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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung von Schaltverhalten von Lichtsignalanlagen für die Verkehrsregelung, insbesondere für die Prädiktion von Verkehrsregelungsphasen.
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Technischer Hintergrund
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Für das vorausschauende Betreiben von Kraftfahrzeugen stehen heute Karteninformationen über das Verkehrsnetz flächendeckend zur Verfügung. Während für die Ermittlung von kürzesten Routen zu einem Zielort die Kartendaten meist ausreichend sind, sind für weitergehende Funktionen, wie beispielsweise eine Route für eine geringste Fahrzeit, weiterhin Informationen nützlich, die angeben, wie lange ein Fahrzeug vor einer in Rotphase geschalteten Lichtsignaleinrichtung (Ampel) einer Lichtsignalanlage voraussichtlich warten muss. Weiterhin kann es für Funktionen, wie beispielsweise eine Grüne-Welle-Funktion oder eine Motor-Start-Stopp-Funktion, nützlich sein, beim Annähern an eine Lichtsignalanlage, deren Umschaltzeitpunkte von einer Grünphase zu einer Rotphase und umgekehrt zu kennen.
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Im Allgemeinen stehen jedoch Informationen über Schaltzeitpunkte zwischen Verkehrsregelungsphasen von Lichtsignalanlagen in den Karteninformationen über das Verkehrsnetz nicht zur Verfügung.
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Aus der Druckschrift
DE 100 25 039 C2 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Verkehrsregelungsphasendauern für verkehrsgeregelte Netzknoten eines Verkehrsnetzes bekannt. Dabei werden Verkehrsdaten durch sich im Verkehr mitbewegende Meldefahrzeuge für sukzessiv befahrene Netzknoten derart gewonnen, dass sie einen auf das Passieren des betreffenden Netzknotens bezogenen Meldezeitpunkt beinhalten. Aus den Meldezeitpunkten für den jeweiligen Netzknoten werden die Zeitabstände jeweils aufeinanderfolgender Meldezeitpunkte bestimmt und deren Häufigkeitsverteilung ermittelt. Es wird festgestellt, ob die Häufigkeitsverteilung der Zeitabstände aufeinanderfolgender Meldefahrzeuge eines jeweiligen Netzknotens eine periodische Funktionseinbruchskomponente aufweist und bejahendenfalls darauf geschlossen, dass die Freiphasendauer der betreffenden Verkehrsregelungsmaßnahme kleiner als deren Unterbrechungszeitdauer ist.
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Die Druckschrift
US 2013/0110316 A1 offenbart eine Fahrerassistenzvorrichtung, bei der ein Fahrzeug eine Lichtsignalanlageninformation erhält, die einen Phasenwechselzeitpunkt beinhaltet und eine korrigierte Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt und bestimmt, ob das Fahrzeug die Lichtsignalanlage auf Basis der korrigierten Fahrzeuggeschwindigkeit passieren kann.
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Die Druckschrift
US 2015/0329107 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem Sensor, um einen Zustand der Verkehrssteuerungseinrichtung zu erkennen, und ein Steuergerät, um abzuschätzen, wann der Zustand der Verkehrssteuerungseinrichtung sich ändert, und das Fahrzeug autonom zumindest teilweise auf der Schätzung eines Änderungszeitpunkts der Verkehrssteuerungseinrichtung zu steuern.
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Aus der Druckschrift
US 2015/0262483 A1 offenbart ein Fahrerassistenzgerät für ein Kraftfahrzeug, wobei die verbleibende Phasenzeitdauer bis zum Wechsel der Verkehrsregelungsphase einer Lichtsignalanlage basierend auf Verkehrssignalzyklusdaten ermittelt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bereitstellen von Verkehrsregelungsphaseninformationen einer verkehrsunabhängig gesteuerten oder nur schwach verkehrsabhängig gesteuerten Lichtsignalanlage zuverlässig zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Bestimmung einer Verkehrssteuerungsphaseninformation einer Lichtsignaleinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Betreiben eines Fahrerassistenzsystems in einem Kraftfahrzeug sowie eine Zentraleinheit und ein Fahrerassistenzsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Verkehrssteuerungsphaseninformation einer Lichtsignaleinrichtung vorgesehen, wobei die Verkehrssteuerungsphaseninformation ein Schaltverhalten der Lichtsignaleinrichtung bezüglich angezeigten Phasenzuständen definiert, mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen von Phasenzustandsinformationen der Lichtsignaleinrichtung, wobei die Phasenzustandsinformationen mindestens jeweils einen Phasenzustand der Lichtsignaleinrichtung sowie einen Erfassungszeitpunkt für den Phasenzustand angeben;
- – Anwenden einer Autokorrelation auf die erhaltene Phasenzustandsinformation, um eine Umlaufzeit der Lichtsignaleinrichtung zu erhalten;
- – Ermitteln des Schaltverhaltens basierend auf der erhaltenen Umlaufzeit.
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Heutige Fahrzeuge können mit einer Kamera oder einer vergleichbaren Einrichtung ausgerüstet sein, die den Zustand einer vorausliegenden Lichtsignaleinrichtung (Ampel) erkennen können. Der Zustand der Lichtsignaleinrichtung gibt eine Verkehrssteuerungsphase an (Rotphase, Grünphase, Gelbphase) an und kann in Verbindung mit einer Zeitinformation und einer Positionsinformation der Lichtsignaleinrichtung bzw. des detektierenden Kraftfahrzeugs für die Ermittlung einer Verkehrssteuerungsphaseninformation verwendet werden. Die Verkehrssteuerungsphaseninformation gibt eine Umlaufzeit und Schaltzeitpunkte für den Wechsel von einer Verkehrssteuerungsphase zu einer nächsten Verkehrssteuerungsphase, d.h. von einer Rotphase zu einer Gelbphase, zu einer Grünphase usw. an. Die Umlaufzeit entspricht einer Zeitdauer, mit der sich die zeitliche Abfolge von Phasenzuständen der betreffenden Lichtsignalanlage wiederholen.
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Für die Ermittlung der Verkehrssteuerungsphaseninformation werden nun Phasenzustandsinformationen erfasst, die einen aktuellen Phasenzustand einer Lichtsignaleinrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. einen Phasenzustandsverlauf während eines bestimmten Zeitraums angeben. Diese Phaseninformationen können beispielsweise durch Meldefahrzeuge, die sich der betreffenden Lichtsignaleinrichtung nähern, erfasst werden und zum Beispiel in einer fahrzeugexternen Zentraleinheit gesammelt und dort ausgewertet, um die entsprechende Verkehrssteuerungsphaseninformation zu erhalten.
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Bei nicht oder nur gering verkehrsgesteuerten Lichtsignalanlagen wiederholen sich die Phasenzustände der Lichtsignaleinrichtungen periodisch in Umlaufzyklen mit einer konstanten Umlaufzeit, wobei die Phasenlagen der einzelnen Phasenzustände innerhalb der Umlaufzyklen im Wesentlichen unverändert bleiben. Somit ist mit Kenntnis eines Bezugszeitpunkts, einer Umlaufzeit der Lichtsignaleinrichtung und der Phasenlagen der Phasenzustände eine Ermittlung des aktuellen oder eines künftigen Phasenzustands der betreffenden Lichtsignaleinrichtung möglich.
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Aus den erfassten Phasenzustandsinformationen können nun die entsprechenden Informationen über Bezugszeitpunkt, Umlaufzeit und Phasenlagen der Phasenzustände mit Hilfe einer Autokorrelation bestimmt werden. Die Autokorrelation dient zur Erkennung von wiederkehrenden Mustern und beschreibt die Korrelation einer Funktion oder eines Signals mit sich selbst zu einem früheren Zeitpunkt.
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Das obige Verfahren stellt in zuverlässiger Weise für verkehrsunabhängige und gering verkehrsabhängige Schaltungen von Lichtsignaleinrichtungen eine zum Prädizieren eines künftigen Phasenzustands einer Lichtsignaleinrichtung ausreichende Verkehrsteuerungsphaseninformation zur Verfügung.
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Die Nutzung von Flottendaten einer Vielzahl von Meldefahrzeugen zur Auswertung von gemeinsam erfassten Phasenzuständen von Verkehrssteuerungsanlagen ermöglicht somit eine zuverlässige Rekonstruktion des Schaltverhaltens der Lichtsignaleinrichtungen, wenn kein Zugriff auf sonstige Informationen über das Schaltverhalten der Lichtsignaleinrichtungen vorliegt.
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Weiterhin können die Phasenzustandsinformationen von einem oder mehreren Meldefahrzeugen erfasst und von diesen zur Auswertung z.B. in einer fahrzeugexternen Zentraleinheit zentral empfangen werden. Die Meldefahrzeuge können dazu entsprechend mit einer Kamera oder einem sonstigen Erfassungssystem ausgestattet sein, womit bei Annäherung an die betreffende Lichtsignaleinrichtung ein oder mehrere Phasenzustände zu einem oder mehreren Zeitpunkten erfasst werden und diese mit einem entsprechenden Zeitstempel versehen zur Auswertung bereitgestellt werden. Der Phasenzustand der Lichtsignaleinrichtung kann während der gesamten Zeitdauer, während der die Kamera oder die sonstige Erfassungseinrichtung die Lichtsignaleinrichtung erfasst, bestimmt werden, so dass sich während einer Fahrt des Meldefahrzeugs in Richtung zur Lichtsignaleinrichtung mehrere Phasenzustände innerhalb eines Zeitfensters mit aufeinanderfolgenden Zeitpunkten erfassen lassen.
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Insbesondere können eine oder mehrere Lichtsignaleinrichtungen durch Fahrrichtung und Position des Meldefahrzeugs identifiziert werden und der Phasenzustand der jeweils identifizierten Lichtsignaleinrichtung durch eine Erfassungseinrichtung detektiert werden, wobei die eine oder die mehreren Phasenzustandsinformationen für identifizierte Lichtsignaleinrichtungen jeweils unmittelbar nach ihrer Erfassung, zu regelmäßigen und/oder vorgegebenen Zeitpunkten oder nach Erfassung einer vorgegebenen Menge an Phasenzustandsinformationen für die Auswertung an eine fahrzeugexterne Zentraleinheit übermittelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Autokorrelation ausgeführt wird, sobald eine vorgegebene Menge an Phasenzustandsinformationen für eine bestimmte Lichtsignaleinrichtung vorliegt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Autokorrelation zwischen einem frühesten Zeitpunkt einer Erfassung eines Phasenzustands einer bestimmten Lichtsignaleinrichtung und einem spätesten Zeitpunkt der Erfassung eines Phasenzustands der bestimmten Lichtsignaleinrichtung durchgeführt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Autokorrelation einen Verlauf eines Autokorrelationswertes ergibt, wobei insbesondere mithilfe einer Fouriertransformation der Verlauf eines Autokorrelationswertes in einen Frequenzbereich transformiert wird, wobei die Umlaufzeit der Lichtsignaleinrichtung als Maximalwert des Kehrwerts der Frequenz bestimmt wird, bei der der Autokorrelationswert maximal wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Ermitteln des Schaltverhaltens basierend auf der erhaltenen Umlaufzeit ein Ermitteln einer Häufigkeitsverteilung der erfassten Phasenzustände für verschiedene Phasenlagen innerhalb der erhaltenen Umlaufzeit und ein Interpolieren der Häufigkeitsverteilung umfassen, um ein Schaltverhalten der Lichtsignaleinrichtung zu erhalten.
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Durch eine Transformation des Verlaufs der sich ergebenden Autokorrelationsfunktion in den Frequenzbereich kann eine Umlaufzeit entsprechend der dominierenden Frequenz erkannt werden. Durch einen Interpolationsschritt können nun die einzelnen erfassten Phasenzustände einer Phasenlage innerhalb eines Umlaufzyklus zugeordnet werden, so dass über den Bezug eines erfassten Phasenzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Phasenlage die Zeiten durch Extrapolation ermittelt werden können, zu dem ein bestimmter Phasenzustand vorliegt.
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Weiterhin kann die Häufigkeitsverteilung durch Zuordnung der für die betreffende Lichtsignaleinrichtung erfassten Phasenzustände zu den Phasenlagen innerhalb der durch die Umlaufzeit definierten Umlaufzyklen der Lichtsignaleinrichtung ermittelt werden.
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Das Interpolieren der Häufigkeitsverteilung kann mithilfe einer Spline-Funktion durchgeführt werden, um eine Schaltfunktion der Lichtsignaleinrichtung zu erhalten, die ein Schaltverhalten der Lichtsignaleinrichtung beschreibt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Meldefahrzeugs vor einer Lichtsignaleinrichtung und mit Funkverbindung zu einer Zentraleinheit;
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln eines Schaltverhaltens der Lichtsignalanlage in der Zentraleinheit;
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3 der Verlauf einer Autokorrelationsfunktion für den Verlauf der Phasenzustände der Lichtsignalanlage;
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4 eine Transformation des Verlaufs der Autokorrelationsfunktion der 3 in einen Frequenzbereich, um eine Umlaufzeit zu bestimmen; und
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5 eine Darstellung der Häufigkeiten der Phasenzustände der Lichtsignaleinrichtung aufgetragen über der Umlaufzeit; und
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6 eine Darstellung des Verlaufs einer aus der Häufigkeitsverteilung ermittelten Interpolationsfunktion.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1, das sich einer Lichtsignaleinrichtung 2 als Beispiel für eine Verkehrssteuerungsanlage nähert. Die Lichtsignaleinrichtung 2 steuert den Fahrzeugverkehr durch Anzeigen von farbigen Lichtsignalen in an sich bekannter Weise. So werden Fahrzeuge bei einem Rotlichtsignal zum Halten und bei einem Grünlichtsignal zur Weiterfahrt aufgefordert. Ein Gelblichtsignal kennzeichnet einen Übergang zwischen den Rotphasen, während derer das Rotlichtsignal aktiv ist, und den Grünphasen, während derer das Grünlichtsignal aktiv ist. Rotphasen, Grünphasen und Gelbphasen kennzeichnen Phasenzustände der Lichtsignaleinrichtung 2.
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Das Kraftfahrzeug 1 kann mit einem Steuergerät 11 versehen sein, das mit einer Kommunikationseinrichtung 12 verbunden ist. Das Steuergerät 11 kann mit einer Kamera 13 oder einer sonstigen Erfassungseinrichtung gekoppelt sein, die in der Lage ist, eine vorausliegende Lichtsignaleinrichtung 2 als solche zu erkennen, deren Phasenzustand zu erfassen und diesen an das Steuergerät 11 zu kommunizieren.
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Das Steuergerät 11 kann den erfassten Phasenzustand zusammen mit einem Zeitstempel über die Erfassungszeit und den Erfassungsort über die Kommunikationseinrichtung 12 nach extern z.B. an eine fahrzeugexterne Zentraleinheit 3 übertragen. Insbesondere kann das Steuergerät 11 den erfassten Phasenzustand zusammen mit dem Zeitstempel über die Erfassungszeit und den Erfassungsort zunächst zwischenspeichern und die Übertragung mit Hilfe der Kommunikationseinrichtung 12 durchführen, wenn eine Verbindung zu der Zentraleinheit 3 besteht und/oder wenn eine bestimmte Anzahl von Phasenzuständen erfasst worden sind oder unmittelbar nachdem die Phasenzustände erfasst worden ist. Gleichermaßen kann mit Hilfe der Kommunikationseinrichtung 12 Verkehrssteuerungsinformation zu der vorausliegenden Lichtsignaleinrichtung 2 empfangen werden.
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Mit Hilfe eines Positionserfassungssystems 14 kann der Ort des Fahrzeugs und dessen Geschwindigkeit und Richtung erkannt werden und diese Informationen als Erfassungsort für die Bereitstellung der Phasenzustandsinformation bereitgestellt werden. Weiterhin kann aus den durch das Positionserfassungssystems 14 erfassten Daten diejenige Lichtsignaleinrichtung 2 identifiziert werden, der sich das Kraftfahrzeug 1 annähert. Eine entsprechende Information über Richtung und Position des Kraftfahrzeugs 1 oder über eine identifizierte Lichtsignaleinrichtung 2 kann an die Zentraleinheit 3 gesendet werden, um als Antwort die Verkehrsteuerungsinformation über das Schaltverhalten der vorausliegenden Lichtsignaleinrichtung 2 zu erhalten oder um die Verkehrsteuerungsinformation aktiv abzurufen.
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Mit Hilfe der Verkehrssteuerungsinformation für die Lichtsignaleinrichtung 2, der sich das Fahrzeug 1 annähert, können nun Fahrzeugfunktionen ausgeführt werden. Beispielsweise können Fahrzeugfunktionen eine Grüne-Welle-Funktion, eine Start-Stopp-Funktion bei Anhalten vor der Lichtsignalanlage 2 aufgrund einer Rotphase oder andere an sich bekannte Funktionen sein.
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Eine Auswertung in der Zentraleinheit 3 kann durchgeführt werden, nachdem eine ausreichende Menge an Phasenzustandsinformationen bzw. eine vorgebbare Mindestanzahl von einzelnen Erfassungszeitpunkten der Phasenzustandsinformationen für eine bestimmte Lichtsignaleinrichtung 2 empfangen worden ist. Dies kann durch häufiges Befahren der Strecke, an der die Lichtsignaleinrichtung 2 angeordnet ist, durch ein Meldefahrzeug oder durch Befahren der Strecke durch mehrere verschiedene Meldefahrzeuge erfolgen, die jeweils entsprechende Phasenzustandsinformationen für die Zentraleinheit 3 bereitstellen können.
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Die Auswertung in der Zentraleinheit 3 kann entsprechend einem Verfahren durchgeführt werden, das in dem Flussdiagramm in 2 dargestellt ist.
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In Schritt S1 werden Phasenzustandsinformationen von einem oder mehreren Meldefahrzeugen 1 empfangen. Wenn in Schritt S2 festgestellt wird, dass die Phasenzustandsinformationen ausreichend sind bzw. in einer ausreichenden Anzahl von Erfassungszeitpunkten vorliegen, um eine Auswertung zur Bestimmung des Schaltverhaltens der Lichtsignaleinrichtung 2 vorzunehmen (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S3 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen. Die ausreichende Anzahl von Phasenzustandsinformationen kann fest vorgegeben sein oder sich danach richten, ob eine Ermittlung einer Umlaufzeit entsprechend der Durchführung der Schritte S3 bis S5, wie nachfolgend beschrieben, erfolgreich durchführbar ist.
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In Schritt S3 wird auf die Phasenzustandsinformation eine Autokorrelationsfunktion angewendet. Die Autokorrelationsfunktion kann entsprechend der Formel
berechnet werden. Für Lichtsignalanleinrichtungen ist allgemein bekannt, dass diese eine Taktzykluszeit von 1s aufweisen. Somit kann die Autokorrelationsfunktion anstelle der Integralberechnung eine Summenfunktionsberechnung wie folgt umfassen:
wobei T1 einem Phasenzustand zu einem frühesten Zeitpunkt der Erfassung und T2 einem Phasenzustand zu einem spätesten Zeitpunkt der Erfassung und x(t) einem kodierten Phasenzustand zum Erfassungszeitpunkt t entsprechen.
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Um die Rotzustände und Grünzustände in geeigneter Weise in der Autokorrelation einzubringen, müssen diese codiert werden, so dass Phasenzustandszeitpunkte mit zugehörigen Phasenzuständen vorliegen. Dabei kann ein Rotzustand mit x = +1 und ein Grünzustand mit x = –1 codiert werden und die sich daraus ergebenden, mit Lücken versehenen zeitliche Verläufe der Phasenzustände als Basis für die Berechnung der Autokorrelationsfunktion anzunehmen. Zur Vereinfachung können Gelbphasen als Rotphasen angenommen werden und entsprechend mit x = +1 codiert werden.
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Als Ergebnis ergibt sich ein Verlauf der Autokorrelationsfunktion als ψ über einer zeitlichen Verschiebung τ des Verlaufs der Phasenzustände zu sich selbst. In 3 ist ein Verlauf des Autokorrelationswertes ψ über der zeitlichen Verschiebung τ des Verlaufs der Phasenzustände zu sich selbst dargestellt.
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In Schritt S4 wird auf diesen Verlauf eine Fast-Fourier-Transformation durchgeführt, um den Verlauf des Autokorrelationswertes ψ(τ) in einen Frequenzbereich zu übertragen.
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In 4 ergeben sich aus dem Frequenzverlauf ψ(f) der Autokorrelationswerte die Frequenzanteile A, die über dem Kehrwert der Frequenz 1/f dargestellt sind. Der Kehrwert der Frequenz entspricht einer möglichen Umlaufzeit. Man erkennt in der beispielhaften Darstellung der 4 eine Umlaufzeit von 90 s, da dort die Funktion ihr Maximum aufweist. Diese Umlaufzeit TU wird als Maximum eines Kehrwerts des Frequenzanteils mit dem maximalen Betrag in Schritt S5 ermittelt.
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Ist die korrekte Umlaufzeit in Schritt S5 ermittelt worden, können in Schritt S6 die Phasenzustände extrahiert werden. Dazu können die erfassten Phasenzustände auf die Umlaufzeit aufgetragen werden und eine entsprechende Häufigkeitsverteilung für jede Phasenlage innerhalb der Umlaufzeit TU ermittelt werden. Dies ist beispielsweise in 5 dargestellt, wobei die Füllungsdichte der als Punkte dargestellten einzelnen Phasenlagen innerhalb der Umlaufzeit die Häufigkeit eines dort detektierten Phasenzustands angibt.
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Um die Interpolationsfunktionen anzuwenden, können die mittleren Häufigkeiten von Phasenzuständen zu jedem der Zeitpunkte (im Raster der Taktzykluszeit von beispielsweise 1s) bestimmt werden. Auf diesem Weg können Ausreißer kompensiert werden, welche sich sonst deutlich in der Interpolationsfunktion auswirken würden.
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Im nächsten Schritt S7 wird das kubische Spline-Polynom der errechneten Häufigkeitsverteilung berechnet, um eine Interpolation durchzuführen und um einen zeitlichen Verlauf der Phasenzustände zu erhalten. Es ergibt sich eine Kurve einer Schaltfunktion, wie sie beispielsweise in 6 dargestellt ist. Daraus lassen sich entsprechend der Funktionswerte Zeitpunkte für Grün- und Rotphasen der Lichtsignaleinrichtung 2 während einer Umlaufzeit entnehmen und zurückkodieren. Durch Kenntnis eines Referenzzeitpunkts, zu dem ein Umlaufzyklus beginnt, kann somit zu jedem in der Zukunft gelegenen Zeitpunkt eine Phasenlage bestimmt werden, der ein Phasenzustand der Lichtsignaleinrichtung 2 zugeordnet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Meldefahrzeug
- 2
- Lichtsignaleinrichtung
- 3
- Zentraleinheit
- 11
- Steuergerät
- 12
- Kommunikationseinrichtung
- 13
- Kamera
- 14
- Positionserfassungssystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10025039 C2 [0004]
- US 2013/0110316 A1 [0005]
- US 2015/0329107 A1 [0006]
- US 2015/0262483 A1 [0007]