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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufspüren von Anomalien an einem
Unterwasserobjekt, insbesondere am Unterwasserteil eines Rumpfes
eines vertäuten
Wasserfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
Zeiten zunehmender terroristischer Bedrohung von zivilen und militärischen
Einrichtungen bekommt deren permanenter Schutz eine zunehmende Bedeutung.
Insbesondere Unterwasserobjekte, wie Fundamente von Förderanlagen
und Windparks, Hafenbecken, Schiffsrümpfe von im Hafen liegenden Schiffen
und U-Booten, sind Unterwassermanipulationen durch Taucher oder
ferngelenkten Unterwasserfahrzeugen ungeschützt ausgesetzt. So können beispielsweise
unbemerkt Haftminen angebracht werden, die dann ferngezündet werden.
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Aus
DE 10 2005 014 555
A1 sind ein Minenjagdsystem und ein Verfahren zur Minenjagd
mit mehreren autonom agierenden Unterwasserfahrzeugen bekannt, wobei
eine erste Gruppe dieser Unterwasserfahrzeuge, die Sensoren aufweist,
zur Minenortung und eine zweite Gruppe dieser Unterwasserfahrzeuge
zur Bekämpfung
georteter Minen eingesetzt wird.
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Aus
US 2009/0090286 A1 ist
ein bewaffnetes, ferngesteuert betriebenes Fahrzeug mit Video- und
Sonarsensoren bekannt.
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Weiter
sind aus
DE 10
2005 062 109 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Abwehr von unter Wasser eindringenden Personen bekannt, wobei zunächst eine
Person detektiert und verfolgt wird und nachfolgend ein unbemanntes
Unterwasserfahrzeug zur Abwehr der detektierten Person eingesetzt
wird.
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Ferner
ist aus
DE 43 02 455
A1 eine Unterwasserdrohne zur Bekämpfung von Minen bekannt, wobei
diese Unterwasserdrohne eine zur Metalldetektion geeignete Antenneneinrichtung
aufweist.
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Schließlich ist
aus
DD 300 802 A7 ein
Unterwasserkörper
mit fester Anordnung hydroakustischer Wandler zur Grundabstandsmessung
bekannt, der universell in drei Betriebsarten eingesetzt werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges
Verfahren zum Aufspüren
oder Erkennen von Anomalien an Unterwasserobjekten, z. B. von dort
illegal angebrachten Fremdkörpern,
wie Haftminen, Schmuggelware und dgl., anzugeben, das effizient
ist und weitgehend automatisiert ohne Unterwassereinsatz von Personen
durchgeführt
werden kann.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass mit einer einfachen Sensorausstattung, wie
akustischen Sensor zur Querabstandsmessung und Druckdose zur Tiefenbestimmung,
eine sehr zuverlässige
Abtastung des Unterwasserobjekts durchgeführt werden kann und durch Navigieren
des Unterwasser- Kleinfahrzeugs
mit konstantem Querabstand zum Unterwasserobjekt ein Profil des
Unterwasserobjekts erhalten wird, in dessen Profillinie eine am
Unterwasserobjekt vorhandene Anomalie, z. B. ein anhaftender Fremdkörper, deutlich
hervortritt. Dies ist darin begründet,
dass bei Erfassen der Anomalie durch den akustischen Sensor das
Unterwasser-Kleinfahrzeug infolge seiner Trägheit seine durch konstanten
Querabstand zum Unterwasserobjekt gekennzeichnete Fahrt fortsetzt,
dagegen in dem Messprofil des den Querabstand messenden, akustiProfilveränderung,
schen Sensors aber eine z. B. ein Einbruch oder Senke in der Profillinie,
erscheint, die bereits wieder abgeklungen ist, wenn die Fahrtregelung
des Unterwasser-Kleinfahrzeugs durch die Navigationsvorrichtung
auf den veränderten
Querabstand ansprechen würde,
so dass das Unterwasser-Kleinfahrzeug
ungeachtet des sich kurzzeitig verändernden Querabstands zum Unterwasserobjekt seinen
Kurs im vorbestimmen, konstanten Querabstand zum Unterwasserobjekt
unverändert
fortsetzt. Das Erkennen der Anomalie in der Messprofillinie des
akustischen Abstandssensors kann unmittelbar, z. B. über einen
vom Unterwasser-Kleinfahrzeug nachgeschleppten Lichtleiter, zur
Warnanzeige in einer Überwachungszentrale
gebracht werden und einen Tauchereinsatz zur Inspektion und/oder
Entfernen der Anomalie auslösen,
ohne dass das Unterwasser-Kleinfahrzeug seine Inspektionsfahrt unter- oder
abbrechen muss. Dadurch wird ein deutlicher Zeitgewinn zwischen
Erkennen und Beseitigen der Anomalie erzielt.
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Zweckmäßige Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
Verfahrens wird zumindest bei Erkennen einer Anomalie die Position
des Unterwasser-Kleinfahrzeugs relativ zum Unterwasserobjekt festgestellt. Durch
diese Positionsbestimmung des Unterwasser-Kleinfahrzeugs lässt sich
eine objektbezogene Lokalisierung der Anomalie leicht vornehmen
und der Inspektions- und/oder Beseitigungseinsatz durch Taucher
zeitkomprimiert und effizient gestalten.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung fährt
das Unterwasser-Kleinfahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit und
wird während der
Fahrt die Fahrzeit laufend gemessen. Bei Erkennen einer Anomalie
wird aus der bis dahin gemessenen Fahrzeit und der Fahrgeschwindigkeit
des Unterwasser-Kleinfahrzeugs
sowie der Tauchtiefe des Unterwasser-Kleinfahrzeugs die Position
der Anomalie bestimmt. Die Zeitmessung wird gestartet, wenn der vorgegebene
Querabstand des Unterwasser-Kleinfahrzeugs zum Unterwasserobjekt
erstmals gemessen wird. Durch diese Verfahrensweise kann durch eine
einfache Zeitmessung die Position des Unterwasser-Kleinfahrzeugs
und damit die objektbezogene Position der Anomalie festgestellt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird ein mehrmaliges Abfahren des Unterwasserobjekts durchgeführt und
bei jedem Abfahren die konstante Fahrtiefe geändert. Durch dieses Abfahren
des Unterwasserobjekts in unterschiedlichen Tauchtiefen können mit
einem einfachen akustische Sensor mit kleiner vertikaler Bündelung
des akustischen Abtaststrahls auch die Tiefenkomponente der Anomalie
für den
Tauchereinsatz ausreichend genau bestimmt werden. Dabei kann die Fahrtiefenänderung
des Unterwasser-Kleinfahrzeugs unmittelbar am Ende des Unterwasserobjekts durch
eine 180°-Kehrtwende
des Kleinfahrzeugs oder nach einem vollständigen Umfahren des Unterwasserobjekts
durchgeführt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1 eine
Seitenansicht eines in einem Hafenbecken vertäuten Oberflächenschiffes,
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2 eine
Draufsicht des Oberflächenschiffes
in 1,
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3 ein
bei Abtasten des Rumpfes des Oberflächenschiffes in 1 und 2 durch
einen akustischen Abstandssensor bei Fahrt des Unterwas ser-Kleinfahrzeugs
entstehendes Diagramm des Querabstands des Unterwasser-Kleinfahrzeugs
vom Rumpf des Oberflächenschiffes
in Abhängigkeit
von der Fahrzeit,
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4 ein
Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Aufspüren oder
Erkennen einer Anomalie am Rumpf des Oberflächenschiffes in 1 und 2.
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Zur
Erläuterung
des hier vorgestellten Verfahrens zum Aufspüren, Erkennen oder Entdecken von
Anomalien an einem stationären
Unterwasserobjekt ist in 1 und 2 ein Oberflächenschiff 11 schematisiert
dargestellt, das in einem Hafenbecken 12 liegt und an einer
Pier 13 vertäut,
d. h. mit Leinen 14 festgemacht, ist. Im Unterwasserbereich
ist am Rumpf 15 des Oberflächenschiffes 11 eine
Anomalie 16 dargestellt, die z. B. einer Haftmine oder
ein mit Schmuggelgut gefüllter
Behälter
sein kann.
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Um
eine solche Anomalie 16 an dem ansonsten glatten Rumpf 15 des
Oberflächenschiffs 11 aufzuspüren, wird
ein unbemanntes Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 eingesetzt.
Solche unbemannten, eigenangetriebenen Unterwasser-Kleinfahrzeuge
sind in unterschiedlicher Bestückung
mit Sensoren und Messvorrichtung mannigfaltig bekannt. Das hier
eingesetzte Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 verfügt beispielsweise über vier
Propellerantriebe 18, die zum Steuern oder Navigieren des
Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 von einer Navigationsvorrichtung 19 (4)
getrennt angesteuert werden. Je nach Drehzahl der einzelnen Propellerantriebe 18, von
denen jeweils zwei vertikal übereinander
und zwei horizontal nebeneinander angeordnet sind, kann das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 geradeaus fahren
oder nach rechts oder links und aufwärts oder abwärts gelenkt
werden. Als Sensoren sind in dem hier eingesetzten Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 mindestens
ein akustischer Abstandssensor 20 zum Vermessen einer horizontal
zur Fahrzeugachse sich erstreckenden Querdistanz und ein Tiefensensor 21 zur
Bestimmung der Tauchtiefe des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 vorhanden.
Ein solcher akustischer Abstandssensor 20 kann z. B. ein
einfaches Echolot sein, das Schallimpulse aussendet und die durch
Reflexion der Schallimpulse entstande nen Echos empfängt und
die Zeit zwischen dem Senden und dem Echoempfang misst. Aus der
bemessenen Zeit wird unter Berücksichtung
der Schallgeschwindigkeit die Strecke bis zu dem die Reflexion der Schallimpulse
auslösenden
Objekt berechnet. Der Tiefensensor 21 ist z. B. eine einfache
Druckdose. Die Ausgangssignale der Sensoren 20, 21 sind
der Navigationsvorrichtung 19 zugeführt.
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Das
Unterwasserfahrzeug-Kleinfahrzeug 17 wird vom Oberflächenschiff 11 oder
von der Pier 13 aus ins Wasser eingesetzt, z. B. – wie dies
in 1 und 2 dargstellt ist – hinter
dem Heck des Oberflächenschiffs 11,
und fährt
entlang des Rumpfes 15 des Oberflächenschiffs 11. Während der
Fahrt des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 wird
mittels des akustischen Abstandssensors 20 fortlaufend
der horizontale Querabstand des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 vom
Rumpf 15 gemessen. Das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 wird
dabei von der Navigationsvorrichtung 19 so gesteuert, dass
es in konstanter Tiefe einen vorgegebenen Querabstand vom Rumpf 15 einhält. Hierzu
werden der Navigationsvorrichtung 19 (4)
zum einen die Fahrtiefe und der Querabstand als Sollwerte TSoll und dSoll vorgegeben
und zum andern die Messwerte von Abstandssensor 20 und Tiefensensor 21 als
Ist-Werte d und T zugeführt.
Ein entsprechender Regelkreis in der Navigationsvorrichtung 19 generiert
abhängig
davon Steuerbefehle für
die vier Propellerantriebe 18, die das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 auf
den angesprochenen Kurs halten.
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Der
während
der Fahrt des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 fortlaufend
vom Abstandssensor 20 gemessene Ist-Querabstand d wird
zudem fortlaufend mit dem vorgegebenen Soll-Querabstand dSoll verglichen und dann, wenn der Ist-Querabstand d signifikant
unter den Soll-Querabstand dSoll absinkt auf
Vorhandensein einer Anomalie erkannt. Das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 ist
vorzugsweise über eine
Verbindungsleitung 22 (1) mit einer
Missions-Überwachungszentrale
an Bord des Oberflächenschiffes 11 verbunden,
und bei Aufspüren
einer Anomalie kann über
die Verbindungsleitung 22 ein Alarm ausgelöst werden.
Dabei wird im Moment der Anomalieaufspürung auch die momentane Position des
Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 relativ zum Rumpf 15 des
Oberflächenschiffs 11 bestimmt
und über
die Verbindungsleitung 22 der Missions- Überwachungszentrale
mitgeteilt. Die Positionsbestimmung erfolgt in einfacher Weise dadurch,
dass das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 mit konstanter Geschwindigkeit,
die der Navigationsvorrichtung 19 als Geschwindigkeitssollwert
vSoll vorgegeben wird, fährt und von einem Startpunkt
aus die Fahrzeit t gemessen wird. Die im Zeitpunkt des Erkennens
der Anomalie 16 gemessene Fahrzeit tA ergibt
die zurückgelegte
Fahrstrecke sA in der vorgegebenen Tauchtiefe TSoll, womit die Position PA (sA; TA) des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 festgelegt
ist. Wird als Startpunkt der Zeitmessung der Zeitpunkt to gewählt,
bei dem der Abstandssensor 20 nach Aussetzen des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 erstmals
einen Querabstand d misst, der dem vorgegebenen Soll-Querabstand
dSoll entspricht, so ist die ausgegebene
Position PA (sA;
TA) des Unterwasser-Kleinfahrzeugs zugleich die Position
der Anomalie 16 am Rumpf 15 des Oberflächenschiffs 11.
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In 4 ist
beispielhaft ein Blockschaltbild einer im Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 installierten Vorrichtung
dargestellt, mit der das vorgestellte Verfahren zum Aufspüren oder
Entdecken der Anomalie 16 durchgeführt wird. Neben der bereits
angesprochenen Navigationsvorrichtung 19 und den bereits angesprochenen
Sensoren 20, 21 weist die Vorrichtung noch einen
ersten Flankendetektor 23, einen Zeitgeber oder Timer 24,
einen Komparator 25, einen zweiten Flankendetektor 26,
eine Torschaltung 27 und einen Multiplizierer 28 auf.
Der Ausgang des akustischen Abstandssensors 20 ist sowohl
an die Navigationsvorrichtung 19 als auch an die Eingänge der
Flankendetektoren 23, 26 und des Komparators 25 angeschlossen.
Dem Komparator 25 ist über
einen zweiten Eingang der vorgegebene Querabstand dSoll des
Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 vom Rumpf 15 des
Oberflächenschiffs 11 zugeführt. Die
Torschaltung 27 ist über
den Ausgang des Komparators 25 ansteuerbar und verbindet
den Ausgang des Timers 24 und dem Eingang des Multiplizierers 28, dem
als Multiplikator die Sollgeschwindigkeit vSoll des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 zugeführt ist.
Die Ausgänge
der beiden Flankendetektoren 23, 26 sind an die
Navigationsvorrichtung 19 angeschlossen.
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3 zeigt
zur Verdeutlichung des vorgestellten Verfahrens ein Diagramm, in
dem der während
der Fahrt des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 von dem akusti schen
Abstandssensor 20 gemessene Querabstand d als Funktion
der Fahrzeit t dargestellt ist. Das hinter dem Heck des Überwasserschiffes 11 ausgesetzte
Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 nimmt Fahrt auf und gelangt
zum Zeitpunkt t0 bei konstanter Geschwindigkeit
in der Tauchtiefe TSoll an die Heckkante
des Rumpfs 15. Während
dieser Fahrstrecke misst der akustische Abstandssensor 20 gegen
die Pierwand und damit den Querabstand d zur Pierwand, der deutlich
größer ist
als der der Navigationsvorrichtung 19 vorgegebene Sollwert
dSoll. Erreicht das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 den
Rumpf 15 des Unterwasserschiffs 11, so tritt am
Ausgang des akustischen Abstandssensors 20 ein deutlicher Messwertsprung
auf, da der nunmehr vom Abstandssensor 20 gegen den Rumpf 15 gemessene
Querabstand d sehr viel kleiner ist als der zuvor gegen die Pierwand
gemessene Querabstand. Dieser negative Messwertsprung führt am Ausgang
des ersten Flankendetektors 23 zu einem Steuerimpuls, mit
dem einerseits der Abstandsregelkreis der Navigationsvorrichtung 19 eingeschaltet
und andererseits der Timer 24 gestartet wird. Das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 wird
nunmehr auf einem Kurs gesteuert, auf dem das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 den
vorgegebenen Querabstand dSoll zum Rumpf 15 konstant
einhält.
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Zum
Zeitpunkt tA gelangt das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 zu
der Anomalie 16 am Rumpf 15 und das Ausgangssignal
des akustischen Abstandssensors 20 sinkt kurzfristig unter
den Soll-Wert dSoll ab. Am Ausgang des Komparators 25,
der ständig
den vom Abstandssensor 20 ausgegebenen Ist-Wert des Querabstands
d vom Rumpf 15 mit dem vorgegebenen Soll-Wert des Querabstands
dSoll vergleicht, tritt ein Impuls auf,
der die Torschaltung 27 zum kurzzeitigen Schließen veranlassst.
Dadurch wird die vom Timer 24 momentan gemessene Fahrzeit
tA an den Multiplizierer 28 gegeben.
Im Multiplizierer 28 wird die momentan festgestellte Fahrzeit
tA mit der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit
vSoll des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 multipliziert.
Die daraus hervorgehende Fahrstrecke sA die
zusammen mit der vorgegebenen Tauchtiefe TSoll des
Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 die
Position des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 im Moment des
Aufspürens der
Anomalie 16 festgelegt, kann über die Verbindungsleitung 22 zur
Missions-Überwachungszentrale an
Bord des Oberflächenschiffes 11 übertragen
und dort in eine Alarmanzeige integriert werden. Aufgrund der Alarman zeige
kann von der Überwachungszentrale
ein Tauchereinsatz zur Inspektion und Beseitigung der Anomalie 16 gestartet
werden, wobei die durch die gemeldete Fahrstrecke sA und die
gemeldete Tauchtiefe TSoll festgelegte Position des
Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 die Position PA der
Anomalie 16 angibt, die die Zielvorgabe für den Tauchereinsatz
bildet.
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Unabhängig davon
setzt das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 seine Fahrt mit
konstantem Querabstand dSoll vom Rumpf 15 des
Oberflächenschiffes 11 fort.
Hat das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 das Ende des Rumpfs 15 erreicht
und fährt über diesen
hinaus, so misst der akustische Abstandssensor 20 wiederum
den Querabstand zur Pierwand, der deutlich größer ist als der Querabstand
zum Rumpf 15. Am Ausgang des Abstandssensors 20 tritt
ein deutlicher Messwertsprung zu höheren Messwerten hin auf. Die
positive Flanke des Messwertsprungs wird im zweiten Flankendetektor 26 detektiert.
Letztere erzeugt einen Steuerimpuls, der zu der Navigationsvorrichtung 19 gelangt
und dort ein Manöver
des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 auslöst, z. B. ein Wendemanöver auf
eine veränderte
Tauchtiefe.
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Der
beschrieben Vorgang des Abfahrens des Rumpfs 15 durch das
Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 wird wiederholt mit unterschiedlicher
Tauchtiefe des Unterwasser-Kleinfahrzeugs 17 durchgeführt, so dass
der gesamte Rumpf 15 auch in der Vertikalabmessung vom
akustischen Abstandssensor 20 vollständig abgetastet wird. Sinnvollerweise
führt das Unterwasser-Kleinfahrzeug
nach Verlassen des Rumpfbereichs eine 180° Wende durch und fährt in der
nächsten
Tauchtiefe den Rumpf 15 in Gegenrichtung zur seiner vorhergehende
Fahrbahn ab. In diesem Fall muss das Unterwasser-Kleinfahrzeug 17 mit einem
zweiten akustischen Abstandssensor ausgestattet sein, dessen Messrichtung
um 180° gegenüber der
des ersten akustischen Abstandssensors 20 gedreht ist.
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Alle
in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und
in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als
auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung
ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen
beschränkt.
Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.