Vernetzung und Automation: Die SYSTEMS & COMPONENTS 2022 präsentiert das Potenzial des autonomen Fahrens im Off-Highway-Sektor

Die Anforderungen an Produktivität, Komfort und Sicherheit mobiler Maschinen im Off-Highway-Sektor steigen. Assistenzsysteme und teilautomatisierte Lösungen erleichtern dem Fahrer in der Kabine den Arbeitsalltag, egal ob auf dem Feld oder der Baustelle. Die SYSTEMS & COMPONENTS, die vom 27. Februar bis 5. März zeitgleich mit der Agritechnica stattfindet, bietet den Zugang zu den Technologien, die auf direktem Weg in Richtung Autonomie führen.

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Starke Anstiege, steile Abbrüche, scharfe Kurven und beengte Platzverhältnisse: Im Cockpit mobiler Arbeitsmaschinen ist maximale Konzentration und vollständige Kontrolle gefragt. Fortgeschrittene Assistenzsysteme übernehmen dabei die Aufgabe, den Fahrer in der Kabine zu unterstützen. Ihr zunehmender Automatisierungsgrad erlaubt eine immer stärkere Entlastung des Maschinenführers, der sich so auf seine eigentliche Aufgabe, z. B. die Überwachung und Optimierung des Arbeitsprozesses, konzentrieren kann. Gleichzeitig stehen sie in Gefahrensituationen bereit, um notfalls in das Fahrgeschehen einzugreifen. Dadurch werden Kollisionen zum Beispiel beim Rückwärtsfahren auf einer unübersichtlichen Baustelle vermieden.

Auf dem Weg zur marktreifen Lösung

Doch die leistungsfähigen Assistenzsysteme sorgen nicht nur für mehr Sicherheit und mehr Effizienz auf Feldern oder Baustellen: Sie sollen den Weg in Richtung Autonomie ebnen. Überträgt man dieses Ziel auf die Systemarchitektur der Traktoren, Erntemaschinen oder Bagger, so bedeutet dies, dass immer mehr Daten verarbeitet werden, die aus einer steigenden Zahl an Sensoren stammen. Und schlussendlich müssen die Informationen dem Bediener in einer intuitiven Art und Weise auf dem Display im Cockpit präsentiert werden. Die SYSTEMS & COMPONENTS gibt einen Ausblick darauf, was hier im Off-Highway-Sektor in den kommenden Jahren zu erwarten ist – denn die nächste Generation selbstfahrender Fahrzeuge wird in der Lage sein, sich autonom zu bewegen und zu arbeiten.

Die in Hannover ausstellenden Technologieanbieter sind schon länger in der Lage, teilautonome Funktionen wie etwa die elektrohydraulische Lenkung in Off-Highway-Fahrzeuge zu integrieren. Geschwindigkeits-, Lenk- und Fahrregler halten die Maschinen in der Spur und setzen Mähdrescher automatisch an die letzte Schnittkante an. Wie sich die nächste Stufe der Autonomie erklimmen lässt, ist eines der zentralen Themen auf der SYSTEMS & COMPONENTS. Den Ausgangspunkt dafür bilden die Steer-by-Wire-, Drive-by-Wire-, und Brake-by-Wire-Funktionen der jüngsten Generation. Sie sorgen für mehr Flexibilität bei Maschinen- und Kabinenkonstruktionen, z. B. kann die Lenksäule komplett entfallen.

Lenken mit mehr Freiheit und Komfort

Auf dem Messegelände in Hannover dürften die Diskussion und das Interesse an den digitalen Lenk-, Fahr- und Bremssystemen deutlich an Fahrt aufnehmen, denn die Anbieter der Technologien haben die Serienreife für die Off-Highway-Märkte im Fokus. Anders als im Automotive-Bereich sind hier häufig nachrüstbare Lösungen gefragt, denn die Betreiber haben kein Interesse daran, nur des autonomen Fahrens wegen den kompletten Fuhrpark auszutauschen. Die gezeigten Systeme umfassen den gesamten Prozess vom Lenkrad über das Bremspedal bis zur Achse und ermöglichen eine unmittelbare haptische Rückmeldung der Kräfte direkt an den Fahrzeugführer. Die Umsetzung erfolgt in Form von mechatronischen, hydraulischen oder hybriden Lösungen, die das Brems- oder Wendemanöver in Sekundenbruchteilen einleiten. Dabei sollen sie mindestens genauso sicher sein wie herkömmliche Systeme mit mechanischen Übertragungswegen. Ein mehrfach redundantes Sicherheitssystem stellt sicher, dass stets korrekte Sensorwerte übermittelt und verarbeitet werden.

Das elektronische Lenken verspricht nicht nur mehr Fahrkomfort und Präzision für Traktoren und selbstfahrende Erntemaschinen: es ermöglicht auch den Fahrbetrieb in kritischen Situationen, ohne dass dabei ein Mensch im Cockpit sitzt. Der Fahrer steigt aus, aktiviert die Funkfernbedienung und steuert das Fahrzeug von außen. Das Beispiel zeigt: Landwirt und Traktor bleiben weiterhin ein Team – auch wenn die Maschine in Zukunft autonom auf dem Feld unterwegs sein wird. Angekommen sind diese technischen Fähigkeiten auch in den anderen Branchen des Off-Highway-Sektors. Während sich viele Landtechnikhersteller vor allem aufgrund fehlender Rechtssicherheit für autonomes Fahren im öffentlichen Raum noch in der Projekt- oder Pilotphase befinden, gehört autonomes Fahren im Tagebau bereits zum Alltag. In den großen Rohstoffminen der australischen Bergbaugesellschaft Rio Tinto in Australien beispielsweise befördern autonome Muldenkipper von Komatsu mit Autonomous Haulage System (AHS) das Eisenerz ohne Fahrer am Steuer. Ihren Weg finden sie mit Hilfe von hochgenauem GPS, Hindernisse erkennen sie dank Radar- und Laser-Sensoren.

Sensoren für nächste Stufe der Autonomie

Sensorsysteme sind die Sinnesorgane mobiler Maschinen und stehen folglich auf der Roadmap der Technologieanbieter ebenfalls ganz oben. Das Ziel: Höchste Präzision bei der Personen- und Objekterkennung. Voraussetzung hierfür ist die zuverlässige 360-Grad-Erfassung des umgebenden, oft unstrukturierten Geländes. Die aktuellen Sensor- und Kameratechnologien und die darauf abgestimmten Bildverarbeitungsalgorithmen ermöglichen mittlerweile Assistenzsysteme, die an die jeweiligen Kundenbedürfnisse und den Typ der mobilen Arbeitsmaschine angepasst sind. Die Entwickler verlassen sich dabei nicht allein auf einen Sensortyp: Erst die Kombination der Informationen verschiedener Sensoren (Sensorfusion) ergibt ein komplettes Umgebungsmodell – eine Grundvoraussetzung für Zuverlässigkeit und Sicherheit von Fahrerassistenzsystemen und autonomem Fahren.

Zunehmend rückt dabei als Ergänzung zu Kamera-, Radar-, Ultraschalltechnik der Einsatz von LiDAR-Sensoren (Light Detection And Ranging) in den Mittelpunkt. Sie sollen den autonom agierenden Arbeitsmaschinen im Off-Highway-Bereich zum Durchbruch verhelfen und zählen für Experten wie Aine Denari, Senior Vice President und General Manager der ZF-Division Elektronik und Advanced Driver Assist Systems, zu den Schüsseltechnologien. Die LiDAR-Systeme erfassen ihre Umgebung auf Basis von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht und generieren auch bei Regen, Nebel, Staub oder Dunkelheit eine lückenlose 3D-Punktewolke. Mit einer zusätzlichen Verarbeitung von GPS-Daten wird die Echtzeit-Navigation nochmals verbessert, um mögliche Kollisionen zu verhindern – so lassen sich landwirtschaftliche Arbeiten wie Aussaat und punktgenauer Einsatz von Dünger und Pflanzenschutzmitteln ohne Präzisionsverlust bis in die Nacht ausdehnen. Besitzt der Traktor dann noch die Fähigkeit, Daten von Wetterstationen zu beziehen, kann er ausloten, wann auf dem Feld die besten Arbeitsbedingungen herrschen.

Rechenpower für die Cloud-Anbindung

Damit die Maschinen diese Vorgänge übernehmen können, müssen sie die Daten entsprechend verarbeiten. Einfache Steuerungssysteme zur Automatisierung stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Erst durch die deutlich höhere Rechenleistung der aktuellen High-End-PC und Telematikeinheiten lassen sich autonome Funktionen für Agrar- und Baumaschinen umsetzen. Mit ihrer hohen Performance eignen sie sich auch für Maschinen, die direkt miteinander kommunizieren und Daten an die Cloud schicken. Waren Traktor und Mähdrescher oder Feldhäcksler bisher getrennte Einheiten, können sie künftig selbstständig dank Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) Informationen wie Position, Geschwindigkeit und Ladekapazität untereinander austauschen und so den Ernte- und Logistikprozess optimieren. Die hohe Rechenkapazität ermöglicht zudem eine präzise Koordination von mehreren Maschinen. Ausgestattet mit hochgenauer Real Time Kinematic und verbunden durch eine Datenfunkverbindung tauschen die Fahrzeuge Informationen über Position, Geschwindigkeit und Einstellungen der Anbaugeräte aus – so lässt sich beispielsweise eine "elektronische Deichsel" umsetzen. Platooning heißt dieses Szenario, bei dem mehrere Maschinen in einem Verbund das Feld bearbeiten. Ein weiteres Szenario ist die Synchronisation mit einer Drohne.

Vom 27. Februar bis 5. März 2022 vermittelt die SYSTEMS & COMPONENTS den aktuellen Stand der Technik zum teilautomatisierten Fahren von mobilen Arbeitsmaschinen. Moderne Assistenzsysteme, Hybridisierung und Elektrifizierung, intelligente Sensoren und leistungsstarke Telematiken: Die ausstellenden Unternehmen setzen auf eine große Bandbreite an Technologien, die mobile Arbeitsmaschinen auf ein neues Betriebsniveau heben. Erfahrungsberichte und spannende Einblicke in die Lösungsansätze führender Hersteller von Bau- und Landmaschinen wird auch die Future Lounge bieten, das begleitende Fachforum der SYSTEMS & COMPONENTS.