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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung der Relativbewegung
eines sich bewegenden Objekts nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 40 014 A1 sind ein
Verfahren und eine Anordnung zur Lenkung eines Fahrzeuges bekannt.
Hierbei wird die Ist-Position des Fahrzeuges mit Hilfe eines optischen
Bewegungssensors ermittelt. Nachteilig bei dem offenbarten Verfahren
ist jedoch, dass ein Nickwinkel oder ein Wankwinkel des Fahrzeuges nicht
ermittelt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der
Relativbewegung eines sich bewegenden Objekts gemäß dem
Hauptanspruch, beziehungsweise der nebengeordneten Ansprüche,
hat demgegenüber den Vorteil, dass in unkomplizierter Weise
und ohne großen Rechenaufwand der Nickwinkel, der Wankwinkel
und eine Höhenveränderung des Fahrzeuges bezogen
auf eine stationäre Bezugsoberfläche ermittelt
werden kann. Hierzu muss lediglich eine Figur auf die stationäre
Bezugsoberfläche projiziert und anschließend ausgewertet
werden. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens kann wegen des unkomplizierten
Verfahrens daher einfach und kostensparend aufgebaut sein.
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Bevorzugt
wird bei dem Verfahren aus einem Bild der Figur eine Ist-Position
der Figur bestimmt, wobei die ganze Figur oder nur Teilbereiche
der Figur zur Bildung der Ist-Position verwendet werden. Besonders
bevorzugt wird nur ein einziges Bild der Figur zur Ermittlung der
Ist-Position verwendet. Vorzugsweise wird die so ermittelte Ist-Position
der Figur mit einer vorgegebenen Position der Figur verglichen.
Die vorgegebene Position ist dabei bevorzugt ein fester Wert und
beispielsweise in einer Recheneinheit gespeichert. Bei einem Vergleich
der Ist-Position und der vorgegebenen Position miteinander, werden
vorzugsweise nur die Abweichungen der beiden Positionen voneinander
für die anschließende Bestimmung der Relativbewegung
benötigt.
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Vorzugsweise
wird die Ist-Position durch ein Bildverarbeitungsverfahren bestimmt
und die Relativbewegung wird bevorzugt durch eine anschließende Triangulation
bestimmt. Zur Triangulation sind dabei verschiedene Winkel der Messvorrichtung
bekannt, die bei der Triangulation berücksichtigt werden.
Weiterhin werden bei der Triangulation aber auch bevorzugt Werte
der Ist-Position und der vorgegebenen Position der Figur berücksichtigt.
Als verschiedene Winkel werden beispielsweise die Winkel zwischen einer
Beleuchtungseinheit und einer Kameraachse bevorzugt als feste Größen
in einer Recheneinheit explizit oder impliziert abgespeichert.
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Durch
die Triangulation wird bevorzugt der Wankwinkel und/oder der Nickwinkel
und/oder ein Höhenversatz des bewegten Objekts bezogen
auf die stationäre Bezugsoberfläche als Relativbewegung
bestimmt. Die für die Triangulation benötigten Werte
sind dabei bevorzugt abgespeichert oder werden durch einen Vergleich
der Ist-Position mit der vorgegebenen Position gebildet. Die Ermittlung
der Relativbewegung des bewegten Objekts erfolgt folglich vorteilhaft
mit wenig Rechenaufwand und schnell, so dass auch schnelle Veränderungen
der Relativbewegung des bewegten Objekts ohne großen Zeitversatz
ermittelt und zur Verfügung gestellt werden können.
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Vorzugsweise
ist das bewegte Objekt ein Fahrzeug, wobei das Fahrzeug die Messvorrichtung aufweist.
Besonders bevorzugt wird die Figur von einer Kamera aufgenommen,
wobei das Kamerabild der Figur zur Bestimmung der Relativbewegung
verwendet wird. Im weiteren wird daher auch von dem Kamerabild gesprochen.
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Vorzugsweise
umfasst das Bildverarbeitungsverfahren mindestens eine Tiefpassfilterung und/oder
eine Binarisierung und/oder eine Invertierung und/oder eine Hough-Transformation
und/oder eine Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung. Bevorzugt wird
das Kamerabild zunächst einer starken Tiefpassfilterung
unterzogen. Hierdurch können vorteilhaft kleine Strukturen,
die sich durch hohe Frequenzen auszeichnen, aus dem Kamerabild entfernt
werden. Wird beispielsweise als stationäre Bezugsoberfläche
die Straßenoberfläche verwendet, kann die Struktur
des Asphalts durch eine Tiefpassfilterung aus dem Kamerabild gefiltert
werden. Das so bearbeitete Kamerabild weist folglich nur noch große Strukturen
mit entsprechend tiefen Frequenzen auf. Bevorzugt wird anschließend
ein Schwellwert gebildet und alle vorhandenen (Farb-)Werte des Kamerabildes
entsprechend des Schwellwertes einem Grauwert zugeordnet. Beispielsweise
kann ein Kamerabild durch die Schwellwertbildung so verändert
werden, dass es im wesentlichen nur noch einen ersten und einen
zweiten Grauwert aufweist. Alle bis zur Schwellwertbildung vorhandenen
Grauwerte des Kamerabilds werden, wenn sie unterhalb des Schwellwerts
liegen, beispielsweise dem ersten Grauwert zugeordnet. Liegen die
vorhandenen Grauwerte oberhalb des Schwellwerts, werden sie beispielsweise
dem zweiten Grauwert zugeordnet. Bei der Verwendung von nur zwei
Grauwerten zur Zuordnung wird das Kamerabild so vorteilhaft binarisiert,
wobei bevorzugt als erster oder zweiter Grauwert Weiß oder
Schwarz verwendet werden. Bevorzugt werden die Werte des Kamerabildes
nach der Schwellwertbildung invertiert. Bei der Darstellung einer
Linie, die in Form einer Schattenlinie oder einer hellen Streifenlinie
als Figur projiziert wird, kann so beispielsweise die Schattenlinie
hell vor einem dunklem Hintergrund im Kamerabild dargestellt und
weiter ausgewertet werden. Die invertierte Schattenlinie wird dann
bevorzugt in einer 2D-Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung dargestellt,
wobei durch die Lokalisierung des Maximums und der Bestimmung der
Hauptachse durch das Maximum der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung
die Abweichung der Linie von der vorgegebenen Position der Linie
ermittelt wird. Die so ermittelte Abweichung zwischen der Ist-Position
und der vorgegebenen Position der Linie wird dann in der Triangulation
berücksichtigt. Durch die Triangulation ist dann die Relativbewegung
des Objekts relativ zur stationären Bezugsoberfläche
bestimmbar. Die genaue Vorgehensweise zur Bestimmung der Ist-Position
der Linie wird in der Figurenbeschreibung anhand von Figuren näher erläutert.
Statt der Verwendung einer 2D-Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung ist
auch eine Weiterverarbeitung mit einer Hough-Transformation möglich.
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Bevorzugt
wird als Figur ein Viereck von der Beleuchtungseinheit auf die stationäre
Bezugsoberfläche projiziert. Vorzugsweise wandert die Figur
entlang mindestens einer Raumrichtung auf der stationären
Bezugsoberfläche, wenn eine Höhenveränderung
zwischen dem bewegten Objekt und der stationären Bezugsoberfläche
eingetreten ist. Weiterhin bevorzugt wird die Figur verzerrt, wenn
das Objekt bezogen auf die stationäre Bezugsoberfläche
wankt oder nickt. Die Linien, welche die Figur bilden, verlaufen
in diesem Fall schräg gegenüber den Linien, welche
die Figur im zu projizierenden Muster bilden. Die Positionsänderungen
der Linien, durch Verzerrung des Vierecks oder durch Wandern des
Vierecks auf der stationären Bezugsoberfläche,
werden durch die Relativbewegung des Objekts bewirkt. Die Positionsänderungen
der Linien bilden hierbei die Ist-Position der Linien im Kamerabild.
Die eigentliche Position der Linien in der von der Kamera erfassten
Fläche ist durch die vorgegebene Position festgelegt. Die
vorgegebene Position der Linien ist dabei die Position der Linien,
die sie ohne ein Wanken, Nicken oder eine Höhenveränderung
des bewegten Objekts gegenüber der stationären
Bezugsoberfläche eingenommen hätten. Wie bereits
beschrieben, ist die vorgegebene Position der Linien in der Fläche
bevorzugt als vorgegebene Position in der Recheneinheit zum Vergleich
mit der Ist-Position der Linien gespeichert.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung
zur Verwendung in einem Verfahren zur Bestimmung der Relativbewegung
eines sich bewegenden Objekts. Die Messvorrichtung weist dabei eine
Beleuchtungseinheit auf, wobei die Beleuchtungseinheit eine Strukturierung
aufweist. Beispielsweise kann die Beleuchtungseinheit eine LED sein,
wobei mittels lasern eine Strukturierung in die LED-Linse eingraviert
wurde. Die Strukturierung wird bevorzugt als Figur auf die stationäre
Bezugsoberfläche durch die Beleuchtungseinheit abgebildet,
wenn die Beleuchtungseinheit Licht emittiert. Selbstverständlich
kann die Beleuchtungseinheit auch eine OLED sein und/oder eine Blende
als Strukturierung vor der Beleuchtungseinheit platziert sein. Die
Blende würde in diesem Fall wie eine Art Dia wirken, wobei
das Dia bei der Beleuchtung durch die Beleuchtungseinheit auf die
stationäre Bezugsoberfläche abgebildet wird. Das
Bild des Dias bildet in diesem Fall die Figur.
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Vorzugsweise
ist der Messvorrichtung eine Recheneinheit zugeordnet. In der Recheneinheit
sind bevorzugt die Winkel zwischen der Kameraachse und der Beleuchtungseinheit
gespeichert. Denkbar ist jedoch auch, dass in der Recheneinheit
zusätzlich die vorgegebene Position der Figur gespeichert
ist. Bevorzugt ist jedoch auch das Bildverarbeitungsverfahren mittels
der Recheneinheit ausführbar beziehungsweise die Recheneinheit
führt das Bildverarbeitungsverfahren aus. Die Recheneinheit
kann entweder in der Messvorrichtung integriert sein, oder außerhalb
der Messvorrichtung an dem bewegten Objekt angebracht sein. Bei
einem Fahrzeug beispielsweise als bewegtes Objekt weist die Messvorrichtung bevorzugt
auch eine Sendeeinheit und/oder eine Empfangseinheit auf, um die
errechneten Daten über die Relativbewegung weiterzuleiten.
Beispielsweise kann der ermittelten Nick- und/oder Wankwinkel an ein
Reifenkontrollsystem und/oder den Fahrer des Fahrzeuges weitergeleitet
werden.
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Bevorzugt
weist die Messvorrichtung eine Kamera auf. Die Kamera weist bevorzugt
eine große Apertur und eine hohe Bildaufnahmerate auf.
Durch die Große Apertur kann die Figur auch bei großen Höhenveränderungen
oder großen Nick- oder Wankwinkel des bewegten Objekts
noch von der Kamera erfasst und von der Recheneinheit ausgewertet
werden. Mittels der hohen Bildaufnahmerate können auch
schnelle und kurzzeitige Änderungen der Relativbewegung
des bewegten Objekts erfasst und ausgewertet werden.
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Die
Messvorrichtung wird vorzugsweise zur Bestimmung einer Relativbewegung
eines sich relativ zu einer relativ zur Erdoberfläche stationären
Bezugsoberfläche bewegenden Objekts verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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1 stellt
schematisch eine Messvorrichtung dar.
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2 stellt
schematisch die Messvorrichtung dar, wobei durch eine Beleuchtungseinheit
der Messvorrichtung eine Figur auf eine stationäre Bezugsoberfläche
projiziert ist.
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3, 4 und 5 stellen
schematisch ein Kamerabild der Figur bei verschiedenen Bildverarbeitungsschritten
dar.
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6, 7 und 8 stellen
schematisch einen Vergleich der Ist-Position und der vorgegebene Position
der Figur dar.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In
der 1 ist schematisch eine Messvorrichtung 1 dargestellt.
Die Messvorrichtung 1 ist bevorzugt an einem nicht dargestellten
Objekt angebracht und weist im Ausführungsbeispiel eine
Kamera 6 und eine Beleuchtungseinheit 3 mit einer
Strukturierung 5 auf. Die Beleuchtungseinheit 3 und
die Kamera 6 stehen in einem Winkel α zueinander,
dieser Winkel α muss für eine Triangulation bekannt sein.
Die Kamera 6 weist eine Apertur mit dem Winkel Θ auf,
wodurch eine Fläche 11 von der Kamera 6 erfasst
und abgebildet werden kann. Die Fläche 11 ist bevorzugt
vollständig von der Beleuchtungseinheit 3 ausgeleuchtet
und ist ein Teil der stationären Bezugsoberfläche 2.
Die Beleuchtungseinheit 3 beleuchtet die Strukturierung 5,
die hierdurch auf die Fläche 11 abgebildet wird.
Es entsteht als Bild der Strukturierung 5 die 4,
welche in Abhängigkeit der Relativbewegung des Objekts
und der Bezugsoberflächenbeschaffenheit (Textur) von der
Strukturierung 5 abweicht. Die 4 wird,
wenn das bewegte Objekt nickt, wankt oder seine Höhe gegenüber
der stationären Bezugsoberfläche 2 verändert,
verzerrt oder wandert entlang der stationären Bezugsoberfläche 2. Folglich
kann über die Veränderung der 4 eine Aussage über
die Relativbewegung des bewegten Objekts getroffen werden, wobei
Veränderung der 4 als Werte in einer Triangulation
zur Bestimmung der Relativbewegung berücksichtigt werden. Die 4 wird
von der Kamera 6 aufgenommen und in die Ebene 7 abgebildet.
Bevorzugt befindet sich in der Ebene 7 ein Chip zur Bildaufnahme
und Speicherung. Die Position der 4 als Bild
der Strukturierung 5 bildet die Ist-Position der 4,
die im weiteren Verfahren zur Bestimmung der Relativbewegung des
bewegten Objektes benötigt wird. Im Ausführungsbeispiel
ist als Strukturierung 5 eine Linie gewählt. Das
Bild der Strukturierung 5 ohne Nickwinkel, Wankwinkel oder
Höhenveränderung des Objekts ist in diesem Fall
die Linie 4. Bei einem Nicken oder Wanken des bewegten
Objektes würde das Bild der Strukturierung 5 wie
die Linie 12 verlaufen. Bei einer Höhenveränderung
des bewegten Objekts relativ zu der stationären Bezugsoberfläche 2,
wäre das Bild der Strukturierung 5 beispielsweise
an die Stelle der Linie 13 in der Fläche 11 verschoben.
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In
der 2 ist schematisch die Messvorrichtung 1 mit
einem Gehäuse 8 dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist
im Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Leiterplatte 9 und
ein optisches System 10 auf. Innerhalb des Gehäuses 8 befindet
sich in diesem Ausführungsbeispiel auch die Beleuchtungseinheit 3.
Denkbar ist jedoch auch, dass die Messvorrichtung 1 zusätzlich
eine Recheneinheit zur Triangulation und Bildverarbeitung aufweisen
könnte. Die Strukturierung 5 ist im Ausführungsbeispiel
als ein Viereck ausgebildet. Das Bild der Strukturierung 5 ist folglich
ohne Höhenveränderung oder Nicken oder Wanken
des bewegten Objekts ein Viereck 4. Bei einem Nicken des
Objekts nach links bezogen auf die stationäre Bezugsoberfläche 2 wird
das Bild der Strukturierung 5 zu einer Figur 4' verformt.
Ein Nicken des bewegten Objektes nach vorne bewirkt eine Verformung
des Bildes zu einer Figur 4''.
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Die 3 stellt
schematisch einen Ausschnitt eines Kamerabildes dar. Als gestrichelte
Linie ist eine Schattenlinie dargestellt, die als Bild der Strukturierung 5 auf
die Bezugsoberfläche 2 projiziert wurde. Die Schattenlinie
ist folglich die 4. Die Schattenlinie weist durch
die Abbildung eine Ausdehnung auf, die durch den Doppelpfeil gekennzeichnet ist.
Durch die Ausdehnung ist jedoch die genaue Position der Schattenlinie
nicht bestimmbar. Durch die nachfolgenden Bildverarbeitungsschritte
kann jedoch die Position der Schattenlinie als Ist-Position ermittelt und
anschließend für eine Triangulation berücksichtigt
werden.
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In
der 4 ist schematisch der Ausschnitt des Kamerabildes
nach einer Tiefpassfilterung dargestellt. Hierbei werden die hohen
Frequenzen durch den Filter ausgelöscht und zurückbleiben
im Kamerabild nur die niedrigen Frequenzen. In vorteilhafter Weise
kann so beispielsweise die Struktur des Straßenbelags aus
dem Kamerabild entfernt werden. Die Struktur der Schattenlinie,
die hauptsächlich niedrige Frequenzen aufweist, bleibt
jedoch erhalten.
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Die 5 zeigt
schematisch den Ausschnitt des Kamerabildes nach einer Schwellwertbildung
mit einer Binarisierung und einer anschließenden Invertierung.
Hierbei wurde in Abhängigkeit der vorhandenen Grauwerte
im Kamerabild ein Schwellwert gebildet. Grauwerte die sich oberhalb
des Schwellwertes befinden bekommen beispielsweise die Farbe Schwarz
zugeordnet. Grauwerte die sich unterhalb des Schwellwerts befinden,
bekommen beispielsweise die Farbe Weiß zugeordnet. Hierdurch
entsteht eine Binarisierung des Kamerabildes, die eine Reduzierung
der Daten bewirkt. Bei einer anschließenden Invertierung
werden die zuvor schwarz dargestellten Bildbereiche weiß,
und die zuvor weiß dargestellten Bildbereiche schwarz dargestellt.
Hierdurch ist die Schattenlinie als eine weiße Linie vor
einem dunklen Hintergrund besonders gut detektierbar.
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Anschließend
wird die bearbeitete Schattenlinie in einer 2D-Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung 16 dargestellt,
wie die 5B schematisch zeigt. Im wesentlichen
mittig durch das Maximum der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung 16 wird
eine Achse gezogen, wobei die Achse mit großer Genauigkeit
die Lage der Schattenlinie ohne Ausdehnung wiedergibt. Im weiteren
wird diese Achse auch als segmentierte Schattenlinie 15 bezeichnet.
Die Linie 14 würde die Position der 4 auf
der Bezugsoberfläche 2 ohne Nicken, Wanken oder
einer Höhenveränderung des bewegten Objekts angeben.
Sie stellt somit die vorgegebene Position der 4 da
und wird im weiteren auch als Vergleichslinie 14 bezeichnet.
Zur Bestimmung der Relativbewegung des bewegten Objekts muss der
laterale Versatz 17 zwischen der segmentierten Schattenlinie,
welche die Ist-Position der 4 darstellt,
und der Vergleichslinie 14 bestimmt und anschließend
in einer Triangulation berücksichtigt werden.
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Die 6 stellt
schematisch einen Vergleich der Ist-Position mit der vorgegebene
Position dar, wobei die Ist-Position der segmentierten Schattenlinie 15 mit
der vorgegebenen Position der Vergleichslinie 14 verglichen
wird. Die segmentierte Schattenlinie 15 ist bezogen auf
die Vergleichslinie 14 lediglich nach rechts gewandert.
Anhand der 4 ist zu erkennen, das dass
bewegte Objekt keinen Nickwinkel bezogen auf die stationäre
Bezugsoberfläche aufweist. Lediglich die Höhe
der Messvorrichtung 2 zur stationären Bezugsoberfläche 2 ist
verändert worden. Durch eine anschließende Berechnung
kann der genaue Wert, um den sich die Höhe verändert, hat
errechnet werden.
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In
der 7 ist schematisch eine Winkelveränderung
des bewegten Objekts zur stationären Bezugsoberfläche 2 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die segmentierte Schattenlinie 15' um
einen Winkel gegenüber der Vergleichslinie 14 verdreht.
Durch die Berechnung des Winkels aus der Triangulation kann in unkomplizierter
Weise der Nickwinkel des bewegten Objekts bezogen auf die stationäre
Bezugsoberfläche 2 errechnet werden. Selbstverständlich
kann auch der Wankwinkel berechnet werden, wobei hierzu eine Querlinie
als segmentierte Schattenlinie und deren Verdrehung bezüglich
einer Ursprungslinie benötigt wird. In den Figuren ist
jedoch beispielhaft nur eine segmentierte Schattenlinie 15' zur
Errechnung des Nickwinkels dargestellt.
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In
der 8 ist schematisch die Position der segmentierten
Schattenlinie 15'' dargestellt, wenn das bewegte Objekt
sowohl einen Nickwinkel und einen Höhenversatz gegenüber
der stationären Bezugsoberfläche 2 aufweist.
In diesem Fall ist die segmentierte Schattenlinie 15'' gegenüber
der Vergleichslinie 14 um einen Winkel verdreht und von
der Vergleichslinie 14 weg gewandert. In diesem Fall wird der
laterale Versatz der beiden Linien 14, 15'' mittels einer
Hilfslinie 18 bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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