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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geschwindigkeitsbegrenzung für ein selbstbalancierendes Fahrzeug. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein selbstbalancierendes Fahrzeug mit Geschwindigkeitsbegrenzung. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Motorsteuergerät für ein solches Fahrzeug.
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Sogenannte selbstbalancierende Fahrzeuge mit zwei Rädern und elektromotorischem Antrieb sind aus dem Stand der Technik bekannt. Neben größeren Fahrzeugen mit Lenkstange sind seit einiger Zeit auch kleinere, Fahrzeuge erhältlich, die keine Lenkstange aufweisen und in ihrer Grundform einem Brett ähneln. Diese werden u.a. als Hoverboards, Self Balance Boards oder Self Balance Scooter bezeichnet und weisen zwei Fahrzeughälften auf, die um eine zentrale Drehachse drehbar miteinander verbunden sind.
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Zum Antrieb der Räder werden batteriebetriebene Elektromotoren von einem elektronischen Motorsteuergerät angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt dabei auf der Grundlage der von Sensoren ermittelten Neigungswinkel der Trittflächen der beiden voneinander unabhängig neigbaren Fahrzeughälften des quer zur Fahrtrichtung liegenden Fahrzeuggehäuses.
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Die Steuerung dieser Fahrzeuge erfolgt auf bekannte Weise durch eine Gewichtsverlagerung des Fahrers auf den Trittflächen. Eine Verlagerung des Gewichts nach vorn führt zu einer Fahrt des Fahrzeugs in Fahrtrichtung nach vorn bzw. zu einer Beschleunigung, während eine Verlagerung des Gewichts nach hinten das Fahrzeug abbremst bzw. das Fahrzeug rückwärts fahren läßt. Ein Lenken des Fahrzeugs erfolgt entsprechend durch eine unterschiedlich starke Belastung der Trittflächen bzw. durch ein Neigen der Trittflächen in gegensätzliche Neigungsrichtungen.
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Anders als bei herkömmlichen Fahrzeugen genügt es bei dem hier zur Anwendung kommenden Funktionsprinzip eines selbstbalancierenden Fahrzeugs nicht, die Energiezufuhr zu verringern, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu verringern und das Fahrzeug abzubremsen bzw. eine Geschwindigkeitsbegrenzung zu implementieren. Denn unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit sind bauartbedingt stets schnelle Bewegungen der kraftvollen Elektromotoren notwendig, um die Neigungswinkel auszugleichen und das Fahrzeug auszubalancieren.
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Der Wunsch nach einer sicher handhabbaren und zuverlässigen Geschwindigkeitsbegrenzung dieser Fahrzeuge, wie sie beispielsweise aus rechtlichen Gründen erforderlich sein kann, führte daher bis heute zu keinen zufriedenstellen Ergebnissen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Geschwindigkeitsbegrenzung für ein solches selbstbalancierendes Fahrzeug bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. ein Fahrzeug nach Anspruch 8 bzw. ein elektronisches Steuergerät nach Anspruch 9 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Geschwindigkeitsbegrenzung eines selbstbalancierenden Fahrzeuges, welches Fahrzeug zwei zueinander bewegbare Fahrzeugteile aufweist, wobei jedem der beiden Fahrzeugteile eine Trittfläche und ein Antriebsrad zugeordnet sind, wobei die beiden Antriebsräder unabhängig voneinander antreibbar sind, zu welchem Zweck jedem der beiden Antriebsräder ein Elektromotor zugeordnet ist, wobei diese Elektromotoren von einem elektronischen Steuergerät ansteuerbar sind, das mit einer Anzahl Sensoreinheiten verbindbar ist, mit deren Hilfe der Neigungswinkel wenigstens einer der beiden Trittflächen ermittelbar ist, wobei das elektronische Steuergerät die beiden Elektromotoren mit dem Ziel des Ausgleichs der ermittelten Neigungswinkel hin zu einem Neigungswinkelsollwert ansteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Neigungswinkelstandardsollwert verschiedener Neigungswinkelbremssollwert vorgesehen ist und daß bei einem Überschreiten eines Geschwindigkeitsgrenzwertes des Fahrzeuges der Neigungswinkelstandardsollwert durch den Neigungswinkelbremssollwert ersetzt wird.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist zwei zueinander bewegbare Fahrzeugteile auf, wobei jedem der beiden Fahrzeugteile eine Trittfläche und ein Antriebsrad zugeordnet sind, wobei die beiden Antriebsräder unabhängig voneinander antreibbar sind, zu welchem Zweck jedem der beiden Antriebsräder ein Elektromotor zugeordnet ist, wobei diese Elektromotoren von einem elektronischen Steuergerät ansteuerbar sind, das mit einer Anzahl Sensoreinheiten verbindbar ist, mit deren Hilfe der Neigungswinkel wenigstens einer der beiden Trittflächen ermittelbar ist, wobei die beiden Elektromotoren mit dem Ziel des Ausgleichs der ermittelten Neigungswinkel hin zu einem Neigungswinkelsollwert von dem elektronischen Steuergerät ansteuerbar sind. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Neigungswinkelstandardsollwert verschiedener Neigungswinkelbremssollwert vorgesehen ist und daß das elektronische derart ausgebildet ist, daß es bei einem Überschreiten eines Geschwindigkeitsgrenzwertes des Fahrzeuges den Neigungswinkelstandardsollwert durch den Neigungswinkelbremssollwert ersetzt.
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Das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät ist für ein selbstbalancierendes Fahrzeug ausgebildet, welches Fahrzeug zwei zueinander bewegbare Fahrzeugteile aufweist, wobei jedem der beiden Fahrzeugteile eine Trittfläche und ein Antriebsrad zugeordnet sind, wobei die beiden Antriebsräder unabhängig voneinander antreibbar sind, zu welchem Zweck jedem der beiden Antriebsräder ein Elektromotor zugeordnet ist, wobei das elektronische Steuergerät mit einer Anzahl Sensoreinheiten verbindbar ist, mit deren Hilfe der Neigungswinkel wenigstens einer der beiden Trittflächen sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelbar ist, wobei die beiden Elektromotoren mit dem Ziel des Ausgleichs der ermittelten Neigungswinkel hin zu einem Neigungswinkelsollwert von dem elektronischen Steuergerät ansteuerbar sind. Das elektronische Steuergerät ist dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Neigungswinkelstandardsollwert verschiedener Neigungswinkelbremssollwert vorgesehen ist und daß das elektronische Steuergerät derart ausgebildet ist, daß es bei einem Überschreiten eines Geschwindigkeitsgrenzwertes des Fahrzeuges den Neigungswinkelstandardsollwert durch den Neigungswinkelbremssollwert ersetzt.
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Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug sowie das elektronische Steuergerät und umgekehrt.
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Eine Kernidee der Erfindung ist es, einen von einem Neigungswinkelstandardsollwert verschiedenen Neigungswinkelbremssollwert vorzusehen, auf dessen Grundlage bzw. bei dessen Verwendung das Steuergerät auf bisher nicht bekannte Art und Weise eine alternative Steuerung des Fahrzeugantriebs vornimmt, nämlich ein quasi selbständiges Abbremsen des Fahrzeugs bei der Überschreitung einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit. Indem ab einer bestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs die Sollneigung der Trittflächen von der Waagerechten auf einen entgegen der Fahrtrichtung geneigten Winkel geändert wird, wird der Fahrer nach hinten, also entgegen der Fahrtrichtung, geneigt, ohne daß der Fahrer dies notwendigerweise bemerkt. Dadurch wird eine weitere Beschleunigung des Fahrzeugs unterbrochen bzw. vermindert. Dies kann solange oder so oft erfolgen, bis ein gewünschter Grenzwert der Fahrzeuggeschwindigkeit nicht mehr überschritten wird.
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Auf diese Weise wird mit der Erfindung eine sichere und einfach handhabbare Geschwindigkeitsbegrenzung für ein selbstbalancierendes Fahrzeug geschaffen. Damit können etwaige Sicherheitsanforderungen eingehalten werden, ohne daß sich der Fahrer des Fahrzeugs in seiner Fahrentscheidung zu stark eingeschränkt fühlt.
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Die Änderung des Neigungswinkelsollwertes erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lediglich temporär, also nur zeitweise. Damit wird erreicht, daß sich der Fahrer nicht an die geänderte Neigung der Trittflächen gewöhnt, diese als Normalstellung empfindet und einfach weiter beschleunigt, wie es bei einer dauerhaften Änderung des Sollwertes der Fall wäre.
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Zur Realisierung der Erfindung ist es im einfachsten Fall lediglich erforderlich, die Funktionsweise des elektronischen Steuergerätes zu verändern, beispielsweise durch eine Anpassung der Programmierung des Steuergerätes, während alle anderen Komponenten des Fahrzeugs unverändert blieben.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Darstellung eines selbstbalancierenden Fahrzeugs,
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2 eine Darstellung von Funktionskomponenten des Fahrzeugs,
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3 eine Abfolge von Verfahrensschritten beim Begrenzen der Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Das selbstbalancierende Fahrzeug 1 weist zwei Fahrzeughälften 2, 3 auf. Die Fahrzeughälften 2, 3 sind zueinander bewegbar derart, daß sie um eine zentrale Drehachse 4 drehbar miteinander verbunden sind. Jeder der beiden Fahrzeughälften 2, 3, sind eine Trittfläche 5, 6 und ein Antriebsrad 7, 8 zugeordnet. Die Trittflächen 5, 6 sind an den Oberseiten der jeweiligen Gehäuseteile 9, 10 der Fahrzeughälften 2, 3 angeordnet. Die Fahrzeughälften 2, 3 sind hinsichtlich ihrer Gehäuseteile 9, 10 in der Fahrzeugmitte 12 voneinander getrennt und lediglich im Fahrzeuginneren über die zentrale Drehachse 4 miteinander verbunden. Die nicht gemeinsamen, voneinander verschiedenen Achsen 13, 14 der beiden Antriebsräder 7, 8 sind dabei koaxial zueinander angeordnet. Die Achsen 13, 14 der Antriebsräder 7, 8 liegen dabei auch koaxial zu der zentralen Drehachse 4. Die Fahrtrichtung 15 des Fahrzeugs 1 bei Geradeausfahrt liegt somit quer zu der zentralen Drehachse 4.
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Die beiden Antriebsräder 7, 8 sind unabhängig voneinander antreibbar. Zu diesem Zweck ist jedem der beiden Antriebsräder 7, 8 ein Elektromotor 16, 17 zugeordnet. Jeder dieser beiden Elektromotoren 16, 17 ist einzeln ansteuerbar.
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Als Motoren 16, 17 kommen vorzugsweise Nabenmotoren als Direktantriebe zum Einsatz. Vorzugsweise werden dabei Außenläufermotoren eingesetzt. Für jedes Antriebsrad 7, 8 bildet dabei die Radachse 13, 14 zusammen mit dem Stator des Motors 16, 17, beispielsweise in Form eines Elektromagneten, eine feste Einheit, die mit dem Gehäuse 9, 10 des Fahrzeugs 1 verbunden ist, während Reifen und Felge des Rades 7, 8 als Rotor außen um den Stator gelagert laufen.
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Bei dem Elektromotoren 16, 17 handelt es sich vorzugsweise um bürstenlose Motoren mit elektronischer Motorsteuerung. Im vorliegenden Fall erfolgt die Ansteuerung über ein gemeinsames elektronisches Steuergerät 18. Das Steuergerät 18 ist mit zwei Sensoreinheiten 19, 10 verbunden, mit deren Hilfe jeweils der Neigungswinkel einer der beiden Trittflächen 5, 6 zur Horizontalen ermittelt werden kann. Bei den Sensoreinheiten 19, 20 handelt es sich um beispielsweise um Gyroskope oder andere geeignete Neigungswinkelmesser, beispielsweise um 6-Achsen-Neigungswinkelmesser, deren Meßwerte N zur Ansteuerung der Elektromotoren 16, 17 genutzt werden. Die Sensoreinheiten 19, 20 sind vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Trittflächen 5, 6 im Inneren der Gehäuseteile 9, 10 angeordnet und vorzugsweise dauerhaft, mittels einer Kabelverbindung, mit dem Steuergerät 18 verbunden, so daß eine permanente, ununterbrochene Weitergabe von Neigungswinkelmeßwerten an das Steuergerät 18 möglich ist.
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Die zur Ansteuerung der Elektromotoren 16, 17 benötigten Neigungswinkelwerte N der Trittflächen 5, 6 werden von den Sensoren 19, 20 aus Sicherheitsgründen erst dann an das Steuergerät 18 übermittelt, wenn ein Fahrer auf den Trittflächen 5, 6 steht. Der Fahrbetrieb wird mit anderen Worten erst nach dem Aufsteigen des Fahrers auf beide Trittflächen 5, 6 aktiviert, wobei dieses Aufsteigen durch eine Anzahl entsprechender Sensoreinrichtungen (nicht dargestellt) in bzw. an den Trittflächen 5, 6 festgestellt wird. Hierfür werden beispielsweise Infrarot-Lichtschranken verwendet, die dann geschlossen werden, wenn ein Fahrer auf den beiden Trittflächen 5, 6 steht. Die Sensoreinrichtungen können auf vorteilhafte Weise mit den Sensoreinheiten 19, 20 konstruktiv verbunden sein.
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Das elektronische Steuergerät 18 steuert die beiden Elektromotoren 16, 17 mit dem Ziel des Ausgleichs der ermittelten Neigungswinkel N hin zu einem Neigungswinkelsollwert N_soll an. Genauer gesagt steuert das Steuergerät 18 die beiden den Antriebsrädern 7, 8 zugeordneten Elektromotoren 16, 17 so an, daß diese durch entsprechende Drehbewegungen 11 versuchen, die Trittflächen 5, 6 in eine Lage zu bringen, in denen deren Neigungswinkel N zur Horizontalen gleich Null sind, sich die Trittflächen 5, 6 also in der Waagerechten befinden. Je stärker sich die Trittflächen 5, 6 durch eine entsprechende Gewichtsverlagerung der Fahrers in Fahrtrichtung 15 (beim Beschleunigen) oder entgegen der Fahrtrichtung 15 (beim Abbremsen) neigen, desto größer sind die Bemühungen des Steuergerätes 18, die Neigungswinkel N auszugleichen, was in einer entsprechenden Ansteuerung der Elektromotoren 16, 17 und im Ergebnis in einer positiven bzw. negativen Beschleunigung des Fahrzeugs 1 resultiert.
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Das Steuergerät 18 ist dabei derart ausgebildet, daß es, anders als aus dem Stand der Technik bekannt, zur Ansteuerung der Elektromotoren 16, 17 die Verwendung eines von einem Neigungswinkelstandardsollwert N_soll_standard verschiedenen Neigungswinkelbremssollwertes N_soll_brems vorsieht. Das Steuergerät 18 ist mit einem Geschwindigkeitsmeßgerät 21 oder einem geeigneten Sensor zur Bereitstellung eines Wertes der Fahrzeuggeschwindigkeit v verbunden. Bei einem Überschreiten eines Geschwindigkeitsgrenzwertes v_grenz des Fahrzeuges 1 wird dann der Neigungswinkelstandardsollwert N_soll_standard durch den Neigungswinkelbremssollwert N_soll_brems ersetzt. Während der Neigungswinkelstandardsollwert N_soll_standard beispielsweise 0° beträgt, wird als Neigungswinkelbremssollwert N_soll_brems beispielsweise ein Wert von –5° vorgesehen. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei Neigungswinkelbremssollwerte zwischen –5° und –15° erwiesen. Dies entspricht einer geringen Neigung der Trittflächen 5, 6 entgegen der Fahrtrichtung 15.
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Der Neigungswinkelbremssollwert N_soll_brems wird von dem Steuergerät 18 solange verwendet, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit v den Geschwindigkeitsgrenzwert v_grenz nicht mehr übersteigt. Fällt die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 1 unter den Grenzwert Wertes v_grenz, wird von dem Steuergerät 18 wieder der bisherige Sollwert N_soll_brems verwendet.
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Der Geschwindigkeitsgrenzwert v_grenz kann dabei ein zuvor festgelegter fester Wert oder aber ein sich in Abhängigkeit von einer Anzahl Parameter, wie Batteriezustand, Gewicht des Fahrers etc. ändernder Wert sein. Bei Verwendung eines festen Wertes v_grenz kann dieser beispielsweise wenig unterhalb eines gesetzlich vorgeschriebenen Höchstwertes der Fahrzeuggeschwindigkeit liegen.
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Die Verwendung des Neigungswinkelbremssollwertes N_soll_brems anstelle des Neigungswinkelstandardsollwertes N_soll_standard während der Überschreitung des Geschwindigkeitsgrenzwertes erfolgt nur temporär, nämlich für einen begrenzten Bremszeitraum (∆t). Bei diesem Bremszeitraum (∆t) handelt es sich vorzugsweise um einen Zeitraum von 0,5 bis 10 Sekunden. Als besonders geeignet haben sich Bremszeiträume zwischen einer und fünf Sekunden erwiesen.
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Besonders vorteilhaft für eine sichere Geschwindigkeitsreduzierung und -begrenzung ist der mehrmals hintereinander erfolgende Wechsel der beiden Sollwerte N_soll_standard und N_soll_brems. Während des Zeitraums der Überschreitung des Geschwindigkeitsgrenzwertes v_grenz kann sich der Neigungswinkelbremssollwert N_soll_brems auch mit einem von dem Neigungswinkelstandardsollwertes N_soll_standard abweichenden, anderen Neigungswinkelsollwert abwechseln, sofern dies dem sicheren Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 und/oder dem Fahrgefühl des Fahrers dienlich ist. Beispielsweise können sich oberhalb des Geschwindigkeitsgrenzwertes v_grenz ein Neigungswinkelbremssollwert N_soll_brems von –5° mit einem Neigungswinkelsollwert von –2° abwechseln, während unterhalb des Geschwindigkeitsgrenzwertes v_grenz wieder der Neigungswinkelbremssollwert N_soll_brems von 0° zur Anwendung kommt.
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Ein Ablauf des Abbremsvorgangs könnte sich wie folgt darstellen, siehe 3: Das auf dem Boden stehende, eingeschaltete Fahrzeug 1 wird durch eine Gewichtsverlagerung des Fahrers, wodurch sich die Trittflächen 5, 6 nach vorn in Fahrtrichtung 15 neigen, beschleunigt. Sobald sich das Fahrzeug 1 bewegt, beginnt das Verfahren zur Geschwindigkeitsüberwachung und -begrenzung (Schritt 101). Während der Bewegung des Fahrzeugs 1 wird permanent oder in geeigneten, vorzugsweise kurzen Abständen mit Hilfe des Geschwindigkeitsmeßgerätes 21 die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 1 ermittelt (Schritt 102). Bewegt sich das Fahrzeug 1 beispielsweise mit einer Geschwindigkeit v von 11 km/h, passiert nichts. Übersteigt die Geschwindigkeit v einen Geschwindigkeitsgrenzwert v_grenz, beispielsweise 12 km/h (Schritt 103), ändert das Steuergerät 18 kurzzeitig den Sollwert der Neigung der Trittflächen von 0° auf –5° entgegen der Fahrtrichtung 15 (Schritt 104), so daß das Fahrzeug im Ergebnis abgebremst wird. Als Hinweis für den Fahrer ertönt bei einer Änderung des Neigungswinkelsollwertes N_soll optional ein kurzer Warnton eines im Fahrzeug 1 vorgesehenen Tongebers (nicht abgebildet).
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In einer nicht illustrierten Ausführungsform der Erfindung ist das Steuergerät 18 derart ausgebildet, daß der Fahrer über eine mit dem Steuergerät 18 verbundene oder verbindbare Bedieneinheit, beispielsweise einen am Fahrzeug 1 angebrachten Schalter oder eine Fernbedienung, die Verwendung des Neigungswinkelbremssollwertes N_soll_brems ein- bzw. ausschalten kann. Damit kann, je nach Anforderung, die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt und diese Begrenzung wieder aufgehoben werden. Bei der Fernbedienung kann es sich beispielsweise um eine mit der Steuereinheit 18 über eine drahtlose Kommunikationsverbindung in Verbindung stehende tragbare Computervorrichtung handeln, wie ein Smartphone oder ein Tablet-Computer, auf dem eine geeignete Bediensoftware für das Steuergerät 18 ausgeführt wird, zu welchem Zweck die Steuereinheit 18 mit einem entsprechenden Funkempfänger oder dergleichen (nicht dargestellt) ausgestattet ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung können mehrere, voneinander verschiedene Neigungswinkelbremssollwerte N_soll_brems vorgesehen sein, deren Verwendung mit Hilfe der Bedieneinheit ein- und ausschaltbar bzw. auswählbar ist.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- erste Fahrzeughälfte
- 3
- zweite Fahrzeughälfte
- 4
- zentrale Drehachse
- 5
- erste Trittfläche
- 6
- zweite Trittfläche
- 7
- erstes Antriebsrad
- 8
- zweites Antriebsrad
- 9
- erstes Gehäuseteil
- 10
- zweites Gehäuseteil
- 11
- Drehbewegung der Räder
- 12
- Fahrzeugmitte
- 13
- erste Achse
- 14
- zweite Achse
- 15
- Fahrtrichtung
- 16
- erster Elektromotor
- 17
- zweiter Elektromotor
- 18
- elektronisches Steuergerät
- 19
- erste Sensoreinheit
- 20
- zweite Sensoreinheit
- 21
- Geschwindigkeitsmeßgerät
