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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Lichtbahn-Lichtfahrzeug-Systems zum Darstellen von Fahrzeugbewegungen entlang einer Bahn, wobei die Bewegungen mit Licht dargestellt werden, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung.
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In der
US 2015/0335981 A1 ist eine Lichtsignaleinrichtung beschrieben, die einem Athleten als bewegte Lichtreferenz dient, wobei eine Vielzahl von Lichtelementen, nämlich Leuchtdioden (LED's), entlang der Bahn eines Athleten angeordnet sind, wobei die bewegte Lichtreferenz dadurch erzeugt wird, dass die Lichtelemente von einem Controller in einer bestimmten Folge angesteuert werden.
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Aus der
WO 2008/022356 A1 ist ferner ein Schrittmacher für Schwimmer bekannt, wobei die Möglichkeit besteht, eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Leuchtmitteln (light emitting means (LEM)), die sich jeweils in einem Gehäuse befinden, durch eine Kontrollstation in verschiedenen Frequenzen und Sequenzen anzusteuern. Zusätzlich ist ein Verfahren beschrieben, welches die Übermittlung der Position des Athleten relativ zum Schrittmachers über einen Transmitters an die Kontrollstation vorsieht.
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Hintergrund
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Spielzeuge wie Autorennbahnen oder Modelleisenbahnen sind Bahn-Fahrzeug-Modell-Systeme, bei denen sich ein spurgeführtes Modell-Fahrzeug auf einer Modell-Bahn bewegt. Die Modell-Bahn kann eine Fahrbahn mit Führungsnut sein oder kann eine Schiene sein. Auf in sich geschlossenen Modell-Bahnen befahren die Modell-Fahrzeuge in Wiederholungen die gleichen Bahnabschnitte. Die Modell-Bahn enthält Kurven und/oder geradlinige Abschnitte. Die Modell-Bahn ist üblicherweise auf einer Unterlage (Brett, Fußboden) montiert und damit zumindest zweidimensional ausgeführt. Modell-Bahnen mit modellierten Bergen und Tälern sind ebenfalls üblich, solch eine Modell-Bahn ist damit dreidimensional ausgeführt.
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Die Modell-Fahrzeuge haben üblicherweise einen eingebauten Elektromotor. Die Zufuhr einer Fahrspannung erfolgt beispielsweise über Leiterbahnen bzw. über die Schiene.
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Der Benutzer – das ist beispielsweise der Spieler – stellt mit einem Bedienelement die Geschwindigkeit des Modell-Fahrzeugs mit Bezug zur Modell-Bahn ein. Im einfachsten Fall lässt sich über das Bedienelement die Fahrspannung variieren. Die Fahrspannung ist zumeist eine Gleichspannung. Die Bedienelemente können auch die Umkehr der Polarität und damit den Wechsel der Fahrrichtung erlauben.
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Das Bedienelement kann beliebig ausgeführt sein, beispielsweise als Pedal in Analogie zu einem Gaspedal beim Auto oder auch als Handregler ähnlich einem sog. Joystick bei Computerspielen. Zum Ermitteln der Fahrspannung sind Dreh-Potentiometer oder Schiebe-Potentiometer üblich, die in das Bedienelement integriert sind. Bedienelemente, die in elektronische Geräte implementiert sind, sind auch denkbar.
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Das Verhalten des Modell-Fahrzeugs auf der Modell-Bahn wird nach den Gesetzen der Physik bestimmt. Der Benutzer wird spielerisch erfahren, dass Modell-Fahrzeuge auf geraden Streckenabschnitten mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sein können, dann aber bei gleicher Geschwindigkeit aus der Kurve fliegen können. Ob der Benutzer dabei die Physik bewusst erfasst oder nicht, spielt nur eine untergeordnete Rolle. Der Benutzer wird mit der Zeit die Geschwindigkeit intuitiv anpassen.
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Das Gelernte kann der Benutzer auch auf Real-Fahrzeuge anwenden, beispielsweise auf Straßenfahrzeuge (z. B. PKW, LKW, Rennautos, Rennwagen; Motorräder) oder Schienenfahrzeuge (z. B. Eisenbahn, Straßenbahn). Damit können solche Fahrzeug-Bahn-Modell-Systeme didaktisch verwendet werden, beispielsweise in der Aus- und Weiterbildung von Fahrern von Real-Fahrzeugen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich bei Wettrennen bei zwei oder mehr Spielern, wobei Bahn und Fahrzeug zumindest verdoppelt werden.
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Allerdings ist ein solches Bahn-Fahrzeug-Modell-System als Kette mit vielen Elementen besonders fehleranfällig. Der Ausfall auch nur eines Teiles, ob Bedienelement, Spannungszufuhr, Elektromotor usw. stellt die Verwendung des Modell-Systems in Frage. Hinzu kommen Verschleiß und Abnutzung, Spannungsabfälle entlang der Bahn, und eine robuste und damit teure Ausführung der Fahrzeuge, die das Herausfliegen unbeschadet überstehen.
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Anstelle von Modell-Bahnen und Modell-Fahrzeugen können die Bahnen und Fahrzeuge mit dem Computer simuliert und auf Bildschirmen oder Projektoren dargestellt werden. Bildschirme sind allerdings zweidimensional, selbst wenn der Bildschirm gebogen sein sollte.
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Zusammenfassung
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Das Bahn-Fahrzeug-Modell-System ist zu einem Lichtbahn-Lichtfahrzeug-System vereinfacht worden, bei dem die Position eines Fahrzeugs auf einer Bahn mit Licht dargestellt wird. Mit anderen Worten, das Bahn-Fahrzeug-Modell-System wird durch ein Bahn-Fahrzeug-Licht-System ersetzt. Ähnlich einem Lauflicht in einer Lichtkette (oder ”Lichterkette”) stellt das System die Position eines Fahrzeuges mit Lichtzuständen dar. Ein elektronisches Steuergerät (der ”Controller”) berechnet ein Zeit-Intervall, mit dem das Licht durch die Kette wandert. Dieses Zeit-Intervall ist variabel und abhängig u. a. von der Benutzereingabe in ein Eingabegerät. Der Benutzer kann die Geschwindigkeit des dargestellten Fahrzeuges variieren. Dieses benutzerbestimmte Zeit-Intervall steht im Kontrast zu einem Extrem-Zeit-Intervall, das der Controller berechnet. Dabei verwendet der Controller verschiedene Datensätze: mit den entsprechenden Positionen der Lichtelemente, den physikalischen Eigenschaften einer konkreten Bahn, und den physikalischen Eigenschaften eines konkreten Fahrzeuges. Beispielsweise dienen die Positionen zum Berechnen von Bahnradien, sowie zum Berechnen von Kräften, die ein konkretes Fahrzeug auf der Bahn halten bzw. von der Bahn abweisen.
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Für eine konkret verlegte Lichtbahn (zweidimensional, oder dreidimensional) kann der Benutzer beispielsweise angeben, dass das darzustellende Fahrzeug ein PKW sein soll, der auf regennasser Fahrbahn unterwegs ist. Entsprechend wird der Controller für jeden Abschnitt der Kette – von Licht zu Licht – ein Minimal-Zeit-Intervall berechnen, das der physikalisch möglichen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht. Der Benutzer steuert dann das Lauflicht, das sich sequentiell durch die Lichtkette bewegt, mal langsamer mal schneller. Wählt der Benutzer ein zu kurzes Zeit-Intervall, also ein Intervall kürzer als die Minimal-Zeit, dann gibt der Controller ein Signal aus. Mit anderen Worten, während auf gerader Strecke beispielsweise eine Geschwindigkeit von 100 km/h möglich ist, müsste der Benutzer in den Kurven auf 70 km/h abbremsen. Tut er das nicht, wird er mit dem Signal konfrontiert.
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Mit anderen Worten, erfindungsgemäß wird die Modell-Bahn und das Modell-Fahrzeug weggelassen. Die Bahn wird gebildet durch eine Anordnung von Lichtelementen, wobei die Anordnung der Trajektorie einer realen Bahn folgt. Eine Skalierung ist optional: Anordnung und Modell-Bahn können ohne Skalierung größengleich sein. Die Anordnung kann gegenüber Real-Fahrzeugen verkleinert werden. Das Fahrzeug – ob Modell-Fahrzeug oder Real-Fahrzeug – wird ersetzt durch Zustände der Lichtelemente. Leuchtende Elemente im Kontrast zu nichtleuchtenden Elementen zeigen an, wo sich das reale Fahrzeug gerade befinden würde. Die Darstellung ist vergleichbar mit einem Lauflicht. Allerdings ist der Lauf-Takt, mit sich das Licht durch die Anordnung geschaltet wird, nicht konstant. Durch Kurven läuft das Licht beispielsweise langsamer als durch Geraden, bzw: muss langsamer laufen.
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Die Bahntrajektorie kann dreidimensional sein.
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Die eingangs genannten Nachteile von Bahn-Fahrzeug-Modell-Systemen werden vermieden, die Konstruktion ist insgesamt einfacher, eine Energieübertragung von einer Bahn auf ein Fahrzeug ist nicht notwendig.
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Es wird ein Lichtbahn-Lichtfahrzeug-System vorgestellt, bei dem die Position eines Fahrzeugs auf einer Bahn mit Licht dargestellt wird. Das System enthält eine Vielzahl von Lichtelementen, die als Lichtbahn angeordnet sind. Die Lichtbahn entspricht der Bahn. Die Lichtelemente entsprechenden Positionen, die das Fahrzeug einnehmen kann, wobei eine Untermenge der Lichtelemente optisch einen ersten Positionszustand einnimmt, wenn die Untermenge der Lichtelemente der Position entspricht, die das Fahrzeug einnimmt. Ein Eingabegerät erfasst von einem Benutzer eine Messgröße. Ein Controller steuert die Vielzahl der Lichtelemente an, so dass der erste Positionszustand über die Vielzahl der Lichtelemente wandert, indem ein erstes Lichtelement seinen Positionszustand an ein zweites Lichtelement übergibt, das zweite Lichtelement diesen Positionszustand zumindest während eines Positions-Zeit-Intervalls aufrechterhält und dann an ein drittes Lichtelement übergibt. Der Controller berechnet das Positions-Zeit-Intervall kontinuierlich aus der Messgröße.
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Wahlweise ist der Controller angepasst, für jedes Lichtelement ein Extrem-Zeit-Intervall zu berechnen unter Auswertung: (a) eines ersten Datensatzes mit den Positionen des ersten Lichtelements, des zweiten Lichtelements und des dritten Lichtelements, (b) eines zweiten Datensatzes, der die physikalischen Eigenschaften für eine konkrete Bahn repräsentiert, sowie (c) eines dritten Datensatzes, der die physikalischen Eigenschaften für ein konkretes Fahrzeug repräsentiert.
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Wahlweise ist der Controller angepasst, das Extrem-Zeitintervall zu berechnen unter Auswertung von: (a) der Positionen des ersten Lichtelements, des zweiten Lichtelements und des dritten Lichtelements, die einen Kurvenradius ergeben, (b) des zweiten Datensatzes, der die Kraft repräsentiert, die das konkrete Fahrzeug auf der Bahn halten, sowie (c) des dritten Datensatzes, der die Kraft repräsentiert, mit der das Fahrzeug von der Bahn wegbewegt wird bzw. die Kraft, die der Bahnhaltekraft entgegenwirkt.
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Wahlweise ist der Controller angepasst, ein Signal an den Benutzer abzugeben, wenn das Extrem-Intervall länger ist als das Positions-Zeit-Intervall. Das Signal kann ein akustisches Signal sein. Das akustische Signal kann ein Geräusch darstellen, das entsteht, wenn das Fahrzeug von der Bahn abkommt bzw. abgekommen ist. Das Signal kann ein optisches Signal sein, bei dem das zweite Lichtelement und/oder das dritte Lichtelement einen Zustand einnimmt, der vom ersten Positionszustand verschieden ist.
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Wahlweise steuert der Controller die Vielzahl der Lichtelemente so an, dass das zweite Lichtelement den ersten Positionszustand während eines Positions-Zeit-Intervalls aufrechterhält und bei Übergabe an das dritte Lichtelement einen zweiten Positionszustand einnimmt.
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Wahlweise steuert der Controller die Vielzahl der Lichtelemente so an, dass das zweite Lichtelement den ersten Positionszustand über das Positions-Zeit-Intervalls hinaus aufrechterhält, und einen zweiten Positionszustand einnimmt, wenn ein Anzahl von weiteren Lichtelementen den ersten Positionszustand übernommen hat.
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Wahlweise enthält die Untermenge der Lichtelemente eine Anzahl Lichtelemente, die zur physikalischen Länge des Fahrzeuges korreliert. Die Anzahl der Lichtelemente in der Untermenge kann genau eins ein.
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Ein weiteres Fahrzeug kann optisch differenziert dargestellt werden. Die Darstellung des weiteren Fahrzeugs verwendet ein weiteres Eingabegerät mit einer weiteren Messgröße.
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Wahlweise ist die Lichtbahn als LED Strip ausgeführt, der in einem Diffusor eingelassen ist.
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Es wird des weiteren ein Verfahren zum Erfassen der Bahngeometrie des Systems vorgestellt. In einem Schritt Erzeugen, veranlasst der Controller ein Lauflicht mit einem Positions-Zeit-Intervall von konstanter Dauer. In einem Schritt Bewegen, wird ein mobiles Kommunikationsgerätes entlang der Lichtbahn bewegt, so dass ein Lagesensor des Kommunikationsgerätes dem Lauflicht folgt. In einem Schritt Aufzeichnen, zeichnet der Controller die Koordinaten für eine Position für jedes Lichtelement in dem ersten Datensatz des Controllers auf.
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Optional kann das System in einem Wettkampf-Szenario verwendet werden. Dabei werden zwei oder mehr Fahrzeuge dargestellt, wobei mindestens zwei Farben zur Unterscheidung der beiden Fahrzeuge verwendet werden. Eine Bahn ist dabei ausreichend.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 illustriert ein herkömmliches Bahn-Fahrzeug-System 100 mit einer Bahn 101 und mit einem Fahrzeug 102;
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2 illustriert ein erfindungsgemäßes Bahn-Fahrzeug-System als Lichtbahn-Lichtfahrzeug-System;
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3 illustriert ein Zustands-Zeit-Diagramm des Lichtbahn-Lichtfahrzeug-Systems;
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4 illustriert beispielhafte Ausführungsformen des Lichtbahn-Lichtfahrzeug-Systems; und
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5 illustriert ein Verfahren zum Einrichten des Systems, wobei die Datensätze für den Controller ermittelt werden.
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Detailbeschreibung
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1 illustriert ein herkömmliches Bahn-Fahrzeug-System 100 mit einer Bahn 101 und mit einem Fahrzeug 102. Bahn 101 und Fahrzeug 102 können reale Straßen/Schienen bzw. reale Straßenfahrzeuge/Schienenfahrzeuge sein; in diesem Fall ist das System 100 ein Real-System. Bahn 101 und Fahrzeug 102 können aber auch Modelle sein; in diesem Fall ist das System 100 ein Modell-System. Die 1 zeigt die Bahn 101 in der Draufsicht (in der Figur oben) und in einer Seitenansicht (in der Figur darunter).
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1 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem (X, Y, Z) mit den vier Quadranten I, II, III und IV. Konkrete Beispiele sind in Millimeter (mm) angegeben. Das Koordinatensystem beschreibt die Position der Bahn 101 und des Fahrzeugs 102.
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In den Quadranten I und IV befindet sich die Bahn in der (X, Y) Ebene; in den Quadranten II und III geht die Bahn in die Höhe (d. h. Z > 0) und erreicht bei (–Xmax, 0, Zmax) einen Scheitelpunkt. Die Bahn 101 kann der Kurvenlage angepasst sein. Aus Gründen der Einfachheit sind weitere mögliche Koordinaten wie Orientierungswinkel nicht dargestellt.
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Der Benutzer des Bahn-Fahrzeug-Systems 100 ist die Person, die das Fahrzeug steuert, und damit dessen Position auf der Bahn, dessen Beschleunigung, dessen Geschwindigkeit usw. über Bedienelemente beeinflusst.
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Im Modell-Fall ist das Fahrzeug 102 elektrisch angetrieben, wobei der Benutzer (bzw. der Spieler) die elektrische Fahrspannung über ein Steuergerät 140 bestimmt. Das Fahrzeug hat zu jedem Zeitpunkt eine Geschwindigkeit, die hauptsächlich von der Fahrspannung und von der Lage der Bahn im Raum abhängt. Bei einem Real-System handelt es sich beim Benutzer des Fahrzeugs 102 um den Fahrer.
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Bezogen auf die Koordinaten (X, Y, Z), hat das Fahrzeug 102 eine Geschwindigkeit (Formelzeichen v), die als Vektor angegeben werden kann: (vx, vy, vz). Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges 102 kann in m/s (Meter pro Sekunde) bestimmt werden. Eine Skalierung von Straßen-Fahrzeugen auf Modell-Fahrzeugen ist möglich. Beispielsweise, wird bei Modellfahrzeugen im Maßstab 1:100 die Real-Geschwindigkeit 100 km/h zu einer Modell-Geschwindigkeit von 1 km/h (oder ca. 0,3 m/s).
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Auf das Fahrzeug 102 wirken Kräfte, wie die Antriebskraft, die Fliehkraft (Zentrifugalkraft), die Schwerkraft, diverse Reibungskräfte (Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung), eine Kraft entgegen der Fahrtrichtung aufgrund des Luftwiderstandes und andere. Die Kräfte beeinflussen sich gegenseitig. Die Kräfte können von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges abhängen. Die Berechnung der Kräfte gehört zum physikalisches Grundwissen und ist in einer Vielzahl von Büchern dokumentiert, beispielsweise in Kapiteln wie ”Die Bewegung des Kraftfahrzeuges als physikalischer Vorgang”, in einem Fahrschullehrbuch (z. B. Fahrschullehrbuch, transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1990). Je nach gewünschter Genauigkeit können Luftturbulenzen während der Fahrt berücksichtigt werden.
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Ab einer Grenzgeschwindigkeit nimmt beispielsweise die Fliehkraft gegenüber der Zentripetalkraft überhand, so dass das Fahrzeug 102 die Bahn verlassen muss. Diese Grenzgeschwindigkeit ist positionsabhängig v grenz = f(x, y, z).
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Auf geraden Strecken ist die Grenzgeschwindigkeit (betragsmäßig) größer als in den Kurven. Im Beispiel steht ”Bahnkraft” (FB) beispielhaft für alle Kräfte, die das Fahrzeug in der Bahn halten, und steht ”Fliehkraft” (FF) für alle Kräfte, die dem entgegenwirken. Das Fahrzeug verlässt die Bahn, wenn FF > FB
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Physikalische Größen, die solche Kräfte beeinflussen, betreffen sowohl die Bahn 101 als auch das Fahrzeug 102. Unter Berücksichtigung der Haftreibung ist die Bahnkraft beispielsweise abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche der Bahn (z. B. trockene Fahrbahn gegenüber nasser Fahrbahn), der Beschaffenheit der Räder (z. B. Reifenprofil der Räder).
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Die Bahn 101 kann über Einrichtungen verfügen, die verhindern, dass das Fahrzeug zu Schaden kommt, wenn es die Bahn verlässt. Solche Einrichtungen sind beispielsweise Leitplanken.
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2 illustriert ein erfindungsgemäßes Bahn-Fahrzeug-System als Lichtbahn-Lichtfahrzeug-System 200. Wie in 1 gibt es eine Draufsicht und eine Seitenansicht, sowie ein Koordinatensystem (X, Y, Z).
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Das System 200 enthält die Lichtbahn 201, eine Anzahl von N Lichtelementen 202, den Bus 230 als Datenleitung, den Controller 240 sowie ein Eingabegerät 250.
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Die Lichtelemente 202 enthalten Leuchtmittel wie Leuchtdioden, Glühlampen und dergleichen. Die Lichtelemente 202 sind diskret voneinander aufgebaut. In 2 sind die Lichtelemente 202 dargestellt mit Indizes 1, 2, 3 ... N bzw. allgemein i, j und k. 2 zeigt beispielhaft 202-N, 202-1, 202-2, 202-3, 202-i, 202-j, und 202-k.
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Nachbarelemente zum Element j sind gekennzeichnet – hier im Uhrzeigersinn als beispielhafte Laufrichtung – mit i = j – 1 (als Vorgänger) bzw. k = j + 1 (als Nachfolger). Positionszustände sind Lichtzustände, die angeben, ob sich zu einem beliebigen Zeitpunkt ein darzustellendes Fahrzeug auf einer bestimmten Bahnposition befindet oder nicht.
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Der Controller 240 enthält Datensätze 241, 242, und 243, die vor Beginn der Laufzeit (run-time) des Controllers 240 erfasst werden.
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Der erste Datensatz 241 enthält u. a. die Positionen (x, y, z) der Lichtelemente 202, und damit die Positionen des ersten Lichtelements (202-i), des zweiten Lichtelements (202-j) und des dritten Lichtelements (202-k). Mit anderen Worten, der erste Datensatz 241 beschreibt die Bahngeometrie. Der Abstand D(i, j) der Lichtelemente voneinander ist der Abstand der Lichtelemente mit benachbartem Index, also von (xi, yi, zi) zu (xj, yj, zj). Der Abstand D(i, j) ist nach dem Satz des Pythagoras berechenbar. Entsprechende Formeln finden sich u. a. in Bronstein/Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, 24. Auflage, Leipzig 1989, Abschnitt 2.6. Geometrie. Analog gilt die Berechnung auch für D(j, k) und die anderen Abstände. Vereinfachend kann D für alle Lichtelemente 202 als konstant angenommen werden. Mit anderen Worten, die Elemente sind dann äquidistant angeordnet. Als Bahnabschnitt Aj gilt die Strecke von (xj, yj, zj) zu (xk, yk, zk). In einem Beispiel seien N = 128 Lichtelemente im Abstand D = 20 mm vorhanden. Ein Bahnumfang als Summe aller D beträgt ca. 2,5 Meter. Die Elemente haben Koordinaten beispielsweise als (x1, y1, z1) = (0, 300, 0) für Element 1 und (x2, y2, z2) = (20, 300, 0) für Element 2.
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Einige Lichtelemente bilden Geraden (z. B. die Elemente 1, 2 und 3) und einige Elemente bilden Kurven (in der 2 die Elemente i, j und k). Der Kurvenradius ist für jedes Element berechenbar, in erster Annäherung aus den jeweiligen Nachbarelementen. Der Radius R1 des Elements 1 ist unendlich, der Radius Rj des Elements Rj ist aus den Positionen der Elemente i, j und k berechenbar, wobei die Berücksichtigung von mehreren Elementen die Genauigkeit erhöht.
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Ein beispielhaftes Verfahren zum Ermitteln der Positionen, d. h. des ersten Datensatzes 241 wird in Zusammenhang mit 4 erläutert.
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Der zweite Datensatz 242 repräsentiert die physikalischen Eigenschaften für eine konkrete Bahn (vgl. 101 in 1), bei der es sich um eine reale Straße/Schiene oder auch um eine Modell-Bahn handeln kann. Der Datensatz 242 kann beispielsweise über eine Interaktion mit dem Benutzer eingegeben werden. Der Benutzer kann beispielsweise über ein Computer-Benutzerschnittstelle (User Interface) abgefragt werden. Beispielhafte Abfragen sind:
- – Straße oder Schiene?
- – Trockene, nasse, verschneite Straße?
- – Modell-Bahn oder Real-Bahn?
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Der dritte Datensatz 243 repräsentiert die physikalischen Eigenschaften für ein konkretes Fahrzeug 102. Es kann sich wiederrum um ein Modell-Fahrzeug oder um ein Real-Fahrzeug handeln. Die Ermittlung der Daten kann wiederum über Abfragen erfolgen.
- – PKW oder LKW?
- – Leistung in kW?
- – Fahrzeug beladen oder leer?
- – Sommerreifen oder Winterreifen?
- – Allradantrieb? Vorderradantrieb? Hinterradantrieb?
- – Antiblockiersystem (ABS) bei den Bremsen?
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Die drei Datensätze 241, 242 und 243 können in Datenbanken enthalten sein. Zur Laufzeit empfängt der Controller die Messgröße 255 vom Eingabegerät, verarbeitet Messgröße und Datensätze und steuert die Lichtelemente entsprechend an. Der Controller verwendet die Messgröße 255, um zumindest ein Licht durch die Lichtbahn 201 wandern zu lassen, wobei die Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt t (Augenblickgeschwindigkeit) vom Benutzer bestimmt ist. Der Controller verwendet die Datensätze, um aus den Bahnpositionen und den physikalischen Eigenschaften von Bahn und Fahrzeug Extrembedingungen zu berechnen, die im Echtzeit-Vergleich zur benutzervorgegebenen Geschwindigkeit eine Reaktion identifiziert, die in Realsituationen einer Extremsituation (z. B. Bahn verlassen, Unfall) entspricht, und die dem Benutzer optisch oder akustisch angezeigt wird.
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Die Berechnung folgt vorgegebenen Regeln der Physik unter Verwendung von Formeln (aus Lehrbüchern) bzw. von Tabellen mit Zahlenwerten (z. B. nasse Fahrbahn, Gerade 100 km/h, Kurve 70 km/h; trockene Fahrbahn, Gerade 120 km/h, Kurve 100 km/h). Solche Tabellen sind dem Fachmann auch als ”Look-Up-Tables” bekannt.
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Die Lichtelemente 220-j haben jeweils mindestens zwei Leucht-Zustände. Die Beschreibung verwendet dafür beispielhaft die beiden Akronyme EIN und AUS. 2 zeigt Elemente i und k im Zustand AUS (leuchtet nicht, symbolisch mit schwarzem Kreis) und das Element j im Zustand EIN (leuchtet, mit weißem Kreis).
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Zustände können jedoch auch anders definiert sein, beispielsweise EIN = Leuchten in einer ersten Farbe, AUS = Leuchten in einer zweiten Farbe.
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Wird nur ein Fahrzeug dargestellt, ist die Zahl der Lichtelemente im Zustand EIN kleiner als die Zahl der Lichtelemente im Zustand AUS. Werden mehrere Fahrzeuge dargestellt, kann sich das Verhältnis ändern. Im Beispiel der 2 sind N – 1 Elemente im Zustand AUS und genau ein Element im Zustand EIN (ein einziges Fahrzeug darstellend). Im allgemeinen ist eine Untermenge von Lichtelementen 202 im Zustand EIN. Bevorzugt sind die Elemente in der Untermenge benachbarte Elemente.
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Der Controller 240 kann jedes Lichtelement 220 einzeln ansteuern, und damit den Zustand jedes Elements ändern. Der Controller kann an den Benutzer ein Signal 245 ausgeben, das optisch mit den Leuchtelementen selbst dargestellt wird, oder das akustisch abgegeben wird. Das Signal 245 wird im folgenden als FEHLER bezeichnet und steht für Abweichungen von einem Norm- oder Sollbetrieb nach vorgegebenen Regeln, die im folgenden beispielhaft erklärt werden.
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3 ist ein Zustands-Zeit-Diagramm des Lichtbahn-Lichtfahrzeug-Systems 200.
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Das Diagramm verwendet die Symbolfarben Weiß für den Zustand EIN und Schwarz für den Zustand AUS. Ein weiterer, optionaler Zustand in der Bedeutung FEHLER ist als Punktmuster dargestellt. Die Zustände der Elemente ändern sich in den Zeitpunkten t. Zum Zeitpunkt ti geht Element i von AUS auf EIN, zum Zeitpunkt tj geht Element j von AUS auf EIN und zum Zeitpunkt tk geht Element k von AUS auf EIN. Die Zeit, die zum Umschalten benötigt wird, ist für einen Betrachter nicht zu erkennen, sie wird demnach ignoriert.
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EIN-Zeitintervalle Ti, Tj und Tk beschreiben die Dauer, in der ein bestimmter Zustand anhält, wiederum bezogen auf die einzelnen Elemente i, j und k. Mit Blick auf 2 ist das System 200 demnach während Tj gezeigt, also nach dem Zeitpunkt tj aber noch vor dem Zeitpunkt tk.
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Mit Blick auf 1 würde das Fahrzeug bei ti gerade in den Bahnabschnitt Ai einfahren (falls auf der Bahn 101 ein solcher Abschnitt definiert wäre). Es würde das Zeit-Intervall Ti benötigen, um zum nächsten Abschnitt Aj zu gelangen. Bei Tj würde es in Aj einfahren und im Zeit-Intervall Tj zum nächsten Abschnitt fahren. Bei tk würde es in Aj einfahren, allerdings aus physikalischen Gründen gezwungen werden, die Bahn zu verlassen.
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Den Lichtelementen können auch Geschwindigkeiten (Vektor, Skalar) zugewiesen werden, obwohl sich die Lichtelemente nicht bewegen. Die Geschwindigkeit (Skalar) entspricht der Zustandsänderung (AUS → EIN, EIN → AUS) bzw. der Position der Lichtelemente auf der Bahn (und damit im Raum, Vektor). Die Geschwindigkeit wird sozusagen virtuell dargestellt. Die ”virtuelle” Geschwindigkeit beträgt (vix, viy, viz) zum Zeitpunkt Tj, (vjx, vjy, vjz) zum Zeitpunkt Tj und (vkx, vky, vkz) zum Zeitpunkt tk.
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Der skalare Betrag der Geschwindigkeit zum Zeitpunkt ti wird auch während des Intervalls Ti beibehalten, ebenso die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt tj während Tj, die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt tk während Tk. Diese vereinfachte Betrachtung reicht aus, selbst wenn sich die Vektoren und die Beträge geringfügig ändern sollten.
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Wie oben bei 1 erläutert, würde bei Fahrzeugen bei einer Grenzgeschwindigkeit die Fliehkraft die Bahnkraft übersteigen. Das Fahrzeug (102 in 1) würde die Bahn verlassen (bzw. aus der Bahn geworfen werden). Diese Grenzgeschwindigkeit ist als Maximalgeschwindigkeit wiederum umrechenbar in eine Minimalzeit. Die Minimalzeit gibt an, wie lange ein Fahrzeug im jeweiligen Abschnitt verbleiben muss. Diese Minimalzeiten sind auch für den Zustand EIN als Ti min, Tj min und Tk min anwendbar. Im Beispiel der 3 gelten Ti > Ti min und Tj > Tj min, die durch den Zustand EIN dargestellten Fahrzeuge würden sich unterhalb der Grenzgeschwindigkeit bewegen. Im Beispiel geht das Fahrzeug im Abschnitt Ak in eine Kurve mit geringerer Grenzgeschwindigkeit (bzw. Tk min > Tj min, > Ti min). Bei Tk < Tk min würde sich das Fahrzeug aus der Bahn bewegen. Das Lichtelement 220-k würde demnach den Fehlerzustand anzeigen.
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4 illustriert beispielhafte Ausführungsformen des Lichtbahn-Lichtfahrzeug-Systems 200.
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Die Lichtelemente
202 können als LED (Leuchtdiode, lichtemittierende Diode) ausgeführt sein, als Halbleiter-LED oder als organische LED (OLED). Wahlweise werden Mehrfarben-LEDs verwendet, besonders dann, wenn die Zustände mit Farben dargestellt werden sollen. LEDs Lichtbahn
201 und Lichtelemente
202 können als sog. Lichtprofilschlauch
205 (vgl.
DE 10 2011 082 590 ) implementiert werden. So ein Lichtprofilschlau ist flexibel und kann – unter Beachtung von Mindestradien – beliebig verlegt und auf einer Unterlage befestigt werden. Der Schlauch kann Elektronikbausteine wie Mikrochips
206 zwischen den LEDs enthalten. Die LEDs haben einen äquidistanten Abstand (D, in
2) von beispielsweise ca. 15 mm. Eine Verbindung zum Bus
230 erfolgt über Steckverbinder. Lichtschläuche sind u. a. als ”LED Strip” handelsüblich, beispielsweise mit 150 LEDs.
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In den LED Strip kann ein optischer Diffusor eingelassen sein, bzw. der Diffusor wird durch ein opakes Gehäuse gebildet. Der Diffusor verwischt die sichtbaren Grenzen zwischen den einzelnen LEDs. Das ist hilfreich für den Betrachter, der das Lauflicht gedanklich einem Fahrzeug zuordnen muss. Durch das Verschwimmen des Lichts entsteht ein Bild, das einem Fahrzeug ähnlich ist. Die Zahl der zu verwendenden LEDs bleibt damit gering.
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Der Bus 230 ist implementiert als serieller Bus. Eine Implementierung als paralleler Bus ist ebenfalls möglich. Denkbar sind auch Hybridansätze mit mehreren seriellen Bussen für Gruppen von LEDs. Der Bus 230 kann drahtlos oder drahtgebunden ausgeführt sein. Bei drahtlosem Bus erfolgt die Spannungszufuhr zu den Elementen 202 separat. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Spannungszufuhr nicht dargestellt. Techniken zur Implementierung von drahtlosen Bussen, also Bussen per Funk, sind beispielsweise WLAN (Wireless Local Area Network) oder BLUETOOTH.
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Der Controller 240 ist implementiert als Computer (bzw. Microcontroller) mit Prozessor, Speicher und Interfaces (für den Bus und für das Eingabegerät 250). Beispielsweise enthält der Controller 240 einen 32-Bit-ARM-Prozessor mit einer Taktung von 72 MHz, einen RAM, analoge Eingänge (Eingänge mit Analog-Digital-Wandler), serielle Schnittstellen (zum Bus), eine USB-Schnittstelle. Solche Computer sind handelsüblich, beispielsweise als ”TEENSY” und arbeiten auf bekannten Plattformen wie z. B. ”ARDUINO”.
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Das Eingabegerät 250 ist beispielsweise ausgeführt als Potentiometer, an dem eine Spannung abgreifbar ist, die dem Drehwinkel des Potentiometers entspricht. Diese Spannung ist als Messgröße 255 verwendbar und wird dem Controller 240 zugeführt. Die Polarität der Spannung kann wahlweise die Laufrichtung des Lichts angeben (vgl. 2 mit oder gegen den Uhrzeiger).
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Die Integration der Funktionalitäten von Controller 240 und Eingabegerät 250 in ein mobiles Kommunikationsgerät 260 (sog. Smartphone, auch Mobile Computing Device MCD) ist auch möglich. Derartige Geräte verfügen beispielsweise über einen oder mehrere Lagesensoren 265. Der Winkel des Gerätes zum Lot kann als Messgröße verwendet werden. Je nachdem, ob der Benutzer das Gerät mehr oder weniger kippt, verändert er so die Messgröße 255 und damit auch das Positions-Zeit-Intervall (Tj). Mit anderen Worten, der Benutzer bewegt das Mobilgerät und steuert damit die Geschwindigkeit, mit der das Licht durch das Lichtband wandert.
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Die Eingabe der Messgröße 255 (bzw. auch der Datensätze 242, 243) kann auch über die Benutzerschnittstelle des Kommunikationsgerätes, beispielsweise über den Touch-Screen (berührungsempfindlichen Bildschirm) erfolgen.
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Die kürzeste Zeit für das Zeit-Intervall Tj ist gegeben durch die Taktfrequenz des Busses, in den Anwendungsfällen wie beschrieben, ist eine Taktfrequenz von 100 MHz aber ausreichend.
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Die Beschreibung betrachtet nun ein Beispiel für die Ansteuerung der Lichtelemente an einem konkreten Zahlenbeispiel. Die Messgröße 255 am Potentiometer wird im Controller 240 über Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) in ein digitales Signal umgewandelt, wobei die Abtastfrequenz bzw. Abtastrate bei 120 Digitalwerten pro Sekunde liege. ΔT ist das Abtastintervall, das Zeitintervall zwischen zwei Digitalwerten, im Beispiel ΔT = 1s/120 = 0,0083 ms.
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Über eine Beschleunigung (a(t) vorgegeben, als Datensatz 242 bzw. aus Messgröße 255 ableitbar) wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 101 nach verstrichenem Zeitintervall berechnet, für den Abschnitt Aj, gilt für Zeitpunkte t (zwischen ti und tj): V(t + ΔT) = V(t) + a(t)·ΔT
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Daraus wird der zurückgelegte Weg berechnet: s(t + ΔT) = s(t) + v(t)·ΔT;
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Wenn der zurückgelegte Weg innerhalb Ai dem Abstand D zwischen zwei LEDs entspricht, s(t + Δt) = 15 mm, dann schaltetet der Controller die Nachfolge-LED ein (202-j)
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Mit anderen Worten, Tj, also das Zeit-Intervall zwischen dem Zustandswechsel zweier aufeinanderfolgender LEDs i und j bei ti und tj ist dann die Zahl der Summe der Abtastungen bis s = 15 mm (dem LED-Abstand).
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Das Abtastintervall ΔT ist konstant, während das Positions-Zeit-Intervall Ti nicht konstant ist. Es gilt Ti > ΔT.
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5 illustriert ein Verfahren 500 zum Einrichten des Systems 200, wobei die Datensätze für den Controller ermittelt werden. Das Einrichten erfolgt optional, ist aber besonders geeignet für Lichtbahnen 201, die dreidimensional verlegt sind.
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Verfahren 500 dient zum Erfassen der Bahngeometrie des oben erläuterten Systems 200. In einem Schritt Erzeugen 510, wird ein Lauflicht mit einem Positions-Zeit-Intervall (Tj) von konstanter Dauer erzeugt. Tj hat beispielsweise eine Länge von 0,1 Sekunden bis 3 Sekunden. In einem Schritt Bewegen 520, wird ein mobiles Kommunikationsgerät, etwa das o. g. Smartphone 260, entlang der Lichtbahn 201 bewegt. Ein Lagesensor 265 des Kommunikationsgerätes folgt damit dem Lauflicht. In einem Schritt Aufzeichnen 530, wird die vom Sensor bestimmte Position (x, y, z) für jedes Lichtelement 202 in den ersten Datensatz 241 des Controllers 240 geschrieben. Optional erfolgt ein Zwischenspeichern der Daten im Kommunikationsgerät. In der Implementierung des Controllers 240 als Teil des Kommunikationsgerätes dient der Lagesensor des Kommunikationsgerätes als Sensor für diesen Schritt. Der Lagesensor kann einen Kompaß und ein Beschleunigungsmeßgerät enthalten. Die Position des Lagesensors entspricht nicht genau der Position des jeweiligen Lichtelements. Allerdings ist die Abweichung (sog. Offset) bekannt und kann berücksichtigt werden, beispielsweise als konstante Abweichung von wenigen Millimetern in Z-Richtung. (Der Benutzer hält das Smartphone über der Bahn).
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Optional werden in den nächsten Schritten (gestrichelt dargestellt) weitere Daten ermittelt, wie Datensatz 242 (Daten zu den physikalischen Eigenschaften des Fahrzeugs) im Schritt 540 und Datensatz 243 (Daten zu den physikalischen Eigenschaften der Bahn) im Schritt 550.
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Die Beschreibung geht abschließend auf einige weitere Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungsmöglichkeiten des Systems 200 ein. Fahrzeuge (Modell-Fahrzeuge, Real-Fahrzeuge) sind nicht auf Landfahrzeuge beschränkt. Denkbar ist auch die Darstellung von Luftfahrzeugen (Flugzeuge, Hubschrauber, Luftschiffe usw.), Raumschiffen, oder auch Wasserfahrzeugen.
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Ein weiteres Fahrzeug kann optisch differenziert dargestellt werden, beispielsweise durch die Verwendung weiterer Farben (z. B. Blau für EIN des ersten Fahrzeugs, Grün für EIN des zweiten Fahrzeugs, Weiß für AUS bei beiden Fahrzeugen). Die Darstellung des weiteren Fahrzeugs kann ein weiteres Eingabegerät mit einer weiteren Messgröße verwenden. Darstellen lassen sich damit u. a. Wettkampfsituationen (zwei Spieler) oder Sicherheitsabstände zwischen zwei Fahrzeugen (optional mit Farbwechsel zu FEHLER bei Unterschreitung eines kritischen Abstands).
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Das Signal 245 kann ein akustisches Signal sein. Bei Implementierung durch ein Smartphone (vgl. 4), gibt der Controller 240 das Signal über Kopfhörer oder Lautsprecher ab und macht es für den Benutzer hörbar. Das akustische Signal 245 kann ein Geräusch darstellen, das entsteht, wenn ein Fahrzeug von der Bahn abkommt bzw. abgekommen ist. Die Geräusche können aus Sound-Dateien aufgerufen werden. Eine Differenzierung nach dem Grad des Abkommens (je nach physikalischen Kräften) ist möglich: Die in der Datei gespeicherten Geräusche betreffen beispielsweise das Überfahren von Spurmarkierungen (ein Summen), das Anfahren von Leitplanken an Straßen (ein Kratzen), das Aufschlagen eines Autos auf einen Baum (als Knallen), das Schreiben von Fahrzeuginsassen, aber auch die Stille nach einem Unfall und dergleichen.
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Die genannten Abweichungen wurden nach Regeln in Bezug auf das Verlassen der Bahn ermittelt. Der Fachmann kann andere Regeln einführen, die auch dann ein FEHLER-Signal auslösen, wenn das Fahrzeug in der Bahn bleiben würde. Ungenügende Beschleunigung am Berg würde das Fahrzeug rückwärts fahren lassen.
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Die o. g. Zustandsunterscheidung mit den beiden binären Zuständen EIN und AUS kann durch weitere Zustände ergänzt werden, wie FEHLER (schon erläutert), ÜBERHOLEN (ein Fahrzeug überholt ein anderes), AUFFAHREN (ein Fahrzeug fährt auf ein anderes auf, da sich beide Fahrzeuge im gleichen Streckenabschnitt befinden) und dergleichen. Die Darstellung Zuständen durch Farben bietet sich bei LEDs an, aber Unterschiede in den Helligkeiten könnten auch verwendet werden.
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Farben könnten u. a. Informationen über den Zustand der Bahn mitteilen. Beispielsweise kann es Abschnitte geben, in denen ein Überholen möglich ist bzw. unmöglich ist (entsprechend den Verkehrszeichen, z. B. nach StVO Anlage 2, Zeichen 276).
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Wie in Zusammenhang mit
2 bereits angedeutet, sind Lichtelemente einer Untermenge im ersten Positionszustand (EIN). Benachbarte Lichtelemente der Untermenge können einen langes oder ein kurzes Fahrzeug darstellen. Mit anderen Worten, die Anzahl der Lichtelemente in der Untermenge kann mit der physikalischen Länge des Fahrzeuges korrelieren, zum Beispiel:
| AUS | AUS | EIN | AUS | AUS | AUS | AUS | (PKW, Anzahl 1) |
| AUS | AUS | EIN | EIN | EIN | AUS | AUS | (LKW, Anzahl 3) |
| AUS | EIN | EIN | EIN | AUS | EIN | AUS | (LKW, mit Trailer) |
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Farbdifferenzierungen erlauben Effekte, wie z. B. die Unterscheidung von Richtungen, z. B.
AUS EIN(Rot) EIN(Weiß) AUS AUS EIN(Rot) EIN (Weiß)
Zwei Fahrzeuge mit weißen Scheinwerfern und roten Rückleuchten verfolgen sich, auch im Sinne eines Wettkampfes.
AUS EIN(Rot) EIN(Weiß) AUS AUS EIN(Weiß) EIN (Rot)
Zwei Fahrzeuge mit weißen Scheinwerfern und roten Rückleuchten kommen sich auf der Bahn entgegen.
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Das System kann verwendet werden als Spielzeug (sozusagen als Autorennbahn ohne Autos), oder auch als Simulator zur Darstellung der Kinematik von beliebigen Körpern auf vorgegebenen Bahnen.
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Eine Darstellung von Fahrzeugen mit Symbolen und Piktogrammen ist möglich bei parallel angeordneten Lichtelementen, d. h. bei einer Anordnung der Lichtelemente als Matrix mit N Elementen in der einen Dimension (längs der Bahn) und M Elementen in der zweiten Dimension (quer der Bahn, mit N > M).
