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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Aufprallerkennung in einem Fahrzeug nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus
der
DE 103 17 638
A1 ist eine Anordnung zur Aufprallerkennung bekannt, bei
dem ein Aufprallsensor dadurch realisiert ist, dass ein druckempfindlicher
Lack auf einem Karosserieteil aufgebracht ist. Durch beispielsweise
den piezoelektrischen Effekt wird eine Kraft, die auf dieses Karosserieteil
wirkt, beispielsweise durch einen Aufprall, in Form einer elektrischen
Spannung messbar dargestellt. Die Schrift beschreibt des weiteren
die Verwendung weiterer Kraftsensoren.
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In
der
DE 103 09 714
A1 wird ein Aufprallsensor mittels mehrerer hintereinandergeschalteter Kontakte
realisiert, mit denen die Aufprallgeschwindigkeit, Aufprallzeitpunkt
und die Verzögerung
festgestellt werden kann. Die wie Schalter wirkende Kontakte können bereits
aktiviert werden, ohne den Stoßfänger sichtlich
zu beschädigen.
Eine Mustererkennung aus Signalen mehrerer räumlich verschieden angeordneter
Schalter ist hier nicht gezeigt.
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In
der
DE 10 2006
001 366 A1 ist eine räumlich
unterschiedliche Anordnung von Beschleunigungssensoren im Fahrzeug
gezeigt, die aus dem Zeitversatz der Messausschläge an den verschiedenen Sensoren
auf den Ort des Aufpralls schließen. Der Aufprallort muss hierbei
aus dem zeitlichen Verlauf der Sensorsignale nach dem Eindringen
verhältnismäßig aufwändig und
zeitverzögert
ermittelt werden.
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In
der
DE 198 26 485
A1 ist eine Sensormatte gezeigt, die eine Anordnung einer
Drucksensormatrix enthält
und u. a. auf Teile des Kraftfahrzeugs aufgebracht werden kann,
um eine Ortsauflösung
der Druck-/Krafteinwirkung zu ermöglichen.
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In
der
DE 100 03 992
A1 ist die Anordnung eines Intrusionssensors nach dem Schafterpninzip gezeigt,
die beim Eindringen des Hindernisses die Eindringgeschwindigkeit
mittels Messung an 2 Messpunkten misst. Die Anordnung kann dermaßen ausgebildet
sein, dass die Schalter dabei geschlossen, oder in einer anderen
Anordnung geöffnet
werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs haben demgegenüber den
Vorteil, dass die Art und/oder Schwere einer Kollision exakter bestimmt
und schneller detektiert werden kann. Hierbei kommen ebenfalls Kontaktsensoren
zum Einsatz, die bei einer mechanischen Einwirkung, beispielsweise
einer Kollision, zerstört und/oder
unterbrochen werden und somit Schalter ausbilden. Beispielsweise
kann das Sensorelement durch eine einfache Leiterbahn realisiert
werden, welche bei der Kollision unterbrochen wird. Werden nun mehrere
dieser Schalter auf der möglichen
Kollisionsfläche
des Kollisionselements, beispielsweise der Stoßstange eines Kraftfahrzeuges,
angebracht, so kann anhand der zeitlichen Abfolge des Ausfalls dieser
Schalter festgestellt werden, welche Form der kollidierende Gegenstand
besitzt und wie schnell, bzw. mit welchem Impuls oder Energiegehalt
er in das Fahrzeug eindringt. Hierbei ist insbesondere die Zeitdauer,
die zwischen dem Ausfall verschiedener Sensoren vergeht, von Bedeutung.
Die Geschwindigkeit mit der die Schalter fortschreitend ausfallen
gibt daher Hinweis auf die Schwere der Kollision und evtl. auf die
Art.
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Dadurch
dass sich diese Schalter idealerweise sehr nahe am Ort des Auftreffens
des kollidierenden Gegenstandes befinden und die Auswirkungen der
Kollision hier als erstes zutage treten (abgesehen von prädiktiven
Erkennungssystemen), ist eine schnellere Aufprallerkennung möglich, als
beispielsweise durch andere bekannte zur Kollisionserkennung verwendete
Sensorarten, wie Luftdruck- oder Beschleunigungssensoren. Durch
die lageabhängige Anbringung
der Schalter kann des Weiteren festgestellt werden, an welcher Stelle
genau eine Kollision stattfindet.
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Mittels
geeigneter Mustererkennungsverfahren können Merkmale extrahiert werden,
die die Art der Kollision bestimmen, beispielsweise die Unterscheidung
zwischen einem sogenannten ODB-Crash, einer Kollision mit einem
anfänglich
verformbaren Hindernis, was noch zu keiner kritischen Verzögerung des
Fahrzeugs führt,
jedoch dazu dass die Insassen beispielsweise nach vorne rutschen können. Die
Gefahr hierbei besteht darin, dass einem, dieser weichen Kollision
möglicherweise
folgenden, harten Aufprall die Auslösezeit für ein Personenschutzsystem
nicht mehr ausreichend ist, da die Insassen bereits zu weit nach
vorne gerutscht sind. Daher ist eine frühe Erkennung dieser ODB Crashs notwendig
und soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erreicht werden können.
Demgegenüber
stehen sogenannte AZT-Crashs, welche Kollisionen mit geringem oder
keinem Schaden sind, die keine Auslösung mit Personenschutzsystemen
erforderlich machen, wie beispielsweise das Kollidieren mit flexiblen/beweglichen
Gegenständen
oder Bordsteinanpraller, oder das Überfahren derselbigen.
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Bestandteil
des Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist weiterhin eine Auswerteeinheit,
welche derartige Analysen durchführt
und zur Entscheidungsfindung beiträgt, ob die Auslösung eines
Personenschutzsystems notwendig ist oder nicht. Erfindungsgemäß unerheblich
ist es, ob diese Information einer weiteren Bearbeitung in beispielspielsweise
anderen Steuergeräten,
wie dem Airbagsteuergerät
zugeführt wird,
oder ob eine Auslösung
direkt durchgeführt wird.
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Die
Anbringung dieser Schalter findet idealerweise nahe an der Kollisionsstelle
statt, beispielsweise auf der Vorderseite der Stoßstange,
kann aber genauso auf der Rückseite
im Inneren der Stoßstange
geschehen, um beispielsweise Witterungseinflüssen oder Beschädigungen
durch nicht kritische Umwelteinwirkungen zu vermeiden. Die Materialien
des Kollisionselements sollten derart auf das Material der Schalter
abgestimmt sein, dass erst bei Zerstörung, bzw. bei relevanten Krafteintrag
auf das Kontaktelement die Schalter zerstört werden. Im Vergleich zu anderen
Sensorarten bieten die Schalter auch deswegen eine schnellere Detektionsmöglichkeit,
da sofort mit deren Zerstörung
bzw. Unterbrechung ein verarbeitbares Signal vorliegt und nicht
erst auf eine Beschleunigungs- oder eine (Luft)druckänderung oder
die Ausprägung
eines anderen physikalischen Effekts gewartet werden muss. Außerdem führt die Einfachheit
des Schaltersignal (an/aus) zu einer wenig rechenaufwendigen Verarbeitung
der Signale; im Gegensatz dazu müsste
bei einem Beschleunigungs- oder Luftdrucksensor gegebenenfalls eine
Signalvorverarbeitung stattfinden, die physikalische Messgröße umgewandelt
werden, sowie anstatt eines digitalen Signals ein analoges Signal
mit erhöhtem
Rechenaufwand ausgewertet werden.
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Vorteilhafterweise
können
die Schalter zu einem oder mehreren Netzen zusammengeschlossen werden.
Hierbei können
räumlich
verteilte Cluster ausgebildet werden. Abhängig beispielsweise vom Herstellungsverfahren
kann es sein, dass eine zu erwartend relativ geringe Menge von Schalter
auch ohne eine Kollision, bzw. eine sonstige unerwünschte Beschädigung ausfallen,
ohne dass eine Kollision vorliegt. Diese Problematik kann dadurch
gelöst
werden, dass mehrere dieser Schalter in einem Cluster zusammengefasst
werden, und erst ab einer bestimmten Ausfalldichte, dass heißt einer
bestimmten Anzahl ausgefallener Schalter im Cluster, gilt eine Kollision
an der räumlichen
Lage des Clusters als erkannt. Alternativ kann auch die Ausfallrate
der Schalter in einem Cluster gemessen werden, dass heißt wenn
innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit eine bestimmte Anzahl Schalter
ausfällt,
kann davon ausgegangen werden, dass in diesem Augenblick an dieser Stelle
eine Kollision stattfindet. Bei letzterer Variante wird eine fälschliche
Kollisionserkennung ausgeschlossen, falls aus sonstigen Gründen auch
eine große
Zahl von Schaltern innerhalb eines Clusters vor einem Kollisionsereignis
ausgefallen sein sollte. In beispielsweise diesem Fall kann auch
eine Warnung an den Fahrer ausgegeben werden, die anzeigt, dass
die Erkennungsvorrichtung (teilweise) ausgefallen ist.
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Zweckmäßigerweise
können
auch die Ergebnisse anderer Sensorarten berücksichtigt werden, wie beispielsweise
Luftdrucksensoren, Beschleunigungssensoren, die beispielsweise als Upfrontsensoren
(UFS) oder Seitenaufprallsensoren (PAS) Anwendung finden können. Mittels
Methoden wie beispielsweise der Merkmalsanalyse oder Mustererkennung
kann durch Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den erfindungsgemäßen Sensoren
(Schaltern) und anderen Sensoren, wie beispielsweise den genannten,
und/oder anderen Konzepten wie auch einem prädikativen Aufprallerkennungssystems
(beispielsweise realisiert durch Radar und Umfeldsensoren), eine
genauere Erkennung durchgeführt
werden. Die Auswerteeinheit kann auch in eine andere bereits bestehende
Einheit integriert werden, beispielsweise in das Airbagsteuergerät, welches
bereits eine Bewertung der Lage mittels der anderer Sensoren durchführt.
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Vorteilhaft
ist die Verwendung einer Transistorschaltung, mit welcher beispielsweise
das Schaltersignal invertiert werden kann, dass heißt es findet ein
Stromfluss zur Auswerte- oder Vorverarbeitungseinheit im unterbrochenen,
anstatt im nicht unterbrochenen Zustand statt, was zu Folge hat,
dass im Normalbetrieb (ohne Kollision) kein Energie für einen dauerhaften
Stromfluss aufzuwenden ist.
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Gegebenenfalls
können
mittels der Transistorschaltung weitere Effekte bzw. Synergien genutzt werden
die sich beispielsweise durch die Zusammenschaltung von mehreren
Schaltern/Transistorsignalen oder eine Vorverarbeitung ergeben,
welche dem Fachmann beispielsweise aus der Elektrotechnik bekannt
sind. Die Vorverarbeitung könnte
z. B. die Clusterbildung, oder die Bestimmung einer Größe für die Ausfallrate übernehmen.
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Vorteilhafterweise
kommen neuartige Plastiktransistoren zum Einsatz, deren Werkstoffe
ein einfaches Verarbeitungsverfahren ermöglichen. Die aus elektrisch
leitenden Polymeren bestehenden Plastiktransistoren können beispielsweise
mittels herkömmlicher
Drucktechniken auf das Kollisionselement aufgebracht werden. Die
Verwendung solcher Drucktechniken ist Stand der Technik und im Herstellungsprozess
einfach, schnell und günstig
realisierbar. Leiterbahnen und gegebenenfalls andere Bauelemente können ebenfalls
mit diesen Polymeren hergestellt werden. Die Druckvorlage bestimmt
auch die Anordnung und Ausrichtung der Sensoren, beispielsweise ist
auch denkbar die Sensoren in mehreren Richtungen bzw. Dimensionen
zu platzieren. Denkbar ist auch ein Aufdruck in mehreren Schichten,
beispielsweise auf die Kontaktfläche
des Kollisionselements und nachträglichem Überziehen mit einer ungewollte Umwelteinflüsse abweisenden
und/oder elektrisch isolierenden Beschichtung.
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Plastiktransistoren
können
weitere vorteilhafte Eigenschaften beinhalten, wie eine gegebenenfalls
höheren
Viskosität
des Plastikwerkstoffes gegenüber
dem Werkstoff des Kollisionselements, was dazu führt, dass erst bei einer wirklichen
Beschädigung
oder Brechen des Kollisionselements der Schalter schaltet. Sensorirritationen
wie beispielsweise das Aufschlagen eines Balls auf das Kollisionselement
können
somit vermieden werden. Umgekehrt können die Werkstoffe und Viskositäten auch so
gewählt
werden, dass ein definierter Krafteintrag auf das Kollisionselement
auch ohne irreversible Zerstörung
des Kollisionselements einen Schalter ausfallen lässt.
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Die
Signalisierung (Art der Informationsübermittlung) kann auf verschiedene
Arten realisiert sein. So kann die Auswerteeinheit den Zustand Schalter, bzw.
Vorverarbeitungseinheiten der Cluster abfragen (pollen), was üblicherweise
in zyklischen Abständen geschieht.
Die Abfragefrequenz muss zum Zwecke der Kollisionserkennung aufgrund
der Eindringgeschwindigkeit dann wenige Millisekunden oder weniger
betragen.
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Alternativ
kann die Kollisionserkennung auch interruptbasiert durchgeführt werden.
Beispielsweise liefert der bei einer Kollision auftretende Stromfluss (Erläuterung
siehe Transistorschaltung) eine Interruptsignalquelle. Gleiches
gilt für
eine Vorverarbeitungseinheit, die ab Überschreiten eines bestimmten Signalpegel
durch beispielsweise den Ausfall mehrerer Sensoren ein Interruptsignal
auslöst.
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Die
physikalische Signalübertragung
kann mittels Leiterbahnen, die beispielsweise nach o. g. Verfahren
gedruckt werden, diskreter Kontaktierung, oder auch Funkübertragung
geschehen. Letzteres kann sich auf aktive Systeme, die mit eigener
Energieversorgung senden, oder passive Systeme, die eine Antwort
auf äußere Anregung
geben (vgl. RFID-Chips) geben, beziehen.
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Begriffserläuterungen
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Ein
Schalter bezeichnet vorliegend eine spezielle Ausprägung eines
Kontaktsensors. Im Normalzustand bzw. Grundzustand ist der Schalter
geschlossen und wird bei Kontakt, bzw. erfindungsgemäß bei einer
Kollision, bzw. seiner Zerstörung
geöffnet,
sodass kein Stromfluss über
diesen mehr stattfinden kann. Ein solcher Schalter kann als einfache Leiterbahn
ausgebildet sein, welche eben bei Zerstörung unterbrochen wird. Der
Kontakt kann auch indirekt mittels einer Krafteinwirkung erfolgen.
Der Ausfall eines Schalters bezeichnet vorliegend ein Öffnen, bzw.
eine Leitungsunterbrechung.
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Ein
Kollisionselement bezeichnet vorliegend den Teil des Fahrzeugs mit
dem die Kollision des Gegenstands bzw. Hindernis stattfindet. Klassischerweise
ist hier der Stoßfänger bzw.
die Stoßstange
zu nennen, aber auch andere Bestandteile wie z. B. die Seitentüren können ebenso
für das
erfindungsgemäße Verfahren
verwendet werden.
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In
der Auswerteeinheit wird vorliegend die Erkennung, bzw. Analyse
durchgeführt.
Typischerweise (aber nicht zwangsläufig) ist diese softwaretechnisch
mittels eines Prozessors, beispielsweise eines Mikrocontroller,
realisiert. Des weiteren kann die Auswerteeinheit als ein eigenständiges Steuergerät ausgebildet
sein, sowie als software- und/oder hardwaretechnischer Teil eines
anderen Steuergeräts.
Auch ein anders angeordneter integrierter Schaltkreis oder ein Aufbau
aus diskreten Bauelementen oder aus mehreren integrierten Schaltkreisen
ist vorliegend möglich.
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Der
Begriff „Erkennung” bezieht
sich auf die Klassifizierung der Art und/oder Schwere einer Kollision
mit der Zielsetzung der Unterscheidung von verschiedenen Auslösesituationen,
insbesondere gewollte Auslösesituationen
und ungewollte Auslösesituationen,
bei denen ein Personenschutzsystem aktiviert oder eben nicht aktiviert
werden soll.
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Ein
Gegenstand, mit dem die Kollision stattfindet, betrifft in der Regel
Hindernisse, die die gewöhnliche
Bahn des Fahrzeugs stören
könnten,
wie beispielsweise andere Fahrzeuge, fest verankerte Hindernisse,
wie Bäume,
Pfosten, Mauern, die Beschaffenheiten des Untergrundes, aber auch
andere unkritische Objekte, wie beispielsweise ein Bordstein oder
das Auftreffen eines Balls.
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AZT
steht für ”Allianz
Zentrum Technik” und bezeichnet
sogenannte Reparaturcrashs (Fahrversuche mit geringer Geschwindigkeit
(< 10 km/h) wie Rempler
und andere). Mit dem Ergebnis dieser Test wird die Schadensklasse
für das
Fahrzeug festgelegt, im Idealfall wird nur der Stoßdämpfer ausgetauscht,
sprich eine kostengünstige
Reparatur liegt vor. Teuer wird es, wenn z. B. das Airbag-Steuergerät reagiert
und die Rückhaltemittel
(unnötigerweise) zündet.
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ODB
steht für ”Offset
Deformable Barrier” und
ist ein Crashtyp, bei dem eine Seite der Frontstruktur des Fahrzeugs
auf eine Wabenstruktur trifft, die ein anderes Auto simulieren soll.
Vorliegendes Verfahren beschränkt
sich nicht auf die Erkennung von ODB-Crashs, dies sind lediglich
beispielhaft genannte Crasharten.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 verschiedene Kollisionsarten und -verläufe,
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2 eine
Sensoranordnung,
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3 eine
systemtechnische Anordnung die den Signalfluss anzeigt.
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1a zeigt
den Kollisionsverlauf bei einem sogenannten Pfahlcrash. Hierbei
trifft das Hindernis 12 auf das Kollisionselement 11 (Stoßstange)
auf und die Schalter 13 die über das Kollisionselement räumlich verteilt
angeordnet sind, schalten bzw. fallen in der Reihenfolge des Auftreffens
des Pfahls 12 aus. Die in der Nummerierung 14 mit
1 versehenen Schalter fallen demnach als erstes aus in einem ersten Zeitschritt
in einem darauffolgenden Zeitschritt die Schalter mit der Kennzeichnung 2.
Andere Schalter sind hiervon vorliegend erstmal nicht betroffen.
In 1b ist das Hindernis 12 eine Wand dargestellt, auf
die das Fahrzeug schrägt
auftrifft, hierbei fallen die Schalter 13 in der Reihenfolge
von links nach rechts aus, sowie in der Nummerierung 14 dargestellt.
In 1c ist ein Frontalcrashszenario dargestellt, bei
dem die Wand 12 sehr zeitgleich alle Schalter 13 zerstört. Selbstverständlich ist
es aussagekräftig
wie groß genau
der zeitliche Abstand zwischen den Zerstörungen verschiedener Schaltern
ist, um die Art, Lage, Winkel oder Schwere der Kollision beurteilen
zu können.
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2 zeigt
beispielhaft ein Kollisionselement 21 auf dem verschiedene
Schalter 22 angebracht sind, welche zu verschiedenen Schalternetzen 23 gruppiert
sind. Diese bilden entsprechende Cluster die räumlich verteilt auf der Stoßstange 21 Platz
finden. Denkbar ist selbstverständlich
auch eine andere Anordnung dieser Cluster, sei es in einer zweiten
Dimension, oder in einer Anordnung wo sich die Cluster bzw. Schalternetze überlappen.
Durch letzteres kann eine höhere
Signifikanz des Schalterausfalls an einer Stelle erreicht werden,
bzw. der Schalterausfall plausibilisiert werden.
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In 3 wird
die systemtechnische Anordnung gezeigt wie die Signalflüsse im Gesamtsystem beispielhaft
aussehen können.
Ausgehend von den erfindungsgemäßen Schaltern
bzw. Schalternetzen 31 wird deren Signal in einer optionalen
Vorverarbeitungseinheit 32 ausgewertet, wo beispielsweise
die Signifikanz oder Plausibilisierung der Signale getestet wird.
Ein entsprechend vorverarbeitetes Signal gelangt so zu einer Auswerteeinheit 33,
welche die erfindungsgemäße Auswertung
durchführt
und dabei gegebenenfalls andere Messgrößen wie beispielsweise Messgrößen eines
Upfrontsensors 34 und eines Seitenaufprallsensors 35,
oder bereits ausgewertete Ergebnisse, bzw. Zwischenergebnisse, beispielsweise
eines Airbagsteuergeräts 36,
oder weiterer Sensoren oder Steuergeräte 37 mit berücksichtigt und/oder
verknüpft.
Implementierungsabhängig
führt die
Auswerteeinheit 33 oder alternativ beispielsweise das Airbagsteuergerät 36,
die Ansteuerung eines Personenschutzsystems 38 durch.