Groß, robust, vernetzt Moderne Ethernet-EMV verändert Markt für Nutzfahrzeuge

Selbstfahrende Autos mit Quiet-Wire sorgt  für sichere Netzwerkkommunikation.
Selbstfahrende Autos mit Quiet-Wire sorgt für sichere Netzwerkkommunikation.

Autonome Autos versprechen eine aussichtsreiche Zukunft. Sie sind aber nicht die einzigen Fahrzeuge, die automatisiert werden. Auch Nutzfahrzeuge sollen von den Vorteilen der wachsenden Autonomie profitieren. Ethernet mit Quiet-Wire sorgt hier für eine sichere und robuste Netzwerkkommunikation.

Industriefahrzeuge, wie sie in den Bereichen Bau, Landwirtschaft und Transportwesen zum Einsatz kommen, stellen spezielle Herausforderungen an die Kommunikationstechnik – allen voran ist der Platzbedarf entscheidend. Ob es dabei um die Länge oder den enormen Umfang geht – die Kabel sind wesentlich länger als das Auto selbst. Erschwerend kommt hinzu, dass längere Kabel den Störungen aus der Umgebung ausgesetzt sind, was die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nachteilig beeinflusst.

 

Autonomie in Industriefahrzeugen

Sicherheit und Effizienz sind zwei Vorteile, die sich durch Autonomie in Baufahrzeugen (Bild 1) ergeben. Die Sicherheit lässt sich durch den Einbau kamerabasierter Bildgebungssysteme erhöhen, die einen 360-Grad-Rundumblick in Echtzeit ermöglichen, zum Beispiel in Baugruben, und somit die Mensch-Maschine-Interaktion [1] vereinfachen. Fernbedienung von Industriefahrzeugen ist ein weiterer Sicherheitsvorteil der Automatisierung [2]. Ein Beispiel ist die ferngesteuerte Bedienung von Planierraupen auf einer Baustelle. Ohne Bediener im Fahrzeug erübrigt sich dessen Verletzungsrisiko. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einbau eines Global Navigation Satellite System (GNSS) mit Schaufelpositionssensoren und Inertial-Sensoren, um eine automatische Planierung des Baugrunds zu ermöglichen, was eine schnellere Fertigstellung garantiert [3].

Effizienz ist das Ziel der Autonomie auch bei landwirtschaftlichen Geräten. Durch die Kombination von Kamerasystemen mit Lenksteuerung lässt sich die Menge des beschädigten Getreides durch Reifenspuren reduzieren. Zudem ist eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit aufgrund des präzise positionierten Fahrzeugs möglich, was die Ernteerträge erhöht und den Arbeitsaufwand verringert.

Auch Sattelzüge werden zunehmend automatisiert. Im vergangenen Jahr wurde ein Modell eines voll autonomen Lkw vorgestellt, der eine Bierlieferung durchführte [4]. Mit integrierten Kameras, Lidar und anderen Sensoren konnte der Lkw autark in mehreren westlichen US-Staaten fahren, in denen der Betrieb autonomer Fahrzeuge erlaubt ist. Diese Technologie verspricht massive Einsparungen bei den Energiekosten, mehr Sicherheit und eine bessere Fahrzeugnutzung.

Um diese Fortschritte bei der Sicherheit und Effizienz umzusetzen, ist Kommunikationstechnik im gesamten Fahrzeug und damit über sehr große Leitungslängen erforderlich. Im Folgenden werden die Technologien näher untersucht, die am häufigsten bei der Automatisierung großer Industriefahrzeuge zum Einsatz kommen.

Kommunikationstechniken

Um die verschiedenen Video-, Audio-, Sensor- und Telematik-Subsysteme autonomer Fahrzeuge miteinander zu vernetzen, stehen derzeit mehrere Optionen zur Verfügung: CAN, CAN-FD, LVDS, MOST und Ethernet sind die bekanntesten. Aufgrund der enormen Größe dieser Fahrzeuge muss die Kabelreichweite jeder Technologie und ihre zugehörige Bandbreite Berücksichtigung finden. Tabelle 1 beschreibt die Datenrate der Kommunikationstechniken gegenüber der Übertragungslänge bei ihrer höchsten Bandbreite [6, 7, 8].

CAN- und CAN-FD-Datenraten eignen sich für lokale Sensordaten, sind aber für Videoübertragungen zu niedrig. 4K-komprimiertes Video [5] benötigt häufig mehr als 12 Mbit/s – eine deutlich höhere Datenrate, als sie CAN-FD bietet. Weil immer mehr Kameras hinzugefügt werden, wird auch mehr Bandbreite benötigt. Ein Sattelzug in den USA kann bis zu 18 Meter lang sein. Das würde LVDS und 802.3bw (100BASE-T1) als Techniken ausschließen, die Video ohne Repeater oder Switches übertragen könnten. Damit bleiben nur zwei Kommunikationstechniken für die Bereitstellung hoher Datenraten über lange Distanzen übrig: MOST und Ethernet mit Quiet-Wire-Technologie.