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Gegenwärtig wächst das Interesse an solchen Transportkonzepten, bei welchen elektrische Fahrzeuge, beispielsweise LKW, die zum Fahrbetrieb erforderliche Energie aus Oberleitungen entnehmen statt diese in Form von geladenen Akkumulatoren mit sich zu führen. Eingesetzt werden entsprechende Fahrzeuge bereits seit einigen Jahren, etwa als Muldenkipper, welche in Tagebauen eingesetzt werden. Denn insbesondere solche Muldenkipper werden aufgrund der hohen Lasten und der hohen Antriebsleistungen zweckmäßig elektrisch betrieben.
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Bei derartigen Transportkonzepten ist erforderlich, einen Stromabnehmer, beispielsweise in der Gestalt eines Pantographen, an einem Fahrdraht, etwa einer Oberleitung, entlang zu führen. Zu diesem Zweck muss das Fahrzeug am Fahrdraht entlang navigiert werden und/oder der Stromabnehmer bleibt entsprechend auszurichten. Hierzu muss stets die räumliche Anordnung, das heißt der Ort und/oder die Ausrichtung, des Fahrdrahtes bekannt sein.
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Zur Bestimmung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahts ist es bekannt, an einem Stromabnehmer des Fahrzeugs auftretende Kräfte zu ermitteln und zur Bestimmung der räumlichen Anordnung des Fahrdrahtes heranzuziehen. Ferner ist es zudem bekannt, optische Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahtes einzusetzen. Die räumliche Anordnung des Fahrdrahtes kann auf diese Weise zwar präzise bestimmt werden, jedoch sind solche Verfahren witterungsanfällig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahtes bereitzustellen, welches genau und mit hoher Zuverlässigkeit einsetzbar ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Navigation eines an einen Fahrdraht gebundenen Fahrzeugs anzugeben. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein an einen Fahrdraht gebundenes Fahrzeug bereitzustellen, bei welchem die räumliche Anordnung eines Fahrdrahtes relativ zu diesem Fahrzeug einfach ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahts mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Verfahren zur Navigation eines an einen Fahrdraht gebundenen Fahrzeugs mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen sowie mit einem an einen Fahrdraht gebundenen Fahrzeug mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahts wird der Fahrdraht mit Mirkowellen bestrahlt. Vom Fahrdraht abgestrahlte Mikrowellen werden erfasst. Die erfassten Mikrowellen werden erfindungsgemäß zur Bestimmung der räumlichen Anordnung des Fahrdrahtes herangezogen.
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Unter einer räumlichen Anordnung des Fahrdrahts im Sinne dieser Erfindung ist die Anordnung, das ist der Ort und/oder die Orientierung des Fahrdrahts, im Raum zu verstehen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein selbst sehr dünner Fahrdraht ein gutes Rückstreuverhalten für Mikrowellen zeigt, so dass anhand der rückgestreuten Mikrowellen die räumliche Anordnung des Fahrdrahtes leicht und zuverlässig bestimmt werden kann. Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahts entspricht dabei zumindest der Genauigkeit bekannter optischen Verfahren. Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zudem witterungsunabhängig, das heißt insbesondere bei dichtem Nebel oder Regen, eingesetzt werden.
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Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgmäßen Verfahren ein Mikrowellensender herangezogen und der Fahrdraht mittels des Mikrowellensenders mit Mikrowellen bestrahlt.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Mikrowellensensor herangezogen und es werden die vom Fahrdraht abgestrahlten Mikrowellen mittels des Mikrowellensensors erfasst. Vorteilhafterweise ist ein solcher Mikrowellensensor weitgehend unanfällig gegenüber Verschmutzungen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Mikrowellensender und Mikrowellensensor als einstückig und einteilig handhabbares Bauteil, d.h. als Transceiver, herangezogen.
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Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren polarimetrisch durchgeführt. Insbesondere wird der Fahrdraht mit, vorzugsweise linear, polarisierten, das heißt eine ausgezeichnete Vorzugspolarisation aufweisenden, Mikrowellen bestrahlt. Alternativ oder zusätzlich wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest ein Teil der abgestrahlten Mikrowellen polarisationssensitiv, insbesondere sensitiv auf lineare Polarisation, erfasst. Vorteilhaft lässt sich mittels der polarimetrischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Orientierung des Fahrdrahts besonders einfach ermitteln.
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Dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Fahrdraht Mikrowellen, mit welchen er bestrahlt wird, umso besser wieder abstrahlt oder reflektiert, je genauer die Polarisationsrichtung der auf den Fahrdraht gestrahlten Mikrowellen mit der Orientierung des Fahrdrahts übereinstimmt.
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Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Polarisationsrichtung der Mikrowellen, mit welchen der Fahrdraht bei dem Verfahren bestrahlt wird, bekannt und es wird aus dem Anteil der vom Fahrdraht abgestrahlten und erfassten Mikrowellen die Ausrichtung des Fahrdrahts bestimmt.
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Alternativ und ebenfalls zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fahrdraht mit unpolarisierten Mikrowellen oder mit Mikrowellen, welche mehrere Polarisationsrichtungen zugleich aufweisen, bestrahlt, und die Polarisationsrichtung der vom Fahrdraht abgestrahlten erfassten Mikrowellen erfasst. Die in der vom Fahrdraht abgestrahlten und erfassten Mikrowelle auftretende Vorzugspolarisationsrichtung ist in diesem Falle eindeutig mit der Orientierung des Fahrdrahts verknüpft und stimmt insbesondere mit dieser überein.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anordnung des Fahrdrahts relativ zu einem Fahrzeug, insbesondere relativ zu einem Stromabnehmer des Fahrzeugs, bestimmt. Gerade die Anordnung des Fahrdrahts relativ zu einem an diesen Fahrdraht gebundenen Fahrzeug ist zur Führung des Fahrzeugs und/oder des Stromabnehmers besonders relevant.
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Besonders vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Orientierung des Fahrdrahts relativ zu einer vorgesehenen Fahrtrichtung des Fahrzeugs und/oder der Abstand des Fahrdrahts zum Fahrzeug und/oder die Orientierung des Fahrdrahts relativ zu einer vorgesehenen Fahrebene des Fahrzeugs und/oder die Höhe des Fahrdrahts über einer solchen Fahrebene des Fahrzeugs bestimmt. Idealerweise wird alternativ oder zusätzlich ein Neigungswinkel des Fahrdrahts relativ zur Fahrebene des Fahrzeugs bestimmt.
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Geeigneterweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vom Fahrdraht abgestrahlte Mikrowellen richtungssensitiv erfasst. Zweckmäßigerweise lässt sich in dieser Weiterbildung der Erfindung ein Neigungswinkel des Fahrdrahts ganz einfach bestimmen. Diese Weiterbildung der Erfindung fußt auf der Erkenntnis, dass gemäß dem Fermat'schen Prinzip eine elektromagnetische Welle zwischen allen theoretisch möglichen Wegen physikalisch denjenigen nimmt, dessen Ausbreitungszeit minimal unter der Menge der möglichen Wege ist. Dadurch ist vom Fahrdraht lediglich derjenige Punkt sichtbar, der unter einem rechten Winkel zum Sensor erscheint. Auf diese Weise ist eine Messung der Elevation, das heißt eines Neigungs- oder Abfallswinkels, besonders leicht möglich. So ist etwa dann, wenn die Mikrowellen senkrecht zu einer vorgegebenen Ebene abgestrahlt werden, der Fahrdraht, sofern dieser unter einem Neigungswinkel gegenüber dieser vorgegebenen Ebene geneigt ist, unter eben diesem Neigungswinkel relativ zur normalen auf dieser Ebene sichtbar.
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Eine solche richtungssensitive Erfassung erfolgt in einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels zumindest eines Mikrowellensensors, welcher eine Vorzugsrichtung aufweist, aus welcher der Mikrowellensensor Mikrowellen sensitiver erfasst als aus anderen Richtungen, wobei die Vorzugsrichtung geändert wird. Auf diese Weise kann diejenige Vorzugsrichtung des Mikrowellensensors erfasst werden, unter welcher die vom Fahrdraht abgestrahlten Mikrowellen besonders sensitiv erfasst werden können. Die Ermittlung dieser Vorzugsrichtung entspricht dabei einer richtungssensitiven Erfassung der vom Fahrdraht abgestrahlten Mikrowellen.
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Alternativ oder zusätzlich können in einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Mikrowellensensoren vorhanden sein, welche eine Mehrzahl unterschiedlicher Vorzugsrichtungen aufweisen.
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Zweckmäßigerweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Laufzeit und/oder Laufweg der Mikrowellen vom Mikrowellensender zum Fahrdraht und/oder der Mikrowellen vom Fahrdraht zum Mikrowellensensor erfasst. Über eine Messung der Laufzeit oder des Laufweges lässt sich der Ort des Fahrdrahts, zumindest der Ort eines Punktes des Fahrdrahts, leicht in an sich bekannter Weise wie aus der Radartechnik bekannt bestimmen.
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Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fahrdraht mit Mikrowellen zeitlich veränderlichen Frequenz bestrahlt. Insbesondere werden die Mikrowellen mit zeitlich veränderter Frequenz von einem Mikrowellensender in Richtung des Fahrdrahtes gesandt. Auf diese Weise können aufgrund der zeitlichen Änderung der vom Fahrdraht abgestrahlten und von einem Mikrowellensensor erfassten Mikrowellen jeweils von den von einem Mikrowellensender abgestrahlten Mikrowellen unterschieden werden.
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Insbesondere werden von einem Mikrowellensender Mikrowellen mit einer linear mit der Zeit ansteigenden Frequenz oder aber mit einer linear mit der Zeit fallenden Frequenz in Richtung des Fahrdrahtes gesendet, insbesondere mit entlang der Zeit jeweils stückweise linearen Frequenz-Zeit-Beziehungen, etwa in der Art einer (in linearer Darstellung) rampen- oder sägezahnartigen Zeitabhängigkeit der Frequenz. Auf diese Weise kann mit der Frequenzbeziehung der aktuell vom Mikrowellensender abgestrahlten Mikrowellen und der vom Fahrdraht abgestrahlten und erfassten Mikrowellen auf die Laufzeit der Mikrowellen bei der vom Mikrowellensender zum Fahrdraht und vom Fahrdraht zum Mikrowellensensor und somit auf den Laufweg der Mikrowellen vom Mikrowellensender zum Fahrdraht und vom Fahrdraht zum Mikrowellensensor geschlossen werden. So lässt sich die Laufzeit und/oder der Laufweg heranziehen und mittels der Laufzeit und/oder des Laufwegs der Abstand des Fahrdrahts vom Mikrowellensender und/oder vom Mikrowellensensor bestimmen.
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In einer geeigneten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses Verfahren an oder in einem Fahrzeug durchgeführt, insbesondere an einem an dem Fahrdraht gebundenen Fahrzeug.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Navigation eines Fahrzeugs wird die räumliche Anordnung des Fahrdrahts relativ zum Fahrzeug mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Anordnung eines Fahrdrahts wie vorangehend beschreiben bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Navigation wird der Kurs des Fahrzeugs abhängig von der bestimmten relativen Anordnung des Fahrdrahts eingestellt.
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Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Navigation der Kurs des Fahrzeugs derart eingestellt, dass das Fahrzeug einem Verlauf des Fahrdrahts folgt.
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Das erfindungsgemäß drahtgebundene Fahrzeug weist eine Fahrdrahtanordnungsbestimmungseinrichtung auf, welche mindestens einen Mikrowellensensor, mindestens einen Mikrowellensender sowie eine Auswerteeinrichtung aufweist. Der Mikrowellensender ist zur Bestrahlung des Fahrdrahts mit Mikrowellen ausgebildet. Der Mikrowellensensor ist zur Erfassung vom Fahrdraht abgestrahlter Mikrowellen ausgebildet. Die Auswerteeinrichtung ist zur Bestimmung der räumlichen Anordnung des Fahrdrahts anhand der Eigenschaften der vom Fahrdraht abgestrahlten und vom Mikrowellensensor erfassten Mikrowellen wie vorangehend beschrieben, ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind zumindest ein Mikrowellensender und ein Mikrowellensensor der Fahrdrahtanordnungsbestimmungseinrichtung einstückig und einteilig handhabbar ausgebildet, insbesondere als Transceiver.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer Fahrdrahtanordnungsbestimmungseinrichtung in einer Prinzipskizze sowie
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2 das erfindungsgemäße Fahrzeug gemäß 1 in einer Seitenansicht.
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Im in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Fahrzeug ein im Tagebau eingesetzter und an einen Fahrdraht gebundener Muldenkipper 5. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten entsprechen, ist das erfindungsgemäße Fahrzeug stattdessen ein an einen Fahrdraht gebundener Transport-LKW oder ein autonomes Elektrofahrzeug.
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Der Muldenkipper 5 wird über einen Fahrdraht 10 mit elektrischer Energie versorgt. Dazu weist der Muldenkipper 5 einen Stromabnehmer, im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Pantographen 15 mit einem Schleifkontakt 16, auf. Der Pantograph 15 ist dabei an dem Dach 20 des Muldenkippers 5 angeordnet. Der Muldenkipper 5 fährt mit dem Schleifkontakt 16 des Pantographen 15 am Fahrdraht 10 zur Energieaufnahme entlang.
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Der Fahrdraht 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Oberleitung ausgebildet, welchem einem Dach 20 des Muldenkippers 5 zugewandt ist. Der Muldenkipper 5 weist eine Fahrdrahtanordnungsbestimmungseinrichtung 25 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf, die eine Mehrzahl von Mikrowellen-Transceivern 30 umfasst. Diese Mikrowellen-Transceiver 30 sind dabei sowohl zur Aussendung von Mikrowellen zum Fahrdraht als auch zur Erfassung vom Fahrdraht abgestrahlter Mikrowellen ausgebildet. Anstelle der Transceiver 30 können auch jeweils ein Mikrowellensender und ein Mikrowellensensor vorhanden sein.
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Die Mikrowellen-Transceiver 30 sind mit einer Sendesignalquelle 35 elektrisch leitend verbunden. Die Sendesignalquelle speist die Mikrowellen-Transceiver 30 mit einer Sendesignalspannung, so dass die Mikrowellen-Transceiver 30 zur Aussendung von Mikrowellen mit der Frequenz der Sendesignalspannung ausgesandt werden. Die Sendesignalquelle 35 wird von einer Sendesignalsteuerung 40 gesteuert.
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Die Sendesignalsteuerung 40 steuert die Sendesignalquelle 35 derart an, dass die Sendesignalquelle die Mikrowellen-Transceiver 30 zur Aussendung von Mikrowellen mit stückweise linear ansteigenden Frequenzen in der Art eines sägezahnartigen Frequenzverlaufes als Sendesignal speist. Auf diese Weise steuert die Sendesignalsteuerung 40 die Sendesignalquelle 35 in der Art einer Frequenzrampe an.
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Die Mikrowellen wenden von den Mikrowellen-Transceivern 30 in den oberhalb des Dachse und in Fahrtrichtung des Fahrzeugs 5 gelegenen Raumbereich gestrahlt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Mikrowellen unpolarisiert. Der in diesem Bereich gelegene Fahrdraht 10 wird auf diese Weise mit Mikrowellen bestrahlt. Treffen Mikrowellen 32 senkrecht auf den Fahrdraht 10, so wird derjenige Anteil der Mikrowellen 32, welcher eine lineare Polarisationsrichtung aufweist, die mit der Orientierung des Fahrdrahts 10 übereinstimmt, in dieselbe Richtung, in welcher die Mikrowellen 32 auf den Fahrdraht treffen, zurück reflektiert. Dieser Anteil wird mittels der Mikrowellen-Transceiver 30 wieder erfasst. Die Mikrowellen-Transceiver 30 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur polarisationssensitiven Erfassung ausgebildet. Mittels einer Auswerteinheit (in den Fig. nicht explizit gezeigt) der Fahrdrahtanordnungsbestimmungseinrichtung 25 wird aus den empfangenen Spannungssignalen bei der Erfassung der Mikrowellen die Polarisationsrichtung der empfangenen Mikrowellen bestimmt und somit die Orientierung des Fahrdrahts 10 senkrecht zu derjenigen Strahlrichtung 36, in welche die nachfolgend vom Fahrdraht 10 reflektierten Mikrowellen 32 ausgesendet wurden, bestimmt.
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Aufgrund des sägezahnartigen Verlaufs der zum Fahrdraht 10 gesendeten Mikrowellen 32 unterscheidet sich das von den empfangenen Mikrowellen in den Mikrowellen-Transceivern 30 verursachte Empfangssignal vom jeweiligen Sendesignal in der Frequenz. Diejenigen Mikrowellen, mit welchen der Fahrdraht 10 bestrahlt worden ist, haben sich während ihrer Laufzeit zum Fahrdraht 10 und zurück zum Mikrowellen-Transceiver 30 in ihrer Frequenz nicht geändert. Sie weisen also noch immer diejenige Sendefrequenz auf, mit welcher sie von den Mikrowellen-Transceivern 30 ursprünglich abgestrahlt wurden. Hingegen strahlen die Mikrowellen-Transceiver 30 nunmehr bereits Mikrowellen mit einer aufgrund der sägezahnartigen Zeitabhängigkeit des Sendesignals linear mit der Zeit verschobenen Sendefrequenz ab. Auf diese Weise lassen sich das jeweilige Empfangssignal und das aktuelle Sendesignal des Transceivers über Mischer 50 voneinander trennen.
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Die Auswerteinrichtung bestimmt wie aus der Signalverarbeitung an sich bekannt zudem den Frequenzunterschied der aktuell gesendeten Mikrowellen und der aktuell empfangenen Mikrowellen. Aus dem Frequenzunterschied wird linear auf die Laufzeit und aus dieser auf die Entfernung des Fahrdrahts von den Mikrowellen-Transceivern 30 geschlossen. Somit wird mittels der Auswerteinrichtung der Abstand des Fahrdrahts 10 von den Mikrowellen-Transceivern 30 und somit (aufgrund der bekannten Anordnung der Mikrowellen-Transceiver 30 am Dach 20 des Muldenkippers 5) vom Muldenkipper 5 geschlossen.
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Die mehreren Mikrowellen-Transceiver 30 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur richtungssensitiven Erfassung des Fahrdrahts 10 ausgebildet. Wie dargestellt sind die Mikrowellen-Transceiver 30 zur Aussendung von Mikrowellen beispielsweise mit einem umso größeren Neigungswinkel gegenüber einer Normalen N einer Fahrebene des Muldenkippers 5 ausgebildet, je weiter vorn in einer Fahrtrichtung F des Muldenkippers 5 der jeweilige Mikrowellen-Transceiver 30 am Dach 20 des Muldenkippers 5 montiert ist. Entsprechend ist jedem Mikrowellen-Transceiver 30 ein entsprechender Abstrahlwinkel α zugeordnet, sodass jeder Mikrowellen-Transceiver 30 in eine unterschiedliche Richtung 34 abstrahlt. Alternativ ist lediglich ein Mikrowellensender vorhanden, welcher eine zeitlich veränderliche Abstrahl- und Empfangscharakteristik aufweist.
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Da der Fahrdraht 10 lediglich dann von einem Mikrowellen-Transceiver ausgesendete Mikrowellen zu demselben Mikrowellen-Transceiver 30 zurückreflektiert, wenn die vom Mikrowellen-Transceiver 30 gesendeten Mikrowellen senkrecht auf den Fahrdraht 10 treffen, werden von einem Mikrowellen-Transceiver 30 lediglich dann vom Fahrdraht 10 reflektierte Mikrowellen empfangen, wenn sich der Fahrdraht um den Abstrahlwinkel α des jeweiligen Transceivers 30 gegenüber der Fahrebene des Muldenkippers 5 absenkt (2). Folglich wird aus dem jeweiligen Mikrowellen-Transceiver 30, welcher vom Fahrdraht 10 reflektierte Mikrowellen empfängt, auf den Neigungswinkel α des Fahrdrahts 10 gegenüber der Fahrebene des Muldenkippers 5 geschlossen. Aus dem derart bestimmten Neigungswinkel α des Fahrdrahts 10 gegenüber der Fahrebene des Muldenkippers 5 sowie der Orientierung des Fahrdrahts 10 senkrecht zu den jeweiligen von den Mikrowellen-Transceivern 30 gesendeten Mikrowellen 32 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich in einer (nicht eigens dargestellten) Navigationseinrichtung die Orientierung 10 des Fahrdrahts in der Fahrebene des Muldenkippers 5 bestimmt und zum aktuellen Kurs des Muldenkippers 5 als Orientierungswinkel zum aktuellen Kurs in Beziehung gesetzt. Der Muldenkipper 5 wird autonom derart gesteuert, dass der Mulenkipper 5 dem Verlauf des Fahrdrahts 10 folgt.
