützung der Bediener helfen Deere-Systeme, Anbaugeräte für Pflügen, Säen und Düngen zu führen. Deere-Systeme helfen Traktor und Anbaugerät, exakt denselben präzisen Pfad zu folgen. Ein Traktor, der einen Getreidewagen zieht, kann in die richtige Position zum Beladen von Getreide aus einem Mähdrescher gelangen.

Deere hat Prototypen für vollautonome Landfahrzeuge gebaut, erwartet aber nicht, dass solche Fahrzeuge bald eingesetzt werden, sagte Pickett. „Es ist nicht so sehr die Technologie an sich“, sagte er. „Es ist, wie man den ganzen Job erledigt.“

Selbstfahrende Prototypen

Andere Unternehmen schauen auf völlig selbstfahrende Traktoren. CNH Industrial (London), das Landmaschinen 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, Marketingdirektor von Autonomous Solutions, das CNHs Technologiepartner ist. „Es gibt Technologien, die bei Kurven helfen, aber nichts wirklich Fahrerloses.“

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

Die Prototypen sind mit Kameras, Radar und LIDAR ausgestattet, das Laser zur Objekterkennung nutzt. „Das gibt dem Fahrzeug seine Augen“, sagte Nielsen. Bediener können Routen programmieren und das Fahrzeug per Laptop oder Tablet überwachen. „Wir haben noch keine Smartphone-Fähigkeit; das wird in der Zukunft kommen“, sagte er.

Technologie an den selbstfahrenden Traktor-Prototypen wurde durch Entwicklungsarbeit für autonome Autos unterstützt, die die Kosten für Sensoren gesenkt haben, sagte Nielsen.

„Wir sind den GMs, Fords und Googles dieser Welt sehr dankbar“, sagte er. „Die Geldmengen, die in die Technologie fließen, haben uns sicherlich geholfen.“

Es ist nicht bekannt, wann völlig selbstfahrende Traktoren kommerziell eingesetzt werden. Wie bei autonomen Autos wird es wahrscheinlich rechtliche Haftungsfragen zu klären geben. Und da ist die Kostenfrage.

„Technologie in ihrem jungen Stadium ist sehr teuer“, sagte er. „Early Adopters werden eure Großbetriebe sein.“

Selbstparkende Sattelzugmaschinen

Ein weiterer Bereich für selbstfahrende Schwerlastfahrzeuge ist direkt abseits der Autobahn – an Laderampen und anderen Einrichtungen.

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

Es gibt zwei Formen von ADAS. Bei Dock Assist fährt der Fahrer einen LKW so nah wie möglich an eine Laderampe. Der Fahrer betätigt dann die Betriebsbremse und hält das Fahrzeug im Gang. Ein Schalter am Gerät wird umgelegt, und der LKW beginnt langsam, rückwärts zu fahren. Dock Assist greift in die Getriebesteuerung ein.

Das Getriebe erkennt die Rampe anhand des Drehmoments, das beim Andrücken an die Rampe aufgebracht wird. Der LKW stoppt und ist geparkt. Dock Assist ist ein „Level 2“-System und kann nicht ohne jemanden auf dem Fahrersitz bedient werden.

Autonomes Selbst-Docken ist aufwändiger. Es umfasst GPS und findet die Rampe, wo der LKW parken soll. Das System sendet Befehle an das Getriebe, das Geschwindigkeit anpasst und die Kupplung betätigt. Das System steuert das Lenkrad, ohne dass der Fahrer es berührt.

„Wir haben kein festes Veröffentlichungsdatum“, sagte Chris Nielsen, Global Product Strategy Manager für Eatons Commercial Powertrain Group. „Man kann sicher sagen, dass man innerhalb von ein paar Jahren Technologie von uns sehen wird, die beim Andocken eines LKWs hilft.“

Treiber der Entwicklung sind Kosten. LKWs werden oft bei Andockunfällen beschädigt. „Man kann Kupplungen, Infrastrukturen, Anhänger beschädigen“, sagte er. Auch: „Eine der größten Herausforderungen branchenweit ist der Fahrermangel. Es gibt einen großen Mangel da draußen.

„Wir spielen seit drei bis vier Jahren damit herum, um das zu entwickeln, was wir haben“, fuhr Nielsen fort. „Es ist ein bisschen Warten auf die Branche, damit sie aufholt. Mit dem Anstieg des Interesses rüsten wir unsere Bemühungen hoch.“

Nicht nur schwere Fahrzeuge werden in industriellen Umgebungen autonom. Seegrid (Coraopolis, PA) führt seinen GP8 Series 6 selbstfahrenden Palettenstapler für Be- und Entladen von Paletten ein. Er ist so groß wie ein Gabelstapler und nutzt fünf Sätze Videokameras.

Herman Herman von Carnegie Mellon erwartet, dass autonome Fahrsysteme in Off-Highway-Einstellungen an Geschwindigkeit gewinnen.

„Ich erwarte, dass die Einführung selbstfahrender Technologie in vielen industriellen Anwendungen an Fahrt aufnimmt, bevor sie im Verbraucher-/öffentlichen Bereich weit verbreitet ist“, sagte er. „Wir würden gerne ähnliche Lösungen für andere Branchen entwickeln.“