Bauen sollte nachhaltig sein. Bauunternehmer, Behörden und Auftraggeber sind sich dessen bewusst. Aber fängt Nachhaltigkeit nicht schon in der Aushubphase an? Offenbar nicht, denn bei den Baumaschinen stehen Themen wie Elektrifizierung und Nachhaltigkeit noch hinten an. Diesen Eindruck haben jedenfalls acht angehende Maschinenbauer an der ETH Zürich gewonnen. Grund genug, die Sache selbst in die Hand zu nehmen. Im Rahmen eines Schwerpunktprojekts haben es sich die Studierenden zur Aufgabe gemacht, einen Bagger vollständig zu elektrifizieren. Doch das ist noch nicht alles. Das ehrgeizige Team mit dem Namen eXact geht noch einen Schritt weiter und stattet den Elektrobagger auch mit Augmented-Reality-Funktionen aus. Dadurch wird die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine verbessert und es eröffnen sich neue Möglichkeiten in Bezug auf Genauigkeit und Effizienz - beides Faktoren, die durch ein gezielteres Vorgehen zur Nachhaltigkeit in der Bauphase beitragen. Jonas Rogge, der das Team leitet und auch für die Mechanik verantwortlich ist, sagt: "Wir wollen die erneuerbaren Energien so effizient wie möglich nutzen." Rogge fügt hinzu, dass eXact auf diese Weise einen bedeutenden Beitrag zur Elektrifizierung der Baustellen leisten will.
Die acht Maschinenbaustudenten arbeiten seit September 2022 an dem Projekt. Angeleitet werden sie von den Betreuern Professor Andreas Kunz vom Innovation Center Virtual Reality der ETH und Stefan Schneider, dessen erfolgreiche Firma Suncar HK AG ebenfalls aus einem ETH-Fokusprojekt hervorgegangen ist. Das eXact-Team hat Räumlichkeiten im Technopark Zürich bezogen, die ihm von der ETH zur Verfügung gestellt wurden. eXact ist zur Finanzierung des Projekts auf Sponsoren angewiesen. Dazu gehören der Baumaschinenhersteller Volvo, der einen ECR25-Bagger zur Verfügung stellt, sowie die Embedded-Computer von Syslogic, die Hardware-Komponenten wie einen KI-fähigen Steuerrechner beisteuern .
Das Projekt ist in zwei Abschnitte unterteilt: Arbeiten am Bagger und Arbeiten an der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Der Volvo ECR25 ist einer der ersten Elektrobagger auf dem Markt. eXact fängt also nicht bei Null an, sondern geht einen Schritt weiter und verbessert die Effizienz des Elektrobaggers erheblich. Es hat sich gezeigt, dass die Hydraulik des Baggers extrem leistungshungrig ist, was sich auf die Energieeffizienz auswirkt. eXact hat daher beschlossen, die hydraulischen Linearantriebe durch entsprechende elektrische Linearantriebe zu ersetzen, die im Vergleich zur Hydraulik einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen. Dadurch wird der Betrieb des modifizierten Baggers wesentlich umweltfreundlicher als der des Serienprodukts. Zudem können mit einer Batterieladung deutlich mehr Arbeitsstunden erreicht werden - ein überzeugendes Argument auf Baustellen.
Die Basis für eXact ist ein Volvo ECR25-Bagger.
Meilensteinpräsentation am 20. Dezember 2022 im Innovationspark in Dübendorf.
eXact verwendet eine HoloLens 2, ein von Microsoft entwickeltes und hergestelltes Augmented-Reality-Headset.
Bis dieses Konzept im harten Baustellenalltag eingesetzt werden kann, sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden - allen voran der Faktor Widerstand. Im Vergleich zur Hydraulik sind elektrische Komponenten wesentlich anfälliger für Vibrationen und Erschütterungen. eXact entwickelt daher ein Dämpfungssystem, um Linearantriebe baustellentauglich zu machen. Eine weitere Herausforderung war bisher die Steuerung der Antriebe. Aaron Häusler, der bei eXact für die Software verantwortlich ist, erklärt, dass die Entwicklung in diesem Bereich nicht zuletzt dank der KI und des maschinellen Lernens große Fortschritte gemacht hat. Daher setzt das Team die neuesten innovativen Methoden ein, so Häusler.
Alle für die Umrüstung erforderlichen Komponenten werden derzeit beschafft. Es ist geplant, die hydraulischen Komponenten bis Mai 2023 durch die neuen elektrischen Linearantriebe zu ersetzen. Im Anschluss daran folgt eine Testphase. Parallel dazu arbeitet das Team intensiv an der Augmented-Reality-Technologie.
Zu diesem Zweck verwendet eXact eine HoloLens 2, ein von Microsoft entwickeltes und hergestelltes Augmented-Reality-Headset. Auf dem Headset läuft eine von eXact entwickelte Software, mit der eine Vielzahl von Visualisierungen erzeugt werden können. Mit der HoloLens lassen sich zum Beispiel unterirdische Leitungen oder Rohre darstellen. Auch Bereiche, die mit dem Bagger ausgehoben werden sollen, können in das Bild eingebunden und dem Baggerfahrer direkt angezeigt werden. Das ermöglicht ein effizientes und präzises Arbeiten. Da sich GPS als zu ungenau erwiesen hat, arbeitet eXact mit einem RTK-System (Real Time Kinematic). Dieses Vermessungssystem berechnet die Position und den Drehwinkel des Baggers und des Trägers der HoloLens mittels mehrerer Signale zentimetergenau. eXact nutzt die Positionierungsdienste des privaten GNSS-Referenznetzes RefNet.
Die Daten des Ortungssystems werden an den Syslogic-Industriecomputer übertragen, der wiederum die Daten an die HoloLens weiterleitet. Der Computer nimmt somit eine zentrale Rolle ein. Bei dem verwendeten Gerät handelt es sich um einen KI-fähigen rugged computer RPC RS A3N. Dieser Computer erfüllt die Schutzklasse IP67 und ist für den Einsatz auf Baustellen geeignet. Technisch basiert der rugged computer von Syslogic auf dem Jetson Xavier NX von NVIDIA. Damit können Daten von verschiedenen hochauflösenden Sensoren nahezu in Echtzeit verarbeitet werden. Aaron Häusler erklärt: "Der KI-Rechner von Syslogic bietet uns Leistungsreserven, die es ermöglichen, später Arbeitsschritte zu automatisieren oder ferngesteuert zu realisieren."
Anlässlich einer Meilensteinpräsentation am 20. Dezember 2022 im Innovationspark in Dübendorf informierten die acht Studierenden über den Projektfortschritt. In einem nächsten Schritt wird das eXact-Team den rugged computer in den Bagger einbauen und das RTK-System implementieren. Die nächste Meilensteinpräsentation ist für März 2023 geplant. Ziel ist die Fertigstellung des umgebauten Baggers im Juni 2023. Wir werden den Fortschritt des Projekts in diesem Blog verfolgen.
Wir von Syslogic freuen uns, mit dem Sponsoring von Geräten einen Beitrag zu diesem wegweisenden Schwerpunktprojekt und damit zur Nutzung erneuerbarer Energien im Bausektor leisten zu können.
