Hersteller mobiler Maschinen stehen vor einer doppelten Herausforderung: Sie müssen bestehende Maschinen und Fahrzeuge um zeitgemäße Assistenzfunktionen erweitern und zugleich die technologischen Voraussetzungen für autonome Systeme schaffen. Damit dies gelingt, benötigen sie skalierbare Automatisierungsarchitekturen, die sich flexibel an den Bedarf des OEM anpassen lassen. STW bietet optimal abgestimmte Hardware- und Softwarebausteine, die sich zu flexiblen Automatisierungsarchitekturen kombinieren lassen.
Die mobile Automation befindet sich an einem Wendepunkt. Standen in den letzten Jahrzehnten die Automatisierung und Digitalisierung einzelner Prozesse im Fokus, geht der Trend eindeutig zu vollautomatisierten, autonomen und vernetzten Fahrzeugen, Maschinen und Nutzungsszenarien. In diesem Kontext gibt es einige technische Entwicklungen, die als Key Enabler betrachtet werden können:
- Die Elektrifizierung mobiler Arbeitsmaschinen schafft neue Möglichkeiten zur präzisen Ansteuerung und Automatisierung von Fahrfunktionen.
- Fahrerassistenzsysteme unterstützen den Maschinenführer zunehmend beim sicheren, effizienten und optimierten Betrieb der Maschine. Diese können bei richtiger Auslegung auch für die fahrerlose Hochautomatisierung der Maschinen genutzt werden.
- Der Software-Defined-Vehicle-Ansatz hält auch in der Off-Highway-Branche Einzug. Funktionen können zunehmend über Softwarebausteine aktiviert, angepasst und aktualisiert werden und Updates über Mobilfunk oder WiFi eingespielt werden. Die digitale Verfügbarkeit der Maschinen erreicht nahezu 100%.
- Die Weiterentwicklung und zuverlässige Integration KI-basierter Software bildet eine wichtige Voraussetzung für den praktischen Einsatz autonomer Maschinen und wird zunehmend auch in Maschinenfunktionen integriert.
Diese Entwicklungen erhöhen die Anforderungen an die E/E-Architektur mobiler Maschinen erheblich. Klassische Steuerungsaufgaben müssen mit datenintensiver Sensorverarbeitung, leistungsfähiger Kommunikation und neuen Softwarefunktionen verbunden werden. Gleichzeitig müssen funktionale Sicherheit, Cybersecurity und die langfristige Aktualisierbarkeit der Systeme berücksichtigt werden. Gefragt ist daher eine Architektur, die klassische Maschinensteuerungen, High-Performance Computing, Sensorik und Kommunikation flexibel miteinander verbindet.
Christian Klausner, Director Business Unit Automation bei STW, erläutert: „Es findet aktuell eine sehr dynamische technische Evolution statt. Die Schwierigkeit für Maschinenhersteller besteht darin, die Vielzahl an innovativen Steuerungs-, Sensorik- und Softwarelösungen zu einer wirtschaftlichen und zukunftsfähigen Systemarchitektur zusammenzuführen. Dafür sind erfahrene und kompetente Partner nötig, die nicht nur einzelne Komponenten, sondern auch deren Zusammenspiel beherrschen.“
Das Unternehmen STW entwickelt seit mehr als 40 Jahren robuste und leistungsstarke Sensorik- und Steuerungslösungen für führende Hersteller von Bau-, Land-, Kommunal- und Forstmaschinen. Das Portfolio umfasst Hochleistungscontroller, Sensorik für alle relevanten Messgrößen, Mobilcontroller zur Steuerung von Antriebs- und Hydrauliksystemen, Kommunikationsmodule, Leistungselektronik und leistungsstarke Softwaresysteme zur Inbetriebnahme, Integration und zum Lifecycle-Management der Systeme.
Zudem bietet STW vorkonfigurierte und flexibel erweiterbare Systeme und für die Serie optimierte Lösungen, die den Einstieg in die Entwicklung von leistungsstarken Assistenzsystemen ohne Grundlagenentwicklung beim OEM ermöglichen – und darauf aufbauend die Weiterentwicklung von Hochautomatisierungsfunktionen und autonomen Fahrzeugen durch den OEM oder zusammen mit STW oder seinen bereits etablierten Partnern. Christian Klausner erläutert den Systemansatz: „Wir liefern eine optimal aufeinander abgestimmte Basisarchitektur mit unserer Hardware, ergänzt um notwendige Hardware-Komponenten und Software-Bausteine langjähriger Partner, etwa hinsichtlich der verwendeten optischen Sensoren oder der KI- und Funktionsbausteine. Auf diese Weise stellen wir zum einen generische Systeme als Basis für die Entwicklung OEM-spezifischer Fahrzeugfunktionen oder Operator-Assistenzsystemen und zum anderen auch fertige Assistenzlösungen wie beispielsweise den Safety Assist für die schnelle Integration zur Verfügung. Gemeinsam mit dem Kunden entwickeln wir das Konzept für die gewünschten Assistenzfunktionalitäten und identifizieren fehlende Hardware-Komponenten und Software-Bausteine zur Erreichung der Entwicklungsziele. Zudem entwickeln wir im Kundenauftrag fehlende Software-Bausteine, begleiten die Integration beim Kunden und bieten so ein breites Spektrum an Leistungen für eine schnelle Time-to-Market.“
Dieser Systemansatz verbindet die klassische, echtzeitfähige Maschinensteuerung mit einer leistungsfähigen Plattform für die Verarbeitung großer Sensor- und Kameradatenmengen. Sensoren erfassen das Maschinenverhalten und das Arbeitsumfeld, während Kommunikationsmodule den Datenaustausch übernehmen. Dadurch lassen sich Funktionen entsprechend ihren Anforderungen auf verschiedene Steuerungs- und Recheneinheiten verteilen. Zeitkritische und sicherheitsrelevante Maschinenfunktionen können dabei auf spezialisierten Mobilsteuerungen verbleiben, während rechenintensive Aufgaben wie Bildverarbeitung, Sensorfusion oder KI-basierte Objekterkennung auf der High-Performance-Computing-Plattform ausgeführt werden. Darüber hinaus wird die elektrische Versorgung und Absicherung der Komponenten über eine flexibel konfigurierbare Zentralelektrik realisiert.
Zum vorkonfigurierten System gehören:
- HPX.ai-vision: Hochleistungsplattform mit Multiprozessorsystem für die Kameraanbindung sowie KI- und Funktionssoftware
- SMX.igs-a: Neigungsensor mit IMU-Funktionalität zur Erfassung von Bewegungen, Beschleunigungen und Maschinenzuständen
- TCG.5: Kommunikationsmodul mit 5G-Support für leistungsstarke M2M- und Cloud-Connectivity
- ZEX: Zentralelektrik mit einem maximalen Versorgungsstrom von 80 A zur Versorgung und Absicherung leistungsintensiver Verbraucher
Auf Basis dieser Zusammenstellung lassen sich schrittweise Funktionen und Assistenzsysteme bis zur Autonomie realisieren.
Ein Beispiel: Eine Maschine kann zunächst mit einer kamerabasierten Umfeld- und Personenerkennung ausgestattet werden. Im nächsten Entwicklungsschritt können diese Assistenzsysteme um aktive Eingriffe in Lenkung oder Bremssystem ergänzt werden – unter Berücksichtigung der notwendigen Safety-Aspekte. Auf derselben technologischen Basis lassen sich schließlich teilautomatisierte Arbeitsabläufe oder autonome Fahr- und Arbeitsfunktionen realisieren. Der Maschinenhersteller kann damit auf vorhandenen Systemkomponenten und Softwarebausteinen aufbauen, anstatt für jede neue Automatisierungsstufe eine vollständig neue E/E-Architektur entwickeln zu müssen.
Damit diese Lösungen anwenderfreundlich integriert werden können, bietet STW umfassende Beratung und Integrationssupport. Maschinenhersteller profitieren von jahrzehntelanger Expertise aus Kunden- und Gemeinschaftsforschungsprojekten rund um die Themen Operator Assistance, Hochautomatisierung und autonome Arbeitsmaschinen, wie Christian Klausner betont: „Wir beraten hinsichtlich der Wahl, Auslegung und Integration der E/E-Systeme sowie des gewünschten Automatisierungsniveaus. Dabei betrachten wir funktionale Sicherheit, Cybersecurity und Lifecycle-Management von Beginn an als Bestandteile der Gesamtarchitektur. Das schafft eine flexible Basis, auf der sich zukunftsfähige und sichere Assistenz- und Automatisierungsfunktionen weiterentwickeln lassen.“
Die dezentrale Struktur ermöglicht es, Funktionen und Rechenlast gezielt den Komponenten zuzuordnen, deren Leistungsfähigkeit, Schnittstellen sowie Echtzeit- und Sicherheitseigenschaften zur jeweiligen Aufgabe passen. Gemeinsam mit dem Maschinenhersteller stellt STW dafür eine Kombination aus geeigneten Basiskomponenten und anwendungsspezifischen Ergänzungen zusammen. So entsteht eine skalierbare Systembasis, die heutige Assistenzfunktionen ebenso unterstützt wie die schrittweise Entwicklung künftiger autonomer Lösungen.
