Commercial Vehicle Technology 2024

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Alternative Propulsion Alternative Propulsion

   1. Frontmatter

   2. Potenziale und Herausforderungen wasserstoffbetriebener Baumaschinen

      Lukas Trommler, Frank Hänel, Frank Will

      Abstract

      Die Notwendigkeit für den Einsatz alternativer Antriebstechnologien beruht auf dem konstant hohen Niveau an CO₂-Emissionen, welche durch mobile Arbeitsmaschinen erzeugt werden. Getrieben durch die Abgasgesetzgebung für mobile Maschinen und Geräte der EU konnten die Stickoxid- und Partikelemissionen seit 1980 bis heute drastisch verringert werden. Dagegen konnten die CO₂-Emissionen bisher nicht nennenswert gesenkt werden. Am Beispiel des Forschungsvorhabens „Hydrogen2Hydraulics“ wird gezeigt, wie eine Baumaschine lokal emissionsfrei betrieben werden kann. Ziel ist die Entwicklung eines Powerpacks auf Wasserstoff-Brennstoffzellenbasis zum Erzeugen hydraulischer Leistung. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Wärme in elektrische Energie. Am Beispiel einer semistationären Betonpumpe mit einer Systemleistung von 50 kW wird gezeigt, dass eine konventionelle, mit Diesel betriebene Baumaschine nicht ohne Einschränkung auf Wasserstoff umgerüstet werden kann. Die wesentlichen Hindernisse hierfür sind die rund 10-fach geringere volumetrische Energiedichte von gasförmigem, komprimiertem Wasserstoff und das Kühlsystem, das zum Abführen der Wärmeenergie benötigt wird. Für die Auslegung und Bewertung von Maschinen gilt, dass die Umrüstung auf Wasserstofftechnik für jede Anwendung neu angepasst werden muss.

   3. Vergleich gemischansaugender und luftansaugender Biopropan-Diesel Dual-Fuel Brennverfahren

      Florian Müller, Michael Günthner

      Abstract

      Dual-Fuel-Brennverfahren ermöglichen die Verwendung von Biopropan in hochverdichtenden Dieselmotoren, was hohe Wirkungsgrade und eine Reduktion der Treibhausgasemissionen verspricht. In einem gemischansaugenden Dual-Fuel Brennverfahren (Premixed Charge Operation, PCO) wird Biopropan in die Luft der Ansaugstrecke eingebracht und das homogene Kraftstoff-Luft- Gemisch im Brennraum durch einen Diesel-Zündstrahl entflammt. In der vorgestellten Untersuchung wird PCO mit der Vormischung von Biopropan und Diesel vor der Hochdruckpumpe verglichen. Die Mischung wird anschließend (wie in konventionellen Dieselmotoren) direkt in den Brennraum eingespritzt. Dies wird als luftansaugendes Dual-Fuel-Brennverfahren (Premixed Fuel Operation, PFO) bezeichnet. Weiterhin werden die Einflüsse interner und externer Abgasrückführung (AGR) untersucht.

      Die Ergebnisse zeigen höhere Substitutionsraten (SR) von bis zu 75 % bei niedrigen Lasten für PCO, wohingegen PFO höhere SR (bis zu 50 %) bei mittleren und hohen Lasten zulässt. PFO zeigt niedrigere Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (THC, -98.3 %) und Kohlenstoffmonoxid (CO, -94.6 %) als PCO. Die Rußemissionen sinken in beiden Fällen. Die Kombination interner und externer AGR erlaubt eine Reduktion der Stickstoffoxid-Emissionen auf ähnliche Werte bei beiden Brennverfahren. Bei PCO zeigt die Zugabe von AGR außerdem Vorteile bei THC (-73.5 %) und CO (-62.9 %). Der effektive Wirkungsgrad kann um bis zu 8.6 % (absolut) gesteigert werden.

   4. Energy-efficient and Wear-optimized Operating Strategies for special and commercial vehicles with Fuel Cell Drives

      Thanuj Singaravelan, Martin Ufert

      Abstract

      Fuel Cell Hybrid Vehicles (FCHEVs) are vehicles with drivetrains consisting of both battery and fuel cell systems. The reason for including dual power sources can be attributed to the increased energy density demand of the vehicle. While batteries offer a high power density, they have substantially lower energy densities in comparison to fuel cell systems which lack high power densities. As a result, both systems naturally complement each other in the scope of high-power, high-energy demand applications.

      Promising fields of application for FCHEVs include heavy long-distance goods transport and special machinery, such as construction machinery with limited access to charging infrastructure or high requirements in terms of range, energy demand and operating times. To make fuel cell drives attractive for these applications, the operating costs must be kept as low as possible in addition to the investment for operators. Both efficiency-enhancing and wear-reducing measures for the components of the powertrain play an important role here throughout the entire operation of the system. To this end, modular, vehicle-based, platform-independent algorithms for controlling and predicting the wear of the fuel cell drive and the battery system is being developed, implemented, and tested.

      The focus of this paper is presenting a vehicle-based framework, consisting of surrogate models and the Energy Management Strategy (EMS) which determines the power split between the fuel cell and the battery in real-time. Two types of EMS are presented and are applied to a real-life test case corresponding to a commercial vehicle (bus). A third EMS is also proposed which acts as a hybrid between the latter two. The pros and cons of each of the EMS are discussed in the context of degradation, energy, power-split, and the fuel consumption.

   5. Practical and customer-oriented electrification of agricultural tractors

      Krutin Rajani, Dominik Reiter, Alex Overstreet

      Abstract

      Given the current energy situation and a strong push for electrifying the off-road machinery industry, John Deere intends to lead the electric journey in the agriculture machinery industry by contributing to the environmental goals to limit impacts of climate change. Electrifying agricultural machineries, however, come with its set of challenges related to the energy consumption by different customers. Agricultural tractors, specifically, are designed aimed at a wide range of customer and application profiles. Despite previous attempts to electrify tractors, the scope of such electrified tractors is mostly limited to a few niche applications with lower power demands. Understanding the customer and application needs is a key to designing electrified tractors of tomorrow. The path to electrification may not be as simple as replacing the available fuel-energy by electric energy. Based on customer and application requirements for different power-class of tractors, different innovative solutions are required to overcome the challenges a customer might face with such an electrified tractor. In the paper, these challenges are looked at by comparing different customer and application profiles.

3. Innovative Development and Production Methods

   1. Frontmatter

   2. Lasttragende Leichtbau-Wasserstofftanks zur optimalen Bauraumausnutzung im Nutzfahrzeug

      Nicole Motsch-Eichmann, Thomas Pfaff, Joachim Hausmann

      Kurzfassung

      Faserkunststoffverstärkte Druckbehälter mit Kunststoffliner zur Sicherstellung eines ausreichenden Widerstandes gegen H₂-Permeation (sog. Typ 4 Tanks) sind heutzutage Stand der Technik zur Wasserstoffspeicherung. Für die lasttragende Struktur des Behälters werden Kohlenstofffasern (C-Fasern) im Wickelverfahren auf den vorgeformten Liner aufgebracht. Gängige Wickelverfahren sind effizient und industrietauglich einsetzbar aber bezüglich geometrischer Freiheiten deutlich eingeschränkt. So ist es aufgrund des zwingend einzuhaltenden Wickelwinkels nicht ohne weiteres möglich rein axiale Faserlagen aufzubringen. Auch Behälter mit einem Durchmesser kleiner als ca. 200 mm sind in einem serienreifen Verfahren nicht herstellbar. Für die Nutzfahrzeugtechnik hat die Verwendung von rein axialer Faserverstärkung das Potenzial zur Nutzung des Druckbehälters zusätzlich als strukturelles Element (z.B. Ausleger, Holm). Genau hier setzt das vorgestellte Forschungsvorhaben an. In einem neuartigen Herstellverfahren werden zylindrische Druckbehälter mit rein axialen und in Umfangsrichtung aufgebrachten Fasern realisiert, die maximale Leichtbaugüte besitzen und ebenso sehr dünn im Durchmesser hergestellt werden können. Eine erste Designvariante konnte durch eine Undichtigkeit im Bereich der Überlappung von Liner zu Dombereich nicht den für einen Betriebsdruck von 700 bar benötigten Berstdruck von 1575 bar erreichen. Daher wurde das Design grundlegend überarbeitet, um eine höhere Vorspannung der Umfangslagen zu generieren und die Pressung zwischen Liner und Dombereich zu erhöhen. Dies wird über ein konisches Spannelement im Inneren realisiert. Zusätzlich erhöht ein O-Ring die Dichtigkeit. Erste Prototypen wurden gefertigt und einem Bersttest unterzogen. Dabei wurden Werte bis zu 1606 bar erreicht.

   3. Konstruktionsmethodische Synthese der additiven Fertigung und des Tailored-Fiber-Placements zur Lasteinleitung in FKV-Bauteile

      Tobias Rupp, Ali Al-Zuhairi, Roman Teutsch, Vinay Nagaraj, Thomas Pfaff, Nicole Motsch-Eichmann, Fabian Digel

      Kurzfassung

      Die additive Fertigung und das Tailored Fiber Placement (TFP) sind zwei Technologien die alleinstehend Leichtbaupotentiale bieten. Die additive Fertigung ermöglicht die direkte Generierung nahezu beliebig geformter dreidimensionaler Strukturen. Das TFP hingegen ist ein effektives zweidimensionales Verfahren zur Herstellung von maßgeschneiderten Preforms für Faser- Kunststoff-Verbunde (FKV). Beide Technologien weisen eine Gemeinsamkeit auf: sie bieten isoliert ein hohes Maß an geometrischer Freiheit. Diese Eigenschaft lässt die Hypothese zu, dass eine Hybridisierung der beiden Technologien einen erheblichen Mehrwert hinsichtlich des Leichtbaupotentials in bestimmten Anwendungsgebieten generieren kann. Synergetische, hybride Ansätze der beiden Technologien sind nicht ausreichend in der Literatur spezifiziert, wozu diese Arbeit ein Beitrag leisten soll.

      Das Ergebnis dieser konstruktiven Synthese ist eine hochleistungsfähige, hybride Lasteinleitungsstelle. Diese präsentiert sich als vielversprechendes Konzept zur Verbesserung der Lastübertragungseffizienz in FKV-Bauteile, welches die spezifischen Vorteile beider Fertigungstechnologien erfolgreich nutzt und kombiniert. Im Rahmen der Voruntersuchungen wurden u.a. bestimmte Strukturen der metallischen Oberflächen identifiziert, die sich als vorteilhaft für die Realisierung eines Hybridverbunds erwiesen. Zusätzlich wurden, basierend auf den prozessbedingten Randbedingungen, mehrere Konzeptionierungen abgeleitet und detailliert entwickelt. Neben der Beschreibung der Vorgehensweise und der Ergebnisse der Entwicklung werden im Beitrag allgemeine Handlungsempfehlungen für die konstruktive Synthese von Hybriden aus additiver Fertigung und TFP abgegeben. Diese systematische und umfassende Vorgehensweise ermöglicht nicht nur die Bestätigung der theoretisch postulierten Vorteile der Hybridverbundtechnik, sondern liefert zudem wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung des Fertigungsprozesses und schafft damit eine Grundlage zur weiteren Verbesserung der Bauteileigenschaften.

   4. Optimizing Metal-Composite Joints: 3D-Printed Inserts and Tailored Fiber Placement

      Vinay Nagaraj, Thomas Pfaff, Nicole Motsch-Eichmann, Joachim Hausmann, Tobias Rupp, Ali Al-Zuhairi, Roman Teutsch, Fabian Digel

      Abstract

      The production of Fiber Reinforced Plastics (FRP) has been extensively researched with the aim of achieving light weighting targets while also reducing process costs through efficient material usage. Combining modern and traditional manufacturing techniques and leveraging the advantages of their design freedom could be highly beneficial in achieving the aforementioned targets. This study examines the potential combination of metallic 3D printing and Tailored Fiber Placement (TFP) technology with the goal of developing a new manufacturing process for fiber-reinforced composites. The current research paper focuses on the simulation and testing of this established manufacturing process. The 3D printed metallic insert acts as a load introduction element and is surrounded by TFP preforms, which are optimized for load path. These inserts after assembled with the TFP preforms was infiltrated with resin and cured to produce the demonstrators and test specimen using Resin Transfer Molding (RTM) process. Static finite element simulations and Voxel-based 3D topology optimization were used to identify the load transfer path and derive the fiber placement path for TFP process for four simple load cases like tension, compression, bending and torsion. Topology optimization was also used to derive different insert designs. This paper focuses solely on simulation, optimization, and –final TFP pre-form production for tensile test specimen production. The effectiveness of various insert designs and fiber combinations will be rigorously evaluated through experimentation. The collected data will be analyzed, interpreted, and ultimately presented in a forthcoming publication.

   5. LKW-Sitz – Strategie für ein grünes Produkt

      Sreenivas Paruchuri, Martin Stuiber

      Kurzfassung

      Der rasante technische Fortschritt geht einher mit stetig wachsenden Anforderungen der Nutzfahrzeughersteller an die Zulieferbetriebe. Neue Fahrzeugkonzepte, Antriebsarten und der steigende Automatisierungsgrad liefern zusammen mit den sicherheitstechnischen Vorgaben die neuen Rahmenbedingungen für die Produktentwicklung. Ein aktuelles, wichtiges Fokusthema der Nutzfahrzeugindustrie ist die Nachhaltigkeit innerhalb der gesamten Wertschöpfungskette und der Einsatz von nachhaltigen Materialien wie Rezyklaten oder bio-basierten Werkstoffen. Nachhaltige Produktentwicklung ist ein wichtiger Teil der strategischen Initiative „Sustainable Company“ der Grammer AG. Das Ziel ist, kreislaufgerechte Alternativen anzubieten und einen Beitrag zum Klima-, Umweltund Ressourcenschutz zu leisten. Um die Produkte von Beginn an nachhaltig zu entwickeln, werden mehrere Ansätze kombiniert: Design für Kreislaufwirtschaft, Nutzung nachhaltiger und rezyklierter Materialien, Erhöhung der Materialeffizienz, Verlängerung der Produktlebenszeit und Leichtbaukonstruktion.

      In dieser Studie wird eindeutig gezeigt, dass während der Produktentstehungsphase die Materialien den größten Anteil an den CO₂e-Emissionen haben. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine Roadmap erstellt, mit dem Ziel einen neuen Sitz mit signifikanter Reduktion von CO₂e-Emissionen zu entwickeln. Im ersten Schritt konnte der Nutzfahrzeugsitz der nächsten Generation (Markteinführung in 2025) durch Einsatz von grüner Energie und Post-industrial (PIR) oder Post-consumer Rezyklaten (PCR) mit 25% geringeren CO₂e-Emissionen („Wiege bis Werkstor“ Betrachtung) realisiert werden. Darüber hinaus soll der CO₂e-Wert bis 2030 durch Einsatz von nachhaltigen Stählen und Verringerung des Materialeinsatzes um weitere 25% reduziert werden. Im Rahmen dieser Entwicklung wurden zusätzlich verschiedene Material- und prozesstechnische Leichtbaustrategien untersucht. Die Gewichtsreduktion hat größeren Einfluss in der Fahrzeugnutzungsphase durch die Reduktion des Kraftstoffverbrauches. Somit wird auch ein Beitrag zur Reduktion der Treibhausgas-Emissionen geleistet.

   6. Functional Safety in the Development Process of Mobile Cranes

      Florian Schneider, Christian Fuhrmeister

      Abstract

      Functional safety is a crucial requirement when developing new products containing mechatronic control functions. Due to the technical and commercial characteristics of the business, the mobile crane industry has to face certain challenges to achieve compliance with functional safety standards and to gain process-confidence in the development of complex control functions. The present study analyzes the Tadano product development process and shows two case studies on the development of characteristic systems within the vehicle and crane part of a mobile crane. Based on the results of process analysis and case studies, measures for an adaption of the current development process are proposed.

4. Assisted and Automated Driving and Working

   1. Frontmatter

   2. Fahrerassistenzsysteme und Teleoperation: Technische Lösungen als Antwort auf Marktanforderungen

      Ferdinand Hofmann, Patrick Gögler, Manuel Jung

      Abstract

      Die Liebherr-Hydraulikbagger GmbH kann mittlerweile auf mehr als 70 Jahre Erfahrung in der Konstruktion und Produktion von Baumaschinen zurückblicken. Lag in den Anfangsjahren der Schwerpunkt noch auf der Entwicklung reiner Einzelmaschinen, so sind vor allem im Laufe des letzten Jahrzehnts Maschinensysteme und Maschinenverbunde immer mehr in den Fokus gerückt. Der Treiber hierzu war ein zunehmendes Prozessverständnis, welches die notwendigen Arbeiten nicht mehr ausschließlich nur als ein reines Aneinanderreihen unabhängiger Tätigkeiten definiert, sondern als zusammenhängende Prozesskette. Diese Prozessketten werden in der Bauindustrie dabei zunehmend digitalisiert.

      Die Betreiber von Baumaschinen müssen sich hierbei mehreren Anforderungen entgegenstellen, diese sind beispielsweise steigende Sicherheitsanforderungen und geforderte, geringere Produktionskosten. Da gleichzeitig die Funktionsumfänge und die Komplexität der Baumaschinen kontinuierlich steigen, werden gut ausgebildete und erfahrene Maschinenbediener benötigt, um das Potential der Baumaschinen vollständig ausschöpfen zu können. Dem gegenüber steht der anhaltende Fachkräftemangel, der auch für die Baubranche eine große Herausforderung darstellt.

      Dieser Beitrag zeigt konkrete Lösungsansätze auf, die von der Liebherr-Hydraulikbagger GmbH vorangetrieben werden, um den Marktanforderungen gerecht zu werden. Liebherr setzt hierzu auf die konsequente Entwicklung und Integration von entsprechenden Fahrerassistenz- und Teleoperationssystemen. Neben der tiefen Integration der Baumaschinen in die Bauprozesse, bieten diese Systeme weiterhin eine Antwort auf den anhaltenden Fachkräftemangel der Baubranche.

   3. Full Virtual Workflow to support Automation & Autonomy Applications for Commercial Vehicles including AI

      Frederick Eichhorn, Michael Hoeh, Amey Gumaste, Mandar Vaidya

      Abstract

      For supporting the development of guidance, automation and up to autonomous systems in agriculture, both based on classical image processing methods and on AI, a robust and extendable simulation system is highly beneficial. In this paper we present a general workflow for appending an existing framework based on a common game engine by implementing new assets, virtual environments according to the required scenarios and additional tooling and software support for providing simulation capabilities in the respective application development areas. We execute this process in order to create synthetic data for training of AI for crop row detection, developing assets for the John Deere 612R self-driving sprayer as well as numerous assets of corn crops in multiple stages of growth. We show that, among other benefits for the business, this process is effective in improving performance of a crop row detection algorithm.

5. Simulation Methods

   1. Frontmatter

   2. AI-Based Surrogate Modeling for Highly Efficient Soil-Tool Simulation

      Sebastian Emmerich, Urs Baumgart, Simon Beckmann, Stefan Steidel, Michael Burger

      Abstract

      The Discrete Element Method (DEM) is broadly used for soil modeling, especially if a realistic prediction of interaction forces with solid materials, i.e. tools is required. While recent enhancements of computing power allow for faster computing times in many fields, DEM-based calculations are still far from real-time, typically by a factor of 100 or more. This is a bottle neck within the design and development processes of agricultural and construction machinery, which are relying on the interaction forces with soils. Finding a decent surrogate model, combining higher computing speeds without loosing accuracy in the prediction of soil-tool interaction forces, would be highly beneficial. Here, we discuss an approach based on recurrent neural networks with the potential of combining real-time capability with accurate soil-tool interaction force prediction.

   3. Efficient HiL-Testing for Electric Heavy-Duty Drivetrains using Model-Based Systems Engineering

      Manuel Mennicken, Georg Jacobs, Patrick Jagla, Jonas Odenthal, Gregor Hoepfner

      Abstract

      To reduce CO₂ emissions, it is essential to develop innovative vehicle drivetrain concepts. These concepts involve multiple domains, such as mechanics, electronics, hydraulics, and alternative fuels, and present complex interdisciplinary challenges. Product testing is necessary to validate that these new concepts meet functional requirements and fulfill their intended purpose. Although virtual testing through simulation models offers cost-effective solutions, physical testing remains essential for validating real physical behavior. To combine the advantages of virtual and physical testing, Hardware-in-the-Loop (HiL) is an established method for testing physical test subjects in a virtual environment. For HiL-Testing, HiL-Models are required to simulate the behavior of components that are not included in the hardware on the test bench and the environment. The process of creating HiL-Models is complex and mostly done manual due to the individual test cases. This requires a high amount of effort and is error-prone, especially for complex systems. This paper introduces how Model- Based Systems Engineering (MBSE) and its advantages in model organization and system architecture modeling can support the HiL-Model generation process. The paper proposes a MBSE-based approach to semi-automatically generate HiL-Models while considering the requirements of real-time capability and test bench compatibility.

   4. Effiziente Entwicklungsprozesse für optimale Nutzfahrzeug-Antriebslösungen durch den durchgängigen Einsatz skalierbarer Simulationsmodelle

      Morten Scherpelz, Christian Baumann, Matthias Horn, Johannes Glückler

      Kurzfassung

      Automobilzulieferer agieren aktuell in einem Spannungsfeld aus immer komplexeren Systemanforderungen und sich gleichzeitig verkürzenden Entwicklungszyklen. In diesem Kontext müssen sie nachweislich und systematisch bestmögliche Lösungsvorschläge anbieten. Daher hat sich nicht nur bei ZF der Einsatz virtueller Simulationsmethoden und digitaler Zwillinge etabliert. Diese tragen dazu bei, frühzeitig und schnell Produkteigenschaften mit einem Minimum an physischen Prototypen und Grundlagenversuchen verlässlich vorherzusagen

      Die Autoren dieses Beitrags präsentieren, wie eine bei ZF aufgebaute standardisierte Simulationslandschaft dazu beiträgt, den Entwicklungsaufwand zu reduzieren und die Entwicklungsgeschwindigkeit zu steigern. Sie zeigen am Beispiel der Entwicklung einer modularen elektrischen Antriebsplattform, welche Anforderungen während des Entwicklungsprozesses an die Simulationsumgebung und deren Modelle gestellt werden und welcher Wandel im Laufe der Entwicklung stattfindet. Zusätzlich erörtern sie, wie sich durch eine intelligente Wahl der einzelnen Modellgrenzen deren Wiederverwendbarkeit maximieren lässt. Sie zeigen, welche numerischen Herausforderungen bei der Kopplung und Co-Simulation von Simulationsmodellen auftreten und wie diese unter Berücksichtigung von Simulationsdauer und -genauigkeit beeinflusst werden können. Abschließend geben die Autoren einen Ausblick auf zukünftige Erweiterungsfelder und Anwendungsmöglichkeiten der geschaffenen Simulationslandschaft.

   5. Cloud-Based Identification of Dynamic Trailer States

      Michael Burger, Vicky Holfeld, Stefan Steidel, Riccardo Bartolozzi, Riccardo Möller, André Brand, Simon Weßel, Jan-Philipp Kobler

      Abstract

      A current trend in the commercial vehicle industry are autonomous trucks and tractor-semitrailers which will lead to an increasing automation of functions and autonomous transport processes in the future. In this contribution, we present the IdenT system concept, which has been developed for tractor-semitrailers within the research project of the same name, consisting of an intelligent trailer sensor network, a cloud-based data platform and methods for on- and offline data processing. In this work, we focus on the offline process, by presenting its architecture and main functions. As fundamental elements of the offline process, the digital twin of the trailer, i.e., a detailed multi-body model with current inputs and parameters acquired via the system’s online setup, and the methodology to identify the road profile are presented in detail. We show and discuss results of the offline process for some demonstration cases that illustrate how the simulation of the trailer digital twin with identified road profiles can provide a valuable identification of the trailer’s real system dynamics. Moreover, some expected limits of the approach and results of some representative signals are discussed for the demonstration cases.

   6. Workflows für die virtuelle Absicherung von autonomen Nutzfahrzeugen in der Cloud

      Sami Bilgic Istoc

      Abstract

      Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrfunktionen gewinnen im Nutzfahrzeugbereich zunehmend an Bedeutung. Autonome Fahrfunktionen erfordern jedoch aufgrund der Vielzahl der zu berücksichtigenden Parameter eine große Anzahl an Testkilometern und -szenarien. Daher können die entsprechenden Funktionen nicht ausschließlich im realen Fahrversuch getestet und validiert werden. Da Sicherheitsnachweise nur in der Kombination von Simulation und realem Fahrversuch nachvollziehbar und reproduzierbar erbracht werden können, ist die virtuelle Fahrzeugentwicklung als Basis für die Entwicklung und Absicherung autonomer Fahrfunktionen alternativlos.

      Neben der zentralen Verwaltung von Szenarien und Simulationsmodellen ermöglicht es die Durchführung der Simulation in der Cloud, Millionen von Testkilometern für autonome Fahrfunktionen über Nacht zu absolvieren und abzusichern. Darüber hinaus wird eine Nachvollziehbarkeit sämtlicher Simulationsergebnisse erreicht.

      In diesem Beitrag wird am Beispiel einer speziell für diesen Zweck entwickelten Tool-Suite aufgezeigt, wie eine entsprechende virtuelle Entwicklungsumgebung aufgebaut sein muss, um den Testdurchsatz automatisiert deutlich zu erhöhen und kritische Szenarien gezielt im virtuellen Fahrversuch testen zu können. Diese Vorgehensweise verkürzt unter anderem die Release-Zyklen und beschleunigt die Entwicklung. Insbesondere im Zusammenspiel mit agilen Softwareentwicklungsmethoden bildet die virtuelle Fahrzeugentwicklung somit eine optimale Basis, um den Anforderungen an die Entwicklung autonomer Fahrfunktionen gerecht zu werden.

6. Connected and Integrated Systems and Services

   1. Frontmatter

   2. Prediction of energy consumption in road transport by simulation of the vehicle’s field of application and its performance

      Christine Biedinger, Hannes Christiansen, Thorsten Dahlheimer, Thomas Halfmann, Michael Speckert, Björn Wagner

      Abstract

      This paper describes work done at Fraunhofer ITWM as part of the project LIFE Ecotravid, partially funded by the European Union (LIFE18 CCM/FR/001095), to reduce the energy needed during execution of heavy-duty road transport tasks. We mostly consider Diesel-driven trucks, which will be running for still some time. However, the approach also applies to vehicles with alternative drivetrains. We analyze real transport missions with respect to energy saving potentials by replacing the actual routes with consumption-optimized routes. The latter are found by a simulation-based two-step procedure, where we use road and vehicle properties in detailed speed and consumption simulations. We apply the method to real transport tasks and report the saving potentials found by simulation and those verified by real measurements. In its main part, the paper transfers the approach to other applications, namely hub-to-hub and hub-to-supermarket delivery as well as fuel distribution in a wider region. We simulate the corresponding routes by carefully modelling the missions for the three scenarios. Further, we describe how the approach might be extended towards E-mobility. A case study of an electrified axle in a trailer with a cooling unit (CU) is considered and the saving potential of empowering the CU with recuperated electric energy instead of Diesel is explored.

   3. Vehicle activity recognition using machine data

      Michael Burger, Jochen Fiedler, Martin Jansen, Jessica Kickertz, Veit Kleeberg, Alina Philippi

      Abstract

      Modern vehicles are recording a lot of information about their dynamical states, and, often, vehicles are also equipped with telematics systems that communicate and administrate this information on a cloud infrastructure. In the area of commercial vehicles in particular, the usage variability is typically very high – possible applications and usage scenarios of such machines are manifold and often depend on special customer groups and their markets and regions of use. Thus, for the vehicle development process, it is of special interest to obtain precise knowledge and information about the actual use of a vehicle or machine, e.g., in order to define specifically tailored design targets and testing requirements. Moreover, information about what the vehicle is currently doing, i.e., its activity can be used online, on-board on the vehicle, e.g., for condition monitoring and predictive maintenance systems. In this contribution, we propose a data-driven vehicle activity recognition algorithm based on machine learning methods, that identifies the type of use (e.g., digging in the case of an excavator) with the help of machine or vehicle state information. We propose a multi-step procedure to derive the vehicle’s activity and apply our approach to a wheel-based excavator.

   4. The (important) Role of Digital Twins and AI Methods within Predictive Maintenance Strategies

      Moritz Baur, Roman Teutsch

      Abstract

      The future of mobile working machines will see increasing number of assistance systems while it gets more and more difficult to engage skilled machine operators able to check on the condition of machines. So, the need for machines monitoring their current state and deciding on necessary maintenance will increase. This contribution seeks to add a new approach in the field of Predictive Maintenance (PM) strategies working with the example of checking the clearance state of friction bearing joints on excavators. A great challenge in using Machine Learning (ML) for that purpose is to have enough meaningful data. The data islands problem often prevents solutions to be derived by not having enough data of certain use cases.

      By the use of Convolutional Neural Network Auto Encoders, it is possible to deal with the problem of data islands so that enough data of the bearing joint states can be generated using the signals of Inertial Measurement Units as input. In this contribution the monitoring of the clearance of the main friction bearing of the tip of an excavator was chosen as use case with different sensor positions to be investigated. The clearance state can be estimated generally well with the best results obtained when the sensor is placed in near environment of the bearing.

      In future works the technique is intended to be used on more use cases like transferring failure signals between derivatives of machines so that learning from failure is enabled within a fleet of machines.

7. Safety, Reliability and Durability

   1. Frontmatter

   2. Tree-SLAM: Localization and Mapping in Dense Forest Environments for Autonomous Vehicles

      Christian Heupel, Patrick Wolf, Karsten Berns

      Abstract

      Automating forestry tasks with intelligent mobile machines requires high-quality localization, which is impossible in dense forests with conventional methods. Accordingly, this paper presents a robust SLAM system tailored for dense forests to provide more accurate and precise localization by exploiting information about the geometric relationship between tree trunk positions. The system consists of three sub-systems: A local tree probability map acts as a short-term memory; a global tree map describes all previously detected trees and the vehicle trajectory using a graphical model; a maps connector that periodically matches geometric triangle features. The developed concept is implemented and evaluated using a simulated model of the Unimog 5023 driving through a forest environment. The system successfully increases localization accuracy and is capable of handling errors.

   3. Utilizing sensory uncertainty detection for robot health monitoring and performing active perception adaptation

      Patrick Wolf, Karsten Berns

      Abstract

      Disturbances, uncertainties, and unconsidered environmental conditions impact the perception of autonomous off-road robots. Such conditions lead to a decrease in availability, cause a decline in safety, and reduce planning efficiency. Perception design has a significant impact on the severity of such occurrences. Active perception and systematic quality assessment allow for detecting malfunctioning sensors and sensory disturbances and responding to them. This contribution presents a behavior-based approach to recognize quality issues in data and react to them by adjusting perception and the robot’s degrees of freedom. Trials with the off-road capable truck Unimog U5023 demonstrate the approach’s performance. The robot operates within a forest under frequently changing illumination conditions and controls the exposure of the stereo cameras to increase the availability and reliability of its collision avoidance.

   4. Dynamic Risk Assessment for Automated Driving System using Artificial Neural Network

      Anil Ranjitbhai Patel, Sanjaykumar Gorasiya, Peter Liggesmeyer

      Abstract

      This paper introduces an approach for Dynamic Risk Assessment (DRA) for Automated Driving System (ADS) using an Artificial Neural Network (ANN) model. With the increasing complexity and intelligence of ADS, traditional risk assessment methods, which are adequate for human-driven vehicles, fall short in addressing the dynamic and evolving operational environment of ADS. Our proposed approach leverages the ANN model, a deep learning technique, to analyze riskspecific context information. This analysis enables the identification and classification of severity and controllability ratings, vital for continuous risk assessment for ADS. ANN models have demonstrated significant success in various real-world ADS applications, particularly due to their ability to efficiently process and recognize patterns within large, complex datasets. By applying ANNs to risk-specific context information, our approach provides an accurate and objective runtime assessment of risk levels, thereby enhancing the situational awareness of ADS. This enhancement enables ADS to more effectively predict and assess risks that could lead to accidents. This capability marks a step forward, overcoming the limitations of traditional risk assessment methods.

   5. Extended Language Server Support for Robotics Frameworks

      David Klaaßen, Dennis Meckel, Karsten Berns

      Abstract

      Autonomous commercial vehicles like self-driving trucks operate in challenging and changing environments with the potential of independently acting agents. Therefore, the integrated hardware systems and control software are inherently complex, consisting of thousands of concurrently running components. This inherent complexity is tackled using frameworks, design patterns, and higher-level languages. To improve the implementation workflow, this paper proposes to extend integrated development environments with the capability of diagnosing framework-specific issues and providing automatic remedies. These automatic diagnostics and remedies can improve safety through precompilation checks, correct usage of components, development speed, enforcing guidelines, and automating repetitive implementation tasks. The technology providing these features is also used to extract frameworkspecific model information for code generation and software discovery. To demonstrate this proposal, the language server clangd was extended with the features mentioned above for the robotics framework finroc. This hypothesis was validated with a lab study. The participants were tasked with inspecting and improving a provided example project with common errors, performance issues, incomplete implementations, and error-prone serialization tasks. All participants completed the implementation and fixed faults in a much shorter time with the proposed framework-specific approach.

8. Backmatter