Zware voertuigen leiden de weg: Zelfrijdend is al realiteit

Autonome technologie goed gevestigd in mijnbouw, landbouw

De auto-industrie's grootste huidige focus is zelfrijdende auto's. Gevestigde automerkers alsook technologiebedrijven zoals Apple Inc. en Alphabet Inc.'s Google werken aan de ontwikkeling van auto's en lichte vrachtwagens die ofwel menselijke chauffeurs assisteren of zichzelf sturen.

Fabrikanten van zware voertuigen hebben dat al bereikt. Caterpillar Inc. (Peoria, IL), met de hulp van Carnegie Mellon's National Robotics Engineering Center (Pittsburgh), brengt autonome vrachtwagens voor mijnbouw en andere toepassingen op de markt. Deere & Co.'s John Deere (Moline, IL) was een vroege ontwikkelaar van autonome voertuigen, in dit geval tractoren en andere landbouwvoertuigen. Door de jaren heen heeft het hulp gekregen van NASA.

De katalysator voor dergelijke producten was de behoefte om kosten te verlagen en productiviteit te verhogen. Zelfrijdende mijnbouwvrachtwagens werken bijvoorbeeld langer omdat ze geen chauffeurs hebben. Autonome tractoren kunnen zaad zaaien en mest meer precies verspreiden, wat geld bespaart door overlap te verminderen of te elimineren.

Dergelijke voertuigen reizen ook aangewezen off-highway routes in mijnen en velden. Dat is eenvoudiger dan auto's die zichzelf op de openbare weg navigeren.

"De toepassing [landbouw- en mijnbouwvoertuigen] is zeker meer beperkt, hoewel het nog steeds zeer complex is," zei Herman Herman, directeur van het National Robotics Engineering Center, onderdeel van Carnegie Mellon's Robotics Institute. Het centrum heeft met zowel Caterpillar als Deere gewerkt.

Recente technologische vooruitgang heeft de voortdurende ontwikkeling van zelfrijdende off-highway voertuigen versneld, zei Herman.

"Vanaf de hardware-kant, zijn er veel nieuwe sensoren die niet alleen capabeler zijn, maar ook lager in prijs, wat een heel nieuwe set toepassingen mogelijk maakt," zei hij in een e-mailinterview. "Vanaf de software-kant, zijn er veel vooruitgang in AI [kunstmatige intelligentie] algoritmes die ook veel betere mogelijkheden mogelijk maken."

Bovendien, zei Herman, "Naarmate we meer robots ontwerpen en bouwen, is er veel beter begrip gekomen vanuit het systeem-engineering-perspectief op wat het kost om autonoom systemen te bouwen, zoals de zelfrijdende vrachtwagen."

Mijnbouwoperaties automatiseren

Zelfrijdende zware voertuigen gaan terug meer dan een kwart eeuw. Caterpillar en Carnegie Mellon begonnen in de jaren '80 met samenwerken over manieren om oppervlaktemijnbouwapparatuur te automatiseren.

In de late jaren '90 werkten de twee partners samen aan een robotische graafmachine voor automatische vrachtwagenlading. Dat systeem gebruikte scanning range finders om de te laden vrachtwagen te herkennen en obstakels in het werkgebied te voelen.

"We hebben een autonoom laadsysteem voor graafmachines gedemonstreerd dat in staat is vrachtwagens te laden met zacht materiaal met de snelheid van expert menselijke operators," stelde het robotica-instituut in een technisch papier gepubliceerd in 1998. "Het systeem past zowel zijn graaf- als dumpplannen aan op basis van de bezinking van de grond zoals gedetecteerd door zijn sensoren." Herman was onderdeel van het team dat aan het project werkte.

In de jaren 2000 werkten Carnegie Mellon en Caterpillar samen aan Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) autonome voertuigcompetities. Daarna collaboreerden ze aan Autonomous Haulage Solutions (AHS), of zelfrijdende mijnbouwvrachtwagens zoals de Cat 793F.

Caterpillar begon met drie autonome mijnbouwvrachtwagens voor testen en validatie in 2011, volgens achtergrondmateriaal geleverd door de zware apparatenfabrikant. Twee jaar later, implementeerde Caterpillar commercieel zes autonome vrachtwagens. Tot het einde van dit jaar verwacht de zware apparatenmaker dat 100 dergelijke vrachtwagens op drie continenten zullen opereren.

De vrachtwagens hebben geen menselijke operators. Ze hebben ontworpen routes maar kunnen alternatieve routes selecteren om hun toegewezen bestemmingen te bereiken. Ze worden ingezet op afgelegen mijnlocaties en bewaakt door een centraal controlsysteem bemand door menselijke supervisors. Sensoren en gerelateerde technologie maken het vrachtwagens mogelijk om andere voertuigen en mijnpersoneel te vermijden. De vrachtwagens stoppen als een object of voertuig in de weg komt. Ze leveren ook diagnostische data en waarschuwen het controlecentrum als reparaties nodig zijn.

Caterpillar blijft "actief werken" met het Carnegie Mellon robotica-centrum, zei Joe Forcash, engineering supervisor bij het Pittsburgh Automation Center van het bedrijf, in een e-mail.

"Er zit veel complexiteit en technologie in deze oplossing," zei Herman.

Op de boerderij

Boerderijvelden zijn ook de locatie van zelfrijdende voertuigen, inclusief tractoren en combine-harvesters. John Deere's voertuigen zijn niet volledig autonoom. Operators zijn nog aan boord. Ze rijden de eerste gebogen rij, in effect lerend de tractor's geleidingssysteem. Daarna doet het systeem het meeste rijden en kan de operator zijn handen van het stuur halen.

Deere keek naar zelfrijdende technologie als een manier voor klanten om kosten te verlagen en apparatuur langer te laten draaien.

"Stel je voor dat je op een snelweg rijdt en je band op de witte streep moet houden," zei Terry Pickett, manager advanced engineering voor John Deere Integrated Solutions. "Elke keer dat je van de witte streep afwijkt, kost het je $3. Je zou bijna bug-eyed zijn."

"We zijn echt op een gefocuste pad gestart in 1996," vervolgde Pickett. "We werkten met Stanford University aan GPS-gebaseerde geleiding." In de late jaren '90 werkte het bedrijf nauw samen met Stanford aan een geavanceerd GPS-gebaseerd geleidingssysteem alsook een Deere-systeem ontworpen voor robuustheid en kosteneffectiviteit, zei Pickett: "We probeerden op dat moment te beslissen hoe accuraat we nodig hadden om operaties in het veld te doen."

In de vroege jaren 2000 introduceerde Deere zijn eerste AutoTrac-systeem. Het doel was toen om nauwkeurigheid binnen 40 centimeter "en we kwamen op 25 uit," zei Pickett.

Ook tijdens deze tijd, vestigde Deere een overeenkomst met NASA's Jet Propulsion Laboratory over GPS-ontvangers.

In 2004, wijzigde Deere zijn StarFire GPS-ontvangers, waardoor ze toegang kregen tot NASA's grondstationnetwerk en NASA-software voor het corrigeren van GPS-signalen. De licentie van Deere met NASA eindigde in 2015 naarmate Deere zijn eigen systeem ontwikkelde.

De NASA-overeenkomst "bracht ons drie of vier jaar eerder op de markt," zei Pickett. "Het stelde ons in staat om een meer gefocuste en diepere gedachteproces te doen" tijdens het ontwikkelen van zijn eigen systeem, zei hij.

"Het bracht ons van een 25 centimeter [nauwkeurigheid] systeem naar een 7 of 8 centimeter systeem," zei hij. "Nu is het 3 centimeter nauwkeurigheid."

Naast het assisteren van operators, helpen Deere-systemen bij het sturen van implementen voor ploegen, zaaien en bemesten. Deere-systemen helpen een tractor en implement om hetzelfde precieze pad te volgen. Een tractor die een graanwagentje trekt, kan op de juiste plek komen voor het laden van graan van een combine-harvester, bijvoorbeeld.

Deere heeft prototypes gebouwd voor volledig zelfrijdende landbouwvoertuigen maar verwacht niet dat dergelijke voertuigen binnenkort geïmplementeerd zullen worden, zei Pickett. "Het is niet zoveel de technologie zelf," zei hij. "Het is hoe je het hele werk doet."

Zelfrijdende prototypes

Andere bedrijven kijken naar volledig zelfrijdende tractoren. CNH Industrial (Londen), dat landbouwapparatuur verkoopt onder de Case- en New Holland-merken, en Autonomous Solutions Inc. (Logan, UT), onthulde vorig jaar twee prototypes op de 2016 Farm Progress Show in Boone, IA.

"Landbouwapparatuur kan nu niet chauffeurloos," zei Matt Nielsen, marketingdirecteur voor Autonomous Solutions, wat CNH's technologiepartner is. "Er zijn enkele technologieën die helpen met bochten, maar niets echt chauffeurloos."

Op hetzelfde moment, "Dat is de richting waar het naartoe gaat," zei hij. "Het is echt makkelijk om enthousiast te worden over deze technologie. Het is een prachtige sprong. Maar er is nog veel meer te doen."

De prototypes zijn uitgerust met camera's, radar en LIDAR, dat lasers gebruikt om objecten te voelen. "Dat geeft de voertuigen hun ogen," zei Nielsen. Operators kunnen routes programmeren en het voertuig monitoren met een laptop of tabletcomputer. "We hebben nog geen smartphone-mogelijkheid; dat zal in de toekomst komen," zei hij.

Technologie op de zelfrijdende tractor-prototypes is geholpen door ontwikkelingswerk voor autonome auto's, wat de kosten van sensoren heeft gedrukt, zei Nielsen.

"We zijn heel dankbaar voor de GM's, Fords en Googles van de wereld," zei hij. "De hoeveelheden geld die in de technologie worden gegoten, hebben ons zeker geholpen."

Het is niet bekend wanneer volledig zelfrijdende tractoren commercieel zullen worden geïmplementeerd. Zoals met autonome auto's, zullen er waarschijnlijk juridische aansprakelijkheidsvraagstukken te zijn om op te lossen. En er is de vraag van kosten.

"Technologie in haar jonge staat is erg duur," zei hij. "Vroege adopters zullen je grootschalige boerderijen zijn."

Zelfparkerende vrachtwagens

Een ander gebied voor zelfrijdende zware voertuigen is net van de snelweg af – bij laadkades en andere faciliteiten.

Eaton Corp. (Dublin, Ierland), een stroombeheersbedrijf, ontwikkelt zelfparkeerinrichtingen voor zware vrachtwagens. Het bedrijf noemt het Advanced Driver Assist System (ADAS).

Er zijn twee vormen van ADAS. Met Dock Assist, parkeert een chauffeur een vrachtwagen zo dicht mogelijk bij een laadkade. De chauffeur past de dienstrem toe, de voertuig stil in drive. Een schakelaar op het apparaat wordt omgezet en de vrachtwagen begint langzaam achteruit te rijden. Dock Assist bedient transmissiebesturingen.

De transmissie detecteert de kade op basis van koppel dat wordt toegepast tijdens het duwen tegen de kade. De vrachtwagen stopt en is geparkeerd. Dock Assist is bekend als een "Level 2" systeem en kan niet worden bediend zonder iemand in de bestuurdersstoel.

Autonome zelf-docking is meer uitgebreid. Het omvat GPS en vindt de kade waar de vrachtwagen gepland is te parkeren. Het systeem stuurt commando's naar de transmissie, die snelheid aanpast en de koppeling bedient. Het systeem bedient het stuurwiel zonder dat de chauffeur het aanraakt.

"We hebben geen vaste lanceringdatum," zei Chris Nielsen, global product strategy manager voor Eaton's commercial powertrain group. "Het is veilig om te zeggen dat binnen een paar jaar je enige technologie van ons zult zien om een vrachtwagen te helpen docken."

De ontwikkeling wordt gedreven door kosten. Vrachtwagens raken vaak beschadigd bij dock-ongevallen. "Je kunt schade aanrichten aan koppelingen, aan infrastructuur, aan trailers," zei hij. Ook, "Eén van de grootste uitdagingen die we industry-wide hebben is chauffeurs. Er is een grote tekort."

"We spelen er al drie tot vier jaar mee om te ontwikkelen wat we hebben," vervolgde Nielsen. "Het is een beetje wachten op de industrie om in te halen. Met de golf van interesse, beginnen we onze inspanningen op te schalen."

Het zijn niet alleen zware voertuigen die autonoom gaan in industriële omgevingen. Seegrid (Coraopolis, PA) introduceert zijn GP8 Series 6 zelfrijdende pallettruck voor laden en lossen van pallets. Het is de grootte van een vorkheftruck en gebruikt vijf sets videocamera's.

Herman Herman van Carnegie Mellon verwacht dat autonoom rijsystemen opgang zullen doen in off-highway instellingen.

"Ik verwacht dat de adoptie van zelfrijdende technologie zal opschalen in veel industriële toepassingen voordat het wijdverspreid is in consumenten/openbaar gebruik," zei hij. "We zouden graag vergelijkbare oplossingen voor andere industrieën ontwikkelen."