Hannover Messe 2023: Auf dem Weg zur smarten Produktion: Wie zuverlässig treibt 5G-Technologie die industrielle Automatisierung voran?

Der neue 5G-Funkstandard soll mittels Echtzeitkommunikation die Digitalisierung vorantreiben. Doch wie zuverlässig und stabil ist die Technologie in konkreten Anwendungsfällen rund um das Automatisieren der industriellen Produktion und Precision Farming? Hierzu forscht Professor Dr. Hans Schotten, Leiter des Forschungsvorhabens „5G Kaiserslautern“ und des Lehrstuhls für Funkkommunikation und Navigation an der RPTU Kaiserslautern-Landau. Auf der Hannover Messe geben er und seine Arbeitsgruppe vom 17. Mai bis 21. April am Stand von „5G Kaiserslautern“ (Halle 14, Stand H06/02) Einblicke in zwei Projekte: (Teil-)autonome Roboter für die Intralogistik und die Landwirtschaft.

Zunehmender Fachkräftemangel und der Wunsch, langfristig Kosten einzusparen, sind die zentralen Treiber, die Digitalisierung und Automatisierung der industriellen Produktion beschleunigen. Um flexible Lösungen realisieren zu können, ist eine drahtlose Kommunikation in Echtzeit notwendig, wie sie der Mobilfunkstandard 5G verspricht. Nur so können große Datenmengen und sicherheitsrelevante Informationen schnell hin und her fließen und Prozessschritte im erforderlichen Takt ablaufen.

Ob 5G-basierte Lösungen dieses Versprechen einlösen, erforscht das Team von Professor Schotten an der RPTU anhand von konkreten Anwendungsszenarien. Die zwei folgenden Teilprojekte präsentierten die Forschenden bei der Hannover Messe:

Transport per Roboter

Ein Erprobungsobjekt sind Intralogistik-Roboter, die den Warentransport auf einem Gelände, beispielsweise einem Firmen- oder Universitätsgelände, automatisieren sollen. Die Forschenden haben hierzu an der RPTU zwei Fahrzeugtypen (bis 75 kg Zuladung und bis 10 kg Zuladung) im Einsatz. Die Lieferaufträge lassen sich automatisch erstellen oder per Knopfdruck in einem Leitstand auslösen. Ist der Auftrag gestartet, fährt der Roboter (teil-)autonom den Übergabepunkt an, nimmt die Lieferung auf und bringt diese an den Zielpunkt. Auf einer Monitorwand der Leitstelle lässt sich die gesamte Fahrzeugflotte verfolgen. Neben den Kamerabildern sind dort auch sämtliche Sensordaten, Angaben zur Fahrzeit, dem aktuellen Standort und dem Paketinhalt einsehbar. Das funktioniert nur mit den hohen Datenraten der 5G-Technologie, denn jeder einzelne Roboter benötigt eine hohe Upload-Bandbreite. Etwaige Probleme oder unbekannte Situationen meldet er an die Leitstelle, von wo aus ein Bediener die Steuerung per 5G-Netz übernimmt – denn aktuell ist komplett autonomes Fahren in anspruchsvoller realer Umgebung noch nicht möglich.  

In weiteren Ausbauschritten bzw. sobald bevorstehende Releases die Leistung der 5G- Mobilfunknetze weiter erhöhen, sollen immer mehr Rechenressourcen vom Roboter in eine Edge Cloud ausgelagert werden, um die Komplexität der Fahrzeuge, deren Gewicht und Energieverbrauch zu reduzieren. Letztlich könnte dies (teil-)autonome Transportfahrzeuge interessanter für Industriekunden machen, da somit ebenso der Anschaffungspreis sinkt und längere Betriebslaufzeiten möglich sind.

Punktegenaue Pflanzenschutzmaßnahmen

Auch die Landwirtschaft bietet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für schnelle Mobilfunkkommunikation – Stichwort Precision Farming oder Präzisionslandwirtschaft. Zum Beispiel, wenn es darum geht, Ressourcen effizient zu nutzen und die Umwelt zu schonen. So sollen künftig beispielsweise keine flächendeckenden Verfahren mehr bei Düngung, Pflanzenschutz oder Bewässerung zum Einsatz kommen, sondern vielmehr hochgenaue, punktuelle Methoden.

Im Rahmen von 5G-Kaiserslautern haben die Forschenden ein autonomes System im Einsatz, das Unkraut (Ampfer) mit Hilfe von Drohnen lokalisiert und anschließend mit einer minimalen Menge an Pflanzenschutzmittel autonom durch einen Feldroboter bekämpft. Die Drohne liefert eingangs Bilder der zur bearbeitenden Fläche an eine Edge Cloud, wo die Position der Unkräuter ermittelt wird. Durch diese Auslagerung wird Energie und Gewicht auf der Drohne eingespart und somit die Laufzeit massiv erhöht. Die verarbeiteten Daten nutzt der Feldroboter nachfolgend für seine Arbeit. Er fährt eigenständig den effizientesten weg auf dem Feld zwischen den erkannten Unkrautpositionen und erfasst dabei das Unkraut zusätzlich per Kamera, um das an Bord mitgeführte Pflanzenschutzmittel punktgenau zu applizieren. Dann schaltet er die Düsen am Spritzbalken ein, der vorne montiert und mit dem Tank verbunden ist. Er ist ebenso mit dem zentralen Leitstand verbunden, was im Falle eines Problems oder einer unbekannten Situation den Fernzugriff ermöglicht. Da im ländlichen Raum die oft noch lückenhafte Netzabdeckung eine Herausforderung darstellt, kommt bei dieser Anwendung ein mobiles 5G-Netz zum Einsatz.

Auch bei diesem Teilprojekt erhofft sich das Forschungsteam, dass bevorstehende 5G-Releases mehr Potenzial freisetzen und sich damit die Machbarkeit der Anwendung endgültig unter Beweis stellen lässt. „Aktuell ist die gewünschte Echtzeitkommunikation noch nicht erreicht“, sagt Schotten. „Wir erwarten von angekündigten Upgrades unter anderem eine große Reduktion der Latenzzeit, die Verzögerungen bei der Datenübertragung minimiert“, sagt Schotten.

Pressekontakte
Prof. Dr.-Ing. Hans Schotten
Lehrstuhl für Funkkommunikation und Navigation
E-Mail: schotten(at)rptu.de
Tel.: 0631 205-3595

Christian Schellenberger
Lehrstuhl für Funkkommunikation und Navigation
E-Mail: christian.schellenberger(at)rptu.de
Tel.: 0631 205-5523