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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Schadenserkennung an einem Fahrzeug mit:
- – einer Eingangsvorrichtung, mit der:
> wenigstens ein elektrisches Schwingungsmesssignal erfassbar ist, das von einem Schwingungssensor erzeugt ist, der eine Schwingung am Fahrzeug erfasst, und ferner
> wenigstens ein elektrisches Zustandsmesssignal erfassbar ist, das von einem Zustandssensor erzeugt ist, der eine Zustandsgröße des Betriebzustands des Fahrzeugs erfasst, und mit:
- – einer Auswerteeinheit, die mit Hilfe einer Recheneinheit eine Schwingungskenngröße des Schwingungsmesssignals und eine Zustandskenngröße des Zustandsmesssignals erzeugt, und die:
> in einem Lernmodus Zustandsklassen bildet, denen von der Auswerteeinheit festgelegte Stabilitätswerte der Schwingungskenngröße zugeordnet sind, und
> in einem Überwachungsmodus zu dem aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs, der durch einen jeweils aktuellen Wert der Zustandskenngröße gekennzeichnet ist, eine zugeordnete Zustandsklasse sucht und beim Überschreiten der Stabilitätswerte der zugeordneten Zustandsklasse eine Fehlermeldung erzeugt.
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Aus der
DE 195 45 008 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen, insbesondere zur Früherkennung von Maschinenveränderungen bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung werden mithilfe eines Überwachungssensors maschinenspezifische Messsignale erfasst und in einer Auswerteeinheit verarbeitet. Die Auswerteeinheit kann in einem Ausgangsmodus und in einem Überwachungsmodus betrieben werden. Im Ausgangsmodus wird unter Verwendung einer Serie von Messsignalen des Überwachungssensors eine das Verhalten der Maschine dokumentierende Referenz ermittelt und abgespeichert. Im anschließenden Überwachungsmodus werden die vom Überwachungssensor bereitgestellten Messsignale genauso wie im Lernmodus verarbeitet und mit der Referenz zur Erkennung von Maschinenänderungen verglichen. Bei Überschreiten eines im Lernmodus ermittelten Stabilitätsmaßes wird die Maschinenänderung angezeigt.
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Aus der
DE 101 17 114 B4 ist ferner ein Verfahren zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen bekannt, bei dem Maschinenzustände klassifiziert und zu jedem Maschinenzustand Referenzwerte gebildet werden, deren Einhaltung nachfolgend überwacht wird.
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Derartige Vorrichtungen werden häufig auf Testständen bei Probeläufen von Motoren verwendet, um an den Prototypen auftretende Schäden möglichst frühzeitig zu erkennen.
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Prototypen von Kraftfahrzeugen werden auf Teststrecken geprüft. Zu diesem Zweck werden die Prototypen der Kraftfahrzeuge von Testfahrern gefahren. Die dabei zurückgelegten Strecken können einige zehntausend Kilometer betragen. Da die Fahrbahn der Teststrecken meistens so ausgebildet ist, dass die Fahrzeuge stark beansprucht werden, werden auch die Testfahrer beim Abfahren der Teststrecke stark belastet und es besteht daher das Bedürfnis, selbstfahrende Testfahrzeuge einzusetzen. Bei selbstfahrenden Fahrzeugen tritt aber das Problem auf, dass kein Testfahrer mehr vorhanden ist, der einen Schaden am Testfahrzeug erkennen kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Schadenserkennung zu schaffen, die für ein selbstfahrendes Testfahrzeug geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei der Vorrichtung ist die Auswerteeinheit mit Ortsinformationen beaufschlagt, die die aktuelle Position des Fahrzeugs entlang einer wiederholt durchfahrenen Strecke anzeigen, Außerdem ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, im Lernmodus die Zustandsklassen anhand der Ortsinformationen zu bilden und im Überwachungsmodus die zugeordneten Zustandsklassen anhand der aktuellen Ortsinformation zu bestimmen. Da bei einer wiederholt durchfahrenen Strecke immer wieder gleiche oder zumindest ähnliche Schwingungen am Fahrzeug auftreten, ist es möglich, die Zustandsklassen anhand der aktuellen Position des Fahrzeugs zu bilden und zu bestimmen. Anhand der Stabilitätswerte, die einer bestimmten Zustandsklasse zugeordnet sind, kann dann ein am Fahrzeug auftretendes Schadensereignis erkannt und eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Auswerteeinheit mit Ortsinformationen beaufschlagt, die mithilfe eines Navigationsgeräts für ein Satellitennavigationssystem erzeugt sind. Auf diese Weise lässt sich die aktuelle Position des Fahrzeugs entlang der Strecke mit großer Genauigkeit bestimmen.
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Die Genauigkeit der Ortsinformationen ist besonders hoch, wenn das Navigationsgerät bei der Auswertung der von Navigationssatelliten empfangene Navigationssignale zusätzlich Information von einer stationären Referenzstation verwendet, da aufgrund der bekannten Position der Referenzstation zahlreiche systematische Fehler der Positionsbestimmung eliminiert werden können. Derartige Fehler sind beispielsweise Fehler, die von der Atmosphäre oder Umgebung hervorgerufen werden. Derartige Fehler können aber auch Fehler sein, die auf der Signalverarbeitung in dem Navigationssatelliten beruhen.
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Die Auswerteeinheit wird in der Regel zur Auswertung von Ortsinformationen eingerichtet, die die aktuelle Position des Fahrzeugs entlang einer in sich geschlossenen Strecke anzeigen, da dort natürlicherweise die Strecke wiederholt durchfahren wird.
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Bei einer Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Zustandssensoren auf, insbesondere wenn die Auswerteeinheit zur Schadenserkennung in einem motorbetriebenen Fahrzeug eingerichtet ist. Auf diese Weise lässt sich der aktuelle Zustand des Fahrzeugs mit großer Genauigkeit einer bestimmten Zustandsklasse zuordnen.
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Einer der Zustandssensoren kann ein Drehsensor sein, der eine mit der Motorumdrehung in Zusammenhang stehende Drehgröße erfasst und ein Drehmesssignal erzeugt. Ein derartiger Drehsensor kann beispielsweise ein Drehzahlmesser oder ein Drehwinkelgeber sein.
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Falls ein derartiges Zustandssignal vorliegt, kann die Auswerteeinheit anhand des wenigstens einen Schwingungsmesssignals und des Drehmesssignals eine Ordnungsanalyse durchführen und eine Schwingungskenngröße anhand einer Komponente des Ordnungsspektrums bestimmen.
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Unabhängig vom Drehmesssignal kann die Auswerteeinheit anhand des wenigstens einen Schwingungsmesssignals eine Frequenzanalyse durchführen und eine Schwingungskenngröße anhand einer Frequenzkomponente des Frequenzspektrums bestimmen.
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Bei einer Ausführungsform ist einer der Zustandssensoren ein Geschwindigkeitssensor. Anhand der vom Geschwindigkeitssensor erfassten Geschwindigkeit und der Drehzahl kann bei einem Fahrzeug, das von einem Verbrennungsmotor getrieben ist, das aktuelle Übersetzungsverhältnis im Getriebe bestimmt werden, was für die Bildung und Bestimmung der Zustandsklassen von großem Vorteil ist.
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Die den Zustandsklassen zugeordneten Stabilitätswerte können beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt werden, die arithmetisches Mittel, quadratisches Mittel, Varianz und Kovarianz umfasst.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Übersicht über die Komponenten eines Testfahrzeugs, das mit einer Vorrichtung zur Schadenserkennung ausgestattet ist; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines von der Auswerteeinheit der Vorrichtung aus 1 ausgeführten Verfahrens zur Schadenserkennung.
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1 zeigt ein Fahrzeug 1, das mit einer Vorrichtung 2 zur Schadenserkennung ausgestattet ist. Das Fahrzeug 1 umfasst unter anderem einen Motor 3, ein Getriebe 4, sowie Fahrwerke 5 und 6. Im Bereich des Motors 3, des Getriebes 4 und der Fahrwerke 5 und 6 sind jeweils Schwingungssensoren 7 angeordnet, bei denen es sich um Beschleunigungssensoren, Schallsensoren oder Körperschallsensoren handeln kann. Weitere Schwingungssensoren 8 können an geeigneten Stellen des Fahrzeugs 1 angeordnet sein, beispielsweise dort, wo sich Karosserieteile des Fahrzeugs 1 lösen können oder wo derartige Teile stark beansprucht sind.
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Von den Schwingungssensoren 7 und 8 erzeugte analoge oder digitale elektrische Schwingungsmesssignale 10 werden einer Eingangssignalverarbeitung 9 der Vorrichtung 2 für die Schadenserkennung zugeführt. Dort werden analoge Schwingungsmesssignale 10 in digitale Schwingungsmesssignale 10 umgesetzt, falls die Schwingungsmesssignale 10 noch nicht in digitaler Form vorliegen. Außerdem werden die erhaltenen digitalen Schwingungsmesssignale 10 abgespeichert.
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Die Eingangssignalverarbeitung 9 ist ferner mit analogen oder digitalen elektrischen Zustandsmesssignalen 11 beaufschlagt, die im Zusammenhang mit dem Betriebszustand des Fahrzeugs 1 stehen. Diese Zustandsmesssignale 11 können von Zustandssensoren 12 erzeugt sein, die eine Zustandsgröße des Betriebszustands des Fahrzeugs 1 erfassen und jeweils ein elektrisches Zustandsmesssignal 11 erzeugen. Das Zustandsmesssignal 11 kann ebenfalls der Eingangssignalverarbeitung 9 zugeführt sein und dort gegebenenfalls in ein digitales Zustandsmesssignal 11 umgesetzt werden. Die erhaltenen digitalen Zustandsmesssignale 11 werden von der Eingangssignalverarbeitung 9 ebenfalls abgespeichert. Derartige Zustandsmesssignale 11 können beispielsweise die Drehzahl des Motors 3, ein Drehwinkel der Kurbelwelle des Motors 3, ein Drehmoment des Motors 3, eine Temperatur des Motors 3, eine Temperatur oder das aktuelle Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 4, eine Temperatur des Kühlwassers, eine Außentemperatur, eine äußere Windgeschwindigkeit oder -richtung oder irgendeine andere Messgröße sein.
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In 1 wird beispielsweise neben den Schwingungsmesssignalen 10 auch ein Drehzahlmesssignal als Zustandsmesssignal 11 an die Eingangsignalverarbeitung 9 übertragen.
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Daneben kann die Vorrichtung 2 für die Schadenserkennung auch über eine Busschnittstelle 13 verfügen, über die Zustandsmesssignale 11 an die Vorrichtung 2 zur Schadenserkennung übertragen werden können.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden über einen Datenbus beispielsweise Informationen über die aktuelle Position des Fahrzeugs und über die aktuelle Geschwindigkeit von einem Fahrzeugrechner 14, der ebenfalls mit einer Busschnittstelle 15 versehen ist, an die Vorrichtung 2 für die Schadenserkennung übertragen und dort abgespeichert.
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Darüber hinaus verfügt der Fahrzeugrechner 14 auch über eine Schnittstelle 16 zur Leitwarte, über die Daten mit einer Leitwarte auf drahtlosem Wege ausgetauscht werden können.
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Ferner ist der Fahrzeugrechner 14 mit einem Navigationsgerät 17 verbunden, das dem Fahrzeugrechner 14 Ortsinformationen über die aktuelle Position des Fahrzeugs 1 bereitstellt. Das Navigationsgerät 17 kann dabei gegebenenfalls auf Informationen zurückgreifen, die von einer stationären Referenzstation bereitgestellt werden.
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Anhand der Daten, die über die Eingangssignalverarbeitung 9 und die Busschnittstelle 13 der Vorrichtung 2 für die Schadenserkennung zur Verfügung gestellt werden, kann eine Auswerteeinheit 18 der Vorrichtung 2 das Fahrzeug 1 auf das Auftreten von Schäden überwachen. Falls ein Schaden am Fahrzeug 1 erkannt wird, kann dann ein Alarmsignal 19 an den Fahrzeugrechner 14 abgegeben werden, der das Alarmsignal über die Schnittstelle 16 zur Leitwarte weiterleitet.
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Es sei angemerkt, dass es sich bei den Busschnittstellen 12 und 15 vorzugsweise um Busschnittstellen für des sogenannten CAN-Busses handelt.
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Die Auswerteeinheit 18 ist dazu eingerichtet, das in 2 dargestellte Verfahren auszuführen. Die mit gestrichelten Pfeilen verbundenen Verfahrensschritte werden dabei in einem Lernmodus durchlaufen, während die Verfahrensschritte, die mit durchgezogenen Pfeilen verbunden sind, in einem Überwachungsmodus abgearbeitet werden.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden sowohl im Lernmodus als auch im Überwachungsmodus kontinuierlich die Schwingungsmesssignale 10 und die Zustandsmesssignale 11 mittels einer Messdatenerfassung 20 erfasst und gespeichert. An die Messdatenerfassung 20 schließt sich im Lernmodus eine Klassifikation 21 an, in der Zustandskenngrößen der Zustandsmesssignale bestimmt werden und in der anhand der Zustandskenngrößen und von Ortsinformationen, die vom Navigationsgerät 17 bereitgestellt worden sind, Zustandsklassen gebildet werden. Beispielsweise kann in einem Lernmodus jeweils nach dem Zurücklegen einer vorbestimmten Strecke eine neue Zustandsklasse gebildet werden, sofern sich die Drehzahl und die Geschwindigkeit in einer vorbestimmten Bandbreite bewegt. Die vorbestimmte Bandbreite, in der sich die Drehzahl und die Geschwindigkeit bewegen dürfen, ist dabei eine der Drehzahl und der Geschwindigkeit zugeordnete Zustandskenngröße, die zum Bilden der Zustandsklassen herangezogen wird.
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Parallel zur Klassifikation 21 wird im Lernmodus und im Überwachungsmodus eine Bestimmung 22 von Schwingungskenngrößen vorgenommen. Beispielsweise kann eine Frequenzanalyse oder eine Ordnungsanalyse durchgeführt werden. Dabei können einzelne Komponenten des Frequenzspektrums und des Ordnungsspektrums bestimmt werden. Außerdem können anhand der bestimmten Komponenten Mittelwerte, beispielsweise ein arithmetischer oder quadratischer Mittelwert und verschiedene Varianzen und Kovarianzen gebildet werden. Ein Kovarianzwert kann anhand der Größe bei einem vorherigen Durchfahren der Teststrecke mit der Größe aus dem aktuellen Durchfahren der Teststrecke ermittelt werden.
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Die Schwingungskenngrößen können jeweils auf die aktuelle Zustandsklasse bezogen bestimmt werden. In diesem Fall werden die Schwingungskenngrößen anhand von Daten bestimmt, die zu der Zeit aufgenommen werden, zu der der Betriebszustand des Fahrzeugs einer Zustandsklasse zugeordnet ist. Die Schwingungskenngrößen können auch über die aktuelle Zustandsklasse hinaus bestimmt werden, wenn beispielsweise ein gleitender Mittelwert bestimmt wird.
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Neben den Komponenten des Frequenzspektrums und des Ordnungsspektrums können auch Schwingungskenngrößen des Schwingungsmesssignals, wie beispielsweise eine mittlere Amplitude ermittelt werden.
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Nach der Klassifikation 21 und der Bestimmung 22 der zugeordneten Schwingungskenngrößen findet im Lernmodus eine Überprüfung 23 statt, in der die gebildeten Zustandsklassen überprüft werden. Zustandsklassen mit gleichen oder ähnlichen Schwingungskenngrößen können zu einer neuen gemeinsamen Zustandsklasse zusammengefasst werden. Umgekehrt können Zustandklassen mit einer zu großen Schwankung der Schwingungskenngrößen in mehrere Zustandsklassen unterteilt werden.
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Ferner findet im Rahmen der Überprüfung 23 eine Stabilitätsüberprüfung der Zustandsklassen statt. Dazu werden die aktuellen Schwingungskenngrößen einer Zustandsklasse mit den Schwingungskenngrößen der Zustandsklasse verglichen, die bei einem vorherigen Durchfahren der Strecke aufgenommen worden sind. Falls dabei festgestellt wird, dass die Schwingungskenngrößen voneinander über ein vorbestimmtes Maß hinaus abweichen, kann entweder die Klasseneinteilung geändert oder neu vorgenommen werden oder es können Stabilitätswerte, die den Schwingungskenngrößen und den Zustandskenngrößen zugeordnet sind, geändert werden. Letzteres findet in einer Bestimmung 24 der Stabilitätswerte statt, wobei bei einem erstmaligen Durchführen der Bestimmung 24, die Stabilitätswerte neu bestimmt werden. Dabei kann auch auf vorgegebene Startwerte für den Stabilitätswert zurückgegriffen werden.
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Der Lernmodus wird solange durchgeführt, bis die Stabilitätswerte ausreichend stabil sind. Im Ergebnis liegen nun Zustandsklassen vor, die durch Ortsinformationen identifizierbar sind und die die ermittelten Stabilitätswerte für die Schwingungskennzahlen beinhalten.
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Nach Abschluss des Lernmodus, wird vom Lernmodus in einen Überwachungsmodus umgeschaltet. Im Überwachungsmodus folgt auf die Bestimmung 22 der Schwingungskenngrößen ein Stabilitätswertvergleich 25. Im Stabilitätswertvergleich 25 wird anhand der Ortsinformationen die aktuelle Zustandsklasse ermittelt und überprüft, ob die bestimmten Schwingungskenngrößen die Stabilitätswerte der aktuellen Zustandsklasse überschreiten. Falls ein positives Ergebnis 26 des Stabilitätswertvergleichs 25 anzeigt, dass der Stabilitätswert, der der jeweiligen Zustandsklasse zugeordnet ist, nicht überschritten wird und sich die Schwingungskenngrößen im Bereich des Zulässigen bewegen, wird davon ausgegangen, dass kein Schaden vorliegt. In diesem Fall wird die Messdatenerfassung 20, die Bestimmung von Schwingungskenngrößen 22 und der Stabilitätswertvergleich 25 erneut durchgeführt.
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Falls es beim Durchführen des Stabilitätswertvergleichs 25 zu einem negativen Ergebnis 27 kommt, folgt ein Auslösen 28 eines Voralarms, der einer Plausibilitätsprüfung 29 folgt. Falls das Ergebnis der Plausibilitätsprüfung 29 negativ ist, wird davon ausgegangen, dass kein Schadensfall vorliegt, und die im Überwachungsmodus durchzuführenden Verfahrensschritte, nämlich die Messdatenerfassung 20, die Bestimmung von Schwingungskenngrößen 22 und der Stabilitätswertvergleich 25 werden erneut durchgeführt. Anderenfalls wird das Alarmsignal 19 erzeugt und an die Leitwarte ausgegeben. Parallel dazu oder in Anschluss an dazu wird das Verfahren im Überwachungsmodus fortgesetzt.
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Mit der hier beschriebenen Vorrichtung lassen sich selbstfahrenden Testfahrzeuge, die eine Strecke wiederholt durchfahren, auf das Auftreten von Schäden überwachen.
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Es sei angemerkt, dass die Ortsinformationen nicht notwendigerweise mit Hilfe eines Navigationsgeräts bereitgestellt werden müssen. Ein Navigationsgerät hat den Vorteil, dass auch Abweichungen vom vorgegebenen oder bisher wiederholt durchfahrenen Fahrweg erfasst werden können, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn ein Schaden an der Lenkung auftritt oder diese zumindest nicht mit der erforderlichen Präzision arbeitet oder wenn sich die Fahrbahn gelegentlich verändert. Beispielsweise können sich Schlaglöcher mit der Zeit verändern. Falls dagegen der Fahrweg stabil ist, können die Ortsinformationen auch über die zurückgelegte Fahrstrecke ermittelt werden.
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Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19545008 A1 [0002]
- DE 10117114 B4 [0003]
