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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Optimieren des ökonomischen und ökologischen
Betriebs von Fahrzeugen. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf
Lkws und insbesondere Lkws für den Langstreckenverkehr
beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung
auch bei anderen Kraftfahrzeugen und insbesondere Straßenkraftfahrzeugen
anwendbar ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind diverse Verfahren bekannt, welche Fahrer
unter Berücksichtigung beispielsweise der Verkehrssituation
unterstützen. So beschreibt die
DE 103 453 19 A1 eine voraussagende
Geschwindigkeitssteuerung für ein Kraftfahrzeug. Dabei
verwendet ein voraussagendes Tempomatsystem Information über
die gegenwärtige Fahrzeugposition so wie auch das bevorstehende Gelände,
um Kraftstoff zu sparen.
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Aus
der
DE 10 2004
026 639 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Höhen-
oder Steigungsinformationen bei einem Kraftfahrzeug bekannt. Dabei
sind in einer digitalen Karte Höhen- oder Steigungsinformationen
gespeichert. Zur Bestimmung der Höhen- oder Steigungsinformationen
im Kraftfahrzeug aufgrund der erkannten Fahrzeugposition werden
diese Höhen- und Steigungsinformationen der digitalen Karte
ausgewertet und für den Betrieb verwendet.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ermitteln daher stets
bestimmte Streckeninformationen für eine künftige
Strecke und unterstützen den Fahrer im Hinblick auf diese
zukünftige Strecke in ihrer Gesamtheit. Dabei wird die
gesamte zukünftige Strecke hinsichtlich des möglichen
Einsparungspotenzials einheitlich behandelt. Tatsächlich
ist es jedoch denkbar, dass eine Fahrtstrecke bei unterschiedlichen
Streckenabschnitten ein unterschiedliches Einsparungspotential ermöglicht
und deshalb verschiedene Streckenabschnitte nach verschiedenen Kriterien
und Verfahren optimiert werden, wie unten im Detail gezeigt wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch Verfahren bekannt, welche als Optimierungskriterien
u. a. eine bestimmte Durchschnittsgeschwindigkeit über
die gesamte Strecke und/oder einem Horizont vor dem Fahrzeug anstreben
und diese über die Strecke konstant belassen.
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Dabei
ist diese eingestellte Durchschnittsgeschwindigkeit unabhängig
vom Verkehr (wie beispielsweise dem makoskopischen Verkehrsfluss, Stau
oder mikroskopisch von vorausfahrenden Fahrzeugen und dem ACC-Abstand
und dergleichen) oder den ökonomischen Randbedingungen.
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Dies
bedeutet, dass die Referenzgeschwindigkeit willkürlich
eingestellt ist und oft keine fundierten Überlegungen bekannt
sind, weshalb eine bestimmte Referenzgeschwindigkeit eingesetzt
wird. Weiterhin folgt eine Verteilung der zur Verfügung
stehenden Zeit auf die gesamte Fahrstrecke und es wird keine Unterteilung
in eine gewünschte Fahrzeit und eine zusätzliche
Zeit der Optimierungsmaßnahme vorgenommen. Daher wird keine
Abgrenzung der gewünschten Fahrzeit und der zugestandenen
Optimierungszeit erreicht. Weiterhin erfolgt auch keine Einbeziehung
des Verkehrsgeschehens bzw. keine Reaktion hierauf. Dadurch werden
sehr hohe Optimierungspotenziale nicht genutzt (z. B. vor einem
Stau).
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Bei
den zuvor beschriebenen Verfahren können oft die wahren ökonomischen
Kosten nicht erfasst werden, da diese nur unzureichend bekannt sind,
von der Auslastung des Lkws und anderen sehr unzureichenden bekannten
Faktoren abhängen und sich permanent ändern können
(z. B. Treibstoffpreis). Das Gütefunktional und damit die
Fahrstrategie reagiert aber äußerst sensitiv auf
diese Einflussfaktoren. Eine praxistaugliche Implementierung ist
damit extrem schwierig.
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Bei
einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird
vor Fahrbeginn die optimale Route berechnet, anschließend
jedoch kein weiterer Einfluss mehr auf die Fahrstrategie genommen
oder nur im Falle eines Staus die Routenführung korrigiert.
Diese Verfahren sind nicht in der Lage, die Betriebspunkte des Fahrzeugs
auf der Strecke zu optimieren und können auch nicht interaktiv
auf ein lokales Verkehrsgeschehen reagieren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im Betrieb
eines Fahrzeugs und insbesondere die Betriebsbedingungen und die
Betriebspunkte eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung von
physikalischen, straßenverlaufbezogenen, verkehrsrechtlichen
und verkehrssituationsbezogenen Randbedingungen bezüglich
der ökonomischen und ökologischen Betriebskennwerte
zu optimieren. Weiterhin sollen die oben dargelegten Probleme bei den
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gelöst werden.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach
Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 14 erreicht. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Bei
einem Verfahren zum Optimieren des Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs
unter Zugrundelegung mehrerer Parameter und insbesondere mehrerer
Umgebungsparameter, Fahrzeugparameter, Fahrzeugbetriebsparameter
und Streckenparameter wird zunächst eine Fahrtroute des
Fahrzeugs ermittelt, wobei zur Ermittlung der Fahrtroute ein Fahrtziel vorgegeben
wird. Weiterhin werden mehrere unterschiedliche Streckenparameter
ermittelt, die für ein Streckenprofil der ermittelten Fahrtroute
des Fahrzeugs zwischen dem geometrischen Ort des Fahrzeugs bzw.
einem Fahrtstartpunkt und dem Fahrziel charakteristisch sind. Weiterhin
wird wenigstens eine Fahrbedingung ermittelt, die für die
ermittelte Fahrtroute des Fahrzeugs zwischen dem geometrischen Ort
des Fahrzeugs bzw. einem Fahrtzeitpunkt und dem Fahrziel charakteristisch
ist.
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Erfindungsgemäß wird
unter Berücksichtigung der Streckenparameter und der Fahrbedingungen
eine Soll-Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs entlang der ermittelten
Fahrtroute bestimmt, wobei die Fahrtroute in mehrere Segmente unterteilt
wird und die Unterteilung der Fahrtroute in Segmente auf Grundlage
der Streckenparameter und/oder der Fahrbedingung erfolgt. Unter
einer Unterteilung auf Grundlage der Streckenparameter bzw. der
Fahrbedingung wird verstanden, dass die Charakteristika bei der
Bildung der Segmente bzw. deren Klassifizierung berücksichtigt
werden. Es wäre in einer einfacheren Form des Verfahrens
auch möglich, die Streckenparameter oder die Fahrbedingung
nicht zu berücksichtigen.
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Damit
wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eine Vielzahl
von Streckenparametern ermittelt und diese werden bei der Ermittlung
einer Soll-Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs verwendet. Im Gegensatz
zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird jedoch die
Fahrtroute in mehrere Segmente unterteilt. Diesem Vorgehen liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass unterschiedliche Segmente bzw. Abschnitte
einer Fahrtroute ein unterschiedliches Einsparungspotenzial aufweisen
können. So ist es beispielsweise möglich, dass
auf einer bestimmten Fahrtstrecke ein Stau vorliegt und diesen Falle
kann auf dem da vor liegenden Abschnitt mit geringerer Geschwindigkeit
gefahren werden, da in jedem Fall das Stauende von dem Fahrzeug
erreicht werden wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren arbeitet bevorzugt
in mehreren Optimierungsebenen. Dabei übernimmt bevorzugt
eine obere Ebene, insbesondere mittels einer Start- oder Zieleingabe
durch den Fahrer, der Routenplanung durch ein Navigationssystem
und auch einfacher Modelle des Fahrzeugs und der Strecke eine Segmentierung
der Strecke vor, die das Optimierungspotenzial für jedes
Segment bestimmt sowie auch die Größe des Segments.
Bei dieser Segmentierung werden die Umwelt (die Steigung der Straße,
eine Krümmung) oder eine Klassifikation, das Fahrzeug (ein
charakteristischer Verbrauch, Dynamik oder ein statisches Verhalten)
oder auch die gesetzlichen Beschränkungen der Fahrzeit
des Fahrers, die Kosten für das Fahrzeug und den Fahrer und
der aktuelle Verkehr wie insbesondere Stau und Verkehrsflussgeschwindigkeit,
Verkehrsdichte, Witterung und Baustellen in die Berechnung einbezogen.
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Aus
der Segmentierung und dem Optimierungspotenzial werden die einzelnen
Segmente klassifiziert und das beste Optimierungsverfahren bzw. Gütefunktional
für jedes Segment ausgewählt.
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Vorzugsweise
kommen modellprädiktive Ansätze zur Anwendung.
In Ergänzung wird die Strecke in einem endlichen Horizont
vor dem Fahrzeug betrachtet. So ist es möglich, eine Zeitdauer
von x Minuten für die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs vorzugeben.
Es wäre jedoch auch möglich, auf die rein ökonomisch
beste Optimierung zu rechnen und anzunehmen, dass das Ziel zu einer
angegebenen Zeit erreicht werden muss. Vorzugsweise wird auch zur
Berechnung der Fahrtroute eine Starteingabe durch den Fahrer vorgenommen
bzw. ein Startort vorgegeben. Es wäre jedoch auch möglich,
einen geometrischen Ort des Fahrzeugs beispielsweise mittels GPS
zu ermitteln und diesen Ort als Startort zu verwenden.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei der Soll-Fahrgeschwindigkeit um eine ökonomisch
optimale Reisegeschwindigkeit.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Verfahren sind die Streckenparameter
aus einer Gruppe von Streckenparametern ausgewählt, welche
Höhenprofile der Fahrtroute, Steigungen der Fahrt route,
Kurvenradien entlang der Fahrtroute, Kombinationen hieraus und dergleichen
enthält. Es wird dabei zugrunde gelegt, dass das Fahrzeug über
ein Gerät zur Ortsbestimmung, wie beispielsweise GPS, verfügt und über
eine digitale Straßenkarte, welche Informationen wie ein
Höhenprofil oder die Steigung, Kurvenradien, Straßenklassifizierung
(Autobahn, Kraftfahrstraße, Landstraße, Ortschaft)
Geschwindigkeitsbegrenzungen und evtl. auch Beschränkungen
für Fahrzeugklasssen zur Verfügung stellt und
zwar sowohl für den aktuellen Ortspunkt, als auch die Ortspunkte,
die auf der Fahrtroute bzw. einem bestimmten Horizont liegen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante handelt es sich bei
der oben erwähnten Fahrbedingung um eine Geschwindigkeitsbegrenzung.
Dies bedeutet, dass für die Optimierung insbesondere auch
bestehende (gesetzliche) Geschwindigkeitsbegrenzungen verwendet
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante wird zur Bestimmung
der Soll-Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs eine Verkehrsflussgeschwindigkeit
entlang der Fahrtroute zugrunde gelegt. Hierbei wird davon ausgegangen,
dass das Fahrzeug über ein Navigationssystem verfügt,
welches die Verkehrsflussgeschwindigkeit über die gesamte
Fahrstrecke zur Verfügung stellen kann, bzw. auch aktuelle
Staus auf der Strecke mit Ortsangabe und einer bestimmten Wiederholrate
meldet.
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Weiterhin
werden vorzugsweise durch den Benutzer Informationen über
Randbedingungen der Fahrt vorgegeben. Zu diesem Zweck verfügt
ein entsprechendes System über ein Fahrerinterface, das beispielsweise
in ein Navigationsgerät integriert sein kann oder auch
auf einem externen Gerät implementiert ist. Über
dieses Interface kann der Fahrer spezifizierte Angaben über
seine Fahrtstrecke abgeben. Umgekehrt erhält der Fahrer über
dieses Interface oder ein anderes Interface Rückmeldung über
den zu erwartenden Ankunftstermin, evtl. Überholempfehlungen,
die das System ausgibt, und andere Fahrempfehlungen insbesondere
auch in akustischer und visueller Form.
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Bei
einem vorteilhaften Verfahren wird für jedes Segment ein
Optimierungsverfahren oder Gütefunktional ausgewählt.
Dabei werden diese vorgegebenen oben erwähnten Segmente
nicht notwendigerweise für die komplette Fahrzeit festgelegt,
sondern die oben erwähnte Optimierungsschicht wird mit
einer bestimmten Zykluszeit T0 Online berechnet, wobei die neusten
Verkehrsinformationen und Abweichungen zur letzten Berechnung benutzt
werden können, um die Segmentierung neu zu berechnen.
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Auf
Basis dieser Segmentierung führt eine untergeordnete Optimierungseinheit
die Optimierung bevorzugt gemäß des von der oberen
Schicht gewählten Verfahrens aus. Dabei kommen vorzugsweise
modellprädiktive Verfahren zum Einsatz, die online die
optimalen Betriebspunkte eines Fahrzeugs berechnen und das Fahrzeug
bevorzugt ansteuern. Dabei können die aktuellen Straßeneigenschaften, wie
Steigung, Krümmung, Geschwindigkeitsbegrenzung usw., die
aktuelle Verkehrslage (ACC, Abstand, Geschwindigkeit und Beschleunigung
des vorausfahrenden Fahrzeugs), das von der oberen Schicht gewählte
Optimierungsverfahren und das Gütefunktional berücksichtigt
werden.
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Ferner
ist es möglich, bestimmte Informationen des jeweils folgenden
Segments zu berücksichtigen, wie beispielsweise einen Stau
in dem jeweils folgenden Segment. Die untergeordnete Optimierung wird
ebenfalls bevorzugt zyklisch wiederholt. Der optimale Übergang
von einer Optimierungsstrategie zu einer anderen bei Wechseln der
Strategie oder dem Übergang eines Straßensegments
zum Folgenden erfolgt bevorzugt auf der oberen Optimierungsebene. Kontinuierliche Übergänge
in den Randbedingungen, wie beispielsweise obere und untere Geschwindigkeitsbeschränkungen
und dergleichen können frei über die Strecke variiert
werden.
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Vorzugsweise
werden für das Optimierungsverfahren Informationen aus
mehreren Segmenten genutzt. So ist es wie oben erwähnt
möglich, Information für ein zukünftiges
Segment auch für ein aktuelles Segment zu nutzen.
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Vorzugsweise
wird eine Bewegung des Fahrzeugs auf Grundlage der Soll-Fahrtgeschwindigkeit
gesteuert. So ist es möglich, den Motor oder andere Bewegungseinheiten
des Fahrzeugs unter Berücksichtigung der oben ermittelten
Soll-Fahrtgeschwindigkeit zu steuern um auf diese Weise den Fahrtkomfort
weiter zu erhöhen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Verfahrenserweiterung wird auch eine
minimale Sollgeschwindigkeit ermittelt. Dabei kann als Bedingung
für die Mindestgeschwindigkeit eine vorgegebene Ankunftszeit
des Fahrzeugs verwendet werden.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren wird aus der ermittelten Sollgeschwindigkeit
und einer vorgegebenen Zielzeit eine Reservezeit für die Fahrtroute
berechnet. So ist es beispielsweise denkbar, dass das Fahrziel zu
einer bestimmten Zeit erreicht werden muss, jedoch bei Beibehaltung
der jeweiligen Sollgeschwindigkeit der tatsächliche Ankunftszeitpunkt
früher liegt. Damit ergibt sich eine bestimmte Differenzzeit,
die verwendet werden kann, um Energie einzusparen.
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Durch
die Aufteilung in die einzelnen Segmente, kann dabei gerechnet werden,
in welchen Segmenten wie viel dieser erwähnten Restzeit
angesetzt werden kann, um möglichst günstige Energieeinsparung
zu erreichen. Vorzugsweise wird unter Berücksichtigung
dieser Reservezeit wenigstens ein Fahrparameter angepasst.
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Falls
beispielsweise in einem bestimmten Segment ein Einsparpotential
gegeben ist, welches durch die Fahrt mit einem Schubbetrieb oder
im Leergang ausgenutzt werden kann, kann dies zu Kraftstoffeinsparungen
ohne Zeitverzug verwendet werden. Eine geeignete Optimierungsstrategie
würde in diesem Fall darin bestehen, das Fahrzeug rollen
zu lassen. Wenn zusätzlich ein Teil der zur Optimierung reservierten
Zeit für dieses Segment zugeteilt wird, könnte
man beispielsweise in einem vorausgehenden Segment die Fahrt verlangsamen
(z. B. Ausrollen an einer Kuppe) und die verlorene Energie durch Rollen
in dem oben erwähnten Segment wiedergewinnen.
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Falls
es bei einem anderen Beispiel in einem bestimmten Segment nur eine
ebene Strecke gibt, führt dies dazu, dass gegenüber
dem Tempomaten kein Einsparpotenzial besteht. Folglich kann in diesem
Bereich der Tempomat auf die ökonomisch optimale Geschwindigkeit
gesetzt werden. Hierbei ist auch der Abstand zum vorausfahrenden
Fahrzeug ein Optimierungskriterium, wobei allerdings der Mindestabstand
nicht unterschritten wird. Diese jeweiligen Werte können
einem untergeordneten Optimierer übergeben werden, und
dieser kann dann die gesetzten Werte lokal optimieren und insbesondere auch
auf lokale Verkehrsstörungen reagieren.
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Falls
in einem bestimmten Segment ein Stau vorliegt, ergibt sich ein Optimierungspotenzial
entsprechend in einem vorausgehenden Segment bei rein kraftstoffoptimalem
Betrieb vorzugsweise auch innerhalb oberer und unterer Geschwindigkeitsschwellen.
Diesen Bereich kann beispielsweise ein untergeordneter Optimierer
die Betriebspunkte des Fahrzeugs frei festlegen, wobei beispielsweise
ein Mindestabstand zu berücksichtigen ist. Dies beruht darauf,
dass es kein fixes Zeitziel gibt, um den Stau erreichen. Die Geschwindigkeit
wird in diesem Fall bevorzugt nur durch die untere akzeptable Geschwindigkeitsschwelle
festgelegt.
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Vorzugsweise
wird die Reservezeit ungleichmäßig auf mehrere
Segmente verteilt. Dies beruht wiederum darauf, dass in unterschiedlichen
Segmenten ein unterschiedliches Einsparpotenzial gegeben ist und
aus diesem Grunde für ein optimales Gesamtergebnis die
jeweils einzusparende Zeit unterschiedliche auf diese Segmente aufzuteilen
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Kraftfahrzeug mit einer
Einrichtung zur Bestimmung einer geografischen Position des Kraftfahrzeugs
gerichtet, wobei diese Einrichtung weiterhin eine Speichereinrichtung
aufweist, in der eine Vielzahl von Daten abgelegt ist, welche für
ein Straßennetz und einen vorgegebenen geografischen Bereich charakteristisch
sind, wobei diese Daten auch mehrere Streckenparameter für
Straßen des Straßennetzes enthalten. Weiterhin
weist die Einrichtung eine Eingabeeinheit zur Eingabe eines Fahrziels
auf, sowie eine Prozessoreinrichtung, welche bei Vorgabe eines Fahrziels
eine Fahrtroute ermittelt sowie eine Empfangseinrichtung, welche
Fahrbedingungen für die ermittelte Fahrtroute empfängt.
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Erfindungsgemäß ist
die Prozessoreinrichtung derart gestaltet, dass sie unter Berücksichtigung der
Streckenparameter und der Fahrbedingung eine Soll-Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs entlang der ermittelten Fahrtroute bestimmt, wobei
sie die Fahrtroute in mehrere Segmente unterteilt und die Unterteilung
der Fahrtroute in Segmente auf Grundlage der Streckenparameter und/oder
der Fahrbedingung erfolgt.
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Damit
wird auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung
einerseits vorausgesetzt, dass das Kraftfahrzeug ein Gerät
zur Ortsbestimmung wie GPS aufweist, sowie eine digitale Straßenkarte.
Auch für die Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Prozessoreinrichtung
die Fahrt route in mehrere Segmente aufteilt, um auf diese Weise
eine besonders günstige Einsparung zu erreichen.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
Darin zeigen:
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1 eine
Darstellung zur Veranschaulichung der Struktur eines Optimierers;
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2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer Eingabe;
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3 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines Profils der Straßeneigenschaften;
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4 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines Geschwindigkeitsprofils;
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5 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines Geschwindigkeitsprofils;
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6 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer Verkehrsflussgeschwindigkeit;
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7 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines aktuell maximalen Geschwindigkeitsprofils;
und
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8 eine
Darstellung zur Veranschaulichung der Segmentierung der Fahrtroute.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Struktur einer Optimierungseinrichtung.
Dabei weist das Fahrzeug eine Einrichtung 4 zur Bestimmung
einer geografischen Position des Kraftfahrzeugs, beispielsweise
einen GPS-Empfänger, auf. Daneben ist in einer Speichereinrichtung 6 eine
digitale Straßenkarte abgelegt, welche zur Ermittlung einer
Fahrtroute dient. Über eine Eingabeeinheit 14 können
Start- und Zieldaten eingegeben werden. Eine Empfangseinrichtung 12 ermittelt
Verkehrsdaten, wie beispielsweise Informationen über Stau,
Verkehrsfluss und dergleichen auf der berechneten Fahrtroute. Weiterhin
ist eine Vielzahl von Bedienelemeten 16 vorgesehen, über
die beispielsweise die Meldungen ausgegeben werden können
oder über die der Fahrer Rahmenbedingungen für
die Fahrt eingeben kann.
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Das
Bezugszeichen 20 bezieht sich auf eine Prozessoreinrichtung
(electronic control unit) zur Steuerung des Verfahrens. Diese Prozessoreinrichtung 20 ist
hier als eigenes Steuergerät dargestellt, es wäre
jedoch auch möglich, die Vorrichtung vollständig
als Softwaremodul auf einem anderen Steuergerät des Fahrzeugs
zu integrieren. Die zur Optimierung notwendigen Daten werden über
den Fahrzeugdatenbus 15 mit anderen Steuergeräten
ausgetauscht.
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Die
in 1 gezeigte obere Optimierungsschicht 22 übernimmt
nach der Start-/Zieleingabe eine Segmentierung der Strecke, die
das Optimierungspotenzial für jedes Segment bestimmt. Eine
untere Optimierungsschicht 24 führt die Optimierung gemäß es
von der oberen Schicht 22 gewählten Verfahrens
aus. Über einen weiteren Datenbus werden Elemente des Fahrzeugsantriebs 30,
oder auch die Getriebesteuerung 32, oder auch die Motorsteuerung angesteuert,
wobei jedoch auch Daten 34 eines ACCs, eine Geschwindigkeit,
eine Soll-Abstand und eine Soll-Geschwindigkeit berücksichtigt
werden.
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Vorzugsweise
findet die Vorrichtung Anwendung in Fahrzeugen mit ACC, Tempomat,
Bremsomat und automatisierten Getrieben. Auf diese Weise kann die
gesamte Längsdynamik von der Vorrichtung kontrolliert werden.
Für einfachere Fahrzeuge ist es auch möglich,
Fahrempfehlungen aus den Berechnungen abzuleiten und an den Fahrer
in akustischer oder visueller Form weiterzugeben. Vorzugsweise kommt
das Fahrzeug bereits auf einer ökonomischen und ökologisch
optimieren Route zum Einsatz, wobei Verfahren zur Ermittlung derartiger
Routen aus dem Stand der Technik bekannt sind. Diese so ermittelte Route
wird später in einem erfindungsgemäßen
Verfahren benutzt, wobei vorzugsweise die Suche der optimalen Route
in dem Navigationssystem oder einem externen Gerät implementiert
ist.
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Dabei
ist es möglich, dass sich die optimale Route durch Stau
oder dergleichen ändert. Die Route wird bei Veränderungen
von diesem System übernommen, wobei dies auch während
der Fahrt möglich ist. Das Ziel des Verfahrens ist jedoch
immer, eine beliebige Route ökonomisch und ökologisch
optimal zu befahren.
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Wie
in 1 gezeigt läuft die Optimierung in mehreren
Ebenen ab, die zeitlich zyklisch aufgerufen werden, jedoch vorzugsweise
mit unterschiedlichen Zykluszeiten. Die obere Ebene bzw. obere Optimierungsschicht 22 berücksichtigt
die gesamte Reststrecke einschließlich Fahrstreckeneigenschaften,
Fahrzeugmodell, makroskopische Verkehrslage (Verkehrsfluss, Stau,
Witterung, Baustellen), gesetzliche Lenkzeitbegrenzungen, Kosten
für Fahrzeug und Fahrer und die Kosten für den
Kraftstoff). Damit legt die oberste Ebene Höchstgeschwindigkeitsprofile, die
unteren Geschwindigkeitsprofile und evtl. die Referenzgeschwindigkeit über
dem Streckenprofil fest. Anschließend wird die Strecke
segmentiert in Wegabschnitte mit unterschiedlichem Optimierungspotenzial.
Die Klassifizierung erfolgt entweder nach potenziell einsparbaren
Kraftstoff oder nach potenziell einsparbaren Kraftstoff pro Zeiteinheit
bzw. pro Meter Wegstrecke.
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Die
oberste Ebene wird mit einer Zykluszeit T0 aufgerufen und prüft,
ob das übergeordnete Fahrziel in der vorgegebenen Zeit
erreicht werden kann. Die Planung und Berechnung der oberen Ebene
wird zyklisch wiederholt um auf Abweichungen dynamisch reagieren
zu können.
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2 zeigt
eine Veranschaulichung zur Ermittlung der Route. Der Fahrer gibt
hier einen Startpunkt S und ein Ziel Z über die Eingabeeinheit 14 ein. Das
Navigationssystem berechnet eine Route R und eine Entfernung E zwischen
Start und Ziel.
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Zusätzlich
liefert das Navigationsgerät oder ein externes Gerät,
wie in 3 gezeigt, weitere Eigenschaften der Strecke X,
wie beispielsweise ein Höhenprofil h(x), ein Steigungsprofil
h'(x), einen Kurvenradius R(x), eine Straßenklasse (die
Unterscheidung von Autobahn, Bundesstraße, Landstraße
und dergleichen) und eine Höchstgeschwindigkeit V_ges(x),
welche durch gesetzliche Regelungen festgelegt sein kann. Weiterhin
können noch andere Informationen ausgegeben werden, wie
z. b. ein Überholverbot, eine maximale Fahrzeughöhe
für Brücken und dergleichen.
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Zusammen
mit dem Fahrzeugmodell wird aus den oben erwähnten Daten
eine maximal mögliche Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs
berechnet. Dabei ist diese maximal mögliche Reisegeschwindigkeit
nach oben hin limitiert durch die gesetzliche Höchstgeschwindigkeit v_ges(x)
und weitere Limitierungen treten durch Kurvenradien, das Höhenprofil und
dergleichen auf. Dieser Vorgang ist in 4 dargestellt.
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Weiterhin
wird nunmehr aus der Steigung h(x) und der Straßenklasse
eine untere akzeptable Geschwindigkeitsschwelle v_min(x) berechnet.
Dabei berücksichtigt ein entsprechender Algorithmus die
gesetzlichen und die gesellschaftlich akzeptablen unteren Geschwindigkeiten.
Dieser Vorgang ist in 5 dargestellt.
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6 veranschaulicht
die weitere Hinzunahme von Verkehrsinformationen, die von dem Navigationssystem
zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise eine
Verkehrsflussgeschwindigkeit v_F und eine Staumeldung im Bereich
der Fahrtroute R. Das Bezugszeichen v_F bezieht sich dabei die Verkehrsflussgeschwindigkeit.
Diese Verkehrsflussgeschwindigkeit beinhaltet alle Verkehrsteilnehmer,
d. h. der Verkehr fließt an vielen Stellen schneller als
die für die Lkw zulässige Höchstgeschwindigkeit.
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In
diesen Bereichen ist davon auszugehen, dass die Lkw mit der Höchstgeschwindigkeit
fahren können. Das Bezugszeichen St bezieht sich auf einen
Bereich, in dem ein Stau aufgetreten ist. In diesen Bereichen, in
denen der Verkehrsfluss langsamer ist als die Lkw-Höchstgeschwindigkeit
kommt es zu Behinderungen oder gar zum Stau. In diesen Bereichen
wird die Verkehrsflussgeschwindigkeit als maximale Geschwindigkeitsgrenze
verwendet. Bereiche nahe 0 km/h werden als Stau mit Stillstand klassifiziert.
Bereiche unter der maximalen Geschwindigkeitsschwelle über
der Stauschwelle werden als zähfließenden Verkehr
identifiziert.
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Aus
diesen Vorgaben wird das aktuell mögliche Geschwindigkeitsprofil
berechnet bzw. die voraussichtliche Reisegeschwindigkeit bei Berücksichtigung
des Verkehrsflusses.
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In 7 wurde
aus den bisher bekannten Daten das aktuell maximale Geschwindigkeitsprofil v_p
berechnet. Diese Berechnung kann auch noch erweitert werden um beispielsweise
statistische Informationen über den Verkehrsfluss auf dieser
Strecke zu bestimmten Tagen oder Uhrzeiten falls entsprechende Daten
vorliegen. Aus dem Profil dieses aktuell maximalen Geschwindigkeitsprofils
wird die voraussichtliche Reisezeit ermittelt. Falls auf der Fahrtroute
ein Stau vorliegt, d. h. eine Verkehrsflussgeschwindigkeit nahe
0 km/h im Bereich B in 7 ist die Berechnung nur eingeschränkt
möglich. Ansonsten ist eine sehr genaue Berechnung der
Reisezeit Tr möglich.
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Weiterhin
wird, wie in 8 gezeigt, mittels eines Fahrzeugsmodells,
das den Verbrauch auf der Strecke berechnet, dem aktuell maximalen
Geschwindigkeitsprofil, dem Höhenprofil h(x) der Strecke
und allen anderen oben erwähnten bekannten Daten die Strecke
in Segmente A, B, C, D, E, F aufgeteilt und diese nach Einsparpotenzial
klassifiziert. Anschließend wird für jedes dieser
Segmente A–F aufgrund dieser Klassifizierung eine geeignete
Optimierungsstrategie für die untere Optimierungsschicht 24 ausgewählt.
Zu dieser Optimierungsstrategie gehören auch ein anzuwendendes
Optimierungsverfahren und ein eventuell zu nutzendes Gütefunktional unter
Berücksichtigung von Struktur und Gewichtungsfaktoren.
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Die
Segmente A–F werden klassifiziert und für jede
dieser Klassen besteht für ein bestimmtes 8 gezeigtes
Intervall ein Einsparpotenzial, das dazugehörende Verfahren
und das zu verwendende Gütefunktional. Der für
Fahrer wird nunmehr gefragt, wann das Ziel zu erreichen ist. Aus
dieser Angabe wird der Zeitpunkt der Zielerreichung Tziel ermittelt. Weiterhin
wird aus der Angabe des Zeitpunkts der Zielerreichung und der voraussichtlichen
Reisezeit Tr eine Reservezeit Tres berechnet, wobei folgender Zusammenhang
gilt: Tres = Tziel – (Tr + aktuelle
Zeit)
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Auf
der Strecke wird bevorzugt später für jeden Fall
ein optimierender Arbeitspunkt des Fahrzeugs berechnet und eingestellt.
Besonders bevorzugt wird von dem Fahrer explizit der Zeitanteil
der Reservezeit Tres abgefragt (bezeichnet als Toptfuel) den er
explizit zum ökonomisch optimalen Fahren verwenden möchte.
Die Reisezeit Tr wird dann um diese Zeit Toptfuel verlängert
soweit dies ökonomisch sinnvoll ist.
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Voraussetzung
ist jedoch, dass Tres positiv ist und Toptfuel maximal die Reservezeit
Tres betragen kann. Es wäre jedoch bei einem anderen vorteilhaften
Verfahren auch möglich, dem Fahrer bereits einen Vorschlag
für Toptfuel (als Abschätzung) vorzulegen, welchen
er annehmen oder ablehnen kann, wobei Toptfuel die zusätzlich
zu Tr benötigte Zeit ist, die den Lkw ökonomisch
optimal das Ziel erreichen lässt.
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Steht
mehr Zeit als zum ökonomisch optimalen Fahren benötigt
zur Verfügung, so wird diese Zeit explizit dazu verwendet, ökologisch
optimal zu fahren, d. h. noch maximal mögliche Kraftstoffeinsparung
in der verbleibenden Zeit zu erreichen. Der Fahrer kann darüber
informiert werden, ob er im rein ökonomischen Betrieb oder
im ökologischen Bereich fährt. Dieser Ansatz ist
deshalb entscheidend, damit das Optimierungspotenzial explizit bekannt
ist und nicht auf die Strecke verteilt wird, sondern nur auf die am
besten geeigneten Segmente der Strecke. In diesem Zusammenhang kann
dem Fahrer auch mitgeteilt werden, wie viel Zeit ihm beispielsweise
noch für zusätzliche Fahrpausen zur Verfügung
steht.
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Wie
oben erwähnt, ist dieses erfindungsgemäße
Verfahren auch durch die Segmentierung der Route in Klassen gekennzeichnet.
Diese Klassen beschreiben ein gewisses Optimierungspotenzial im Zusammenhang
mit bestimmten Streckenabschnitten. Dabei kann auch die Abfolge
der einzelnen Klassen ein Optimierungspotenzial darstellen. Aus
den Segmenten und Segmentabfolgen wird bevorzugt eine Optimierungsstrategie
die untergeordnete Optimierung ausgewählt und evtl. das
Gütefunktional das optimiert werden soll. Dabei können
auch Referenzgeschwindigkeiten und Referenzsollabstände
zum vorausfahrenden Fahrzeug, Zeitziele etc. vorgegeben werden.
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Damit
wird die zur Verfügung stehende Zeit Toptfuel auf eine
intelligente Weise auf die oben erwähnten verschiedenen
Segmente A–F verteilt, so dass das maximale Einsparpotenzial
erreicht wird. Um sicher zu stellen, dass die gewünschte
Ankunftszeit auch erreicht wird, kann die übergeordnete
Optimierungsschicht die zur Verfügung stehende Zeit nicht
nur auf die Segmente nach der Klassifizierung und der Segmentklassenfolge
verteilen, sondern auch risikooptimal z. B. um das Erreichen des
Ziels in der Zeit zu sichern insbesondere vom Ziel ab in Richtung
der aktuellen Position.
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In
einer unterlagerten Schicht wird auf einen mittleren Horizont von
0 m bis max. einige km eine lokal optimale Fahrstrategie bezüglich ökonomischer und ökologische
Kriterien berechnet. Hier gehen auch die lokale Verkehrssituation
(Verkehrsfluss), der Abstand des vorausfahrenden Fahrzeugs (ACC),
die Geschwindigkeit/Beschleunigung des vorausfahrenden Fahrzeugs
(ACC), die fahrdynamischen Eigenschaften des eigenen Fahrzeugs,
die Verbrauchseigenschaften des eigenen Fahrzeugs und die Umwelteigenschaften
der Strecke (Steigung, Kurven, Geschwindigkeitslimits etc.) ein.
Die untergeordnete Optimierung sorgt für eine optimierte
Reaktion auf die aktuelle Verkehrslage rund um das Fahrzeug. Dazu werden
modellbasierte prädiktive Regelungsverfahren wie sie aus
der Literatur bekannt sind, eingesetzt.
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Wesentlich
ist, dass die untergeordnete Optimierungsschicht ihre Optimierungsziele
von der übergeordneten Schicht erhält (Verfahren,
Gütefunktional, Randbedingungen etc.). Aus diesen Informationen
lassen sich auch höherwertige Informationen für
den Fahrer ableiten wie z. B. eine Überholempfehlung. Aus
der Optimierung ist eine optimale Geschwindigkeit bekannt. Kann
diese z. B. durch ein langsameres vorausfahrendes Fahrzeug nicht
erreicht werden, so kann man den Fahrer auffordern, zu überholen
(ein evtl. Überholverbot ist aus der Straßenkarte
zu entnehmen). Auch der negative Fall ist denkbar. Hier wird die
langsamere Geschwindigkeit akzeptiert und keine Überholempfehlung
an den Fahrer gegeben. Es können auch Informationen über
die Wahrscheinlichkeit der Zielerreichung an den Fahrer ausgegeben
werden (z. B. Ziel sicher nicht mehr zur gewünschten Zeit
erreichbar).
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Zusammenfassen
zeichnet sich die Erfindung ggf. auch in den bevorzugten Varianten
durch folgende Gesichtspunkte aus:
Es findet eine Streckensegmentierung
statt, die zusammenhängende Streckenteile gleicher oder ähnlicher
Optimierungspotenziale und Charakteristika zusammenfasst. Dabei
wird die für die Optimierung zugestandene Mehrfahrzeit
explizit abgefragt und auf die Streckensegmente mit dem größten
Optimierungspotenzial verteilt, insbesondere durch eine gezielte
Vorabanalyse. Weiterhin kann ein Vorschlag für eine Mehrfahrzeit
ausgegeben werden, um einen ökonomisch optimalen Betrieb
des Lkws zu erreichen.
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Zu
diesem Zweck wird zyklisch die Gesamtstrecke bzw. die gesamte Reststrecke
einer Optimierungsstrategie unterzogen (im Rahmen eines Planungs-
und Analyselevels).
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Die
so gewonnen Ergebnisse der Streckenoptimierung werden einer lokalen
Optimierung mit einem begrenzten Horizont, der charakteristisch
kleiner oder gleich der Reststrecke ist, zur Verfügung
gestellt. Die Gütefunktionale ändern über
der Strecke interaktiv ihre Struktur und/oder Gewichtung adaptiert
an den Verkehrsfluss und die ökonomischen Randbedingungen,
die von der oberen Optimierungsschicht berechnet werden.
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Dies
wird von der oberen Optimierungsschicht 22 ermittelt. Die
Optimierungsstrategie wird pro Segment A–F festgelegt.
Korrekturen der Optimierungsstrategie erfolgen bevorzugt durch die
obere Optimierungsschicht.
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Der
Verkehrsfluss/Stau wird vorzugsweise zyklisch in die Berechnung
eingebracht. Ein Stau im Bereich x h oder y km vor dem Fahrzeug
auf der Strecke führt zum Aufruf der oberen Optimierungsschicht und
einer neuen Segmentierung.
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Der
lokale Verkehrsfluss wird vorzugsweise zyklisch in der unteren Optimierungsschicht 24 in
die Berechnung eingebracht (ACC Abstand, Geschwindigkeit, lokale
Verkehrsdichte). Anschließend erfolgt eine Verteilung der
zeitlichen Reserve für die Optimierung auf verschiedene
Segmente A–F der Strecke und nicht gleichmäßig
auf die Gesamtstrecke.
-
Weiterhin
erfolgt ein optimaler Übergang von einer Optimierungsstrategie
zu einer anderen bei Wechsel der Strategie oder dem Übergang
eines Straßensegmentes zum Folgenden auf der unteren Optimierungsebene 24,
ebenso wie nicht kontinuierliche Übergänge in
den Randbedingungen (obere und untere Geschwindigkeitsbeschränkungen,
Tempomatsetzgeschwindigkeit, etc).
-
Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
-
- 4
- Einrichtung
zur Bestimmung einer geographischen Position, GPS
- 6
- Speichereinrichtung
- 12
- Empfangseinrichtung
- 14
- Eingabeeinheit
- 15,
25
- Fahrzeugdatenbus
- 16
- Bedienelemente
- 20
- Prozessoreinheit
- 22
- obere
Optimierungsschicht
- 24
- untere
Optimierungsschicht
- 30
- Fahrzeug
- 32
- Getriebesteuerung
- 34
- Daten
- E
- Entfernung
- R
- Route
- S
- Startpunkt
- Z
- Zielpunkt
- Tr
- Reisezeit
- St
- Stau
- Toptfuel
-
- Tres
- Reservezeit
- Tziel
- Zielerreichung
- v_F
- Verkehrsflussgeschwindigkeit
- v_p
- maximale
Geschwindigkeitsprofil
- v_min
- minimale
Geschwindigkeit
- v_p
- Geschwindigkeitsprofil
- v_ges(x)
- gesetzliche
Höchstgeschwindigkeit
- x
- Strecke
- R(x)
- Kurvenradius
- h(x)
- Höhenprofil
- h'(x)
- Steigungsprofil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10345319
A1 [0002]
- - DE 102004026639 A1 [0003]