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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine
Vorrichtung zur dynamischen Bestimmung einer Fehlerschranke einer
geschätzten
Längsgeschwindigkeit
eines Fahrzeugs.
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Die
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
ist eine wichtige Größe für zahlreiche
Systeme zur Regelung und Steuerung in Kraftfahrzeugen. Algorithmen
zum Schätzen
der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
werden unter anderem in der
DE
39 09 589 A1 beschrieben.
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Alle
bekannten Algorithmen zum Schätzen
der Längsgeschwindigkeit
basieren hauptsächlich
auf der Auswertung der gemessenen Radgeschwindigkeiten des Fahrzeuges.
Fährt das
Fahrzeug stabil und nur mit geringer Längs- und Querbeschleunigung,
kann die Längsgeschwindigkeit
mit geringem Fehler aus den gemessenen Radgeschwindigkeiten ermittelt
werden. In kritischen Fahrsituationen kann jedoch großer Radschlupf
auftreten und eine oder mehrere Radgeschwindigkeiten stimmen nicht
mehr mit der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
am Radaufstandsort (Berührungspunkt
zwischen Reifen und Fahrbahn) überein.
Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsschätzung der in den oben genannten
Veröffentlichungen
beschriebenen Verfahren hängt
daher von der Fahrsituation ab, in der sich das Fahrzeug gerade
befindet.
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Häufig wird
die Schätzung
der Längsgeschwindigkeit
vom Bremsregelungssystem (ABS oder ESP) durchgeführt, da dieses die Radgeschwindigkeiten
einliest und für
die Bremsregelung benötigt.
Die geschätzte Geschwindigkeit
wird aber auch von einer zunehmenden Zahl weiterer Fahrzeugregelungs-
oder Steuerungssystem benötigt-
zum Beispiel von aktiven Lenksystemen, Fahrwerkregelungssystemen,
Kurvenlichtfunktionen, Getriebesteuerungen, Komfortfunktionen und
vielen weiteren. Ein Problem hierbei ist, dass diese Systeme keine
Kenntnis darüber
haben, ob das derzeit von ihnen verwendete Geschwindigkeitssignal
hinreichend genau ist oder ob aufgrund der derzeitigen Fahrsituation
große
Schätzfehler
auftreten können.
Damit die Systeme auf ein möglicherweise
fehlerhaftes Geschwindigkeitssignal in geeigneter Weise reagieren
können,
wäre es
erforderlich, diesen zusammen mit jedem Geschwindigkeitsschätzwert auch
dessen derzeit zu erwartende Genauigkeit mitzuteilen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur dynamischen Bestimmung einer Fehlerschranke einer
geschätzten
Längsgeschwindigkeit
eines Fahrzeugs vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird jeweils durch die Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6
und 8 gelöst. Diese
Aufgabe wird auch durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung behandelt ein Verfahren zur dynamischen
Bestimmung einer Fehlerschranke einer geschätzten Längsgeschwindigkeit eines Fahrzeugs,
wobei, insbesondere auf der Grundlage einer Gierrate des Fahrzeuges,
bestimmt wird, ob das Fahrzeug instabil fährt. Wenn das Fahrzeug instabil fährt, dann
wird die Fehlerschranke auf einen ersten vorbestimmten Wert festgelegt.
In vorteilhafter Weise wird dadurch den höheren Fehlerschranken Rechnung
getragen, die üblicherweise
bei instabilen Fahrsituationen auftreten.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung behandelt ein Verfahren
zur dynamischen Bestimmung einer Fehlerschranke einer geschätzten Längsgeschwindigkeit
eines Fahrzeugs mit den folgenden Schritten:
- – Ermittlung
der Anzahl der instabil laufenden Räder und
- – Berechnen
der Fehlerschranke (ΔvSchranke)
abhängig
von der Anzahl der instabil laufenden Räder.
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In
einer Ausgestaltung kann die Fehlerschranke als Summe einer Konstanten,
eines von der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
abhängigen
Wertes, eines von einer geschätzten
Längsbeschleunigung
abhängigen
Wertes und eines Wertes berechnet werden, der von der Anzahl der
instabil laufenden Räder
abhängt.
In vorteilhafter Weise wird hierbei die dynamische Fehlerschranke
sehr genau berechnet, da sie den Einfluss der Längsgeschwindigkeit und -beschleunigung
und der instabil laufenden Räder
berücksichtigt.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung behandelt ein Verfahren zur dynamischen
Bestimmung einer Fehlerschranke einer geschätzten Längsgeschwindigkeit eines Fahrzeugs,
wobei bestimmt wird, ob die geschätzte Längsgeschwindigkeit kleiner
als ein dritter vorbestimmter Wert ist. Die Fehlerschranke wird
auf einen vierten vorbestimmten Wert festgelegt, wenn die geschätzte Längsgeschwindigkeit
kleiner als der dritte vorbestimmte Wert ist. In vorteilhafter Weise
wird dadurch den höheren
Fehlerschranken Rechnung getragen, die üblicherweise bei sehr geringen
Längsgeschwindigkeiten
auftreten.
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Der
Online-Berechnung einer Schranke für den maximalen zu erwartenden
Schätzfehler
liegt die Beobachtung zu Grunde, dass mit der geschätzten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
und den üblicherweise
vier (bei Nutzfahrzeugen auch mehr) Radgeschwindigkeiten mehrere
Informationen zur Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
zur Verfügung
stehen.
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Weichen
eine oder mehrere Radgeschwindigkeiten in Betrag und/oder zeitlicher
Ableitung deutlich von den anderen Radgeschwindigkeiten oder der
geschätzten
Längsgeschwindigkeit
ab, bedeutet dies, dass an diesen Rädern Radschlupf auftritt und
mit einem größeren Geschwindigkeitsschätzfehler
gerechnet werden muss, als wenn alle Geschwindigkeitssignale übereinstimmen.
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Sehr
große
Fehler bei der Geschwindigkeitsschätzung können auftreten, wenn das Fahrzeug
schleudert. Wird daher durch Auswertung von Lenkwinkel und Gierrate
eine instabile Fahrsituation erkannt, wird die Fehlerschranke auf
sehr große
Werte gesetzt.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann allen Systemen, die die geschätzte Längsgeschwindigkeit für ihre Steuerungs-
oder Regelungsaufgaben nutzten, zusammen mit jedem Geschwindigkeitsschätzwert auch
eine Schranke für
den maximal zu erwartenden Fehler geliefert werden. Mit Hilfe dieser
Information kann in den Algorithmen dieser Systeme auf die zu erwartende
Genauigkeit der Geschwindigkeitsschätzung in geeigneter Weise reagiert
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 schematisch
eine Draufsicht eines Kraftfahrzeugs mit vier Rädern und gelenkter Vorderachse;
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2 den
zeitlichen Verlauf einer von einem ESP-System geschätzten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit,
einer durch ein GPS-Messsystem gemessenen tatsächlichen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
und einer Fehlerschranke bei einer ABS-Bremsung auf Hochreibwert;
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3 den
zeitlichen Verlauf der Fehlerschranke;
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4 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die 1 zeigt
schematisch eine Draufsicht eines Kraftfahrzeugs mit vier Rädern und
gelenkter Vorderachse. Eingezeichnet sind die Radgeschwindigkeiten
vvl, vvr, vhl, vhr die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx,
der Lenkwinkel δ,
die Gierrate ωz,
der Radstand l und die Spurweiten bv, bh.
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Eingangsgrößen des
Verfahrens zur Berechnung der Fehlerschranke sind der Lenkwinkel δ, die Gierrate ωz und die
Radgeschwindigkeiten vvl, vvr, vhl, vhr. Als weitere Eingangsgröße wird
die geschätzte
Fahrzeuglängsgesehwindigkeit
vx benötigt.
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Wenn
das Fahrzeug schleudert, kann der Fehler der Geschwindigkeitsschätzung sehr
groß werden. Anhand
der Messungen zeigt sich, dass es zur Erkennung instabiler Fahrsituationen
ausreicht zu prüfen,
ob der Fahrer gegenlenkt. Dies ist der Fall, wenn das Produkt aus
der gemessenen Gierrate und der Ackermann-Gierrate (bzw. einer Grobschätzung der
Ackermann-Gierrate)
negativ ist und einen gewissen Wert überschreitet:
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Wird
entsprechend dieses Kriteriums eine instabile Fahrsituation erkannt,
wird eine Fehlerschranke ΔvSchranke
der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx genauso groß gesetzt,
wie die aktuell geschätzte Längsgeschwindigkeit
vx, mindestens jedoch auf eine untere Schranke vx_min: ΔvSchranke
= max(vx, vx_min) = vx_1 (2)
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Die
Fehlerschranke ΔvSchranke
wird hier auf einen ersten vorbestimmten Wert max(vx, vx_min) festgelegt,
wenn das Fahrzeug instabil fährt.
vx_min wird als erster Mindestwert bezeichnet und hat hier beispielsweise
den Wert 10 m/s.
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Wenn
das Fahrzeug andernfalls stabil fährt, dann wird die Fehlerschranke ΔvSchranke
als Summe einer Konstanten, eines von der geschätzten Längsgeschwindigkeit vx abhängigen Wertes
vadd, eines von einer geschätzten
Längsbeschleunigung
ax abhängigen
Wertes vacc und eines Wertes vstab berechnet, der von der Anzahl
der instabil laufenden Räder
abhängt. ΔvSchranke
= ks + vadd + vacc + vstab (3)
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Die
Konstante ks hat beispielsweise einen Wert von etwa 0,1 m/s. Vorzugsweise
ist der von der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx abhängige
Wert vadd der größere Wert
von einem Produkt der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx mit einer Konstanten v_xk wie z.B. 0,03 und einem zweiten vorbestimmten
Mindestwert v_xmin wie z.B. 0,3 m/s: vadd = max(vxk·|(vx|,
v_xmin).
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Um
das Fahrzeug zu beschleunigen oder zu verzögern, müssen von den Reifen entsprechende Längskräfte aufgebracht
werden. Hierbei tritt Längsschlupf
an den Rädern
auf und die Radgeschwindigkeiten entsprechen nicht mehr exakt der
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
vx. Da bei kleineren Schlupfwerten die Räder nicht immer als instabil
erkannt werden, werden die Fehler der Geschwindigkeitsschätzung durch
Radschlupf beim Beschleunigen bzw. Bremsen durch den von der geschätzten Längsbeschleunigung
ax abhängigen
Wert vacc bei der Berechnung der Fehlerschranke ΔvSchranke berücksichtigt.
Vorzugsweise ist der von der geschätzten Längsbeschleunigung ax abhängige Wert
vacc der kleinere Wert von einem Produkt der ge schätzten Längsbeschleunigung
ax mit einer Konstanten kax von z.B. etwa ½ Sekunden (1/2 s) und einem
vorbestimmten Maximalwert k_max wie z.B. 2 m/s: vacc
= min(kax·|ax|,
k_max)
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Im
Folgenden wird der Wert vstab beschrieben, der von der Anzahl der
instabil laufenden Räder
abhängt.
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Die
Messung der Radgeschwindigkeiten erfolgt am Ort der Radaufstandspunkte.
Bei Kurvenfahrt legen die kurvenäußeren Räder einen
längeren
Weg zurück
und haben daher eine größere Geschwindigkeit
als die kurveninneren. Für
den Vergleich mit der geschätzten
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit,
die sich üblicherweise
auf die in der 1 eingezeichneten Fahrzeuglängsachse
in der Mitte zwischen den Rädern
bezieht, müssen
daher die Radgeschwindigkeiten ebenfalls auf einen Punkt der Fahrzeuglängsachse
transformiert werden.
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Im
Folgenden wird als Bezugspunkt aller Geschwindigkeiten der Mittelpunkt
der Hinterachse gewählt, es
kann jedoch auch jeder andere Punkt der Fahrzeuglängsachse
verwendet werden. Damit ergeben sich bei einem Fahrzeug mit vier
Rädern
und Vorderachslenkung gemäß 1 die
folgenden Geschwindigkeiten für den
Vergleich mit der geschätzten
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
vx:
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Von
den transformierten Radgeschwindigkeiten v1, v2, v3, v4 werden durch
Subtraktion von vx Differenzgeschwindigkeiten Δv1, Δv2, Δv3, Δ4 berechnet und daraus die Beträge |Δv1|, |Δv2|, |Δv3|, |Δv4| gebildet. Diese
Beträge
sind demnach die Beträge
|Δvi| der
Differenz zwischen der geschätzten
Längsgeschwindigkeit vx
und der Radlängsgeschwindigkeit
vi, die ebenfalls in der Richtung von vx gemäß der 1 gemessen
wird.
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Durch
Ableiten dieser Differenzen ergeben sich die Differenzlängsbeschleunigungen Δa1, Δa2, Δa3, Δa4 sowie
deren Beträge
|Δa1|, |Δa2|, |Δa3|, |Δa4|.
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Ebenfalls
durch Ableiten von vx wird die Längsbeschleunigung
ax berechnet.
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Das
Rad i wird als stabil betrachtet, wenn |Δvi| und |Δai| klein sind, wenn nämlich vorzugsweise
gelten: |Δvi| ≤ vadd = max(kx1·|vx|,
vx_max_1)und |Δa| ≤ 3 m/s2
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Wobei
kx1 einen Wert von etwa 0,03 und vx_max_1 von etwa 0,3 m/s hat.
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Ein
Rad wird demnach als instabil angenommen, wenn der Betrag der Differenz
|Δvi| zwischen
der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx und der Radlängsgeschwindigkeit
vi den von der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx abhängigen
Wert vadd überschreitet
und wenn ein Betrag |Δai|
der Ableitung der Differenz |Δvi|
einen zweiten vorbestimmten Wert vx_2 wie hier z.B. 3 m/s2 überschreitet.
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Entsprechend
der bereits beschriebenen Kriterien wird festgestellt, wie viele
Räder instabil
laufen. Je größer die
Zahl instabiler Räder
ist, desto größer ist
der zu erwartende Schätzfehler.
Daher wird abhängig
von der Zahl der instabilen Räder
der Anteil vstab der Fehlerschranke ΔvSchranke zum Beispiel mit den
Werten der folgenden Tabelle ermittelt:
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Bei
sehr kleinen Geschwindigkeiten kann der Geschwindigkeitsschätzfehler
groß werden.
Daher wird die Fehlerschranke ΔvSchranke
bei Geschwindigkeiten, die kleiner als ein dritter vorbestimmter
Wert vx_3 wie z.B. 1 m/s sind, mindestens auf einen vierten vorbestimmten
Wert vx_4 festgelegt. Vorzugsweise ist der vierte vorbestimmte Wert
vx_4 der größere Wert
von der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx und der in der Gleichung (3) berechneten Summe: ΔvSchranke
= max(vx, ΔvSchranke) (4)
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Der
Verlauf der Fehlerschranke ΔvSchranke
kann Sprünge
aufweisen, wenn sich die Zahl der als instabil angenommenen Räder ändert, wenn
eine instabile Fahrt erkannt wurde oder wenn eine der Beschränkungen
aktiv ist. Um diese Sprünge
zu glätten
wird die Fehlerschranke gefiltert.
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In
den 2 und 3 ist erkennbar, dass die Fehlerschranke
ab Beginn einer Bremsung deutlich aufgeweitet wird.
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2 zeigt
eine Darstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit V in m/s über der
Zeit t in Sekunden. Dargestellt ist die tatsächliche Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
VT sowie die von einem ESP-System geschätzte Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
VX. Des Weiteren sind eingezeichnet die
Werte VX ± der Fehlerschranke AVSchranke. Etwa zum Zeitpunkt t = 2,5 s wird
die Fahrzeuggeschwindigkeit V durch eine Bremsung verringert. Wie hier
zu erkennen ist, wird das durch die Fehlerschranke VX – AVSchranke bzw. VX + AVSchranke eingeschlossene Band
dabei größer.
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3 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Fehlerschranke bei dem in 2 dargestellten
Geschwindigkeitsverlauf. Dargestellt ist das Toleranzband TB der
Fehlerschranke ΔVSchranke in m/s über der Zeit t in Sekunden.
Das Toleranzband gibt die Differenz zwischen der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
VX und der Fehlerschranke ΔVSchranke zum jeweiligen Zeitpunkt an.
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Die 4 zeigt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Dieses Verfahren wird in regelmäßigen Zeitintervallen
wiederholt ausgeführt.
Bei einem Schritt S1 wird bestimmt, ob das Fahrzeug instabil fährt. Das
Fahrzeug fährt
instabil, wenn die bereits genannte Ungleichung (1) gilt:
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Falls
die Ungleichung (1) gilt, dann wird bei einem Schritt S2 die Fehlerschranke ΔvSchranke
auf den größeren Wert
von der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx und dem ersten vorbestimmten Mindestwert vx min gemäß der bereits
genannten Beziehung (2) festgelegt.
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Falls
das Fahrzeug andernfalls stabil fährt, dann wird bei einem Schritt
S3 der normale Schrankenwert berechnet, und zwar durch die bereits
genannte Gleichung (3): ΔvSchranke = ks + vadd + vacc
+ vstab.
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Anschließend wird
bei einem Schritt S4 bestimmt, ob die Längsgeschwindigkeit vx den dritten
vorbestimmten Wert vx_3 unterschreitet, der in diesem Fall 1 m/s
beträgt.
Ist die Längsgeschwindigkeit
vx kleiner als vx_3, dann wird in einem Schritt S5 gemäß der bereits
genannten Beziehung (4) die Fehlerschranke ΔvSchranke auf den Wert vx_4,
also den größeren Wert
von der geschätzten
Längsgeschwindigkeit
vx und der nach Gleichung (3) berechneten Fehlerschranke ΔvSchranke,
festgelegt.
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Falls
die Längsgeschwindigkeit
vx andernfalls größer als
vx_3 ist, dann wird die durch die Gleichung (3) berechneten Fehlerschranke ΔvSchranke
nicht verändert.
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Die
in der Beschreibung des Verfahrens angegebenen Parameter stellen
nur grobe Richtwerte dar. Sie sind anhand von Versuchsfahrten so
zu wählen,
dass die mit Hilfe der Geschwindigkeitssensoren ermittelte Längsgeschwindigkeit
innerhalb des Bandes vx ± ΔvSchranke
liegt.
