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Stand der Technik
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Es
ist eine Reihe von optischen Laufzeitsensoren bekannt, bei denen
entweder eine Szene zeilenförmig oder flächenförmig
abgetastet wird.
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Diese
Systeme sind z. B. in folgenden Schriften beschrieben:
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Alle
diese Systeme sind nur in der Lage eine Szene im konstanten Winkel
oder Raumwinkel mit einer konstruktiv bedingten Leistungsdichte
abzutasten.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Erfindung löst die Aufgabe für Anwendungen um
z. B. im Automobilbereich unterschiedliche interessierende Flächen
oder Szenen mit angepassten Winkelauflösungen und Winkelbereichen und
angepassten Leistungsdichten abzutasten. Damit werden für
große Reichweiten hohe Leistungsdichten erreicht und für
kleine Reichweiten kleine Leistungsdichten bei einem größeren
abgetastetem Raumwinkel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der 1 bis 7 beschrieben.
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Entsprechend 1 ist
eine um seine Achse 101a fortlaufend rotierende Einheit 101 angebracht. Die
Einheit 101 wird von der Stromversorgungseinheit 123 über
den Drehtransformator, über die Primärwicklungen 113 und
die Sekundärwicklungen 108 versorgt. Der Antrieb
erfolgt über die Motorwicklungen 112 und dem mit
der Einheit 101 verbundenen Magnetsystem 110.
Die Stromversorgung der Sendeeinheit 105 wird vom Versorgungs-
und Steuer-Baustein 107 übernommen. Die Programmierung und
Steuerung der Sendeeinheit 105 geschieht über die
optischen Schnittstellen 107, 111 und 114 durch die
Signalakquisitions- und Zeitsteuerungseinheit 117 und den
Mikroprozessor 120. Die Sendeeinheit 105 steuert
eine Laserzeile bestehend aus z. B. zwei Abschnitten 105a und 105b an.
Der Teil 105a wird mit z. B. einem kleinen Winkelbereich
und damit hoher Leistungsdichte über die Optik 106 mit
der Richtung 106b auf die zu vermessende Szene abgestrahlt.
Der Teil 105b wird über den Spiegel 104 auf
die Optik 106a abgebildet. Diese Optik weist eine sehr
viel kleinere Brennweite als die Optik 106 auf. Damit werden die
Lichtimpulse der Zeilenteile 105b mit einem großen
Winkelbereich und kleiner Leistungsdichte über den Spiegel 104a auf
die zu vermessende Szene in Richtung 106c abgestrahlt.
Die von der Szene zurück gestreuten Signale von den beiden
Optiken mit den Abstrahlrichtungen 106b und 106c werden über
die optische Achse 103a, über das optische Filter 102 und
die Fresnel-Linse 103 und den Spiegel 104 auf den
Detektor 115 projiziert. Das Detektorsignal gelangt über
die Signalleitung 116 in den Signalakquisitions- und Zeitsteuerungsabschnitt 117.
Die Signalauswertung erfolgt im Abschnitt 118. Die Verarbeitung
der Signale zur Verfolgung (Tracking) der einzelnen Hindernisse
oder Objekte erfolgt im Abschnitt 119. Der Abschnitt 120 wertet
die getrackten Daten aus und gibt seinerseits das Ergebnis über
die Schnittstelle 122 an den Schnittstellen- und Versorgungsbaustein 123 weiter.
Die Funktionseinheit 120 bestimmt auch über die
optische Schnittstelle 111 welche der Laserdioden der Laserzeile 105a und 105b angesteuert
werden. Die Funktionseinheiten 117 bis 120 können
in einer oder unterschiedlichen Baugruppen enthalten sein z. B. 117–118 als
FPGA ausgeführt und 119–120 als
Mikroprozessor ausgeführt sein. Die Art und Zahl der Ansteuerungen
der Einzellaser kann sowohl pro Umlauf der Einheit 101 oder
in bestimmten Winkelbereichen innerhalb einer Umdrehung gewählt
werden. Der Schnittstellenbaustein 123 versorgt die Einheiten 107, 115, 116 bis 120 über
die Versorgungsleitungen 124 und den Trafo 112/110,
steuert zugleich den Motor über die Wicklungen 112 an
und detektiert über diese Wicklungen die Position des Rotors 101.
Die Versorgung des Bausteins 123 erfolgt z. B. durch die
Bordversorgung über die Leitungen 128. Die Übertragung
der Steuerung und die Übertragung der Daten zu den anderen Systemkomponenten
erfolgt über die Schnittstellen 125, 126 und 127.
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Eine
weitere Ausführung der Erfindung ist in 2 gezeigt.
Hierbei wird der Rotor 101 von der Versorgungs- und Schnittstelleneinheit 218 über
die Motorwicklungen 215 und die Permanentmagnete 213 angetrieben.
Die Stromversorgung der im Rotor 101 enthaltenen Komponenten
erfolgt über die Wicklungen 211 im Rotor und die
stehenden Magnete 214. Die Spannungsaufbereitung erfolgt
im Schnittstellenbaustein 209. Die Steuerung der Komponenten
erfolgt über die Steuer- und Auswerteeinheit 219, über
den Bus 220, den Versorgungs- und Schnittstellenbaustein 218 und über
die optische Schnittstelle 217 und 216. Der Rotor 101 enthält
den Signalverarbeitungs- und Zeitsteuerungsbaustein 206.
Dieser Baustein steuert den Mehrkanallaser 201 über
die Schnittstelle 208 an. Die Abbildung des Lasers 201 auf
die zu vermessende Szene erfolgt über die Sendeoptik 202.
Die von der Szene rückgestreuten Lichtimpulse gelangen über
das Filter 205 und die Linse 204 auf den Mehrfachdetektor 203,
dieser liefert seine Signale über die Schnittstelle 207 an
den Baustein 206. Die Winkel der Abtastung 103a und 106a werden
durch den Motor 226 über die Wicklungen 227 so
gesteuert wie es über die vorher beschriebenen Schnittstellen
der Baustein 219 vorgibt. Dabei kann die Winkelposition
pro Umlauf des Rotors 101 oder während eines Umlaufs
in verschiedenen Winkelbereichen eingestellt werden. Der Motor kann in
der einfachsten Form als einzelne Wickelung, die sich in einem Magnetfeld
bewegt, ausgeführt werden. Das Gesamtsystem wird über
die Versorgungsleitungen 223 vom Versorgungs- und Schnittstellenbaustein 218 versorgt.
Die Steuerung und Datenübertragung vom und zum Gesamtsystem
erfolgt über die Schnittstellen 221 und 222.
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Eine
weitere Ausführungsform ist in 3 gezeigt.
Der Rotor 101, der sich um die Achse 101a dreht
wird wie in 2 beschrieben über
den Versorgungs- und Schnittstellenbaustein 209 über
die gleichen Komponenten von 211 bis 220 betrieben,
versorgt, gesteuert und verbunden. Der Rotor 101 enthält
einen weiteren Rotor 302 der senkrecht zur Achse 101a um
die Achse 303a mit dem Motor 303 mit der Wicklung 316 gesteuert
und entweder um 360° fortlaufend oder um einen Winkelbereich 310 drehbar ist.
Der im Rotor 302 enthaltene Versorgungs- und Schnittstellenbaustein 304 wird
mit Energie über die Wicklungen 317 und 308 eines
Drehtrafos versorgt und enthält eine bidirektionale optische
Schnittstelle, bestehend aus den Sendeempfängern 306 und 307. Im
Rotor 302 entsprechen die Mehrkanalsendeeinheit 201,
die Mehrkanalempfangseinheit 203 und die Signalakquisitions-
und Zeitsteuerungseinheit den in 2 beschriebenen
Einheiten. Die Schnittstelle zum Baustein 304 erfolgt mit
dem Bus 210. Die Laserimpulse der Einheit 201 werden
auf die zu vermessende Szene über eine Zoomoptik bestehend
aus dem Linsensystem 202 und 318 abgebildet. Die
von Zielen rückgestreuten Lichtimpulse werden über
das Filter 205 und die Zoomoptik bestehend aus den Linsensystemen 204 und 319 auf
den Empfänger 203 abgebildet. Der Abbildungsraumwinkel
des Empfangs- und Sendesystems kann über den Motor 309, und
seine Wicklung 315, über die beschriebenen Schnittstellen
vom Mikroprozessor des Systems 219 eingestellt und verändert
werden. Beide Zoomoptiken werden entsprechend dem gewünschten
Abbildungsmaßstab für Sender und Empfänger
für jeweils den gleichen Raumwinkel eingestellt.
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Damit
wird folgendes erreicht:
- • Bei kleinerem
Raumwinkel steigt die Leistungsdichte und damit die Reichweite,
zugleich steigt die Auflösung. Diese Einstellung ist damit
für große Reichweiten geeignet.
- • Bei großem Raumwinkel wird die Leistungsdichte
erniedrigt, damit steigt der Abtastwinkelbereich.
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Diese
Einstellung ist damit für den Nahbereich geeignet.
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Die
Signalverarbeitung der Laufzeitentfernungsmessung bei den Systemen
nach 1, 2, 3 und 3a erfolgt
z. B. nach bekannten Verfahren, die in folgenden Schriften beschrieben sind.
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Bei
den Motorsteuerungen in 1, 2 und 3 werden
stellvertretend für eine bis zu vielen Motorwicklungen
jeweils nur eine oder zwei Wicklungen gezeigt.
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In
der 3a ist eine weitere Ausführungsform des
Rotors 101 gezeigt. Um bei einer Drehzahl des Rotors im
Bereich von 6000 U/min, das bedeutet 10 ms pro 360° sowohl
die Zoomeinstellung als auch die Winkeleinstellung im Bereich von
ca. 1 ms entsprechend 36° bewerkstelligen zu können
ist die Optik des Senders 201 aus drei Linsen oder Linsengruppen 320, 321 und 322 aufgebaut.
Die mittlere Linse wird über den Hebel 324a um
den Drehpunkt 323 durch die Spule 325 und über
den Hebel 324b in Richtung 326 geschwenkt. Die
Optik des Empfängers 203 besteht ebenfalls aus
3 Linsen oder Linsengruppen 327, 328 und 329.
Die mittlere Linse wird über den Hebel 331a um
den Drehpunkt 330 durch die Spule 332 und über
den Hebel 331b in Richtung 333 geschwenkt. Der
Schwenkvorgang bei den Mittellinsen 321 und 328 erfolgt
in beide Richtungen durch Einprägung von jeweils einem
der gewünschten Lage entsprechenden Strom aus dem Baustein 343.
Die Spulen 325 bzw. 332 bewegen sich dabei in einem
Magnetfeld, das durch die Magnete 335 und 334 erzeugt
wird. Die ferromagnetischen Polschuhe 336 und 337 konzentrieren
das Magnetfeld auf den Spalt in dem die Spulen 326 und 332 bewegbar
sind. Die Spulen werden aus der Einheit 209 über
den Bus 210 und den Stromtreiber 343 angesteuert.
Die gewünschte Brennweite kann damit durch die Lage der Linsen 321 und 328 eingestellt
werden. Werden die Hebel 324a und 331a sowie die
Lage der Drehpunkte 323 und 330 zu den optischen
Achsen der Optiken entsprechend gewählt, kann damit zugleich
die gewünschte Winkeländerung erreicht werden.
Reicht diese Möglichkeit für Winkelbereich und
Richtung nicht aus, so können die Linsen 320 und 327 durch die
Spulen 338 und 343 in einem Magnetfeld das aus den
Permanentmagneten 339a, 339b. 339c und 339d sowie 341a, 341b, 341c und 341d besteht,
die jeweils nebeneinander unterschiedliche Polung aufweisen und
in allen Richtungen parallel zur optischen Achse der Gesamtoptik
bewegt werden. Die Steuerung erfolgt ebenfalls aus dem Baustein 343.
Zur Stabilisierung ohne Strom ist die Linse 320 mit Spule 338 z.
B. auf Federn 340a und 340b aufgehängt.
Die Linse 327 mit Spule 343 wird durch die Federn 342a und 342b ohne
Strom stabilisiert. Mit der Anordnung gemäß 3a kann
während des Betriebes der Sensoren bei Verwendung von Lasern
oder Laserzeilen in den Sendeeinheiten und Fotodetektoren oder Fotodetektorzeilen
sowohl der Abbildungsmaßstab als auch die Richtung der
Sende- und Empfangssysteme zueinander über den Mikroprozessor
in der Auswerteeinheit eingestellt werden.
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Gleiches
ist beim Endtest in der Produktion möglich, womit man umständliche
Justagearbeiten spart.
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Die
jeweiligen Einstellungen sowohl beim Endtest, als auch während
des Betriebes werden im Mikroprozessor gespeichert.
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In
der 4 ist ein Anwendungsbeispiel an einem Bus gezeigt.
An den beiden Außenspiegeln 411 des Busses 401 ist
jeweils ein Sensor 402a und 402b nach 1 bis 3a angebracht.
Der Rotor 101 der Sensoren ist parallel zur Querachse des Fahrzeuges 401.
Damit ergibt sich entsprechend 4a jeweils
seitlich am Fahrzeug 401 eine Abtastung mit den Laserstrahlen
von z. B. 404 mit einer tolerierbaren Lücke 405.
Dabei kann z. B. zur Vereinfachung der Auswertung die Abstandsmessung über dem
Dach des Fahrzeuges bei 403, am Heck bei 406 und
im Frontbereich bei 407 begrenzt werden.
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4b zeigt
die Abtastung mit den beschriebenen Sensoren in der Draufsicht.
Die Sensoren 402a und 402b sind am Fahrzeug, Bus,
PKW oder LKW an der Stelle der Außenspiegel angebracht.
Die Abtaststrahlen bestehen z. B. aus 2 bis 16 Kanälen, die
den Winkelbereich 409 abtasten. Dabei kann der innere Kanal
mit einem kleinen Abstand von 410 am Fahrzeug entlang geführt
werden. Im Frontbereich wird der innere Kanal des Sensors 402a z.
B. in Richtung 411 geführt. Der innere Kanal des
Sensors 402b wird in Richtung 413 geführt.
Bereits mit dem Sensor nach 1 und 2 ist
es möglich die Richtung 411 im Bereich 412 und
die Richtung 413 im Bereich 414 zu schwenken.
Dies ist dynamisch während eine Umdrehung in jedem Winkelbereich
der Rundumabtastung möglich. Die Begrenzung zur Reduzierung der
Daten kann auch in dieser Ebene z. B. bei 415 erfolgen.
Durch Nutzung der Möglichkeiten eines Sensors nach 2, 3 oder 3a ist
eine Abtastkonfiguration entsprechend 5 möglich.
Die Sensoren 402a und 402b sind am Fahrzeug, Bus,
PKW oder LKW 401 wie beschrieben angebracht. Der Sensor 402a kann
somit über seine z. B. 16 Kanäle entlang der linken
Seitenwand entsprechend 501 und nach vorne entsprechend 503 abtasten.
Durch die Umsteuerung des Winkels und der Brennweiten der Optiken
ist aber im Bereich nach vorne auch die Einstellung entsprechend 506 wie
in der oberen Darstellung in 5 gezeigt
möglich. Der Sensor 402b tastet den rechten Bereich
nach hinten mit der Abbildung 502 ab, während
im Bereich nach vorne ein kleinerer Winkelbereich 505 mit
der Richtung 504 eingestellt wird. Dabei wird auch die
Leistungsdichte soweit erhöht, dass ein Abstandsbereich
bis zu 150 m erreicht wird um mit dem gleichen Sensor eine Abstandsregelung
auf Schnellstraßen zu realisieren. Für eine weitere
Verbesserung der Sensordaten kann am Fahrzeug 401 noch
eine Kamera wie 507 nach vorne mit einem Winkelbereich
von z. B. 510 angebracht werden.
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Zur
Darstellung einer Notbremsfunktion können die Sensoren 402a und 402b mit
den Strahlengängen 505, 506 und 503 das
Annähern detektieren und damit aus den redundanten Daten
ein Bremsmanöver einleiten. Die Daten der Kamera 507 erhöhen gegebenenfalls
zusätzlich die Sicherheit. Das Abtastschema, das in 5 in
der Draufsicht dargestellt ist, wird in 5a in
der Seitenansicht erläutert. Der Sensor 402b ist
z. B. am Fahrzeug 401 angebracht. Im Bereich 502a nach
oben, hinten und unmittelbar nach vorne wird gemäß 502 entsprechend 5 abgetastet.
Dabei ist es zweckmäßig den Bereich mit gleichem
Winkelbereich abzutasten, aber z. B. die Begrenzung entsprechend 502a ansteigen
zu lassen um Nickwinkelbewegungen des Fahrzeuges auszugleichen.
Der Bereich 506b wird z. B. mit der Aufweitung 506 abgetastet
und der Bereich 505b mit der Aufweitung 505 für
den Fernbereich. Beide Sensoren 402a und 402b können
alle gezeigten Schemen entweder gleich oder zur Redundanz unterschiedlich
abtasten. Die Abtastung kann auch zeitlich alternierend erfolgen,
oder je nach Annäherung umgeschaltet werden.
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Für
die Anbringung und Anwendung der Sensoren sind einige Beispiele
in 6 dargestellt. Bei einer Zugmaschine 601 mit
Auflieger 602 können die Sensoren 402a und 402b wie
beim Bus 401 an den Außenspiegeln 411 angebracht
werden. Außerdem kann der Frontbereich durch einen Sensor 604 nach 1 bis 3a so
abgetastet werden, dass seine Drehachse 101 senkrecht zur
Fahrachse des Fahrzeugs 601 steht. Damit wird z. B. für
den Nahbereich in einem Umlauf der Winkel 605 abgetastet
und in einem nächsten der Fernbereich mit dem Winkel 606.
Es kann aber auch der Fernbereich 606 bei jeder Umdrehung
abgetastet werden und nur die Nahbereichwinkel 605a die
den Fernbereich 606 einschließen. Um auch für
den Auflieger 602 eine zusätzliche Sicherheit
zu gewährleisten, können Sensoren 607a und 608a am
mittleren oder oberen Höhenbereich des Aufliegers angebracht
werden, um den Bereich nach hinten wie in 4b und 5 nach
vorne beschrieben abzutasten. Diese Abtastmöglichkeit dient
zur Spurwechselsicherung und zur Seitenbereichssicherung für
den Auflieger. In gleicher Weise und gleicher Wirkung können
die Sensoren 607a und 607b auch an der Rückseite
von Bussen oder LKW's für die selbe Anwendung untergebracht
werden.
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Die
Anbringung der Sensoren 402a und 402b ist auch
am PKW 612 durch Integration in oder Aufbau auf die Außenspiegel 613 möglich.
Auch die Anbringung eines Sensors 604 nach 1 bis 3a ist
im Frontbereich z. B. vor dem Kühlergrill oder im unteren
Bereich des Stoßfängers möglich, dabei
steht die Hauptachse des Sensors 604 senkrecht zur Fahrzeugachse.
Die Abtastung mit diesem Frontsensor 604 kann in gleicher
Weise wie für die Zugmaschine beschrieben erfolgen.
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Ein
Beispiel einer Kombination und Auswertung der Sensordaten ist in 7 gezeigt.
Der Recheneinheit werden die Daten der Sensoren 402a, 402b und/oder 604 zugeführt.
Optional werden die Daten der Kamera 507 und 509 in
die Recheneinheit übertragen, außerdem werden
die Positionsdaten aus dem GPS- oder Gallileo-System 719 übermittelt, sowie
aus dem Fahrzeug 718 über die Schnittstelle 717 die
Betriebszustände wie Raddrehzahl, Geschwindigkeit, bereits
eingeleitete Bremsung oder Beschleunigung und Lenkwinkelsensordaten.
Die Daten der Sensoren werden ausgewertet und können über
die Schnittstelle 717 direkt ins Fahrzeug geleitet werden
um dort eine automatische Längsregelung und gegebenenfalls
auch Querregelung zu bewirken. Tritt – erkannt durch die
Sensoren 402a, 402b, 507, 509, 604 und ausgewertet
durch die Recheneinheit 701 – an einer Stelle
die Gefahr einer Kollision auf, so wird im einfachsten Fall über
die Schnittstelle 712 zuerst auf das Lenkrad 716 eine akustische
z. B. Warnung über den Geber 716d abgegeben und
z. B. über die Positions-Leuchtdioden 716a, 716b und 716c die
grobe Richtung der Gefahr am Lenkrad angezeigt, diese Positionsleuchtdioden können
auch sichtbar am Armaturenbrett oder an der Windschutzscheibe angebracht
werden. Reagiert der Fahrer noch nicht, erhält er am Lenkrad 716 ein
leichtes durch ihn überwindbares Drehmoment oder Vibrieren
in die Richtung weg von der Gefahr. Außerdem wird bei Bussen
und LKW's das Gaspedal 725 leicht überwindbar
zurückgeschoben sowie die Bremseinrichtung 714 vorgespannt.
Im Rechner 701 sind auch darüber hinaus Algorithmen
programmiert, die das Fahrzeug bei einer weiteren Nichtbeachtung
der Warnungen automatisch vom Kollisionskurs ablenken und zum Stillstand
bringen. Insbesondere bei Bussen und LKW's kann eine genaue Anzeige
der Gefahren z. B. durch ein über die Schnittstelle 702 angesteuertes
Display 703 gegeben werden. Das Fahrzeug 705 wird
z. B. vom Fahrer aus in den verschiedenen Positionen gezeigt. In
der Position 704 wird z. B. ein Eindringen eines Hindernisses
in den Dachbereich 710 dargestellt, wobei der genaue Ort auch
in der Draufsicht 705 und Seitenansicht 705a sowie
in der Rückansicht 08 gezeigt wird. Ein Hindernis 711 auf
der linken Seite wird in der Position 704 und in der Position 705b gezeigt.
Bei automatischer Bremsung des Fahrzeuges werden die im Display gezeigten
Daten im Rechner 701 zum Nachweis der Notwendigkeit der
automatischen Bremsaktion gespeichert. In gleicher oder ähnlicher
Weise könnten die von den Sensoren 402a, 402b und 604 die
alternativ in z. B. anderen Fahrzeugen wie PKW's verbaut sind, ausgewertet
werden. Bei PKW's können außerdem noch folgende
Funktionen angesteuert werden:
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Bei einem Sensor 604 im Frontbereich
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- • Längsregelung auf Fernstraßen
und Autobahnen
- • Längsregelung im Stadtverkehr
- • Automatisches Bremsen bis zum Stillstand
- • Auslösung Fußgängerschutz
- • Seitenführung des Fahrzeuges
- • Vorkehrung bei Unterfahrung von Hindernissen
- • Überschlagsdetektion durch die Abweichung
der Abstandsmessungen zur Fahrbahn
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Bei Sensoren 402a und 402b im
Außenspiegelbereich
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- • Alle oben gezeigten Funktionen und
zusätzlich
- • Blind-Spot-Warnung
- • Parkraumdetektion
- • Auslösung Seitenairbagsysteme
- • Detektion von Hindernissen, die die Türöffnung oder
das Aussteigen gefährden oder erschweren
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Alle
aufgeführten Maßnahmen können über die
Schnittstelle 717 auf die Einrichtungen des Fahrzeuges 718 übertragen
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19717399
C2 [0002, 0011]
- - DE 10114362 C2 [0002]
- - DE 10243397 B4 [0002]
- - DE 102004014041 B4 [0002]
- - DE 10162668 B4 [0011]
- - DE 102006049935 [0011]
