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Die
Erfindung betrifft ein Schutzsystem für Verkehrsteilnehmer nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Schutzsysteme für Fahrzeuginsassen, wie insbesondere
Gurtstraffer und Airbags, sind heute Serienstandard und werden praktisch
für alle
Fahrzeugklassen angeboten. Sie bieten einen optimalen Schutz für Fahrzeuginsassen
und haben wesentlich dazu beigetragen, dass die Zahl der Unfallopfer
zurückgegangen
ist. Für
einen verbesserten Schutz der schwächsten Verkehrsteilnehmer,
der Fußgänger, wurde
bisher vergleichsweise wenig erreicht. Es sind daher bereits gesetzgeberische
Aktivitäten
ins Auge gefasst, die eine Verbesserung der Schutzmöglichkeiten
für Fußgänger durch
gesetzliche Vorschriften zum Ziel haben. Zusätzlich haben sich die Fahrzeughersteller
freiwillig verpflichtet, den Fußgängerschutz durch
eine bessere Konstruktion der Fahrzeuge zu verbessern. So soll eine
Verbesserung beispielsweise durch an Fußgänger angepasste Sensoren und Aktoren
erreicht werden. Im Bereich der Sensoren sind vorwiegend Kontaktsensoren
vorgesehen, die in der Stossstange angeordnet sind. Diese Kontaktsensoren,
die sich vorzugsweise über
die gesamte Breite der Stossstange erstrecken, basieren auf einer
Kraftmessung oder einer Verformung. Beispiele für solche Kraftsensoren sind
Piezofolien, Dehnmessstreifen, Lichtsensoren oder Sensoren aus einem
Kompositwerkstoff. Bei Verformungssensoren werden ebenfalls Lichtleiter
oder einfache Kontaktschalter eingesetzt. Im Weiteren besteht die
Möglichkeit,
direkt an der sog. Crash-Box, verschiedene, die Beschleunigung oder
Kräfte
messende Sensoren anzubringen.
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Im
Weiteren sind auch vorausschauende Sensoren, sogenannte Precrashsensoren,
eingeplant, wie z.B. Video- oder Radarsensoren, die einen Fußgänger über eine
Bildauswertung oder anhand der reflektieren Signale erkennen sollen.
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Als
Schutzmittel für
den Fußgänger können im
Wesentlichen Airbagsysteme in den Rahmen der Windschutzscheibe bzw.
in den Motorraum des Fahrzeugs integriert werden. Oder aber die
Motorhaube des Fahrzeugs kann angehoben werden, um den Aufprall
eines Fußgängers abzumildern.
Ein Nachteil der bisher vorgeschlagenen Konzepte ist, dass keine Vorhersage über den
Auftreffzeitpunkt und die Auftreffstelle besonders gefährdeter
Körperteile
des Fußgängers, insbesondere
des Kopfes, auf die Motorhaube oder die Windschutzscheibe des Fahrzeugs
gemacht werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Ein
Schutzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht es
insbesondere, die Auslösung
der Schutzmittel für
den Fußgänger zu
verbessern, indem die Zeit und/oder der Ort des Kopfaufpralls vorhergesagt
werden. Wenn die ungefähre Aufprallzeit
und der eventuelle Aufprallort hinreichend genau bekannt wären, können ggf.
vorhandene Schutzmittel wesentlich wirksamer eingesetzt werden.
Insbesondere kann auch die Schutzwirkung an Fußgänger unterschiedlicher Größe besser
angepasst werden, da vorhandene Schutzmittel für erwachsene Personen und Kinder
in unterschiedlicher Weise eingesetzt werden. Da es sich bei den
allermeisten schweren Verletzungen der Fußgänger um Kopfverletzungen handelt,
kann durch eine optimierte Auslösung
der Schutzmittel in vielen Fällen
eine schwere Verletzung vermieden werden. Die Erfindung geht dabei
also von der Erkenntnis aus, dass neben anderen Parametern, die
Größe eines
Fußgängers von
besonderer Bedeutung für
den Einsatz der Schutzmittel ist. Mittels einer vorausschauenden Sensorik
wird daher die Größe eines
gefährdeten Fußgängers erfasst.
Aus diesem erfassten Größenwert
werden dann Aufprallzeitpunkt und Aufprallort ermittelt. Mit Hilfe
der so ermittelten Werte für
Aufprallzeitpunkt und Aufprallort werden dann die Schutzmittel für den gefährdeten
Fußgänger optimal gesteuert.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 ein
Blockdiagramm eines Schutzsystems
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2 ein
Fahrzeug und einen Fußgänger mit
Erläuterung
wichtiger geometrischer Größen
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3 ein
vereinfachtes Modell für
die Vorhersage des Aufprallzeitpunkts des Kopfs eines Verkehrsteilnehmers
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4 ein
vereinfachtes Modell für
die Vorhersage des Aufpralls auf der Windschutzscheibe
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5 ein
Ablaufdiagramm
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Schutzsystems 1. Das Schutzsystem
umfasst ein Steuergerät 4.
Eingangsseitig sind mit dem Steuergerät 4 Sensormittel 2, 3 verbunden.
Als Sensormittel 2, 3 können vorausschauende Sensoren
und Aufprallsensoren vorgesehen sein. Ausgangsseitig sind mit dem
Steuergerät 4 Schutzmittel 5, 6 für Verkehrsteilnehmer
verbunden. Die Sensormittel 2, 3 erfassen geometrische
Parameter von Verkehrsteilnehmern, sowie Kontakte zwischen dem Fahrzeug
und einem Verkehrsteilnehmer. Das Steuergerät 4 wertet die Signale
der Sensormittel 2, 3 aus und steuert in Abhängigkeit
von dieser Auswertung, bei Vorliegen eines Kollisionsrisikos, die
Schutzmittel 5, 6 für die Verkehrsteilnehmer.
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2 zeigt,
in schematischer Darstellung, ein Fahrzeug 8 und einen
Verkehrsteilnehmer, nämlich
einen Fußgänger 7,
in einer typischen Kollisionssituation. Das Fahrzeug 8 umfasst
neben den hier nicht sichtbar dargestellten Sensormitteln 2, 3 eine Motorhaube 8.1,
eine Windschutzscheibe 8.2, eine Stoßstange 9, sowie Schutzmittel 5, 6 für Verkehrsteilnehmer,
die hier ebenfalls lediglich schematisch, als entfalteter Airbag
dargestellt sind. Wie aus den späteren
Erläuterungen
noch verständlich
wird, kann auch die Motorhaube 8.1 des Fahrzeugs 8 als Schutzmittel
eingesetzt werden. Der Fußgänger 7 ist durch
geometrische Parameter, wie seine Körpergröße oder Höhe h und den Durchmesser d
seines Kopfs 7.1 gekennzeichnet. Der Kopf 7.1 wird
als ein besonders sensibler Körperteil
des Fußgängers 7 betrachtet,
der durch das Schutzsystem besonders geschützt werden soll. Mit LE ist
der Kontaktpunkt zwischen dem Fußgänger 7 und dem Fahrzeug 8 im
Kollisionsfall bezeichnet. Der Punkt LE hat einen Abstand LEH von
der Straßenoberfläche und
ist zugleich der Drehpunkt, um den sich der Fußgänger 7 nach der Kollision
dreht.
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3 zeigt
skizzenhaft ein vereinfachtes Modell für die Vorhersage des Aufpralls
des Kopfs 7.1 eines Verkehrsteilnehmers. Bei dieser Modellvorstellung
wird angenommen, dass eine Kollision zwischen einem Fahrzeug 8 (2)
und einem Verkehrsteilnehmer, insbesondere einem Fußgänger 7 (2),
stattgefunden hat. Von dem Fahrzeug ist nur die Motorhaube 8.1 dargestellt,
die um einen Winkel β in
Bezug auf eine horizontale Ebene E angestellt ist und eine Länge LMH
hat. Der Erstkontakt bei der Kollision zwischen dem Fahrzeug 8 und
dem Fußgänger 7 hat
an dem Punkt LE in dem vorderen Bereich des Fahrzeugs 8 stattgefunden.
Dieser Punkt LE ist gleichzeitig der Drehpunkt, um den sich der
Körper des
Fußgängers 7 unfallbedingt
dreht. Der Mittelpunkt M des Kopfs 7.1 des Fußgängers 7 ist
um die Strecke L = h – LEH – d/2 von
dem Drehpunkt LE entfernt. Zum Zeitpunkt der Kollision schließen der
noch aufrecht stehende Fußgänger 7 und
die Motorhaube 8.1 des Fahrzeugs 8 einen Winkel α ein. In
Bezug auf das Fahrzeug 8 hat der Fußgänger 7 eine Relativgeschwindigkeit
v. Nach der Kollision bewegt sich der Kopf 7.1 des Fußgängers 7 mit
der Winkelgeschwindigkeit ω auf
die Motorhaube 8.1 zu.
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Falls,
wie in 4 dargestellt ist, die Strecke L größer ist
als die Länge
LMH der Motorhaube 8.1, so wird der Kopf 7.1 des Fußgängers 7 die
Windschutzscheibe 8.2 des Fahrzeugs 8 treffen
und nicht auf die Motorhaube 8.1 des Fahrzeugs 8 aufschlagen.
Der voraussichtliche Aufprallort des Kopfs 7.1 auf der
Windschutzscheibe 8.2 ist dabei um die Strecke L von dem
Drehpunkt LE entfernt.
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Die
Funktionsweise des Schutzsystems und das Verfahren für den Schutz
von Verkehrsteilnehmern werden nun im Folgenden anhand des in 5 schematisch
dargestellten Ablaufdiagramms beschrieben. Das Verfahren lässt sich
in vier Schritte 51 bis 54 gliedern.
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In
einem ersten Schritt 51 werden mittels einer vorrausschauenden
Sensorik 5, 6 geometrische Parameter, wie insbesondere
die Körpergröße des Fußgängers 7 bestimmt.
Besonders vorteilhaft wird die Körpergröße des Fußgängers 7 mittels
einer Stereokamera erfasst. Es können
aber auch andere vorrausschauende Sensoren wie Laserscanner, Lidar-, Radar-,
Ultraschall- oder Infrarotsensoren verwendet werden, um die Körpergröße des Fußgängers 7 zu bestimmen.
Außerdem
wird mit Hilfe der vorrausschauenden Sensorik 5, 6 die
Relativgeschwindigkeit v des Fußgängers 7 in
Bezug auf das Fahrzeug 8 bestimmt. Falls diese Bestimmung
der Relativgeschwindigkeit v des Fußgängers 7 mit dem zum
Einsatz kommenden Sensor 5, 6 nur relativ ungenau möglich ist,
kann ersatzweise auch die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs 8 verwendet
werden, da sich Fußgänger in
der Regel deutlich langsamer als etwa 20km/h bewegen und gerade
Unfälle
mit einer Fahrgeschwindigkeit deutlich über 20km/h zu ernsten Verletzungen
der Fußgänger führen.
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In
einem zweiten Schritt 52 wird nun beobachtet, ob es zu
einer Kollision zwischen dem Fußgänger 7 und
dem Fahrzeug 8 kommt, ob also beispielsweise ein starker
Aufprall des Fußgängers 7 auf die
Vorderfront des Fahrzeugs 8 stattfindet. Dies kann mit
Hilfe des vorrausschauenden Sensors und/oder mit den in dem Fahrzeug 8 angeordneten Kontaktsensoren
erkannt werden. Bei manchen Kontaktsensoren kann vorteilhaft aus
dem Signalverlauf auch die Relativgeschwindigkeit bestimmt werden.
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In
einem dritten Verfahrensschritt 53 werden mit Hilfe der
gemessenen Körpergröße des Fußgängers 7,
der Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Fußgänger 7 und dem Fahrzeug 8 und
weiteren bekannten Fahrzeugkenndaten die Zeit und der Ort des drohenden
Aufpralls berechnet. Es wird also beispielsweise ermittelt, wann
und an welcher Stelle des Fahrzeugs 8 mit einem Aufprall
des Kopfs 7.1 des Fußgängers 7 auf
das Fahrzeug 8 zu rechnen ist. Dies wird anhand eines einfachen
Modells unter Bezug auf 4 erläutert.
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In
diesem Modell (4) wird angenommen, dass der
Fußgänger 7 mit
seinen Beinen oder mit seiner Hüfte
an dem obersten Punkt LE der Vorderfront (LE: Leading edge) des
Fahrzeugs 8 anstößt, und dass
der obere Teil des Körpers
des Fußgängers 7, insbesondere
also auch sein Kopf 7.1, eine Drehbewegung um diesen Punkt
LE ausführt.
Der Punkt LE befindet sich dabei in der Höhe LEH (Leading edge height) über der
Oberfläche
der Straße.
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Die
Strecke L (3) ist die Strecke zwischen
dem Punkt LE und dem Mittelpunkt des Kopfs 7.1 des Fußgängers 7.
Wenn diese Strecke L kürzer als
die Länge
LMH der Motorhaube 8.1 des Fahrzeugs 8 ist, so
wird der Kopf 7.1 nach dem Modell auf die Motorhaube 8.2 und
nicht auf die Windschutzscheibe 8.1 des Fahrzeugs 8 aufprallen.
Und zwar an dem Ort auf der Motorhaube 8.2, der um diese
Strecke von LE entfernt ist, mit derselben y-Koordinate (DIN 70000)
wie der Aufprallort auf der Stoßstange. Wenn
man mit Hilfe der vorausschauenden und/oder der Kontaktsensoren
den Ort des Zusammenstoßes in
y-Richtung bestimmen kann, so kann der Aufprallort auf der Motorhaube 8.2 und/oder
der Windschutzscheibe 8.1 ebenfalls in y-Richtung bestimmt
werden.
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Der
Kopf 7.1 des Fußgängers 7 trifft
nach Überwindung
des Winkels α auf
die Motorhaube 8.2 des Fahrzeugs 8 auf . Der Winkel α ist der
Winkel zwischen der Motorhaube 8.2 und der Vertikalen und beträgt somit α = 90°– β, wobei β der Anstellungswinkel
der Motorhaube 8.2 ist. Kennt man nun die Relativgeschwindigkeit
v des Fußgängers 7 in
Bezug auf das Fahrzeug 8 und die Länge der Strecke L zwischen
dem Punkt LE und dem Kopf 7.1 des Fußgängers 7, so kann daraus
die Winkelgeschwindigkeit ω und
mit dieser der Aufprallzeitpunkt t2 nach folgenden Beziehungen berechnet
werden: α = 90° – β = ωt (1) ω = ν/L (2) L = h – LEH – d/2 (3) L = 0,95h – LEH (4)
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Und
somit gilt für
den Aufprallzeitpunkt t2: t2 = α(0,95h – LEH)/ν (5)
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Dabei
wurde angenommen, dass der Durchmesser d des Kopfs 7.1 des
Fußgängers 7 einem Wert
von ungefähr
10% der Körpergröße des Fußgängers 7 entspricht.
Falls mit Hilfe des vorrausschauenden Sensors auch der Kopfdurchmesser
d des Fußgängers 7 ermittelt
werden kann, so kann alternativ die folgende Beziehung für die Berechnung des
Aufprallzeitpunkts verwendet werden: t2 = α(h – LEH – d/2)/2 (6)
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Die
Höhe LEH
des Punkts LE und der Anstellungswinkel β der Motorhaube 8.2 sind
Kenndaten des Fahrzeugs 8 und somit bekannt. Die Relativgeschwindigkeit
v des Fußgängers 7 in
Bezug auf das Fahrzeug 8 kann mit Hilfe der vorrauschschauenden Sensorik
bestimmt werden. Im Folgenden wird diese Modellvorstellung an einem
konkreten Zahlenbeispiel verifiziert. Mit den Werten
h = 1,80m,
LEH = 0,8m, d = 0,2m, β =
15°, v =
40km/h = 11, 1 m/s, α =
75° ergibt
sich aus den Beziehungen: ω =
1,31t (7) t2 = 1,31 – (1,8 – 0,8 – 0,1)m/11,1m/s
= 0,106s = 106ms (8)
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Dieser
Wert, wie auch andere Zahlenbeispiele, stimmen gut mit Werten aus
der Literatur überein, die
experimentell mit Dummies oder mit komplizierten Mehrkörpersimulationen
erzielt wurden.
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Wenn
die Strecke L größer als
die Länge
LM der Motorhaube 8.2 ist, so wird der Kopf 7.1 die Windschutzscheibe 8.1 und
nicht die Motorhaube 8.2 treffen. Und zwar an dem Punkt
der Windschutzscheibe 8.1, der gerade um die Länge L von
dem Punkt LEH entfernt ist, mit derselben y-Koordinate (DIN 70000)
wie der Aufprallort auf der Stoßstange 9. Zur
Berechnung des Aufprallzeitpunktes muss einfach anstelle des Winkels α der Winkel γ zwischen dem
Aufprallpunkt auf der Windschutzscheibe 8.1 und dem Punkt
LE verwendet werden (siehe hierzu 4). Der
Aufprallzeitpunkt kann unter Zuhilfenahme des Winkels γ leicht berechnet
werden. Dies ergibt: t2
= γ(0.95h–LEH)/ν/v (9).
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Der
Winkel γ kann
mit Kenntnis des Winkels δ der
Windschutzscheibe nach einfachen geometrischen Beziehungen berechnet
werden.
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Dazu
müssen
die bekannten Werte in die Gleichung
eingesetzt und diese dann
nach γ aufgelöst werden.
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Alternativ
zu dem beschriebenen Modell können
andere, auch kompliziertere, Modelle verwendet werden. Jedoch werden
in der Praxis nur vergleichsweise einfache Modelle in Echtzeit für eine Auslöseentscheidung
von Schutzmitteln 5, 6 benutzt werden können. Die
Abbildung von Körpergröße und Relativgeschwindigkeit
auf den Aufprallzeitpunkt und -ort des Kopfes 7.1 kann
auch mit Hilfe einer Look-Up-Tabelle geschehen, die z.B. experimentell (mit
Dummies) oder durch Simulationen ermittelte Werte enthält.
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In
einem vierten Schritt 54 werden dann Schutzmittel 5, 6 eingesetzt.
Hat man nun den Aufprallzeitpunkt und den Aufprallort des Kopfs 7.1 auf die
Motorhaube 8.1 bzw. die Windschutzscheibe 8.2 abgeschätzt, so
können
jetzt die Schutzmittel 5, 6 optimal an diese Situation
angepasst werden. Z.B. können
bei einem bevorstehenden Aufprall auf die Windschutzscheibe 8.2 des
Fahrzeugs 8 im richtigen Zeitpunkt Airbags als Schutzmittel
gezündet
werden, um den Kopf 7.1 des Fußgängers 7 zu schützen. Weiterhin
kann bei einem bevorstehenden Aufprall auf die Motorhaube 8.1 des
Fahrzeugs 8 die Motorhaube 8.1 zum genau richtigen
Zeitpunkt an der richtigen Stelle angehoben werden, um dem aufprallenden
Fußgänger 7 einen
optimalen Schutz zu bieten. Dabei kann es eventuell vorteilhaft
sein, wenn die Motorhaube 8.1 bei dem Kontakt mit dem aufprallenden
Kopf 7.1 des Fußgängers 7 noch
eine Restgeschwindigkeit aufweist, so dass ihre Rückhaltewirkung
auf den Fußgänger 7 größer ist.
Wenn nur noch eine vergleichsweise kurze Zeit bis zu dem Aufprall
des Kopfs 7.1 zur Verfügung
steht, was beispielsweise bei einem Kind der Fall ist, kann weiterhin
eine schnelle Anhebung der Motorhaube 8.1 mit kurzem Hebeweg
einer längeren
Anhebung mit größerem Hebeweg
vorgezogen werden. So können
der zeitliche Verlauf und der maximale Hebeweg der Motorhaube 8.1 optimal
gewählt
werden.
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Alternativ
zu dem beschriebenen Verfahren besteht auch die Möglichkeit,
in dem ersten Verfahrensschritt 51 schon abzuschätzen, wie
lange es dauern würde,
bis der Kopf 7.1 die Motorhaube 8.1 oder die Windschutzscheibe 8.2 treffen
werde, wenn der Fußgänger 7 von
der Stoßstange 9 des
Fahrzeugs 8 getroffen würde.
Diese Information kann dann dazu benutzt werden, um den zweiten
Verfahrensschritt 52 zu optimieren, da man weiß, wie viel Zeit
für eine
Auslöseentscheidung
zur Verfügung steht.
Als konkretes Beispiel werde eine Motorhaube 8.1 angenommen,
die etwa 50 ms benötigt,
um vollständig
in ihre Schutzlage aufgestellt zu werden. Wenn man aus der Abschätzung des
Aufprallzeitpunkts nun weiß,
dass es etwa 60 ms dauert, bis der Kopf 7.1 des Fußgängers 7 aufprallen
würde,
so muss innerhalb von 10 ms eine Auslöseentscheidung aufgrund der
Informationen des Kontakts mit der Stoßstange 9 getroffen
werden. Wenn man allerdings berechnet hat, dass der Kopf 7.1 erst
nach etwa 90ms auf die Motorhaube 8.1 aufprallt, so muss
eine Entscheidung erst nach etwa 40ms getroffen werden. Da hier
ein längerer
Zeitraum für
die Gewinnung von Informationen zur Verfügung steht, kann ggf. eine
zuverlässigere
Auslöseentscheidung
herbeigeführt werden.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Kollision
zwischen einem Fahrzeug und einem Fußgänger, als einem der schwächsten und
am meisten schutzbedürftigen
Verkehrsteilnehmer, angenommen. Vorstellbar ist die Anwendung der
erfinderischen Lösung
auch bei Kollisionen, an denen Fahrzeuge und Fahrer von Zweiradfahrzeugen,
wie beispielsweise Fahrrad- und/oder Motorradfahrer, beteiligt sind.
