Motivation

In Zukunft vollzieht die europäische Rohstoffindustrie aus Gründen der Ressourcen- und Umweltschonung einen zunehmenden Wandel vom Tagebaubetrieb zum untertägigen Bergbau. Um die Wirtschaftlichkeitsgrenze zu reduzieren, ist der Mischbetrieb, sprich ein unter- und übertägiger Abbau in hybrider Form, eine Betriebsweise ohne hemmende Großinvestitionen. Zur Erhöhung der Produktivität, Zuverlässigkeit und Sicherheit in einem hybriden Bergbauprozess, sollen autonome Transporteinheiten entwickelt und umgesetzt werden. Durch den autonomen Betrieb soll die Unfallrate gesenkt und die Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Das Projekt ARTUS (Autonomes robustes Transportsystem für hybride umweltschonende Rohstoffgewinnung auf Basis knickgelenkter Sonderfahrzeuge) trägt damit zu besseren Arbeitszeiten, erhöhter Effizienz und einer längeren Lebensdauer von Bergbaumaschinen bei.

Ziele und Vorgehen

Zur Erhöhung von Produktivität, Zuverlässigkeit und Flexibilität nimmt der Automatisierungsgrad der Maschinen sowohl im Bereich der Verkehrsträger als auch im Bereich des wirtschaftlichen Transports kontinuierlich zu. Durch die anwachsende Informationsdichte und Komplexität räumlicher Arbeitsteilung gewinnt die Idee der sich selbststeuernden, dezentralen Einheiten an Bedeutung. Das Projekt ARTUS ist die strategische Allianz für Maschinen- und Bergbautechnik, die ein innovatives Ökosystem aufbaut, für die Entwicklung einer marktreifen autonomen Förderflotte im Bergbau für hybride, d.h. über- und untertägige umweltschonende und nachhaltige Gewinnung mineralischer Rohstoffe. Das Projekt ARTUS trägt damit zu besseren Arbeitszeiten, erhöhter Effizienz und einer längeren Lebensdauer von Bergbaumaschinen und -prozessen bei. Abbildung 1 beschreibt in stilisierter Form die Vision des ARTUS Projektvorschlags. Autonome Muldenkipper in einem hybriden Gewinnungsbetrieb kommunizieren miteinander und ermöglichen eine autonome Mineralgewinnung. In dem Schaubild werden die Prozesse des Beladens der autonomen Muldenkipper und der autonome Materialtransport bis hin zum autonomen Abkippen der Ladung in den Vorbrecher dargestellt. Diese Teilprozesse bilden die Grundlage einer jeden diskontinuierlichen Mineralgewinnung, unabhängig von der Art des gewonnenen Materials.

Die indurad GmbH verantwortet die Gesamtkoordination des Projekts sowie die Entwicklung einer radarbasierten Umfelderfassung, Navigation und Lokalisierung.
Die Entwicklung umfasst ein System, wodurch knickgelenkte Muldenkipper aus dem realen Bergbaubetrieb befähigt werden sollen autonome Transportfahrten zwischen einer Beladestelle und eine Abladestelle bspw. an einer Brecheranlage durchzuführen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Beladestelle untertägig liegen kann und die Entladestelle an der Brecheranlage übertägig liegen kann. Hierdurch wird eine hybride über- und untertägige Umfelderfassung, Lokalisierung und Navigation gefordert. Zudem sollen auch für den Prozess zugehörige Fahrmanöver wie dem angemessenen Anfahren und Platzieren zur Beladung durch ein Beladefahrzeug (bspw. Radlader, Fahrlader, Hydraulikbagger) und das Anfahren und Entladen an der Brecheranlage autonom möglich sein. Da in der Bergbauumgebung Robustheit und Staubunempfindlichkeit der Sensorik gefordert ist, benutzt indurad für die Umfelderfafssung und teils auch Lokalisierung in großem Maße Radar-Sensorik, und entwickelt entsprechend Algorithmen um mit Radar-Sensorik die Umgebung während eines autonomen Betriebs zu genüge wahrnehmen und verarbeiten zu können.
Bei der Übertage-Lokalisierung kann aber auch stark auf bewährte GNNS Technik zurückgegriffen werden. In Kooperation mit dem Institut für Regelungstechnik werden hier verschiedene Methoden zur Fusion von GNNS und Inertialsensorik angewendet um auch in Randfällen fehlerfreie Ortungsergebnisse zu erhalten und die Integrität der Ortungsergebnisse auch zuverlässig bewerten zu können. Ein nahtloser Übergang zwischen Untertägigem und Untertägigen Betrieb ist dabei auch gefordert.
Zur autonomen Navigation des Muldenkippers wird in Kooperation mit dem IRT für den kinematisch herausfordernden Fall des knickgelenkten Muldenkippers eine echtzeitfähige Regelung in Kombination mit einer dynamisch agierenden Pfadplanung entwickelt und integriert um für den autonomen Betrieb normale Fahrgeschwindigkeiten annähern zu können. Es werden Ablaufkontrollen eingebaut um die eingehenden Aufträge des Flottenmanagementsystem durchführen zu können und dabei werden auch weitere Teilnehmende autonome Fahrzeuge berücksichtig, wodurch ein autonomer Pendelbetrieb bzw. Flottenbetrieb von mehreren Fahrzeugen ermöglicht werden soll.
In Kooperation mit der Firma talpa solutions werden Best-Practice Auswertungen von alltäglichen Betriebsabläufen vor der Automatisierung ausgeführt, diese in entsprechende Verhaltensweise eines autonomes Systems und einer autonomen Flotte überführt und zum Abschluss des Projekts Kennzahlen des Automatik Betriebs mit denen des manuellen Betriebs verglichen.
Bei der Abschlussdemonstration in einem Bergbaubetrieb soll der autonome Transport und Entlade/Belade-Prozess von knickgelenkten Muldenkippern aus dem realen Bergbaubetrieb gezeigt werden.

Innovationen und Perspektiven

Die wichtigsten Innovationen des Vorhabens sind eine Radar-Umfelderfassung in Echtzeit mit Erkennung von für den autonomen Betrieb wichtigen Gegebenheiten, eine Lokalisierung gestützt auf referenzierten Karten mithilfe Umfelderfassung, Satellitentechnik, Funktechnik sowie Inertialsensorik für den Unter- und Übertagebetrieb, eine hochgenaue Fahrzeugregelung sowie eine Routenplanung im autonomen Flottenbetrieb.

• Sponsor Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

• Active Time 01/09/2019 – 28/02/2022

• Coordinator indurad GmbH, Germany

• Partners Projektpartner
  
  indurad GmbH:
  Konsortialführer, Radarsensortechnologie für den
  Kollisionsschutz in der Bergbau- und Rohstoffindustrie
  
  Institute for Advanced Mining Technologies - AMT der RWTH Aachen:
  Digitalisierung von Bergbaumaschinen
  
  Institut für Regelungstechnik – IRT der RWTH Aachen:
  Regelungen für Fahrzeugsysteme und Navigationslösungen
  
  Fritz Rensmann GmbH & Co KG:
  Hersteller von Sonderfahrzeugen für die Rohstoffindustrie
  
  GHH Fahrzeuge GmbH:
  Entwicklung von knickgelenkten Muldenkippern
  
  talpasolutions GmbH:
  Datenanalyse
  
  XGraphic Ingenieurgesellschaft mbH:
  Interaktive Prozessdatenvisualisierung
  
  Institut MASKOR der FH Aachen:
  Umgebungswahrnehmung und Steuerung mobiler autonomer Systeme
  
  
  Assoziierte Partner:
  
  Maxit Baustoffwerke GmbH
  Rheinkalk GmbH
  

Dieses Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.