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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Kalibrierung eines Sensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter Sensor in dem erfindungsgemäßen Sinn ist insbesondere ein so genannter Lidarsensor zu verstehen, der insbesondere in Verbindung mit einem Fahrerassistenzsystem für die Umfelderfassung eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Kalibrierung eines Sensors.
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Bekannt sind unterschiedliche Ausprägungen von Lidarsensoren, wie zum Beispiel Feststrahl-Lidar, 2D-Laserscanner, 3D-Laserimager, sowie unterschiedliche Verfahren für die Abstandsmessung mit derartigen Lidarsensoren. Ein in der Praxis häufig eingesetztes Verfahren für die Abstandsmessung ist das so genannte Puls-Laufzeitverfahren. Bei diesem wird die Laufzeit des Lichtimpulses gemessen und mittels der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts der Abstand eines Objekts erfasst, an dem der Lichtimpuls reflektiert worden ist.
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Aus
US 5606409 A ist eine Kalibriereinrichtung für ein Laserentfernungsmesssystem bekannt, das eine Interferometeranordnung mit einer verlängerten Lichtausbreitungsstrecke umfasst. Die Interferometeranordnung ist optisch mit der Kalibriereinrichtung und mit dem Laserentfernungsmesssystem gekoppelt, derart, dass ein Lasermessstrahl aus der Kalibriereinrichtung und ein Laserstrahl aus dem Laserentfernungsmesssystem in die Interferometeranordnung eingekoppelt werden können.
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Aus
US 5825464 A ist eine Kalibriereinrichtung für ein Lidarsystem bekannt. Die Kalibriereinrichtung umfasst eine Strahlung integrierende Hohlkugel, in die von dem Lidarsystem ausgesandte Strahlung eingekoppelt wird. Die Hohlkugel ist strahlungsmäßig mit einer Mehrzahl von Lichtleitern gekoppelt, die in die Hohlkugel münden. An dem Endstück eines Lichtleiters mit bekannter Länge ist ein reflektierendes Objekt, wie beispielsweise ein Bragg-Gitter angeordnet, das ein Zielobjekt für das Lidarsystem simuliert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht eine einfache, prozesssichere und leicht reproduzierbare Kalibrierung und Diagnose eines Sensors, insbesondere eines Lidarsensors, der für die Umfelderfassung in Verbindung mit einem Fahrzeug eingesetzt wird. Dadurch dass die erfindungsgemäß ausgebildete Kalibriereinrichtung matrixartig angeordnete Reflektorelemente und eine damit zusammenwirkende Blendenmaske umfasst, können durch selektive Steuerung von Elementen der Blendenmaske beliebig geformte Testmuster aus für den zu kalibrierenden Sensor sichtbaren Reflektorelementen gebildet werden. Durch Anordnung eines Lichtempfängers und eines Lichtsenders in mindestens einem Matrixelement der Kalibriereinrichtung kann, ausgelöst von einem Abtastimpuls des Sensors, ein hinsichtlich seiner Intensität und seines Aussendezeitpunkts steuerbarer Lichtstrahl auf den Sensor zurückgesandt werden, wodurch insbesondere eine Intensitätskalibrierung des Sensors ermöglicht wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein Koordinatensystem mit Darstellung von Soll- und Istposition eines Objekts in einem Sensorbild;
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2 ein Fahrzeug vor einer Kalibriereinrichtung in schematischer Darstellung;
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3 ein Fahrzeug mit einer Kalibriereinrichtung;
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4 den Aufbau einer Kalibriereinrichtung;
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5 ein Reflektorelement der Kalibriereinrichtung in Seitenansicht;
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6 eine schematische Schnittdarstellung eines Reflektorelements mit Darstellung des optischen Strahlengangs;
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7 eine schematische Schnittdarstellung eines Reflektorelements mit Darstellung des optischen Strahlengangs;
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8 den Aufbau einer Kalibriereinrichtung mit Sender und Empfänger und einer Verzögerungseinrichtung;
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9 eine Vorderansicht einer Kalibriereinrichtung.
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1 zeigt ein Koordinatensystem mit Darstellung von Soll- und Istposition eines Objekts in einem Sensorbild. In dieser 1 ist beispielhaft gezeigt, wie die Istausgabedaten eines 3D-Laserimagers von den Sollwerten abweichen können. Stellt man beispielsweise ein geeignetes Kalibrierobjekt, in dem dargestellten Fall ein Balkenkreuz, an einer definierten Position in Bezug auf ein Fahrzeug mit dem genannten 3D-Laserimager auf, so wird dieses Kreuz in dem Sensorbild an einer bestimmten Istposition dargestellt, die von einer gewünschten Sollposition abweichen kann. Die Kreuzdarstellung K1 in 1 entspreche der Sollposition, die Kreuzdarstellung K2 der Istposition. Mittels der erfindungsgemäßen Kalibriereinrichtung kann nun erreicht werden, dass die Soll- und Istposition der Kreuzdarstellungen K1, K2 weitestgehend übereinstimmen. Dies ist insbesondere durch eine Justierung der Sensoreinrichtung relativ zu dem Fahrzeug und/oder durch eine Softwarekorrektur der Zuordnung der Bildpixel zu realen Richtungen erreichbar.
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Ein 3D-Laserimager ist beispielsweise dann richtig und vollständig kalibriert, wenn folgende Größen kalibriert sind: der jeweilige Abstand in den Achsen des Koordinatensystems, also hier in x- y- und z-Richtung. Die Intensität als Option, insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte Erkennung von Linien. Die x-Achse des Koordinatensystems ist dabei parallel zu der Fahrtrichtung des Fahrzeugs gerichtet. Die y-Achse und die z-Achse liegen dabei in einer zu der x-Achse senkrechten Ebene. Eine Abstandskalibrierung in x-Richtung des Koordinatensystems könnte zum Beispiel mit der in 2 schematisch dargestellten Kalibriereinrichtung erreicht werden. Mit Bezugsziffer 20 ist ein mit einem 3D-Laserimager 21 ausgerüstetes Fahrzeug bezeichnet. Die Kalibriereinrichtung umfasst beispielsweise eine in x-Richtung des Koordinatensystems, also in Richtung des Pfeils Px, bewegbare Tafel 22 mit einem darauf befindlichen Kalibrierobjekt in Gestalt eines Balkenkreuzes K. Mit Bezugsziffer 21.1 ist der Detektionsbereich des 3D-Laserimagers 21 bezeichnet. Eine Abstandskalibrierung wird nun durch Vergleich der in dem Sensorbild sichtbaren Pixel des Kalibrierobjekts (Balkenkreuz K) mit den Sollwerten durchgeführt. Durch Wiederholung der Messungen in unterschiedlichen Abständen x1, x2, x3, xn kann vorteilhaft eine Kalibrierkurve aufgenommen werden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung soll nun eine möglichst einfache, prozesssichere und überdies automatisierbare Kalibrierung ermöglichen.
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3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 30. Die Einrichtung ist für die Kalibrierung eines in dem Fahrzeug 20 angeordneten Laserimagers 21 vorgesehen. Die Einrichtung 30 ist vorteilhaft mit einer Richtbank 31 verbunden. Die Richtbank 31 ermöglicht eine präzise Einstellung des Abstands zwischen dem Fahrzeug 20 bzw. dem darin angeordneten Sensor 21 und der Einrichtung 30 entlang der x-Achse. Die Einrichtung 30 umfasst im Wesentlichen drei Funktionsmodule. Ein erstes Funktionsmodul besteht aus in einer Matrix angeordneten Reflektorelementen und einer davor angeordneten Blendenmaske, mittels der beliebige Reflektorelemente abgedeckt werden können. Besonders vorteilhaft kann als Blendenmaske ein LCD-Panel eingesetzt werden, dessen Transmission bereichsweise selektiv steuerbar ist. Die Größe der matrixartig angeordneten Reflektorelemente richtet sich nach der gewünschten Winkelauflösung und ist vorteilhaft gleich wie oder kleiner als die Spotgröße des von dem Sensor 21 ausgesandten Lichtstrahls am Ort der Einrichtung 30. Mit den Komponenten des genannten Funktionsmoduls ist eine Winkelkalibrierung in der yz-Ebene möglich
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Ein zweites Funktionsmodul umfasst einen Lichtempfänger für den Empfang der von dem Sensor 21 ausgesandten Strahlung, eine dem Lichtempfänger nachgeschaltete Verzögerungsschaltung und eine steuerbare Pulslichtquelle. Mit diesem zweiten Funktionsmodul kann ein auf den Lichtempfänger fallender Lichtimpuls detektiert werden. Weiterhin kann, nach einer von der Verzögerungsschaltung vorgegebenen Verzögerungszeit die Pulslichtquelle gesteuert werden, so dass diese einen Lichtimpuls in Richtung der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtimpulses, also auf den Sensor 21, aussenden kann. Damit kann der Sensor 21 bei einem definierten Raumwinkel bezüglich der Laufzeit kalibriert werden (Abstandskalibrierung in x-Richtung). Für jedes Matrixelement der Einrichtung 30 ist ein derartiges zweites Funktionsmodul vorgesehen.
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Ein drittes Funktionsmodul umfasst einen Lichtempfänger für den Empfang der von dem Sensor 21 ausgesandten Strahlung, eine dem Lichtempfänger nachgeschaltete Verzögerungsschaltung und eine hinsichtlich der Zeit und der Intensität steuerbare Pulslichtquelle. Mit diesem dritten Funktionsmodul kann ein auf den Lichtempfänger fallender Lichtimpuls detektiert werden. Weiterhin kann, nach einer von der Verzögerungsschaltung vorgegebenen Verzögerungszeit, die Pulslichtquelle gesteuert werden, so dass diese einen Lichtimpuls in Richtung der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtimpulses, also in Richtung auf den Sensor 21, aussenden kann. Zusätzlich kann die Pulslichtquelle dabei in ihrer Intensität moduliert werden. Damit kann der Sensor 21 bei einem definierten Raumwinkel bezüglich der Laufzeit und der Intensität kalibriert werden. Für jedes Matrixelement der Einrichtung 30 ist ein derartiges drittes Funktionsmodul vorgesehen. In einer besonders vorteilhaften und kostengünstigen Ausführungsvariante können das zweite und dritte Funktionsmodul auch zu einem einzigen Funktionsmodul zusammengefasst werden.
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Einzelheiten des ersten Funktionsmoduls der Einrichtung 30 sind in 4 ausschnittsweise vergrößert dargestellt. Vergrößert dargestellt ist der Teilbereich V1 der Kalibriereinrichtung 30. Die Einrichtung 30 umfasst ein in dieser Darstellung nur teilweise gezeigtes Reflektormodul 42 mit Reflektorelementen 42.1, 42.2, 42.3. Die Reflektorelemente sind vorzugsweise matrixförmig angeordnet. Vor dem Reflektormodul 42, also in dem Strahlengang zwischen dem Sensor 21 und dem Reflektormodul 42, ist eine Blendenmaske 41 mit hinsichtlich ihrer Transparenz selektiv steuerbaren Elementen 41.1, 41.2. 41.3 angeordnet. Jedes dieser Elemente ist einem Reflektorelement der matrixartig angeordneten Reflektorelemente des Reflektormoduls zugeordnet. Je nach Transmissionsgrad der Elemente der Blendenmaske ist somit für den Sensor 21 ein Reflektorelement sichtbar oder nicht. Bevorzugt kann die Blendenmaske 41 mittels eines LCD-Panels realisiert werden. Ein Reflektorelement, beispielsweise das Reflektorelement 42.2, des Reflektormoduls 42 ist in 5 vergrößert und in einer Seitenansicht dargestellt. Vereinfachte Längsschnitte des in 5 gezeigten Reflektorelements mit Andeutung des optischen Strahlengangs sind in 6 und 7 dargestellt. Die anderen Reflektorelemente des Reflektormoduls 42 sind identisch aufgebaut. Das Reflektorelement 42.2 ist von zwei optisch wirksamen gekrümmten Flächen F1, F2 begrenzt. Die Fläche F1 ist verspiegelt und daher stark reflektierend ausgebildet. Der Brennpunkt der gekrümmten Fläche F2 liegt innerhalb der verspiegelten Fläche F1. Ein von dem Sensor 21 ausgesandter Lichtstrahl AS tritt durch die Fläche F2 in das Reflektorelement 42.2 ein und trifft auf die reflektierende Fläche F1 auf. Der an der Fläche F1 reflektierte Lichtstrahl RS tritt im Wesentlichen parallel zu dem einfallenden Lichtstrahl AS aus dem Reflektorelement 42.2 wieder aus. 6 verdeutlicht diesen Zusammenhang für einen schräg zu der Längsachse des Reflektorelements 42.2 einfallenden Lichtstrahl AS. 7 stellt die Situation für einen achsparallel einfallenden Lichtstrahl AS dar. Die Reflektorelemente wirken somit als so genanntes Katzenauge. In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung können die Reflektorelemente auch als Eckenreflektor (corner reflektor) ausgebildet sein. Dieser umfasst bekanntlich drei aneinander grenzende ebene Flächen. Auch ein derartig ausgebildetes Reflektorelement wirft, nach mehrmaliger Reflexion an den ebenen Flächen, einen einfallenden Lichtstrahl in die Einfallsrichtung zurück. Die zuvor beschriebenen Reflektorelemente kommen zum Einsatz, damit einfallende Lichtstrahlen, im Wesentlichen unabhängig von ihrem Einfallswinkel, wieder in Einfallsrichtung reflektiert werden (Retroreflektor). Ein Grund dafür ist, dass das Material der Blendenmaske (insbesondere LCD-Panel) bei der Abschattung einzelner Reflektorelemente ggf. nicht optimal absorbiert und so auch, in unerwünschter Weise, im „Dunkelzustand” Licht zum Sensor 21 zurückgestreut wird. Erwünscht ist, dass im Hellzustand die ausgewählten Reflektorelemente im Vergleich zu den durch die abschattende Blendenmaske abgedeckten Reflektorelementen sehr viel mehr Lichtintensität reflektieren, so dass der Hell-Dunkelkontrast signifikant ist. Alternativ könnte auch einfach diffus reflektierendes weißes Papier oder im Handel erhältliche Reflektorfolie verwendet werden, falls der Hell-Dunkelkontrast ausreichend ist. Weiterhin ist sichergestellt, dass dieselbe Kalibriereinrichtung zum Beispiel für unterschiedliche Relativpositionen von Sensor 21 (bzw. Fahrzeug 20) und Kalibriereinrichtung verwendet werden kann oder bei einer relativ schlechten Initialkalibrierung des Sensors immer ausreichend Intensität von der Kalibriereinrichtung in die von dem Sensor beleuchteten Raumrichtungen reflektiert wird.
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Die Blendenmaske 41 wird benutzt, um durch gezielte Abblendung ausgewählter Reflektorelemente ein oder mehrere Testmuster für eine yz-Kalibrierung des Sensors 21 zu erzeugen. Durch Steuerung der Transmission der Elemente der Blendenmaske 41 können so beliebige Testmuster für die Kalibrierung des Sensors 21 erstellt werden, beispielsweise die in 1 und 9 dargestellten Testmuster in Kreuzform. Aus der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position, zum Beispiel eines Testmusters in Kreuzform (K1, K2, K3) in dem Sensorbild kann daher eine Zuordnung von Pixeln des Sensorbilds zu realen Raumrichtungen erfolgen.
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Im Folgenden wird, unter Bezug auf die Darstellungen in 8 und 9, das zweite Funktionsmodul beschrieben. 8 zeigt dabei eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs V2 der Einrichtung 30 in 3. Das zweite Funktionsmodul umfasst, innerhalb der matrixartig angeordneten Reflektorelemente des Reflektormoduls 42 mindestens ein Matrixelement 42.x, das wie nachfolgend beschrieben aufgebaut ist. Das Matrixelement 42.x umfasst einen Lichtempfänger 80 für den Empfang der von dem Sensor 21 ausgesandten Strahlung (Lichtstrahl AS), eine dem Lichtempfänger 80 nachgeschaltete Verzögerungsschaltung 82.1 und eine steuerbare Pulslichtquelle 81 als Lichtsender. Mit diesem zweiten Funktionsmodul kann ein auf den Lichtempfänger 80 fallender Lichtimpuls detektiert werden. Weiterhin kann, nach einer von der Verzögerungsschaltung 82.1 vorgegebenen Verzögerungszeit, die Pulslichtquelle 81 gesteuert werden, so dass diese einen Lichtimpuls RS in Richtung der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtimpulses AS, also in Richtung auf den Sensor 21, aussenden kann. Damit kann der Sensor 21 bei einem definierten Raumwinkel bezüglich der Laufzeit kalibriert werden (Abstandskalibrierung in z-Richtung). Für jedes Matrixelement der Einrichtung 30 kann ein derartiges zweites Funktionsmodul vorgesehen sein. Die Verzögerungseinrichtung in einer bestimmten Raumrichtung wird dazu verwendet, eine definierte Pulslaufzeit des Lichtimpulses für den Sensor 21 zu erzeugen, damit eine in dem Sensor 21 angeordnete Zeitmesselektronik in dem Sensor 21 kalibriert werden kann. Sensoren nach Art eines 3D-Laserimagers oder 2D-Laserscanners haben aus Kostengründen üblicherweise nur einen einzigen Sende- und Empfangspfad, wobei eine Strahlablenkung zum Beispiel mittels einer Ablenkeinrichtung erfolgt, um die Pfade zu trennen. Für die Strahlablenkung werden beispielsweise ein oder mehrere Mikrospiegel oder rotierende Spiegel eingesetzt. Deshalb ist es ausreichend, eine Kalibrierung der Zeitmesseinrichtung in im Wesentlichen nur einer Raumrichtung vorzunehmen. Für die Überprüfung einer Mehrzielfähigkeit des Sensors 21 könnten auch mehrere Antwortpulse zurückgesandt werden.
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Im Folgenden wird, unter Bezug auf die Darstellungen in 8 und 9, ein drittes Funktionsmodul beschrieben. Das dritte Funktionsmodul umfasst wiederum einen Lichtempfänger 80 für den Empfang der von dem Sensor 21 ausgesandten Strahlung AS, eine dem Lichtempfänger 80 nachgeschaltete Verzögerungsschaltung 82.1 und eine hinsichtlich der Zeit und der Intensität steuerbare Pulslichtquelle 81. Mit diesem dritten Funktionsmodul kann ein auf den Lichtempfänger 80 fallender Lichtimpuls detektiert werden. Weiterhin kann, nach einer von der Verzögerungsschaltung 82.1 vorgegebenen Verzögerungszeit, die Pulslichtquelle 81 gesteuert werden, so dass diese einen Lichtimpuls RS in Richtung der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtimpulses, also in Richtung auf den Sensor 21, aussenden kann. Zusätzlich kann die Pulslichtquelle 81 dabei in ihrer Intensität moduliert werden. Damit kann der Sensor 21 bei einem definierten Raumwinkel bezüglich der Laufzeit kalibriert werden. Weiterhin ist damit eine Kalibrierung des Sensors 21 hinsichtlich der von dem Sensor erfassten Intensität möglich. Für jedes Matrixelement der Einrichtung 30 kann ein derartiges drittes Funktionsmodul vorgesehen werden. In einer besonders vorteilhaften und kostengünstigen Ausführungsvariante können das zweite und dritte Funktionsmodul auch zu einem einzigen Funktionsmodul zusammengefasst werden.
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9 zeigt nochmals eine dem zu kalibrierenden Sensor 21 zugewandte Frontansicht der Kalibriereinrichtung. Das sich in der yz-Ebene erstreckende Reflektormodul 42 ist aus matrixartig angeordneten Reflektorelementen 42.1, 42.n aufgebaut. Mindestens ein Matrixelement, hier in 9 das Matrixelement 42.x verfügt zusätzlich über die Funktionalität des zweiten Funktionsmoduls oder zusätzlich noch, auch über die Funktionalität des dritten Funktionsmoduls. Das Sichtfeld des Sensors 21 im Abstand der Kalibriereinrichtung 30 ist in 9 mit Bezugsziffer 90 bezeichnet. Mittels der in 9 nicht detailliert dargestellten Blendenmaske 41 kann ein beliebiges Testmuster, wie zum Beispiel das in 9 dargestellte kreuzförmige Testmuster K3 dargestellt werden.
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Unter Verwendung einer Recheneinrichtung (Computer 30.1 in 3) kann ein Kalibriervorgang vorteilhaft vollständig automatisiert werden, wodurch Kosten und Zeit eingespart werden können. Dadurch ist der Kalibriervorgang auch prozesssicher und reproduzierbar durchzuführen. Insbesondere müssen auch keine Objekte in Richtung der x-Achse verschoben werden, um eine Abstandskalibrierung durchzuführen. Die während des Kalibriervorgangs ermittelten Kalibrierparameter können vorteilhaft in einen mit dem Sensor 21 verbundenen nichtflüchtigen Speicher 21.1 (2, 3) eingeschrieben und von dort auch wieder ausgelesen werden.
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Vorteilhat kann die Kalibriereinrichtung auch als Diagnoseeinrichtung verwendet werden, so dass ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem Sensor 21 und der Diagnoseeinrichtung durchführbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5606409 A [0003]
- US 5825464 A [0004]
