Steigende Funktionalität in Land- und Baumaschinen - ITK ...
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ENT WICKLUNG AUTOMATION
Steigende Funktionalität in © Marek Musil | RDVector | kaband | shutterstock.com
Land- und Baumaschinen
AUTOREN Damit Land- und Baumaschinen immer eigenständiger arbeiten kön-
nen, muss das zuverlässige Erkennen des Umfelds auf unebenem
und unstrukturiertem Gelände gewährleistet werden. ITK Engineering
hat hierfür das 3-D-Terrain-Mapping entwickelt, mit dem nicht nur die
zuverlässige Erkennung und Analyse von Objekten, sondern auch
Christian Astor deren Klassifizierung sowie eine automatisierte Reaktion auf Hinder-
ist Business Developer im Bereich
Offhighway bei der ITK Engineering nisse oder Untergründe ermöglicht wird.
GmbH in Rülzheim.
g In der Land- und Bauwirtschaft dungsfälle Hinderniserkennung, Oberflä-
werden immer öfter automatisierte mobile chenscan für automatisierte Funktionen
Maschinen eingesetzt, um so die Produk- sowie automatische Maschinenführung
tivität zu erhöhen. Zur Gewährleistung anhand spezifischer Untergrundspezifika
Kevin Hirsch der Sicherheit kommen moderne Kommu- im Fokus.
ist Expert Engineer bei der ITK nikations- und Informationstechnologien
Engineering GmbH in Lollar.
zum Einsatz. Das 3-D-Terrain-Mapping
HINDERNISERKENNUNG
(3DTM) von ITK Engineering gewähr-
leistet dabei auch auf unebenem Im Bereich der mobilen Arbeitsmaschi-
Gelände das zuverlässige Erfassen des nen sind, wie auch im Straßenverkehr,
Maschinenumfelds. Mithilfe unter- die meisten Unfälle auf menschliches
schiedlicher Sensoren wie Stereo- Versagen zurückzuführen. Dabei zählen
Kamera, Radar oder Lidar lassen sich Sichteinschränkungen zu den häufigs-
Dr. rer nat. Lienhard Pfeifer
beispielsweise Befahrbarkeits- oder ten, manchmal tödlichen Ursachen.
ist Expert Engineer und
Projektleiter bei der ITK Untergrundanalysen durchführen. Umso wichtiger ist es, dass der Maschi-
Engineering GmbH in Lollar. Dabei stehen besonders die Anwen- nenführer über ausreichend gute Sicht-
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verhältnisse verfügt, um den gesamten
Gefahrenbereich rund um die Maschine
überblicken zu können. Neben auffälli-
gen Objekten wie anderen Fahrzeugen
oder Barrieren müssen auch arbeitende
Personen, beispielsweise in knieender
Haltung, im unmittelbaren Nahbereich
der Maschine erkannt werden. Zusätzli-
che Herausforderungen ergeben sich
durch umgebungsbedingte Störungen
wie Staub, Dreck oder Dämpfe.
Die konventionelle Lösung dieser
Herausforderungen ist der Einsatz von
Kamera-Monitor-Systemen zur Überwa-
chung aller Gefahrenzonen. Solche Sys-
BILD 1 Detektion und farbliche Kennzeichnung von Hindernissen entsprechend ihrer Abstände zur Kamera
teme ermöglichen eine visuelle Kontrolle (grün: weit entfernte Objekte; rot: Objekte im Nahbereich; Fußgänger werden zusätzlich durch einen wei-
über den Nahbereich rund um die ßen Rahmen gekennzeichnet) (© ITK Engineering)
Maschine, erfordern allerdings die stän-
dige Konzentration des Maschinenfüh-
rers auf den Monitor und gleichzeitig auf
alle Bedienvorgänge der Maschine. Dies Näherung werden anschließend Gelände- nen mit 3DTM auch automatisierte
kann zu einer Überforderung und damit details wie Abhänge, Neigungen oder Funktionen von mobilen Arbeitsmaschi-
zu reduzierter Leistungsfähigkeit des Erhebungen errechnet. Mit dem approxi- nen realisiert werden. Nicht jedes Fahr-
Maschinenführers führen. Es ist daher mierten Abbild des umliegenden Gelän- zeug ist für jedes Gelände geeignet. Je
sinnvoll, ihn bei der Personen- und des und der Höhe von 3-D-Punkten wer- nach Art der Maschine, der Anbaugeräte
Objekterkennung in schwer einsehbaren den Hindernisse erkannt. Einzelne als und ihrer Beladung sind manche Gelän-
Bereichen zusätzlich mit einem Sensor- Hindernis identifizierte Punkte werden detopografien befahrbar, andere nicht. In
warnsystem zu unterstützen. zu ganzen Objekten zusammengefasst diesem Fall sind Anpassungen des Fahr-
Aktuelle Sensor- und Kameratechno- und deren minimale Entfernung zum zeugs notwendig, was für den Bediener –
logien und die dazu passenden Bildver- Fahrzeug errechnet. parallel zum eigentlichen Fahrbetrieb –
arbeitungsalgorithmen ermöglichen Die ermittelten Objekte und deren eine zusätzliche Belastung bedeutet.
mittlerweile an die jeweiligen Kunden- direkte Umgebung werden als Datenaus- Die Möglichkeiten, die das 3DTM hier
bedürfnisse und den Typ der mobilen schnitt für ein Objektidentifizierungsver- bereitstellt, werden am Beispiel eines
Arbeitsmaschine angepasste Assistenz- fahren verwendet, beispielsweise zur Radladers mit einer beladenen Mulden-
systeme. Während beispielsweise im Bestimmung von Anzahl und Typ der schaufel deutlich, BILD 3: Bei guter Kennt-
Automobilsektor häufig die Annahme Objekte (Personen, Fahrzeuge, Tiere, nis des Höhenprofils kann die Schaufel
getroffen wird, dass sich Hindernisse Schilder etc.). Ermöglicht wird dies mit- automatisiert dem Gelände folgen. Somit
beziehungsweise Objekte auf einer plana- tels Machine-Learning- oder Deep-Lear- ist gewährleistet, dass das Fördergut auch
ren Ebene befinden, gelten im Bereich der ning-Algorithmen, die auf die zu identifi- bei Auf- und Abfahrten in der Schaufel
mobilen Arbeitsmaschinen besondere zierenden Objekttypen trainiert werden. bleibt. Während einfache Lösungen nur
Anforderungen durch unebenes Gelände. Das heißt, das System kann eigenständig mit dem aktuellen Neigungswert des
Daher muss ein anderes Verfahren ver- identifizieren, ob es sich bei einem Fahrzeugs arbeiten, kann auf Basis der
wendet werden, um eine zuverlässige Objekt im Umfeld der Maschine beispiels- approximierten Geländedaten, wie sie
Erkennung von Hindernissen zu gewähr- weise um eine Person, Tiere oder Schil- die 3DTM-Basisfunktion zur Verfügung
leisten. 3DTM stellt ein solches Verfah- der handelt. Für die Objekterkennung stellt, ein deutlicher Mehrwert bei der
ren dar, das explizit für die Nutzung in werden die zu den Objekten gehörenden Genauigkeit der Positionierung der Mul-
unebenem Gelände entwickelt wurde, Bilddaten sowie die entsprechenden denschaufel erzielt werden. Mithilfe der
BILD 1. Durch eine präzise Approxima- 3-D-Punktewolken genutzt. 3DTM unter- errechneten Untergrundcharakteristika
tion von unebenem Untergrund kann stützt somit den Maschinenführer zuver- und der Fahrzeuggeschwindigkeit kann
sehr exakt abgeleitet werden, in welchen lässig bei der Erkennung und Analyse bestimmt werden, zu welchem Zeitpunkt
Bereichen sich Hindernisse befinden. Um von Hindernissen im Gefahrenbereich, die Schaufel welche Position haben muss.
dies zu ermöglichen, benötigt die Techno- insbesondere auf unebenem Gelände. Dadurch minimiert sich die Latenz.
logie als Input eine dem Anwendungsfall Dies ermöglicht eine sichere Bedienung Außerdem können Überschwinger ver-
entsprechende 3-D-Sensorik (zum Bei- sowie reibungslose Arbeitsabläufe. mieden werden, wenn das Fahrzeug
spiel Stereokamera). Aus den Sensordaten über die Kuppe fährt, da die anstehende
wird eine Erhebungskarte erzeugt, BILD 2. Abwärtsfahrt mit einberechnet wird. Die
OBERFLÄCHENSCAN FÜR
Hierzu wird eine Gitterstruktur herange- Verstellung der Schaufel stellt also mehr
AUTOMATISIERTE FUNKTIONEN
zogen, in der jeder 3-D-Punkt gemäß sei- als nur eine Reaktion auf den Ist-Zustand
nen Koordinaten einer Zelle zugeordnet Neben der Umgebungs- beziehungsweise dar. Vielmehr erfolgt die Anpassung an
wird. Anhand einer mathematischen Untergrunderkennung und -analyse kön- die Gegebenheiten in Echtzeit, da die
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Die 3-D-Sensorik Aus den Sensordaten Per mathematischer Algorithmen flitern Mithilfe von Deep-
(Lidar, Stereokamera) wird eine Erhebungs- Näherung werden einzelne Objekte aus Learning-Methoden
erfasst das Gelände. karte erzeugt. Dazu Geländedetails wie dem errechneten Ab- unterscheidet das Programm
Es entsteht eine nutzt man eine Abhänge, Neigungen bild des umliegenden zwischen Personen,
3-D-Punktewolke Gitterstruktur. Jeder oder Erhebungen Geländes heraus. Tieren, Objekten und Schildern.
der Umgebung. 3-D-Punkt wird gemäß errechnet. Anhand der Erhebungen und Senken
seinen Koordinaten Steigungsinformationen bleiben erhalten. Ma-
einer Zelle zugeordnet. kann die Befahrbarkeit schinen, Steine oder
genau bestimmt werden. Menschen werden auf
diese Weise sichtbar.
BILD 2 Einzelne Schritte des 3DTM (© Florian Müller | Bosch)
bevorstehende Geländesituation automa- Bodenkontakt zu vermeiden. Das Sys- – und das unabhängig von der Lage des
tisch antizipiert werden kann. tem hebt die Schaufel dabei nur so hoch, Traktors selbst. Solche Assistenzfunkti-
Neben der Anpassung der Schaufel- wie es die Umgebung erfordert. Für eine onen stellen nicht nur für den Fahrer
neigung für einen sicheren Transport Anpassung der Lage eines Maschinen- mobiler Arbeitsmaschinen einen Mehr-
gewährleistet 3DTM eine gute Sicht des teils an Geländegegebenheiten finden wert hinsichtlich Komfort dar, vielmehr
Fahrers durch eine umgebungsbedingte sich in der Praxis viele weitere Einsatz- liefern sie einen wichtigen Beitrag zur
Höheneinstellung der Schaufel. Um dem möglichkeiten. So kann beispielsweise Energieeinsparung. Denn Hydraulikan-
Fahrer einen guten Überblick zu ermög- eine Anpassung in Höhe und Winkel forderungen werden in den beschriebe-
lichen, ist eine tiefe Lage der Schaufel einer an einem Traktor angebauten Feld- nen Szenarien durch die Technologie
sinnvoll. Bei einer Bergfahrt bezie- spritze ebenfalls einen Mehrwert bieten. vorhersehbar. Durch ein intelligentes
hungsweise einer endenden Abwärts- Denn bei unebenem Gelände kann der Energiemanagement kann gegebenen-
fahrt ist je nach Geometrie der Schaufel Sprayer stetig mit dem richtigen falls Hydraulikleistung eingespart wer-
eine Lageerhöhung notwendig, um Abstand zum Boden angepasst werden den, da bekannt ist, wann wieviel
BILD 3 Mithilfe der
errechneten Untergrund-
charakteristika und der
Fahrzeuggeschwindigkeit
kann bestimmt werden,
zu welchem Zeitpunkt
die Schaufel welche
Position haben muss
(© Salienko Evgenii |
shutterstock.com)
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BILD 4 Detektion des in einer
Reihe liegenden Heus
(© Denisfilm | depositphotos.com)
Bedarf besteht und wann keine Leistung Schwad vom Verlauf abweicht, beispiels- hersage der Fahrzeugposition im
abgerufen werden wird. weise durch Verwehungen, stößt eine Gelände. Dadurch können potenziell
reine ortsbasierte Spurführung an ihre instabile Fahrzustände vermieden und
Grenzen. Eine detektionsbasierte Spur- Parameter des Anbaugeräts an den Fahr-
AUTOMATISCHE führung ist hier in der Lage, weiterhin zustand angepasst werden. Durch die
MASCHINENFÜHRUNG präzise und zuverlässig der Schwad zu Geländeinformation ist es beispielsweise
folgen. Zudem ist für eine Prozessopti- möglich, einen Volumenstrom vorherzu-
Bei Landmaschinen ist Ziel der Entwick- mierung die Ausrichtung anhand von bestimmen, da man die Höhe der
lung für unebene Gelände, eine zuver- Schwadcharakteristika wie dem Masse- Schwad über dem Boden kennt. Hierauf
lässige, automatisierte Maschinenspur- mittelpunkt notwendig. Diese ist durch lassen sich Parameter wie die Geschwin-
führung anhand von 3-D-Geländedetails eine reine ortsbasierte Spurführung digkeit des Fahrzeugs für einen optima-
zu realisieren. Ein typisches Szenario ist nicht gegeben, selbst wenn die exakte len Arbeitsablauf anpassen. So kann
das auf Schwad (in einer Reihe) liegende Position der Schwad bekannt ist. länger ermüdungsfrei gearbeitet,
Heu, das von einer Ballenpresse oder Einfachere Systeme setzen zur Detek- Betriebskosten eingespart und die Pro-
einem Feldhäcksler eingebracht wird. tion und Verfolgung von Geländestruk- duktivität gesteigert werden.
Hierbei fährt die Maschine einen defi- turen auf einen fixen Schwellwert
nierten Weg ab. Die manuelle Spurfüh- von Höhenunterschieden und machen
ZUSAMMENFASSUNG
rung der Maschinen ist dabei ein gleich- Annahmen über das vorausliegende
bleibender Prozess über einen längeren Gelände, wie zum Beispiel, dass der Das von ITK Engineering entwickelte
Zeitraum, der nur eine geringe Aufmerk- Boden eben ist. Durch die Vernachlässi- 3DTM ermöglicht nicht nur die zuver-
samkeit des Fahrers erfordert. Dies führt gung der Geländegegebenheiten oder lässige Erkennung und Analyse von
häufig zu Ermüdungserscheinungen und deren nicht ausreichenden Berücksichti- Objekten, sondern auch deren Klassifi-
Unaufmerksamkeit. Zeitgleich kann diese gung in der Spurerkennung kommt es zierung sowie eine automatisierte Reak-
Tätigkeit, in Verbindung mit der notwen- insbesondere im Bereich von Senken, tion auf Hindernisse oder Untergründe.
digen Überwachung anderer Arbeitspro- Erhebungen oder in Hanglagen zu Das erhöht sowohl die Effizienz als
zesse, zu Ablenkung und Fehlern in der Abweichungen in der Spurführung der auch die Sicherheit von Arbeitsabläufen
Bedienung der Maschine führen. In die- Arbeitsmaschine. Basierend auf und ermöglicht die Ausführung zusätz-
sem Anwendungsbeispiel kann durch die 3-D-Informationen kann das die Spur licher Maschinenfunktionen.
Geländeinformation das in einer Reihe umgebende Gelände durch das 3DTM
liegende Heu auch in unebenen Geländen approximiert werden. Diese Approxima-
und Seitenhanglagen zuverlässig erkannt tion kann nun lokal als Basiswert für
und die Maschine oder das Anbaugerät eine schwellwertbasierte Auswertung
anhand der Schwad geführt werden. des Geländehöhenunterschieds zwecks
Im Landmaschinenbereich ist eine Detektion und Verfolgung der Spur ver-
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Spurführung mittels GPS und der Posi- wendet werden. Die Geländeinformation
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tion des Traktors bereits etabliert. Aber dient nicht nur für eine zuverlässige www.emag.springerprofessional.de/
insbesondere in Bereichen, in denen der Schwaddetektion, sondern auch zur Vor- atz-heavyduty-worldwide
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