Die Zukunft der mobilen Robotik Mehr Power und Konnektivität für AGV und AGR

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MicroSys Electronics GmbH

FAULHABER SA

AGV- und AGR-Systeme automatisieren Transportprozesse effizient und sicher. Ihre Implementierung erfordert integrierte, zertifizierbare Hard- und Softwarelösungen. Um das Entwickeln zu vereinfachen, bieten Hersteller wie NXP und Microsys Electronics dafür passende Plattformen und Tools an.

Moderne Robotik-Applikationen wie Automated Guided Vehicles (AGV) sowie Autonomous Mobile Robots (AGR) sorgen besonders in der Industrie, 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 Routen mit Hilfe von Routen und Spuren folgen, stützen sich AMRs vollständig auf bordeigene Sensoren, Echtzeitverarbeitung und KI, um ihre Umge-bung zu interpretieren und autonome Entscheidungen zu treffen.

Automatisierter Materialfluss

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AGV und AGR zeichnen sich durch intelligente Navigations- und Lokalisierungsfunktionen sowie mo-derne Sensorfusion und einer High-Speed-Kommunikation der Komponenten aus. Um diese Anfor-derungen zu erfüllen, benötigen moderne AGVs/AGRs verschiedene Komponenten wie dedizierte Computing Cores, Global Navigation Satellite System (GNSS)-Module sowie fortschrittliche Netz-werkschnittstellen. Aufgrund dessen reichen herkömmliche Computing-Strukturen nicht mehr aus. Edge-Prozessoren verarbeiten Daten für Bildverarbeitungssysteme, Bewegungssteuerungen und andere lokale Berechnungen. Deren Integration ist jedoch aufwendig und führt oftmals zu kompli-zierten Hardware- und Software-Architekturen.

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Herausforderungen der Integration von AGV und AGR

Gerade das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten wie Sensoren für die Wahrnehmung, Bildsensoren, Lidar oder Radar ist wichtig, um eine sichere Bewegung und Navigation von AGVs/AGRs zu gewährleisten. Entscheidend ist dabei eine minimale Latenz beim Übertragen der Daten. Um diese zu erreichen, braucht es ein optimales Zusammenspiel aus Hardware, Software sowie Middleware. Hierfür stellen Hersteller wie Microsys Electronics zukunftsfähige Hardware-Komponenten wie System-on-Modules (SoMs), Betriebssysteme sowie Frameworks für die Echtzeitsteuerung bereit.

Low-Cost-Robotik

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Komplexität des Designs reduzieren

Vorgefertigte SoMs vereinfachen die Komplexität des Designs, indem sie die wichtigsten Komponenten bereits applikationsfertig auf dem Modul bereitstellen. Ein Modul, welches optimal die Anforderungen an AGV/AGR-Systeme erfüllt, ist das miriac MPX-S32G399A von Microsys. Applikationen, die bislang auf dem Vorgängermodell miriac MPX-S32G274A basierten, können ab sofort auf das neue Modul hochskaliert werden und von der gesteigerten CPU-Leistung profitieren. Beide Module sind in den kompakten Massen 82 mm x 50 mm ausgeführt, was den einfachen Austausch ermöglicht.

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. Über den SBC profitieren Entwickler von vorintegrierter Software sowie umfassen-den Design-In-Services. Eine maximale Konnektivität der Applikation gewährleisten die fortschrittlichen Schnittstellen der CPU, die über den SBC nach aussen geführt sind.

Um externe Peripherie wie Bild-, Lidar- oder Radar-Sensoren – wie sie in AGV/AGR 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 einset-zen. Es basiert auf der NXP S32Z2 CPU, die herausragende Echtzeitfähigkeiten bereitstellt. Hierfür müssen Entwickler lediglich ein zweites Carrierboard einsetzen, welches den Single-Board-Computer MPX-S32Z2 mit dem SBC MPX-S32G399A kombiniert und erweitert.

Neue Technologien in der Praxis

Die automatisierte Fabrik: eine neue Ära der Fertigung

Hocheffiziente Echtzeit-CPU

Das SoM miriac MPX-S32G399A basiert auf dem Prozessor S32G399A von NXP, der ASIL-D-Sicherheit mit einer hochleistungsfähigen Echtzeit- und Anwendungsverarbeitung und einer umfas-senden Netzwerkbeschleunigung kombiniert. Die S32G3 CPU erfüllt die Anforderungen moderner Fahrzeugarchitekturen wie serviceorientierte Gateways, Fahrzeugcomputer, Domain Controller, zo-nale 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 Echtzeit-Applikationen. 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 embedded Multimedia Card (eMMC)-Speicher unterstützt. Die integrierte Hardware Security Engine (HSE) bietet sichere Bootfunktionen, die Low Latency Communication Engine (LLCE) beschleunigt zudem das Verarbeiten 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 deutlich erhöht. Für eine erhöhte Echtzeitleistung lassen sich über den integrierten M.2-Konnektor zudem KI-Beschleuniger integrieren, beispielsweise den Hailo-8 KI-Prozessor, für ein noch schnelleres Verarbei-ten der Daten sowie eine umfassende Sensorfusion.

Modul erfüllt höchste Konnektivitätsansprüche

Um moderne Kommunikationsanforderungen für AGV/AGR zu erfüllen, bietet der SBC umfangreiche Ethernet-Schnittstellen, einige davon mit Support für Time-Sensitive Networking (TSN), darunter:

• 1x 1GbE

• 1x 1000BASE-T1

• 1x 100 Mb

• 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 umfas-senden Schnittstellensupport des Herstellers. Das Modul hält rauen Umgebungsbedingungen von 0 bis +70 °C – im erweiterten Temperaturbereich sogar -40 bis +85 °C – stand und reduziert die Risiken der Anwendungsentwicklung deutlich. Aufgrund der Modularität verkürzt sich die Time-to-Market, womit Entwickler Zeit und Kosten sparen. Weiterhin können sie aufgrund der integrierten Security-Funktionen die Compliance- und Sicherheitsvorgaben der jeweiligen Branche einhalten.

Für einen schnellen Start der Applikationsentwicklung bietet Microsys neben dem SoM ein umfas-sendes Entwicklungskit mit Zubehör wie Stromversorgung oder Heat Sink an. Es vereinfacht und beschleunigt das Evaluieren und Integrieren des SoM und eignet sich sehr gut zum Entwickeln von Prototypen. Zudem erhalten Entwickler mit dem Entwicklungskit umfassenden Support wie Doku-mentation, Referenzdesigns sowie Software Tools für eine schnelle Integration.

Vorteile im Vergleich mit SMARC

Im Vergleich zu einem offenen Computer-on-Module-Standard wie SMARC kann Microsys mit sei-nem proprietären Standard die Performance der NXP CPU optimal ausnutzen. So lassen sich mit SMARC nicht alle Anschlüsse der CPU nach aussen führen, da lediglich bestimmte Anschlüsse über das Pinout des Standards qualifiziert und umgesetzt sind.

Das Microsys-SoM führt hingegen alle wichtigen Anschlüsse nach aussen, zum Beispiel alle Ethernet- und CAN-Ports. Hiermit kann Microsys eine skalierbare Anzahl der Schnittstellen bereitstellen und ermöglicht eine maximale CPU-Leistung am Konnektor sowie ein optionales Überwachen der CPU durch den Supervisor.

FTS mit eigens entwickelter Steuerungssoftware

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Software-Integration durch Experten

Neben der Hardware spielt die richtige Software eine entscheidende Rolle für AGV/AGRs. Diese muss dabei verschiedene Funktionen erfüllen, unter anderem für:

• Navigation

• Objekterkennung

• Routenplanung

• Energieverwaltung

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, zum Beispiel für Bare-metal- oder QNX-Programmierung.

Eine umfassende Software-Integration ermöglicht AGV/AGR einen nahtlosen, sicheren und effizienten Betrieb, da alle Sensoren, Steuerungen und Kommunikationsschnittstellen optimal zusammenspielen. Sie erhöht die Skalierbarkeit, erleichtert Updates und erlaubt ein schnelles Anpassen an neue Prozesse oder Umgebungen.

Mehr Effizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit mit AGV und AGR

AGVs und AGRs kommen immer häufiger zum Einsatz, da sie die Effizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit in Industrie, Logistik und Transportwesen deutlich steigern. Das Entwickeln dieser Systeme bringt jedoch Herausforderungen wie eine starke Echtzeitverarbeitung, hohe Sicherheits-Zertifizierungen und eine komplexe Softwareintegration mit sich.

Hersteller wie NXP und Microsys unterstützen Entwickler mit vorvalidierter Hardware, umfassen-den Sicherheitsfunktionen und optionaler Middleware, wodurch sich der Entwicklungsaufwand und die Risiken deutlich reduzieren. Mit einer umfassenden Softwareintegration profitieren AGV/AGR von einer höheren Skalierbarkeit, einer besseren Datenverfügbarkeit und einem sicheren, automatisierten Betrieb.

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