Die Zukunft der mobilen Robotik
Mehr Power und Connectivity für AGV und AMR
AGV- und AMR-Systeme automatisieren Transportprozesse; ihre Implementierung erfordert integrierte, zertifizierbare Hard- und Softwarelösungen. Um die Entwicklung zu vereinfachen, bieten Hersteller wie MicroSys Electronics auf Basis von NXP-Komponenten dafür passende Plattformen und Tools an.
Moderne Robotik-Applikationen wie Automated Guided Vehicles (AGV) und Autonomous Mobile Robots (AMR) sorgen besonders in der Industrie, der Logistik oder der Lebensmittelbranche für einen sicheren, präzisen und automatisierten Materialfluss. Dadurch entlasten sie Arbeitskräfte und wirken dem Fachkräftemangel entgegen. Zudem lassen sie sich flexibel in bestehende Anlagen und Systeme integrieren. Während AGVs vordefinierten Strecken mit Hilfe von Routen und Spuren folgen, stützen sich AMRs vollständig auf bordeigene Sensoren, Echtzeitverarbeitung und KI, um ihre Umgebung zu interpretieren und autonome Entscheidungen zu treffen.
AGVs und AMRs zeichnen sich durch intelligente Navigation, präzise Lokalisierung, Sensorfusion und High-Speed-Kommunikation der Komponenten aus. Um diese Funktionen zu ermöglichen, benötigen moderne AGVs/AMRs verschiedene Komponenten wie dedizierte Computing Cores, GNSS-Module (Global Navigation Satellite System) und geeignete Netzwerkschnittstellen. Herkömmliche Computing-Strukturen stoßen hier an ihre Grenzen. Edge-Prozessoren verarbeiten Daten für Bildverarbeitungssysteme, Bewegungssteuerungen und andere lokale Berechnungen. Deren Integration ist jedoch aufwendig und führt oft zu komplizierten Hardware- und Software-Architekturen.
Systemintegration als Herausforderung
Gerade das exakte Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten, etwa Sensoren für die Wahrnehmung, Bildsensoren, LiDAR oder Radar, ist wichtig, um eine sichere Bewegung und Navigation von AGVs/AMRs zu gewährleisten. Entscheidend ist dabei eine minimale Latenz bei der Datenverarbeitung. Um dieses Ziel zu erreichen, braucht es ein optimales Zusammenspiel von Hardware, Software und Middleware. Hierfür stellen Hersteller wie MicroSys Electronics zukunftsfähige Hardware-Komponenten wie System-on-Modules (SoMs), Betriebssysteme und Frameworks für die Echtzeitsteuerung bereit.
Designvereinfachung durch modulare Plattformen
Vorgefertigte SoMs reduzieren die Entwicklungs-Komplexität des Designs, indem sie die wichtigsten Komponenten applikationsfertig auf dem Modul bereitstellen. Ein Modul, das die Anforderungen an AGV/AMR-Systeme erfüllt, ist das »miriac MPX-S32G399A« von MicroSys. Applikationen, die bislang auf dem Vorgängermodell »miriac MPX-S32G274A« beruhten, können ab sofort auf das neue Modul hochskaliert werden und von der gesteigerten CPU-Leistung profitieren. Beide Module sind in den Maßen 82 mm x 50 mm ausgeführt und somit austauschbar.
Um die Komplexität des Designs weiter zu vereinfachen, können Entwickler zudem auf ein Carrierboard zurückgreifen, das zusammen mit dem SoM den Single-Board-Computer (SBC) »miriac SBC-S32G399A« ergibt. Für zusätzliche Echtzeitfähigkeit lässt sich über den M.2-Konnektor des Carriers zudem ein KI-Beschleuniger integrieren, etwa der KI-Prozessor »Hailo-8« von Hailo, für eine noch schnellere Verarbeitung der Daten und eine umfassende Sensorfusion. Das SBC bietet Entwicklern die vorintegrierte Software und umfassende Design-In-Services. Für eine weitreichende Connectivity der Applikation sorgen die Schnittstellen der CPU, die über den SBC nach außen geführt sind.
Um externe Peripherie wie Bild-, LiDAR- oder Radar-Sensoren, wie sie in AGV/AMR Einsatz finden, in Echtzeit anzusteuern und aufgenommene Sensordaten direkt in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren, lässt sich neben dem »miriac MPX-S32G399A« zusätzlich das »miriac MPX-S32Z2« einsetzen. Es beruht auf der CPU S32Z2 von NXP, die herausragende Echtzeitfähigkeiten bereitstellt. Hierfür müssen Entwickler lediglich ein zweites Carrierboard einsetzen, das den SBC MPX-S32Z2 mit dem SBC MPX-S32G399A kombiniert und erweitert.
Hocheffiziente Echtzeit-CPU
Das SoM »miriac MPX-S32G399A« beruht auf dem Prozessor S32G399A von NXP, der ASIL-D-Sicherheit mit einer hochleistungsfähigen Echtzeit- und Anwendungsverarbeitung sowie einer umfassenden Netzwerkbeschleunigung kombiniert. Die CPU S32G3 erfüllt die Anforderungen aktueller Fahrzeugarchitekturen wie serviceorientierte Gateways, Fahrzeugcomputer, Domain Controller, zonale Prozessoren, Sicherheitsprozessoren und mehr.
Dabei arbeitet die CPU mit acht Arm-Cortex-A53-Kernen mit bis zu 1,3 GHz Taktfrequenz, die optional im Lockstep-Betrieb für erhöhte Sicherheit laufen können. Vier Arm-Cortex-M7-Dual-Core-Lockstep-Kerne ergänzen die Applikationskerne um Funktionen für sicherheitskritische Echtzeitapplikationen. Hierbei wird die CPU von bis zu 4 GB LPDDR4-32-Bit-Speicher mit 3200 Megatransfers pro Sekunde (MT/s), 64 MB QSPI-Flash- und bis zu 32 GB eMMC-Speicher (embedded Multimedia Card) unterstützt. Die integrierte Hardware Security Engine (HSE) bietet sichere Bootfunktionen, die Low Latency Communication Engine (LLCE) beschleunigt zudem die Verarbeitung von CAN-, LIN- und FlexRay-Nachrichten. Eine lange Verfügbarkeit garantiert NXP durch einen Produktlebenszyklus von bis zu zehn Jahren, für manche Bereiche sogar bis zu 15 Jahren, was die Zukunftssicherheit erhöht.
Modul erfüllt hohe Connectivity-Ansprüche
Um aktuelle Kommunikationsanforderungen für AGV/AMR zu erfüllen, bietet der SBC zahlreiche Ethernet-Schnittstellen, einige davon mit Support für Time-Sensitive Networking (TSN), darunter 1x 1 GbE, 1x 1000BASE-T1, 1x 100 Mb und 6x 100BASE-T1. Daneben führt MicroSys weitere Schnittstellen wie USB 2.0, 18 x CAN-FD, 8x LIN, 2x FlexRay sowie GPIOs und JTAG nach außen. Auch der Automotive-spezifische Switch SJA1110 gehört zum umfassenden Schnittstellensupport des Unternehmens.
Die Modulvarianten decken sowohl den Standardtemperaturbereich von 0 bis +70 °C als auch, für raue Umgebungsbedingungen, den erweiterten Temperaturbereich -40 bis +85 °C ab. Aufgrund der Modularität verkürzt sich die Time-to-Market, wodurch Entwickler Zeit und Kosten sparen. Zudem halten die Module wegen der integrierten Security-Funktionen die Compliance- und Sicherheitsvorgaben der jeweiligen Branche ein.
Für einen schnellen Start der Applikationsentwicklung bietet MicroSys neben dem SoM ein umfassendes Entwicklungskit mit Zubehör wie Stromversorgung, Kühlkörper und Dokumentation an. Es vereinfacht und beschleunigt das Evaluieren und Integrieren des SoM und eignet sich zur Entwicklung von Prototypen. Außerdem bekommen Entwickler mit dem Entwicklungskit umfassenden Support wie Dokumentation, Referenzdesigns sowie Software Tools für eine schnelle Integration.
Vorteile im Vergleich zu SMARC
Im Vergleich zu offenen Computer-on-Module-Standards wie SMARC kann MicroSys mit seinem proprietären Standard die Performance der NXP-CPU optimal ausnutzen. So lassen sich mit SMARC nicht alle Anschlüsse der CPU nach außen führen, weil nur bestimmte Anschlüsse über das Pinout des Standards qualifiziert und umgesetzt sind. Das MicroSys-SoM dagegen führt alle wichtigen Anschlüsse nach außen, etwa alle Ethernet- und CAN-Ports. MicroSys kann somit eine skalierbare Anzahl von Schnittstellen bereitstellen und ermöglicht eine maximale CPU-Leistung am Konnektor sowie ein optionales Überwachen der CPU durch den Supervisor.
Software-Integration durch Experten
Neben der Hardware spielt die richtige Software eine entscheidende Rolle für AGV/AMRs. Die Software muss verschiedene Funktionen erfüllen, unter anderem für Navigation, Objekterkennung, Routenplanung und Energiemanagement. Hierbei sind die aufgenommenen und zu verarbeitenden Daten in Echtzeit zu übertragen, um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten. Die Software muss außerdem für sicherheitskritische Bereiche zugelassen sein.
Um Entwicklern die Herausforderungen der Software-Integration abzunehmen, implementiert MicroSys ein applikationsfertiges Linux-Betriebssystem auf seiner Plattform. So können Entwickler sich ganz auf die Applikationsentwicklung fokussieren. Auch hier kann MicroSys durch geeignete Partner unterstützen, etwa für Bare-Metal- oder QNX-Programmierung.
Eine umfassende Software-Integration ermöglicht AGV/AMR einen nahtlosen, sicheren und effizienten Betrieb, weil alle Sensoren, Steuerungen und Kommunikationsschnittstellen zusammenspielen. Sie erhöht die Skalierbarkeit, erleichtert Updates und ermöglicht eine schnelle Anpassung an neue Prozesse oder Umgebungen.
Zweifellos kommen AGVs und AMRs immer häufiger zum Einsatz, weil sie die Effizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit in Industrie, Logistik und Transportwesen steigern. Die Entwicklung dieser Systeme bringt jedoch Herausforderungen wie eine starke Echtzeitverarbeitung, anspruchsvolle Sicherheits-Zertifizierungen und eine komplexe Softwareintegration mit sich.
Hersteller wie NXP und MicroSys unterstützen Entwickler mit vorvalidierter Hardware, umfassenden Sicherheitsfunktionen und optionaler Middleware, was den Entwicklungsaufwand und die Risiken reduziert. Mit einer umfassenden Softwareintegration profitieren AGV/AMR von einer höheren Skalierbarkeit, einer besseren Datenverfügbarkeit und einem sicheren, automatisierten Betrieb.
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