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Drohnen und 5G eröffnen Potenziale

Mobile Maschinen und Fahrzeuge
Drohnen und 5G eröffnen Potenziale

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Drohnen, insbesondere Flugdrohnen, eröffnen neue Wege zur Lösung technischer Aufgabenstellungen. Ein interessantes Beispiel ist die Untersuchung von Flugzeugoberflächen nach einem Blitzeinschlag. Auch im Smart Farming finden sich viele Anwendungen. Eine wichtige Rolle spielt dabei auch der kommende Mobilfunkstandard 5G, mit dem sich Roboter fernsteuern und Daten in fahrende Züge übertragen lassen. Mobile Maschinen und Fahrzeugen bietet sich damit ein enormes Potenzial.

Inhaltsverzeichnis

1. Automatisierte Erkennung per Machine Learning
2. Drohnen machen auch Smart Farming leichter
3. Variantenvielfalt modular und skalierbar im Griff
4. 5G-Mobilfunk als Enabler
5. 5G ermöglicht hohe Datenraten
6. Knackpunkt Cybersecurity
7. Teststrecke für autonome Shuttles

 

Effizienter und schneller kann eine Flugdrohne Defekte durch Blitzeinschläge an Flugzeugoberflächen erkennen und lokalisieren. Das haben Forscher des Instituts für Regelungstechnik (IRT) und des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement des WZL der RTWH Aachen im Rahmen des Forschungsprojekts ‚Automatische, Multikopter-basierte Indoor-Inspektion von großen Oberflächen‘ (Amiigo) gezeigt. Die mobile Einheit ermöglicht eine einfache, zerstörungsfreie Inspektion, indem sie mit industrieller Kameratechnik die gesamte Oberfläche des Flugzeugs digitalisiert und damit die zeitaufwändige Sichtprüfung der Außenhaut durch das Wartungspersonal vereinfacht.

Erforderlich sind für die Prüfung der Flugzeugoberfläche vor allem eine robuste Flugregelung, eine hochgenaue Lokalisierung und eine vollautomatische Bildauswertung. Die Automatisierung des Flugverhaltens des Multikopters wird sukzessive durch eine Pfadplanung, eine darauf aufbauende Trajektorienoptimierung, eine Flugregelung sowie mittels einer Kollisionsvermeidung in Echtzeit realisiert. Die vom IRT umgesetzten Navigations- und Regelungsalgorithmen werden dabei gänzlich autark auf der Drohne selbst ausgeführt. Eine Sensorfusion berechnet zunächst alle 10 ms eine auf wenige Millimeter genaue Position der Drohne im Wartungshangar. Auf Basis der aktuellen Position sowie eines im Voraus optimierten Pfades über die Oberflächen können alle für den Flug notwendigen Steuerbefehle ermittelt werden. Mögliche Hindernisse werden parallel dazu mit einem Laserscanner dynamisch erkannt, um Kollisionen während des Fluges zu vermeiden.

Automatisierte Erkennung per Machine Learning

Die automatisierte Defekterkennung in den aufgenommenen Bildern sowie die Visualisierung der berechneten Positionen der stecknadelkopfgroßen Defekte realisierte das WZL. Die Identifikation von wartungsrelevanten Oberflächendefekten in den ortsindexierten Bilddaten erfolgte durch einen Hybrid aus einem klassischen Eck-Erkennungsalgorithmus und einem Convolutional Neural Network – also per Machine Learnung. Für die Lokalisation der identifizierten Defekte auf der Flugzeugoberfläche werden die Bilddaten synchron zum Zeitpunkt der Aufnahme mit Positionsdaten aus der Sensorfusion referenziert. Basierend auf dem Positionsdatum der Bildaufnahme und der messtechnisch ermittelten Position des realen Flugzeugs im aufgespannten Koordinatensystem erfolgt die virtuelle Projektion der Defektposition auf die Flugzeugmodelloberfläche. Die identifizierten Defekte werden dem Wartungspersonal in Form einer interaktiven ‚Defect-Map‘ zur Verfügung gestellt. Die Wartungsverantwortlichen können so Notwendigkeit und Umfang einer Wartung abschätzen.

Drohnen machen auch Smart Farming leichter

Dass sich Drohnen in vielen Bereichen sinnvoll einsetzen lassen, zeigt auch das Beispiel der digitalisierten Landwirtschaft (Smart Farming). Drohnen vereinfachen die Überwachung des Pflanzenbestandes und zusammen mit autonom fahrenden Traktoren den datengestützten Einsatz von Dünge- sowie Pflanzenschutzmitteln. Folgerichtig hat deswegen die TU Kaiserslautern Ende 2019 eine Professur zum Digital Farming ausgeschrieben. Ziel ist es, neue Techniken zu erforschen und diese anwendungsnah zu entwickeln. Dabei geht es darum, Daten zu verwalten und zu managen sowie landwirtschaftliche Abläufe mit Automationstechniken zu unterstützen. Da Software dabei eine tragende Rolle spielt, ist die Professur mit einer leitenden Funktion am Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE verbunden.

Variantenvielfalt modular und skalierbar im Griff

Damit Dünger und Pflanzenschutz exakt dosiert werden können (so wenig wie möglich, so viel wie nötig), ist ebenfalls wieder eine intelligente, datenbasierte Technik gefragt. „Die elektronischen Komponenten nehmen zu und neue Sensoren müssen integriert werden – das führt zu einer höheren Varianten- und Funktionsvielfalt im Fahrzeugprogramm“, sagt Andreas Scharf vom Technischen Vertrieb der Jetter AG in Ludwigsburg. Einen Lösungsansatz sehen die Automatisierungsspezialisten in modularen Lösungen mit einfach skalierbaren Systemen. So werden beispielsweise bei einem Güllewagen zunächst seine Teilfunktionen betrachtet und jeweils eigenständige Lösungen entwickelt. Das Gesamtsystem für einen bestimmten Güllewagen entsteht dann aus einer Kombination an Subsystemen. Fahrzeughersteller können auf diese Weise sämtliche hydraulischen und elektrischen Teilfunktionen selbst in einer Konfigurationsdatei auswählen und dadurch eine individuelle Lösung für ihr Fahrzeug oder Anbauteil zusammenstellen.

5G-Mobilfunk als Enabler

Neben Schlüsseldisziplinen wie Hochautomatisierung oder Sensorfusion spielt die Frage der Kommunikation der beteiligten Systeme untereinander und mit der Steuerzentrale eine wichtige Rolle. Zunehmend gewinnt hier der neue Mobilfunkstandard 5G an Bedeutung. Welches Potenzial gerade für die Echtzeitkommunikation existiert, verdeutlichte eine Demonstration von ABB, Ericsson und Swisscom anlässlich des World Economic Forum 2020. Gezeigt wurde, wie ein Roboter über große Entfernungen mittels 5G-Echtzeitkommunikation gesteuert werden kann. Im Kongresszentrum in Davos zeichnete ein kollaborativer YuMi-Roboter von ABB eine Nachricht in Sand, die von einem zweiten Roboter in 1,5 km Entfernung zeitgleich nachgebildet wurde. Basis war das 5G-Netzwerk von Swisscom, das mit Technologie von Ericsson ausgestattet ist.

„Die 5G-Technologie erleichtert die Vernetzung von Robotern mit der Cloud und Fabrikautomationssystemen“, erläutert Sami Atiya, Leiter des Geschäftsbereichs Robotik und Fertigungsautomation der ABB Ltd. in Zürich. Möglich würden ein schnellerer Zugang zu mehr Daten und verbesserte Entscheidungsprozesse. Denkbar ist damit auch der Einsatz und Betrieb großer, autonomer Maschinen- und Roboterflotten – womit 5G einer der Enabler für die Vernetzung im Bereich mobiler Maschinen wird. ABB ermöglichte schon Ende 2018 die Fernsteuerung einer Fähre im Hafen von Helsinki.

5G ermöglicht hohe Datenraten

Im Rahmen des 5G-Picture-Projektes wurde zudem gerade in Barcelona demonstriert, dass nahtlose Multi-Gbit/s-Verbindungen auch für schnell fahrende Züge unter Betriebsbedingungen möglich sind. Mit einer kombinierten Lösung aus Glasfaser- und Funk-basierten Technologien gelang es in dem Versuchsnetz, Verbindungen mit Datenraten von mehreren Gbit/s zu schnell fahrenden Zügen herzustellen. Bislang war es eine große Herausforderung, die für eine unterbrechungsfreie Breitbandverbindung erforderlichen schnellen Übergaben (Handover) zwischen Zügen und Basisstationen umzusetzen. Zum Einsatz kam dabei Technologie der ADVA Optical Networking SE in Martinsried. „Mit dieser Vorführung haben wir einen interessanten Ansatz für zukünftige Telekommunikationslösungen im Schienennetz vorgestellt“, sagt Jim Zou, Senior Engineer, Advanced Technology bei dem Telekommunikationsspezialisten. „Wir haben gezeigt, wie eine kombinierte Netzarchitektur aus optischer Übertragungstechnik und 5G-Mikrowellentechnologie sowohl kritische als auch unkritische Kommunikationsdienste auf einfache und kostengünstige Weise bereitstellen kann.“ Im Gegensatz zu herkömmlichen Telekommunikationsnetzen für den Schienenverkehr, die auf separaten Netzen für betriebliche Daten und die Kommunikation der Kunden basieren, genügt damit ein einheitliches, automatisiertes Netz, das alle Anwendungen unterstützt und durch seine hohe Verfügbarkeit Störungen der Dienste verhindert. „Jetzt kann ein einziges 5G-Netz alle Telekommunikationsdienste für Bahnunternehmen, den Güterfernverkehr und Fahrgäste bereitstellen.“

Knackpunkt Cybersecurity

Da mit der Digitalisierung immer größere Datenmengen bewegt werden, ist 5G einerseits die dafür richtige Technologie, andererseits wird damit aber auch die Cybersicherheit ein wichtiges Thema. „Dies alles schafft ein interessantes Sicherheitsparadigma“, führt Martin Schauf aus, Senior Systems Engineering Manager bei Palo Alto Networks. „Es wird Anwendungen geben, die auf die minimierte Latenzzeit angewiesen sind, doch die Integrität der Inhalte wird ebenso kritisch sein. In solchen Fällen wird die Cybersicherheit eine zentrale Rolle spielen.“ Nach Ansicht des kalifornischen Cybersecurity-Spezialisten ist eine Antwort darauf das Zero Trust Networking – zusammengefasst das Prinzip ‚niemals vertrauen, immer überprüfen‘. In dieser Hinsicht würden die Betreiber von 5G-Netzen davon ausgehen, dass jeder Nutzer oder jedes Gerät, die beziehungsweise das Zugang beantragt, ein potenzielles Sicherheitsrisiko darstellt. Die Zugangsberechtigung müsste auf den spezifischen Bereich beschränkt werden, den der Nutzer oder das Gerät benötigen. Ein vernetztes Auto könnte beispielsweise nur auf die Daten zugreifen, die es zur Kommunikation und zur Vermeidung von Kollisionen benötigt, mehr aber nicht.

5G vervielfacht die Anzahl der Geräte, die Daten erzeugen können, wie etwa bei Smart-Home-, Smart-Car- und Smart-Medicine-Szenarien. „Dabei werden einige Datenverbindungen in einem digitalen Geflecht von ‚mobilem Ding‘ zu ‚mobilem Ding‘ bestehen, was neue Sicherheitsebenen auf mobilen Geräten erfordert, da sie digitalisiert werden; andere werden Daten an Big-Data-Analytik und KI weitergeben, um intelligente automatisierte Ergebnisse abzuleiten“, so Schauf weiter. „Die Cloud ist ganz einfach ein Schnittpunkt von enormer Skalierbarkeit, um die Daten sowohl zu sammeln als auch zu verarbeiten, und zwar mit hoher Geschwindigkeit und in großem Umfang. Bei einem so großen Datenverarbeitungspotenzial wird der Schwerpunkt auf einer hochgradig automatisierten, skalierbaren Cybersicherheit liegen, die dafür sorgt, dass die Daten nicht manipuliert werden – und die KI nicht korrumpiert wird. Da das 5G-fähige digitale Leben immer schneller wird, wird es nicht mehr möglich sein, mitzuhalten, wenn man sich bei der Cybersicherheit nur auf menschliche Interventionen verlässt.“

Teststrecke für autonome Shuttles

Interessant wird insbesondere sein, wie konkrete Szenarien wie etwa autonome Fahrzeuge realisiert werden können, die Daten mit anderen Fahrzeugen, Verkehrsmanagementsystemen und der lokalen Kommunikationsinfrastruktur austauschen. In Karlsruhe ist deswegen im Stadtteil Weiherfeld-Dammerstock eine Teststrecke für autonome Shuttles eingerichtet worden, auf der das Projekt EVA-Shuttle vom Labor auf die Straße wechselt. Hinter EVA stehen ‚Elektrische, vernetzte und autonom fahrende Elektro-Mini-Busse im ÖPNV‘, die allerdings stets mit Sicherheitsfahrer und zunächst ohne Passagiere im realen Straßenverkehr getestet werden. Das Testgebiet „bietet auch genau die richtige, anspruchsvolle Umgebung, in der wir die neu entwickelten Fähigkeiten der Fahrzeuge im Mischverkehr demonstrieren und ein an die Strecke angepasstes Sicherheitskonzept umsetzen können“, erläutert KIT-Professor J. Marius Zöllner, Vorstand und Direktor am FZI Forschungszentrum Informatik.

Um ihre Aufgabe erfüllen zu können, erhielten die drei Basisfahrzeuge der Firma easyMile (Minibusse mit sechs Sitz- und vier Stehplätzen) zusätzliche Sensoren und Algorithmen. „Wir haben die Komponenten in Simulationen und auf abgeschlossenem Gelände intensiv getestet“, so Zöllner weiter. „Jetzt wollen wir die Ergebnisse in realer Umgebung verifizieren.“ Als Konsortialführer des Projekts EVA-Shuttle leitet das FZI nicht nur die kontinuierliche Verbesserung der Shuttle-Funktionalitäten, es stellt auch zwei der drei autonomen Fahrzeuge sowie die Expertise und die Algorithmen bereit, mit denen sich das Verhalten der anderen Verkehrsteilnehmer sowie die erforderliche Reaktion der Busse darauf vorhersagen lassen. co

www.abb.com
www.adva.com
www.fzi.de
www.jetter.de
www.paloaltonetworks.com
www.uni-kl.de
www.wzl.rwth-aachen.de

News zu Trends und Entwicklungen im Bereich mobiler Maschinen liefert die KEM Konstruktion hier:

kem.industrie.de/mobile-maschinen

Messe- und Konferenztipp:

5G CMM Expo & Conference

Von 1. bis 3. Dezember 2020 zeigt in Hannover die zweite 5G CMM Expo & Conference das Potenzial mobiler Maschinen und autonomer Fahrzeuge. Die 2019 gestartete neue Kongressmesse stellt Schlüsseltechnologien für (teil-)autonome mobile Maschinen und Fahrzeuge vor und richtet sich schwerpunktmäßig an Produktverantwortliche und -entwickler in diesen Bereichen. CMM steht dabei für Connected Mobile Machines und lässt bereits im Namen erkennen, dass insbesondere die Möglichkeiten der Vernetzung beleuchtet werden, die viele Anwendungsszenarien erst möglich macht. Themen sind damit neben Komponenten für die mobile Automation auch Embedded Systems, Softwarelösungen für mobile Anwendungen und natürlich der neue Mobilfunkstandard 5G.

5G CMM Expo & Conference
1. – 3. Dezember 2020
Hannover

https://www.5gcmm.com/


Martin Schauf, Senior Systems Engineering Manager, Palo Alto Networks
Bild: Palo Alto Networks

„Die Cloud ist ganz einfach ein Schnittpunkt von enormer Skalierbarkeit, um Daten sowohl zu sammeln als auch zu verarbeiten – das erfordert eine hochgradig automatisierte, skalierbare Cybersicherheit, die dafür sorgt, dass die Daten nicht manipuliert werden und die KI nicht korrumpiert wird.“


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