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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs.
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Aus der
DE 103 44 120 A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs mit einem Navigationssystem bekannt, wobei Navigationshinweise auf einer Projektionsfläche in einem Fahrzeug dargestellt werden. Das Navigationssystem ermittelt mittels eines satellitengestützten Systems fortlaufend Positionsangaben für das Fahrzeug und es werden mittels einer Bilderzeugungseinheit die vom Navigationssystem ermittelten Navigationshinweise in einem Bild der Fahrzeugumgebung auf der Projektionsfläche dargestellt. Weiterhin wird eine Zuverlässigkeit für die Positionsangabe ermittelt, wobei die Bilderzeugungseinheit die Navigationshinweise zuverlässigkeitsabhängig in unterschiedlicher Darstellung erzeugt. Hierbei wird die Positionsangabe durch mittels fahrzeugseitiger Sensoren erhobene Signale präzisiert, wobei die Zuverlässigkeit entsprechend mit Werten für die Zuverlässigkeit der Präzisierungen korrigiert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Patentanspruch 1 angegeben Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs wird eine Position des Fahrzeugs anhand einer aus Daten einer digitalen ermittelten Karten-Schätzposition des Fahrzeugs und anhand einer aus von mittels zumindest eines fahrzeugeigenen Sensors erfassten Sensordaten ermittelten Sensor-Schätzposition des Fahrzeugs ermittelt, wobei zumindest für einen Zeitraum der Erfassung der Sensordaten zumindest eine Metrik erzeugt wird. Diese Metrik beschreibt einen Abstand zwischen der Karten-Schätzposition des Fahrzeugs und der Sensor-Schätzposition des Fahrzeugs, wobei die Metrik minimiert wird und anhand der minimierten Metrik die Position des Fahrzeugs ermittelt wird.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere auch bei Fahrzeugen ohne Navigationsvorrichtung, welche auf Daten eines globalen Navigationssatellitensystems basiert, oder in Bereichen mit geringer Empfangsstärke von Daten des globalen Navigationssatellitensystems oder keinem Empfang in einfacher Weise eine genaue Bestimmung der Position des Fahrzeugs in Längs- und Querrichtung möglich. Bei einer Verwendung der mittels des Verfahrens bestimmten Position bei Darstellungen einer so genannten erweiterten Realität oder augmentierten Realität ist es somit möglich, auch bei geringer Empfangsstärke von Daten des globalen Navigationssatellitensystems oder keinem Empfang reale Daten mit virtuellen Bilddaten lagerichtig exakt zu überlagern.
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Um eine optimierte Lokalisierung eines Fahrzeugs bereitzustellen und auch in Bereichen mit schlechtem oder keinem Satellitenempfang zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß über einen längeren Zeitraum, z. B. 1 Minute, eine Vielzahl von Sensorinformationen gesammelt und dann für jede Sekunde während dieser Periode oder für jeden zurückgelegten Meter eine Metrik ermittelt. Hierbei wird für die Richtigkeit einer Lokalisierung als Funktion von Daten verschiedener Sensoren, wie GPS-Trace, Spur- und Markierungserkennung einer Kamera, digitale Karte und Fahrzeugkinematik, eine Metrik bestimmt. Die Metrik beschreibt den Abstand zwischen der von den Sensoren erwarteten Position und möglichen Positionen auf der digitalen Karte, und diese Metrik wird zur genauen Positionierung des Fahrzeuges auf der digitalen Karte in Längs- und Querrichtung minimiert.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Die vorstehend genannten und die weiter angeführten Merkmale können jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert sein. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigt:
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1 schematisch ein Bild einer Umgebung eines Fahrzeugs, wobei dem Bild virtuelle Bilddaten überlagert sind,
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2 schematisch eine Draufsicht eines Verkehrsbereichs mit zwei Straßenkreuzungen, und
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3 schematisch ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs.
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In 1 ist ein Bild B einer Umgebung eines in 2 gezeigten Fahrzeugs 1 dargestellt, wobei der Umgebung virtuelle Bilddaten überlagert sind.
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Eine solche als erweiterte Realität (englisch augmented reality) bezeichnete computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung wird in Fahrzeugen 1 beispielsweise zur lagerichtigen Darstellung von Navigationshinweisen H in realen Bildern B der Umgebung des Fahrzeugs 1 verwendet. Die Bilder B und Navigationshinweise H werden einem Fahrer des Fahrzeugs 1 dabei auf einer innerhalb des Fahrzeugs 1 angeordneten Anzeigeeinheit, beispielsweise einem so genannten Head-up-Display, derart ausgegeben, dass dieser den Eindruck hat, dass die Navigationshinweise H in die Umgebung vor dem Fahrzeug 1 projiziert sind.
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Der im gezeigten Bild B dargestellte Navigationshinweis H ist dabei ein so genannter Spurteppich, mittels welchem einem Fahrer des Fahrzeugs 1 ein Vorschlag für eine in 2 näher dargestellte Trajektorie T zur Einordnung des Fahrzeugs 1 in eine Fahrspur ausgegeben wird. Zu diesem Zweck ist eine lagerichtige Positionierung des Navigationshinweises H im Bild B erforderlich.
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Für diese lagerichtige Positionierung ist wiederum eine genaue Kenntnis einer in 2 näher dargestellten Position POS des Fahrzeugs 1 notwendig, welche in einer Lokalisierung desselben längs und quer zu einer Fahrtrichtung ermittelt wird. Eine Bestimmung der Position POS des Fahrzeugs 1 erfolgt im Allgemeinen anhand einer mit einem globalen Navigationssatellitensystem gekoppelten Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs 1. Ist jedoch eine Empfangsstärke der Navigationsvorrichtung eingeschränkt oder kein Empfang möglich, ist allein mittels der Navigationsvorrichtung keine genaue Ermittlung der Position POS des Fahrzeugs 1 möglich.
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Um dennoch eine genaue Positionsbestimmung für das Fahrzeug 1 zu realisieren, erfolgt die Bestimmung der Position POS anhand von in 3 näher dargestellten Daten D1 bis Dn einer digitalen Karte, welche beispielsweise Bestandteil einer mit einem globalen Navigationssatellitensystem gekoppelten Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs 1 ist und zusätzlich anhand von mittels fahrzeugeigener Sensoren erfassten und ebenfalls in 3 näher dargestellten Sensordaten S1 bis Sr.
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Die Sensoren, wie beispielsweise Kameras, Radarsensoren, Ultraschallsensoren, Lidarsensoren oder Sensoren zum Empfang von Navigationsdaten des globalen Navigationssatellitensystems, und eine Auswertung der Sensordaten S1 bis Sr sind dabei insbesondere zu einer Fahrspurerkennung, einer Erkennung einer Anzahl von Fahrspuren, einer Erkennung von Fahrbahnmarkierungen, wie beispielsweise Abbiegepfeilen, einer Überwachung eines Lenkwinkels zur Erkennung von Kurvenfahrten, zur Erfassung einer Raddrehzahl, zur Erfassung von Odometriedaten des Fahrzeugs, zur Erfassung eines Signals eines Fahrtrichtungsanzeigers und/oder zur Umgebungserfassung ausgebildet. Das heißt, die Daten D1 bis Dn der digitalen Karte und die Sensordaten S1 bis Sr beschreiben Merkmale einer Fahrbahn, auf welcher sich das Fahrzeug 1 befindet, und Merkmale einer Umgebung, in welcher sich das Fahrzeug 1 befindet, insbesondere Merkmale einer Verkehrsinfrastruktur. Zusätzlich beschreiben die Sensordaten S1 bis Sr fahrzeugspezifische Merkmale und Daten betreffende Fahrzeugzustände.
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Mittels einer solchen kombinierten Ermittlung der Position POS des Fahrzeugs 1 ist insbesondere innerhalb geschlossener Ortschaften eine sehr genaue Bestimmung der Position POS des Fahrzeugs 1 möglich. Insbesondere eine Bestimmung einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 anhand der Daten D1 bis Dn der digitalen Karte und der Raddrehzahl anhand der Sensordaten S1 bis Sr kann innerhalb geschlossener Ortschaften Rückschlüsse auf die Position POS des Fahrzeugs 1, beispielsweise in Bereichen von Straßenkreuzungen, zulassen. Hierbei werden beispielsweise auch Wartezeiten an in 2 näher dargestellten Ampeln 2, 3 und Geschwindigkeitsreduktionen vor engen Kurven erfasst und ausgewertet.
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2 zeigt in einer Draufsicht einen Verkehrsbereich V mit zwei Straßenkreuzungen, wobei das Fahrzeug 1 und dessen zukünftige Trajektorie T dargestellt sind. Die Pfeile P1 bis P7 zeigen erlaubte Fahrtrichtungen.
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Nach einem Start des Fahrzeugs 1 wartet dieses zunächst an einer ersten Ampel 2, welche ein Rotsignal zeigt. Selbst wenn andere Gründe für Wartezeiten vorliegen, erhöht eine Wartezeit die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Fahrzeug 1 in der Nähe einer von Ampeln 2, 3 geregelten Straßenkreuzung befindet. Biegt das Fahrzeug 1 anschließend ab, kann anhand einer Kombination der Wartezeit an der Ampel 2 und dem Abbiegevorgang sehr genau die Position POS des Fahrzeugs 1 relativ zur Kreuzung bestimmt werden.
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Anschließend ordnet sich das Fahrzeug 1 auf einer rechten Fahrspur einer dreispurigen Einbahnstraße ein. Mittels der Sensordaten S1 bis Sr wird erkannt, dass die Einbahnstraße drei Fahrspuren umfasst. Diese Anzahl der Fahrspuren wird mit einer Anzahl von in der digitalen Karte hinterlegten Daten D1 bis Dn zur Anzahl der Fahrpuren verglichen. Auch wird anhand der Sensordaten S1 bis Sr, insbesondere anhand von Daten einer optischen Umgebungserfassung, ermittelt, dass am Ende des Fahrstreifens ein Rechtsabbiegerpfeil auf einer Fahrbahnoberfläche angeordnet ist. Anhand dieser Ermittlung erfolgt eine Plausibilisierung, dass sich das Fahrzeug 1 in der rechten Fahrspur befindet. Eine Ausnahme bilden hierbei so genannte Hook Turns. Ferner kann somit erfasst werden, dass eine Fahrspur zum Rechtsabbiegen existiert. Diese Information kann wiederum mit Abbiegeinformationen umfassenden Daten D1 bis Dn aus der digitalen Karte verglichen werden.
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In 3 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung des Fahrzeugs 1 dargestellt.
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Um eine Genauigkeit der Bestimmung der Position POS des Fahrzeugs 1 zu erhöhen, insbesondere auch dann, wenn eine geringe Empfangsstärke von Daten eines globalen Navigationssatellitensystems vorliegt oder kein Empfang möglich ist, werden anhand der in der Beschreibung zu 2 genannten Daten D1 bis Dn und Sensordaten S1 bis Sr sowie weiteren Daten D1 bis Dn und Sensordaten S1 bis Sr für einen Zeitraum der Erfassung der Sensordaten S1 bis Sr Metriken M1 bis Mm erzeugt. Die Metriken M1 bis Mm beschreiben jeweils einen Abstand zwischen einer anhand der Daten D1 bis Dn der digitalen Karte ermittelten Karten-Schätzposition des Fahrzeugs 1 und einer anhand der Sensordaten S1 bis Sr ermittelten Sensor-Schätzposition des Fahrzeugs 1.
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Hierbei werden im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Verfahrensoperation O2 Fahrspurdaten (= Daten D1) und Odometriedaten (= Sensordaten S1) fusioniert und anschließend wird eine erste Metrik M1 aus einer Abweichung der fusionierten Fahrspurdaten und Odometriedaten von in der digitalen Karte hinterlegten Daten D2 eines möglichen Pfades gebildet. Bei einer zweidimensionalen Betrachtung werden hierbei zusätzlich Abweichungen eines erfassten Gefälles, einer erfassten Steigung, d. h. Höhenunterschiede zwischen den Sensordaten S1 und den in der digitalen Karte hinterlegten Daten D2 ermittelt und berücksichtigt.
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In einer weiteren Verfahrensoperation O3 erfolgt eine Vorfilterung einer anhand der Sensordaten S2 ermittelten Anzahl von Fahrspuren und anschließend wird eine zweite Metrik M2 aus einer Abweichung der gefilterten Sensordaten S2 von einer in der digitalen Karte hinterlegten Anzahl der Fahrpuren (= Daten D3) gebildet.
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In einer weiteren Verfahrensoperation O4 erfolgt eine Vorfilterung eines anhand der Sensordaten S3 ermittelten und als Fußgängerüberweg erkannten Ortes und anschließend wird eine dritte Metrik M3 aus einer Abweichung der gefilterten Sensordaten S3 von einem in der digitalen Karte hinterlegten Ort (= Daten D4) gebildet.
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In einer weiteren Verfahrensoperation Ox-1 erfolgt eine Vorfilterung von anhand der Sensordaten Sr-1 erkannten Abbiegepfeilen und anschließend wird eine weitere Metrik Mm-1 aus einer Abweichung der gefilterten Sensordaten Sr-1 von in der digitalen Karte hinterlegten und die Abbiegepfeile betreffenden Daten Dn-1 gebildet. Hierbei wird insbesondere ein Strafterm für mittels der Sensoren erkannte oder nicht erkannte Abbiegepfeile bei nicht in der digitalen Karte hinterlegten bzw. in der digitalen Karte hinterlegten Abbiegepfeilen erzeugt.
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In einer weiteren Verfahrensoperation Ox erfolgt eine Vorfilterung von anhand der Sensordaten Sr erkannten Warte- und Abbiegesituationen und anschließend wird eine weitere Metrik Mm aus einer Abweichung der gefilterten Sensordaten Sr von in der digitalen Karte hinterlegten und Straßenkreuzungen betreffenden Daten Dn gebildet. Hierbei wird insbesondere ein Strafterm für eine nicht in der digitalen Karte hinterlegte Straßenkreuzung bei mittels der Sensoren erkannter Warte- und Abbiegesituation erzeugt.
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Derartige Strafferme können auch dann erzeugt werden, wenn mittels der Sensorsignale S1 bis Sr Ampeln 2, 3 oder ein Warten vor einer Ampel 2, 3 erkannt wurden, jedoch keine Ampel 2, 3 in der digitalen Karte verzeichnet ist, und/oder wenn anhand der Sensordaten S1 bis Sr ein dauerhaftes Signal eines Fahrtrichtungsanzeigers erkannt wird, jedoch kein Abbiegevorgang stattfindet.
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Die Metriken M1 bis Mm werden dabei nicht nur an einem aktuellen Ort bestimmt, sondern über alle erkannten Merkmale einer zurückgelegten Strecke. Die Bestimmung ist dabei insbesondere auf eine bestimmte Zeit, beispielsweise 2 Minuten, oder eine bestimmte Strecke, beispielsweise 1 km, beschränkt. Das heißt, die Metriken M1 bis Mm werden für mehrere Zeitperioden und/oder mehrere Wegstreckenabschnitte innerhalb des Zeitraums der Erfassung der Sensordaten S1 bis Sr erzeugt und minimiert.
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Nach der Ermittlung der Metriken M1 bis Mm wird in einer Verfahrensoperation O1 eine Minimierung der Metriken M1 bis Mm über alle in der digitalen Karte in Frage kommenden Kartenpositionen durchgeführt. Das heißt, es wird überprüft, bei welcher Kartenposition aus der Anzahl aller möglichen Kartenpositionen der Abstand zwischen der Karten-Schätzposition und der Sensor-Schätzposition der jeweiligen Metrik M1 bis Mm minimal ist. Die Kartenposition, bei welcher die Metriken M1 bis Mm minimiert sind, wird anschließend als Position POS des Fahrzeugs 1 gewählt. Somit kann die Position POS des Fahrzeugs 1 sehr exakt ermittelt werden.
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Auch ist es möglich, dass nur eine Metrik M1 bis Mm nach der zuvor beschriebenen Methodik minimiert wird. Kommen nach der Minimierung mehrere Kartenpositionen als potenzielle Position POS des Fahrzeugs 1 in Frage, wird ein weiteres Merkmal oder eine weitere Metrik M1 bis Mm überprüft und minimiert. Dies erfolgt solange, bis genau eine Kartenposition als Position POS für das Fahrzeug 1 in Frage kommt. In alternativen Ausführungsbeispielen sind auch andere Methoden und Algorithmen zur Ermittlung der minimalen Metriken M1 bis Mm verwendbar.
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Um die Daten D1 bis Dn mittels der Sensordaten S1 bis Sr bei geringem oder keinem Empfang von der Navigationsvorrichtung weiter zu verbessern, wird zumindest bei eingeschränktem Empfang der Navigationsvorrichtung die Sensor-Schätzposition mittels einer Kombination einer Grobpositionierung in einem anhand von Kartendaten einer digitalen Karte definierten Aufenthaltsbereich des Fahrzeugs mit einer Feinpositionierung ermittelt. Dabei werden die Grobpositionierung anhand von einer mittels der Daten D1 bis Dn der digitalen Karte geschätzten Position und die Feinpositionierung anhand einer Koppelortung und/oder anhand von Odometriedaten durchgeführt.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass die Bestimmung der Position POS insgesamt tolerant gegenüber einem momentan oder dauerhaft gestörten Empfang der Navigationsvorrichtung ist. Ferner können feine und detaillierte Fahrbewegungen, z. B. Bewegungen innerhalb einer Fahrspur oder Spurwechsel, bei der Ermittlung der Position POS des Fahrzeugs 1 berücksichtigt werden, solange sie plausibel sind. Ferner ist eine Genauigkeit bei der Überlagerung mit Zusatzinformationen bei Bewegungen innerhalb der Fahrspur gegeben. Würde dagegen z. B. nur die mittels der Daten D1 bis Dn der digitalen Karte geschätzte Position verwendet, und ein Fahrzeug 1 weicht einem zusätzlich auf der Fahrbahn angeordneten Pfeil aus, so würde dieser sich unabhängig von der Fahrzeugausweichbewegung bei der augmentierten Darstellung immer vor das Fahrzeug 1 schieben. Somit wäre eine Kontaktanalogie nicht gegeben.
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Der über die Daten D1 bis Dn der digitalen Karte geometrisch definierte erlaubte Aufenthaltsbereich, auch als Orbitalbereich bezeichnet, ermöglicht die Fusion der Grobpositionierung, welche keine Feinbewegungen darstellen kann, und der Feinpositionierung mittels der Koppelortung, bei welcher die erfasste Position nach kurzer Fahrt von der Realität wegdriftet. Eine dabei erzeugte graduelle Dämpfung von Bewegungen quer zur Fahrbahn, welche potenziell aus dem erlaubten Aufenthaltsbereich führen könnten, ermöglicht eine kontinuierliche Stützung der Feinpositionierung durch die Grobpositionierung. Durch die graduelle Dämpfung wird die Qualität der Augmentierung erhöht, d. h. eine Veränderung einer realen Kameraposition zu einer geschätzten Kameraposition minimiert.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird die Grobpositionierung anhand von Daten des globalen Navigationssatellitensystems, insbesondere GPS-Daten, durchgeführt, wenn ein Empfang der Navigationsvorrichtung vorliegt. Hierdurch kann ein Rechenaufwand zur Durchführung der Grobpositionierung vermindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Ampel
- 3
- Ampel
- B
- Bild
- D1 bis Dn
- Daten
- H
- Navigationshinweis
- M1 bis Mm
- Metrik
- O1 bis Ox
- Verfahrensoperation
- P1 bis P7
- Pfeil
- POS
- Position
- S1 bis Sr
- Sensordaten
- T
- Trajektorie
- V
- Verkehrsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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