Besser steuern, schneller entwickeln, autonom fahren

Ein wichtiger Faktor für Maschinenautonomie ist die elektrohydraulische Präzisionssteuerung. In vielen Hydraulikkomponenten finden sich heute mikroprozessorbasierte Steuerungen zur Steigerung der Dynamik und Präzision sowie der Wirtschaftlichkeit.

„Früher benötigte man eine wirklich gute Stromsteuerung am Ausgang des Mikrocontrollers, um ein Ventil anzusteuern. Daher war, wenn dies mit anderen Faktoren kombiniert wurde, das Erreichen von Präzision und Wiederholbarkeit schwierig,“ meint Chris Woodard, Geschäftsentwicklungsmanager für autonome Systeme bei Danfoss Power Solutions. „Jetzt kann ich beispielsweise an eines unserer Ventile einfach einen Befehl senden, und es folgt diesem exakt. Es kümmert sich selbst um die Details der Steuerung. Als Anwendungsentwickler muss ich mich nicht mehr ausdrücklich mit den Komponenten befassen.“

Diese Entwicklung ist der Schlüssel dafür, dass weiter Fortschritte in Richtung autonomer Lösungen gemacht werden. In der Vergangenheit galt: Entwicklung des Codes für die Arbeitsfunktion, Testen der Ergebnisse, Feinabstimmung des Systems und das Wiederholen mehrere Iterationsschritte, bis eine Lösung gefunden wurde — und alles das, weil eine Komponente schwerer zu steuern war. „Jetzt hat durch die verbesserte Steuerbarkeit die Entwicklungszeit exponentiell abgenommen,“ stellt Woodard fest. Die reduzierte Entwicklungszeit ebnet den Weg, um Funktionalitäten zu erweitern, und beispielsweise autonomes Fahren zu ermöglichen.

In diesem Sinne hat sich Danfoss zum Ziel gesetzt, Softwarelösungen zu schaffen, welche das Entwickeln intelligenter Maschinen vereinfachen sollen. Bereits 2017 hatte das Unternehmen ein autonomes Demonstrationsfahrzeug präsentiert. Im Anschluss daran fügte es kürzlich der Entwicklungsumgebung Plus+1 Guide eine Bibliothek zu dem Thema hinzu: die Autonomous Control Library. Die Entwicklungsumgebung enthält Funktionsbibliotheken für Entwickler, mit denen sich Maschinensteuerungen realisieren lassen. Das Spektrum reicht von Antistalllösungen bis zum elektronischen Drehmomentbegrenzer.

Bei der ersten Freigabe der neuen Autonomous-Control-Bibliothek liegt der Schwerpunkt auf Navigationssystemen. „Das größte gemeinsame Element bei allen autonomen Maschinen ist: Sie müssen von Punkt A nach Punkt B gelangen,“ erklärt der Geschäftsentwicklungsmanager. „Ob es sich dabei um ein monotones Vor- und Rückwärtsfahren handelt, das Abfahren eines vorhersehbaren Zyklus oder um die Reise zu einem vom Benutzer angegebenen Ort, es ist immer ein Navigationselement vorhanden.“

Die Navigationsfunktion verbindet zuerst Daten, die aus dem Rad-Hodometer und dem Präzisions-GPS stammen, Daten über den Lenkwinkel sowie Trägheitsdaten, welche von Beschleunigungsaufnehmern, Gyroskopen oder inertialen Messeinheiten geliefert werden. Über einen Extended-Kalman-Filter (EKF) wird aus den Daten die genaue Maschinenposition bestimmt. Informationen, die als Teil des Positionierungs-Blocks verarbeitet wurden, empfängt der „Weg-Verfolger-Block“, der die vorgegebenen Kontrollpunkte verarbeitet, damit die Maschine von einem Ort zu einem anderen gelangt.

Eine weitere Komponente der Bibliothek ist ein UTM-Konvertierungsbaustein. „Anstelle der Verwendung von GPS-Rohdaten übersetzen wir Längen- und Breitengrade in UTM-Koordinaten. Das Gittersystem, das sich in kleinen Verarbeitungsmaschinen leichter verwenden lässt, basiert auf Metern“, erklärt Woodard. „Es ist viel einfacher, einer Maschine mitzuteilen, dass sie zehn Meter nach Norden fahren soll, als ihr Rohdaten für Längen- und Breitengrade mitzuteilen.”

„Mit diesen Funktionsblöcken versuchen wir Open-Source-Konzepte für Robotik zu übersetzen und anzuwenden, die speziell im Segment geländegängiger mobiler Maschinen verwendet werden“, so der Manager. Indem das Unternehmen Robotik-Konzepte in seine Entwicklungsumgebung bringt, will es die Integration solcher Funktionen in Maschinen vereinfachen – ohne dass die Entwickler Experten für Robotik oder Navigationssysteme sein müssen.

In diesem Zusammenhang sei gesagt, dass die meisten autonomen Open-Source-Systeme heute sehr viel Rechenleistung verlangen. Daher werden große, spezialisierte Rechner in der Maschine installiert, welche die gestiegene Rechenlast übernehmen sollen. Mit der neuen Bibliothek soll diese Maßnahme jedoch überflüssig werden. „Wir experimentieren mit Algorithmen, die wir auf unserer derzeitigen Mikrocontroller-Plattform laufen lassen,“ erklärt Woodard. „Daher erfordert die Implementierung autonomer Funktionalität keine zusätzliche, modernere Hardware. Sie wird auf den Controllern laufen können, die unsere Kunden heute verwenden.”

Er fährt fort: „Tatsächlich wird die erste Realisierung unserer Autonomous Control Library bei unserem Davis-Traktor stattfinden.“ Davis, das „Danfoss Autonomous Vehicle Integration System“, wurde zum ersten Mal auf der Agritechnica im Jahr 2017 vorgestellt und zeigte fünf notwendige Hauptkomponenten, um eine Maschine effektiv autonom zu bedienen:

• Konnektivität,
• Pfadplanung,
• Hinderniserkennung,
• Sensor-Fusion und
• intelligente Steuerung.

Ursprünglich hatte das Unternehmen die autonomen Funktionen dieses Fahrzeugs auf einem sehr viel leistungsstärkeren Computer entwickelt. „Wir erkannten aber, dass wir sehr viele der mit dem Navigationssystem verbundenen Algorithmen auf unseren Mikrocontrollern laufen lassen können”, berichtet Woodard. Das neu umgerüstete Demonstrationsfahrzeug werde zur Bauma 2019 funktionsfähig sein, kündigt das Unternehmen an.

Bei dem Anbieter ist man überzeugt, dass die verbreitete Autonomie bei geländegängigen Maschinen mit Werkzeugen wie der neuen Bibliothek und einer fortlaufenden technologischen Entwicklung in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein wird.

„Zuerst müssen Technologie und Kundenakzeptanz aufeinander abgestimmt werden“, schränkt Woodard ein. „Indem die Kosten seitens der Technologie sinken und der Kundenbedarf weiter zunimmt, wird sich meiner Meinung nach ein Schneeballeffekt zeigen. Und hier erwarten wir wirklich eine verstärkte Einführung dieser Technologien in die Maschinen.“ do