„Typisch Bond“ – so mag die Reaktion 1997 ausgefallen sein, als der Geheimagent 007 in „Der Morgen stirbt nie“ einen BMW mit seinem Handy steuerte. Damals wurde das als verrückte Fantasie abgetan, die man sich für das Drehbuch ausgedacht hatte. Doch inzwischen ist die actionreiche Szene in dem Kinofilm nicht allzu weit weg von der Realität. Automobilhersteller arbeiten an selbstfahrenden Pkw, die schon heute dank Einparkhilfe in eine enge Parklücke reinkommen. Um Autos sicherer und komfortabler zu machen und ihre Bedienung möglichst zu vereinfachen, greifen Automobilhersteller auf eine Reihe von Assistenzsystemen zurück. Das gilt genauso für Baumaschinen, bei denen moderne Kommunikations- und Informationstechnologien in Verbindung mit Steuerungstechnik, Sensoren und Sendern Einzug gehalten haben und dem Stand der Technik bei Premiumfahrzeugen in nichts nachstehen. Auch hier geht die Entwicklung hin zu teil- oder vollautonomen Systemen. Was für einen Audi, BMW oder Mercedes taugt, kann auch bei einem Caterpillar gute Dienste leisten – oder umgekehrt. Zwischen Luxusautos und Premiumbaumaschinen gibt es eine enge Verflechtung, aber auch noch so manchen Unterschied. Steigen Sie ein in unseren Technik-Vergleich.
Beginnen wir beim Zugang: Inzwischen lässt sich mit einem Smartphone der Pkw ent- und verriegeln sowie starten. Möglich macht es der digitale Autoschlüssel – BMW bot 2020 erstmals Kunden die Möglichkeit, ein iPhone zum Öffnen und Schließen des Fahrzeugs zu benutzen. Zugang bekommt der Fahrer, wenn er das Smartphone einfach an den Griff der Fahrertür hält. Zudem lässt sich der Motor erst starten, wenn das Mobiltelefon in der Ladeschale liegt. Der Fahrzeugbesitzer kann die Zugriffsrechte zudem mit bis zu fünf Freunden teilen, einschließlich einer Möglichkeit zur Konfiguration für Fahranfänger, die unter anderem Höchstgeschwindigkeit und Motorleistung sowie die maximale Lautstärke des Radios begrenzen. Inzwischen sind die digitalen Schlüssel-Funktionen bei BMW auch für Android-Smartphones verfügbar.
Schlüssellose Zugangssysteme gibt es mittlerweile auch bei Cat Baumaschinen. Dank der App „my Equipment“ auf dem Smartphone und der Bluetooth-Übertragungstechnik können sich Fahrer eindeutig ausweisen und ihr Arbeitsgerät starten. Eine in der Elektronik hinterlegte Bluetooth-ID gibt den Motorstart frei – und das genauso schlüssellos und digital wie bei den Autos der bayerischen Marke. Das schützt vor unbefugtem Zugriff und protokolliert die Nutzung der Baumaschine durch den Fahrer. Der Zugriff auf den Motorstart kann aber auch noch mit einem klassischen, jedoch elektronischen Schlüssel erfolgen: Das Freigabesignal wird entweder über Bluetooth-ID oder RFID übertragen. Eine andere Option, die Caterpillar für seine neuen Baumaschinen bietet, ist die Abfrage über einen vierstelligen PIN-Code. Dieser ist individuell wählbar und muss beim Starten der Maschine im Display in der Kabine eingegeben werden. Stimmt dieser mit dem eingespeicherten PIN-Code in der Elektronik überein, wird der Motor zum Starten freigegeben. Somit erhalten nur autorisierte Personen den Zugang. Es erleichtert den Fuhrpark-Verantwortlichen, die Zugriffe auf eine Maschine zu verwalten. Bediener können sich schnell identifizieren. Gleichzeitig dient es als Wegfahrsperre. Dank des kodierten Motorstarts und Flottenmanagements kann sichergestellt werden, wer fahren darf und wer tatsächlich gefahren ist. Auch individuelle Einstellungen des Fahrers lassen sich über die PIN analog wie bei Autos einspeichern.
2021 verbrachten Autofahrer, die zur Arbeit pendelten, im Durchschnitt eine komplette Arbeitswoche im Stau – und das trotz des vielfach genutzten Homeoffice. Diesen Wert ermittelte Indrix, ein Anbieter von Verkehrsanalysen und Connected-Car-Services. Wer stundenlang im Stau sitzt, soll es daher komfortabel haben – so die Annahme. Inzwischen kommt es deshalb immer mehr auf das Innendesign und Interieur der Pkw an, wobei Touchscreens Schalter und Tasten verdrängen. Dafür werden Autos zu Infotainment-Zentralen. Per Spracheingabe wird das Navigationsziel festgelegt, eine Telefonnummer angewählt oder ein Radiosender abgespielt. Einige Hersteller treiben es noch weiter und haben die Gestensteuerung übernommen: Statt mit einem Knopf wird per Fingerkreisen in der Luft vor dem Touchscreen das Radio lauter gestellt oder mit einer Wischgeste ein Anruf abgelehnt. Hersteller greifen dabei auf 2D- oder 3D-Kameras zurück, die meist zwischen Fahrer und Beifahrer angebracht sind, um die Bewegungen zu registrieren – Irrtümer sind dabei noch nicht ganz ausgeschlossen. So kann schnell mal das Radio aus Versehen auf leise gedreht werden, obwohl der Fahrer eigentlich das Navi bedienen wollte. Doch hält immer mehr künstliche Intelligenz Einzug, werden auch die Gesten eindeutig interpretiert werden und Befehle per Sprache oder Touchscreen ersetzen.
Dass ein Bagger auf die Ansage „Ausleger schwenken“ reagiert und die Bewegung mit dem Arm und Stiel wie gewünscht umsetzt, ist in der Tat noch Science-Fiction. Doch auch Baumaschinen von heute haben keine verstaubten Fahrerhäuser mit schwergängigen Hebeln oder Lenkrädern mehr, sondern die wesentlichen Funktionen sind in Joysticks integriert. Mit ihnen nehmen die Fahrer – feinfühlig und komfortabel – Einfluss auf die Leistung und Funktion ihrer oft schon elektrohydraulisch angesteuerten Arbeitsfunktionen, können jederzeit eingreifen oder gegensteuern. Die elektrohydraulische Vorsteuerung über die Joysticks bildet die Grundvoraussetzung für die weitere Automatisierung der Maschinentechnik. Die elektrischen Impulse der Joysticks werden im Bordrechner verarbeitet und in hydraulische Bewegungen umgesetzt. Hierdurch weiß die Maschine, was der Fahrer will. Die Kabine ist somit bei einer Baumaschine zu einem modernen Cockpit geworden. Touchscreen-Monitore sind feste Bestandteile der neuesten Generation an Geräten, die alle Informationen zum produktiven Arbeiten übersichtlich und wohldosiert zur Verfügung stellen. Sie bilden die intuitive Bedienerschnittstelle, welche die Daten in einem sinnvollen Zusammenhang mit den Arbeitsschritten anzeigt, sodass Entscheidungen in Echtzeit möglich sind. So erkennt eine intelligente Steuerung, was der Fahrer bezweckt. Beispielsweise erscheint automatisch beim Einlegen des Rückwärtsgangs der Bildschirm der Rückfahrkamera, um dem Fahrer die Sicht nach hinten anzuzeigen. Daran gekoppelt sind optische und akustische Warnsysteme – so wie sie auch Autos haben, die Baumaschinen jedoch um die Einparkhilfe voraus sind. Anders als ein Pkw sind diese zum Arbeiten da: Zum Standard geworden ist daher bei ihnen das Abspeichern von bis zu 20 Anbauwerkzeugen, die mit entsprechenden Hydraulikvolumen und -drücken hinterlegt sind und nur noch abgerufen werden müssen, die Einstellung geschieht dann automatisch. Als nächster Schritt kommt dann eine automatische Werkzeugerkennung, damit das Trägergerät selbst erkennt, um welchen Löffel, Hammer oder Greifer es sich handelt.
Ist der Zutritt zum Pkw erfolgt und der Motor gestartet, schwören viele auf den Geschwindigkeitsregler – im allgemeinen Sprachgebrauch auch Tempomat genannt, der in Europa Anfang der 60er-Jahre erstmals von Mercedes-Benz eingeführt wurde. Inzwischen ist diese Funktion nicht nur in Wagen der Oberklasse Standard, sondern sogar in Kleinwagen wie dem VW Up angekommen und sorgt dafür, die Motordrehzahl automatisch so zu regeln, dass die eingegebene Geschwindigkeit konstant beibehalten werden kann, bis der Fahrer eingreift. Insbesondere auf langen Strecken wie Autobahnen oder auf Straßen mit Geschwindigkeitsbeschränkung hilft es dem Fahrer zu entspannen, wenn er das Gaspedal nicht permanent treten muss.
Auch den Fahrern von Baumaschinen hat Caterpillar das Handling einfacher gemacht: Bei längeren Strecken unterstützt sie ein Tempomat, der bei Minibaggern von einer bis zehn Tonnen aufwärts serienmäßig ist. Es sind die ersten Baumaschinen, die auf diese Assistenzfunktion zurückgreifen. Auch hier wird der Fahrer entlastet, wenn der Tempomat die Arbeit erleichtert und er nicht mehr permanent die Hebel oder Pedale für die Fahrfunktion bedienen muss. Aktiviert wird die Funktion über den gelben Knopf auf dem linken Joystick. Dadurch kann sich die Baumaschine wie ein Auto in einer vorgewählten Geschwindigkeit fortbewegen – doch ein Cat Minibagger kann noch mehr: Bei ihm funktioniert das nicht nur beim Vorwärts-, sondern auch beim Rückwärtsfahren und er kann dabei auch noch eine Aufgabe auf der Baustelle übernehmen. In Kombination mit dem Abstützplanierschild lässt sich mit dem Tempomaten einfach ein Planum erstellen. Das Gerät fährt geradeaus, ohne dass der Fahrer korrigierend eingreifen muss, mit dem rechten Joystick steuert er den Schild.
Doch die Schritte in Richtung teilautonomes und vollautonomes Fahren eines Pkw beschleunigen sich. Ganz ohne Berührung per Hand kommen Lenkräder in Pkw noch nicht aus, in denen Sensoren überwachen, ob der Fahrer damit zumindest der Form halber Kontakt damit hat – so will es jedenfalls der Gesetzgeber. Hands on Detection nennt sich die Funktion, die den Innenraum überwachen soll. Fehlt die Berührung – dabei reicht ein Finger – machen eine Reihe von Warnhinweisen darauf aufmerksam, das Lenkrad festzuhalten. Passiert das nicht und erkennen die Sensoren weder eine Lenk-, Brems- noch Beschleunigungsaktivität, greift der sogenannte Emergency Assistent ein, den VW 2014 mit dem Passat erstmalig auf den Weg gebracht hat, um das Risiko von Unfällen zu senken. Stellt das System fest, dass der Fahrer nicht mehr reagiert, erfolgen verschiedene Stufen der Eskalation: angefangen vom Wachrütteln des Fahrers über akustische und optische Signale bis hin zu einem unkomfortablen Bremsruck und Nothalt, indem das Assistenzsystem das Fahrzeug anschließend kontinuierlich bis in den Stillstand abbremst und die Warnblinkanlage zur Warnung anderer Verkehrsteilnehmer einschaltet. Damit kein Auffahrunfall passiert, wird über Adaptive Cruise Control (ACC) der Abstand zum Vorderfahrzeug geregelt. Im Stillstand wird das Fahrzeug mittels automatischer Aktivierung der elektronischen Parkbremse gesichert.
Als eine Form von Abstandsradar im übertragenen Sinne kann auch die Assistenzfunktion E-Fence bei Baumaschinen verstanden werden, wie sie Caterpillar bei Baggern der neuen Generation zum Serienstandard erhoben hat. Mit der Begrenzung des Arbeits- und Schwenkbereichs kann somit ebenfalls Abstand zu Bauwerken oder zum Verkehr gehalten werden, wenn etwa neben Straßen gearbeitet wird. Die Funktion sorgt dafür, dass sich kein Teil des Baggers außerhalb der vom Fahrer festgelegten Sperrzone bewegt – auch nach oben oder unten.
Vergleichbar mit dem Spurhalteassistent von Pkw ist eine weitere Assistenzfunktion, basierend auf der Grade-Technologie. Während der Spurhalteassistent den Autofahrer unterstützt, dass das Fahrzeug die jeweils befahrene Fahrspur nicht verlässt, ist die Grade-Technologie dafür zuständig, mit den Daten aus dem digitalen Geländemodell möglichst nur das Material zu bewegen, das für das gewünschte Ergebnis notwendig ist. Dies erfolgt etwa bei Cat Dozern über Assistenzsysteme wie Slope Assist, das dem Fahrer hilft, die gewünschte Längs- und Querneigung des Planums zu erzielen, indem es die eingestellten Planierschildwinkel automatisch beibehält. Darüber hinaus lassen sich mit der Cat Stable Blade Technologie teilautomatisiert die Schildbewegung der Bulldozer überwachen und eventuelle Störimpulse durch Bodenwellen ausgleichen.
Auch bei Baggern der neuen Generation hat sich Cat Grade durchgesetzt, um dank der 2D-Führungshilfen für Tiefe, Neigung und horizontalen Abstand zum Planum das gewünschte Arbeitsergebnis schnell und präzise zu erreichen. Beim Erstellen von Flächen mit einer oder zwei Neigungen, wie Park-, Sport- oder Lagerplätzen, reicht ein 2D-System vollkommen aus. Für anspruchsvolle Geländekonturen, wie zum Beispiel überhöhte Kurven oder geschwungene Lärmschutzwälle, werden 3D-Systeme in Verbindung mit der Cat Halbautomatik eingesetzt. Das serienmäßige 2D-System lässt sich mit 3D-GPS beziehungsweise 3D-UTS (Totalstation) von Trimble für solche Einsätze aufrüsten. Die ab Werk integrierte Planierautomatik Grade Assist steuert die Bewegungen von Ausleger und Löffel, sodass der Fahrer ein genaues Planum mühelos mit nur einer Joystick-Bewegung für den Stiel herstellen kann. Vor einigen Jahren wäre kaum denkbar gewesen, was wiederum heute Cat Kettenbagger in Kombination mit Sensorik, Elektronik, GPS-basierter Satellitennavigation, Plug-in-Technologien, informativen Multifunktions-Displays und Minicomputern an Bord erreichen können. Die Bedieneinheit in der Kabine eines Baggers, ähnlich dem Navi in einem Pkw, vergleicht dazu permanent die Ist-Höhe mit der Soll-Höhe des digitalen Geländemodells. Sie berechnet mehrmals pro Sekunde die exakte Position der beiden Löffelspitzen mithilfe der beiden GPS-Antennen auf dem Kontergewicht sowie der exakten Neigung des Oberwagens und der Winkelstellung von Ausleger, Stiel und Löffel. Das reduziert die gesamte Absteckung mit Pflöcken und Böschungslehren auf der Baustelle. Auch Dozer-Fahrer können bei der schweren Erdbewegung mithilfe von 3D-Steuerungen die Leistungseffizienz verbessern. In Verbindung mit der automatischen Traktionskontrolle des Dozers wird das grobe Abschieben effizienter ausgeführt, lange bevor auf Soll-Höhe planiert wird. Hierzu meldet der Dozer die Fahrgeschwindigkeit der Ketten an die Maschinensteuerung und diese vergleicht permanent die tatsächliche Bewegung der GPS-Empfänger mit der Kettengeschwindigkeit. Liegt die GPS-Geschwindigkeit unter der Kettengeschwindigkeit, wird sein Schild automatisch angehoben. Hierdurch kann der Fahrer immer mit optimal gefülltem Planierschild schieben, ohne dass die Ketten durchdrehen.
Wenn der Untergrund nicht genügend Grip bietet oder der Fahrwiderstand zu groß wird, drehen Radladerreifen genauso durch wie Autoreifen. Im Fall von Cat Baumaschinen verhindern die automatischen Sperrdifferenziale, dass der Lader stecken bleibt. Raddrehzahl- und Knickwinkelsensoren schließen und öffnen die hydraulischen Sperrkupplungen übergangslos, wenn bestimmte Betriebsbedingungen und/oder Maschinenzustände vorliegen. Beim Schaufelfüllvorgang sorgt die Ladesteuerung dafür, dass bei durchdrehenden Reifen durch eine Erhöhung der Schaufellast der Grip wiederhergestellt wird. Mit der Funktion Auto Dig laden die Maschinen komplett automatisch. Analog dazu ist seit 2014 ESP bei allen neu zugelassenen Pkw Pflicht. ESP steht für elektronisches Stabilitätsprogramm und fällt unter die Assistenzsysteme – noch häufiger wird dafür die Kurzform ESC verwendet. Sie steht wie ESP für Fahrdynamikregelung und sorgt für ein Abbremsen einzelner Räder, um dem Ausbrechen des Pkw entgegenzuwirken. Durch die Fahrassistenz verliert der Fahrer nicht die Kontrolle. Die Fahrdynamikregelung greift auf verschiedene Sensoren im Fahrzeug zurück, welche die Fahrtrichtung und Drehbewegung messen und im Notfall die entsprechenden Bremsen ansteuern, um das Fahrzeug zu stabilisieren. In der heutigen Form ist ESP oder ESC eine Weiterentwicklung von ABS, dem Antiblockiersystem, aber es kann noch mehr. Hinzu kommen eine Antischlupfregelung, ein Bremsassistent und eine elektronische Bremskraftverteilung. Bei einem Neuwagen kann ESP deaktiviert werden – etwa, wenn es sich um einen Sportwagen handelt und ein Driften in den Kurven gewollt ist.
Die nächste Stufe zum autonomen Fahren auf der Straße hat als weltweit erstes Automobilunternehmen Mercedes-Benz mit Level drei erreicht – Kunden sollen noch in der ersten Jahreshälfte 2022 eine S-Klasse mit Drive Pilot auf geeigneten Autobahnabschnitten in Deutschland bis 60 km/h bei stockendem Verkehrsaufkommen hochautomatisiert fahren können – der Fahrer der neuen S-Klasse kann dann nebenbei E-Mails bearbeiten, wenn er selbst hinter dem Steuer sitzt. Die Bedienelemente dafür sitzen im Lenkradkranz oberhalb der Daumenmulden rechts und links.
Aktiviert der Fahrer die Funktion, regelt das System Geschwindigkeit und Abstand und führt das Fahrzeug souverän innerhalb der Spur. Streckenverlauf, auftretende Streckenereignisse und Verkehrszeichen werden ausgewertet und berücksichtigt. Das System reagiert auch auf unerwartet auftretende Verkehrssituationen und bewältigt diese eigenständig – etwa durch Ausweichmanöver innerhalb der Spur oder durch Bremsmanöver. Genutzt wird dafür die Umfeldsensorik sowie eine Kamera in der Heckscheibe und Mikrofone, insbesondere zum Erkennen von Blaulicht und anderen Sondersignalen von Einsatzfahrzeugen, sowie ein Nässesensor im Radkasten. Ergänzend dazu wird auf Informationen zur Straßengeometrie, zu Streckeneigenschaften, Verkehrszeichen sowie besonderen Verkehrsereignissen wie Baustellen zurückgegriffen. Darüber hinaus müssen redundante Lenk- und Bremssysteme sowie ein redundantes Bordnetz auch beim Ausfall eines dieser Systeme sicherstellen, dass der Fahrer jederzeit schnell auf manuelles Bedienen umstellen kann.
Ganz ohne Fahrer im Cockpit kommen inzwischen Cat Skw am anderen Ende der Welt aus, wenn Muldenkipper in den Minen von Australien ihre Runden drehen und Rohstoffe transportieren. Wie von Geisterhand suchen sich die schweren Baumaschinen auf fest definierten Routen und basierend auf einem vorgegebenen Ablaufplan ihren Weg durch die Lagerstätte. Sie können einer zugeordneten Spur durch ein sich ständig veränderndes Abbaugebiet folgen oder den besten Weg wählen, um die zugewiesenen Ladestellen anzusteuern, nehmen ihre Position für den Ladevorgang ein und fahren zum Abkippen zum Brecher, sobald die Mulde gefüllt ist. Geleitet werden sie von einem intelligenten Kontrollsystem. Dabei passieren sie andere Fahrzeuge, ohne diese zu tangieren, und gehen ihren Aufgaben nach. Dazu sind die Skw mit einem System der Naherkennung und Kollisionsvermeidung ausgestattet, um Gefahren sofort zu identifizieren und zu umgehen. Die autonom fahrenden Muldenkipper bremsen automatisch ab, sobald sich ihnen etwas Unerwartetes in den Weg stellt, weichen aus oder nehmen, wenn die Einsatzbedingungen es erlauben, die maximale Geschwindigkeit auf. FMG (Fortescue Metals Group) gilt hier als Vorreiter und war das erste Unternehmen der Welt, das bereits 2012 die autonome Technologie von Caterpillar im kommerziellen Maßstab einsetzte. Seitdem wurde die Flotte erweitert und 2021 konnte dann auch ein echter Meilenstein erreicht werden: Zwei Milliarden Tonnen wurden bislang damit transportiert. Damit wurde in weniger als zwei Jahren die Menge verdoppelt. Erreicht wurde dies durch den Einsatz von 193 autonomen Skw, die dabei über 70 Millionen Kilometer an Strecke zurückgelegt haben. Elizabeth Gaines, CEO von Fortescue, sagte zu dem Erfolg: „Der Transport von mehr als zwei Milliarden Tonnen Material ohne einen Fahrer am Steuer ist ein bedeutender Meilenstein und spiegelt Fortescues kontinuierliches Engagement zur Steigerung der betrieblichen Effizienz durch Technologie und Innovation wider.“ Zugleich hat sich auch die Sicherheit für die Mitarbeiter erheblich verbessert. Laut Unternehmensangaben ging die kontinuierliche Ausweitung der autonomen Technik nicht zulasten von Arbeitsplätzen – die Mitarbeiter konnten sich neuen Aufgaben zuwenden. „Wir konnten viele traditionelle Aufgaben vor Ort in unser integriertes Betriebszentrum in Perth verlagern, wobei insbesondere für Frauen mit Kindern die Möglichkeit entstand, in unserer Belegschaft zu bleiben. Heute sind fast 50 Prozent unserer Belegschaft im Fortescue Hive Frauen“, so Elizabeth Gaines. Die autonomen Maschinen müssen permanent in einem Kontrollzentrum überwacht werden und Daten müssen kontrolliert werden, um jederzeit korrigierend eingreifen zu können und um stets die volle Kontrolle über Schwergewichte mit weit über 230 Tonnen Nutzlast zu haben.
Eine weitere Option bietet Cat Command – und hier wären wir wieder bei James Bond und dem eingangs zitierten BMW, den er mit einem Handy steuerte. Caterpillar führte die Funktion zuerst für den Dozer D8T ein, der von einer tragbaren Steuerkonsole aus gelenkt wird, wenn ein Einsatz für den Fahrer an Bord zu gefährlich wäre. Die Betriebsbefehle werden über Funk direkt an die Elektronik der Maschine gesendet, was zu einer Echtzeit-Steuerung führt. Inzwischen können bedienergestützt Lade-, Planier- und Aushubarbeiten mit Cat Baumaschinen per Fernsteuerung erfolgen. Alternativ kann das auch von einem externen Bedienzentrum aus geschehen. Autonomes Fahren rückt in greifbare Nähe – das gilt für Pkw als auch für Baumaschinen. Sie gewinnen dadurch ein neues Maß an Sicherheit und Präzision in der Fortbewegung im Straßenverkehr sowie in der Genauigkeit bei Arbeiten auf der Baustelle. Doch selbst wenn sich deren Fahrer in Zukunft entspannt zurücklehnen können, bedingen autonome Systeme nach wie vor eine Interaktion zwischen Mensch und Fahrzeug beziehungsweise Mensch und Baumaschine, um jederzeit das Lenkrad oder die Joysticks in die Hand nehmen und korrigierend eingreifen zu können.
März/April 2022