Entwicklung – FORSCHUNG LIVE Teil 3:

AVL e-Tractor: Autonom unterwegs

Vollelektrische, batteriebetriebene Fahrzeuge halten auch bei mobilen Arbeitsmaschinen immer mehr Einzug. Während bei Radladern und Traktoren meist der konventionelle Verbrennungsmotor bei gleichbleibender Fahrzeugstruktur durch einen elektrischen Antriebsstrang ersetzt wird, handelt es sich beim AVL e-Tractor um eine komplette Neuentwicklung mit neuartigen, integrierten und intelligenten Lösungen, die im Folgenden vorgestellt werden. Der eilbote begleitet diese Arbeit exklusiv und berichtet in mehreren Fortsetzungen im laufenden Jahr über die Entwicklungsschritte des Projekts e-Tractor.

Entwicklung – FORSCHUNG LIVE Teil 3: AVL e-Tractor: Autonom unterwegs

Abbildung 1: Umfelderkennung des autonomen Fahrzeugs anhand von optischen und elektromagnetischen Sensoren.

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Abb. 2: Der Prototyp des AVL e-Tractors auf der letzten Agritechnica. Auf dem schwarzen Mast befindet sich die Kamera sowie die GPS-, LTE- und WLAN-Antenne. Direkt hinter dem schwarzen Mast ist der Job-Computer zu erkennen, in dem die Signale zusammenlaufen und verarbeitet werden.

Neben der Integration der Komponenten ins Leistungschassis, welche in den vorangegangenen eilbote-Artikeln behandelt wurde, bietet auch die neuartige und intelligente Steuerung des AVL e-Tractors zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Eine Bedienung des Fahrzeugs aus einer Fahrerkabine heraus ist zwar weiterhin denkbar, jedoch nicht zwingend erforderlich. Da die Maschine über ein Steer- und Brake-by-Wire-System verfügt, handelt es sich um ein zur Autonomie fähiges Fahrzeug, was speziell in den unteren Leistungsklassen bis 75 kW den Arbeitsprozess optimieren kann. Für diesen Zweck sind sowohl das Lenk- als auch das Bremssystem in ihrem Aufbau vollständig elektrisch und hydraulisch redundant ausgeführt, so dass mechanische Rückfallebenen, wie das Lenkrad oder das Bremspedal, nicht notwendig sind.

Zur Fortbewegung im städtischen Umfeld orientiert sich der hochautomatisierte AVL e-Tractor, wie in Abbildung 1 dargestellt, zwar an einem leitenden Objekt oder einer Person, die über Kamerasysteme erfasst wird, verrichtet und überwacht dabei aber diverse Arbeitsprozesse hochautomatisiert und selbstständig. Beim Mähen einer Böschung kann beispielsweise der Teleskoparm mit zusätzlichen Kameras zur Objekterkennung sowie Lagesensoren zur automatischen Werkzeugausrichtung ausgestattet sein. Gleichzeitig wird zur Gefahrenvermeidung mit Hilfe von am Fahrzeug angebrachten Radar- und Ultraschallsensoren das Umfeld erfasst.

Zur Absicherung von sich bewegenden Autobahnbaustellen sind bereits hochautomatisierte Lkw in der Erprobung, die einem Leitobjekt, meist einem anderen Baustellenfahrzeug, in einem konstanten Abstand folgen (Konvoi-Funktion).

Mit der installierten Sensorik des AVL e-Tractors ist zukünftig auch ein autonomer Betrieb möglich, bei dem sich das Fahrzeug selbstständig an äußeren Einflüssen orientiert und ohne weitere Eingriffe oder Leitobjekte seine Arbeiten ausführt. Während ein solcher Betrieb im Automobilbereich wegen der Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern heute noch als sicherheitskritisch zu betrachten ist, besteht hingegen im Agrarsektor die Möglichkeit, Arbeiten in abgeschlossenen und nicht öffentlich zugänglichen Bereichen mit zur Autonomie fähigen Maschinen durchzuführen. Der Traktor kann als Pflege- oder Erntefahrzeug in einem Weinberg zum Einsatz kommen, wobei die Maschine über einen Job-Rechner für einen definierten Zeitraum einen bestimmten Arbeitsprozess zugewiesen bekommt und diesen selbstständig ausführt. Durch echtzeitfähige Sensoren, Aktuatoren und Algorithmen wird nicht nur die Fahrzeug- oder Werkzeugführung, sondern auch die Optimierung des Arbeitsprozesses selbst ermöglicht. Mit Hilfe von hochauflösenden Kameras kann beispielsweise eine optische Bewertung jeder einzelnen Pflanze erfolgen und durch exakte Ermittlung des Düngemittelbedarfes dieser stark reduziert werden.

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Abbildung 3: Das Fahrgestell des AVL e-Tractors ist vielseitig einsetzbar.

Prozessoptimierung durch Autonomisierung

Im Sinne der Schwarmtechnologie, beispielhaft in Abbildung 4 dargestellt, ist zudem die Vernetzung solcher neuartigen Traktoren untereinander und mit deren Umfeld realistisch. Hierbei können beispielsweise auf einem entsprechend großen Acker mehrere kleine Fahrzeuge die Aufgabe eines großen Fahrzeuges übernehmen. Die in das Leistungschassis des AVL e-Tractors integrierte Fahrzeugsteuerung, die unter anderem für die Koordinierung zwischen den fahrzeugeigenen Antrieben verantwortlich ist, wird von einem zusätzlichen Modul vorgesteuert, welches die für den autonomen Betrieb notwendige Sensorik und Kommunikationshardware sowie deren Steuerung beinhaltet. Die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen erfolgt über das LTE-Netz, wobei zusätzlich auf Daten aus einer Cloud zugegriffen werden kann, um die Arbeitsschritte zu koordinieren, den Wetterbericht zu berücksichtigen oder geostationäre Informationen in den jeweiligen Arbeitsprozess einfließen zu lassen.

Der Mensch erfüllt hierbei lediglich die Aufgabe der Prozessüberwachung oder der Zuteilung neuer Aufgaben für einzelne Fahrzeuge. Für diesen Zweck ist eine direkte Anwesenheit des Anwenders nicht zwingend erforderlich. Die Steuerung und Überwachung sind sowohl vom Schreibtisch als auch aus der Kabine eines anderen, primären Fahrzeuges denkbar.

Neben dem autonomen Betrieb kann die gleiche Sensorik auch lediglich als Unterstützung für einen direkten Anwender dienen. Wird das Fahrzeug über eine dafür geschaffene Schnittstelle mithilfe einer Fernsteuerung bedient, erhöhen beispielsweise die Ultraschallsensoren die Sicherheit, indem hierdurch Objekte im Gefahrenumfeld erkannt werden, die aus der Perspektive des Anwenders potenziell nicht einsehbar sind. So kann das Fahrzeug von einem sicheren Standort aus bedient werden, wie es unter anderem beim Mähen von Steillagen von Interesse ist, gleichzeitig kann die direkte Umgebung durch die fahrzeugeigene Sensorik in der Ausführung der Aufgaben berücksichtigt werden.

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Abbildung 4: Schwarmtechnologie: Mehrere kleine Fahrzeuge optimieren den Arbeitsprozess eines größeren Fahrzeuges.

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