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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Messsystem zur Schichtdickenerfassung sowie ein entsprechendes Verfahren und Computerprogramm. Die vorliegende Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet von Straßenfertigern, insbesondere von einem Straßenfertiger mit einer Schichtdickenerfassungsvorrichtung. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen der Dicke einer durch einen solchen Straßenfertiger auf einem Untergrund eingebauten Materialschicht.
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Allgemein läuft ein Straßenfertiger mit einem Fahrwerk bestehend aus Raupenketten oder Rädern auf einem vorbereiteten Untergrund, auf den eine zu fertigende Straßendecke bzw. ein zu fertigender Straßenbelag aufzubringen ist. Im Regelfall handelt es sich bei dem eingebauten Straßenbelag um ein bituminöses Material, wobei aber ebenso sandige oder steinige Schichten oder Betonschichten eingebaut werden können. In Fahrtrichtung hinten am Straßenfertiger ist eine höhenverstellbare Bohle vorgesehen, an deren Vorderseite ein Vorrat des Straßenbelagmaterials angehäuft ist, der durch eine Fördereinrichtung gefördert und verteilt wird, die dafür Sorge trägt, dass auf der Vorderseite der Bohle immer eine ausreichende, jedoch nicht zu große Menge des Straßenbelagmaterials bevorratet gehalten wird. Die Höhe der Hinterkante der Bohle gegenüber der Oberfläche des vorbereiteten Untergrunds, der gegebenenfalls auch durch eine alte Straßenbelagdecke gebildet sein kann, legt die Dicke der gefertigten Straßendecke vor ihrer anschließenden weiteren Verfestigung durch Walzen fest. Die Bohle ist an einem Zugarm gehalten, der um einen im Mittenbereich des Straßenfertigers angeordneten Zugpunkt drehbeweglich gelagert ist, wobei die Höhenlage der Bohle von einer Hydraulikverstelleinrichtung festgelegt wird.
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Beim Bau einer Straße ist es erwünscht, die erzeugte Schicht möglichst kontinuierlich und in Echtzeit zu messen. Die Ermittlung der Schichtdicke ist beispielsweise erwünscht, um die Qualität des neu eingebauten Straßenbelags zu kontrollieren. Ist die berechnete Schichtdicke, beispielsweise einer bituminösen Schicht, zu gering, dann besteht die Gefahr, dass der Straßenbelag frühzeitig aufbricht, was kostspielige Nachbesserungen des Straßenbelags zur Folge hat. Andererseits ist die Schichtdicke im Hinblick auf die verbaute Materialmenge zu überprüfen, um nicht zu viel Material zu verbauen, was zu erhöhten Kosten führen würde.
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Aus der
EP 2 921 588 A1 und der
EP 3 048 199 A1 sind Straßenfertiger mit einer Bohle zum Einbau einer Materialschicht auf einem Untergrund und einer Schichtdickenerfassungsvorrichtung zum Erfassen der Dicke der eingebauten Materialschicht bekannt. Die Schichtdickenerfassungsvorrichtung umfasst einen ersten Sensor in Fahrtrichtung hinter der Bohle zum Erfassen eines ersten Abstands zu der eingebauten Materialschicht und einen zweiten Sensor in Fahrtrichtung vor der Bohle zum Erfassen eines zweiten Abstands zu dem Untergrund.
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Die
JP 2002-339314 A1 zeigt eine Einheit zur Schichtdickensteuerung bei einem Straßenfertiger. Die
US 6,171,018 B1 bezieht sich auf ein Steuersystem für Baumaschinen, das zumindest einen Lasersensor umfasst.
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Weiterhin ist aus der
DE 100 60 903 A1 eine Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs mit einem ersten, zweiten und dritten Lasermesskopf bekannt, wobei die Regeleinrichtung an der Baumaschine angeordnet ist und die Messpunkte der Lasermessköpfe auf einer Referenzfläche voneinander beabstandet sind und im Wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine hintereinander liegen. Der erste und der zweite Lasermesskopf sind in einem ersten Winkel, und der erste und der dritte Lasermesskopf sind in einem zweiten Winkel zueinander angeordnet. Eine Auswerteeinrichtung bestimmt abhängig von den Ausgangssignalen des ersten, zweiten und dritten Lasermesskopfs deren Abstände gegenüber der Referenzfläche und berechnet aufgrund der bestimmten Abstände und der bekannten geometrischen Anordnung der Lasermessköpfe bezüglich des Bearbeitungswerkzeugs die Höhe des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber der Referenzebene. Abhängig von der berechneten Höhe und einer Soll-Höhe erzeugt die Auswerteeinrichtung ein Höhensteuersignal für das Bearbeitungswerkzeug.
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Bekannt sind aus der
DE 10 2009 044 581 A1 Verfahren zum Asphaltieren einer Fläche bis auf eine gewünschte Höhe unter Verwendung eines Straßenfertigers, der eine Asphaltmatte kontrollierter Dicke auf einer Gründungsebene ablegt und den Asphalt unter Verwendung einer Verdichtungsmaschine auf die gewünschte Höhe verdichtet. Dabei kann das Abtasten der Höhenlinie der Gründungsebene unter Verwendung einer Laserabtastvorrichtung erfolgen. Zur Bestimmung der Höhe der Oberseite der Asphaltmatte nach der Komprimierung kann mit einem Laserscanner, der auf die Oberfläche hinter der Verdichtungsmaschine gerichtet ist, erfolgen. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept zur Schichtdickenerfassung zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus zuverlässiger und genauer Messfunktion enthält, Flexibilität und Funktionalität ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Messsystem zur Schichtdickenerfassung für einen Straßenfertiger mit einer Bohle. Das Messsystem umfasst einen Laserdetektor sowie eine Laserquelle. Die Laserquelle ist so angeordnet, dass sie einen Laserstrahl zu dem Laserdetektor emittiert. Der Laserdetektor ist ausgebildet, um innerhalb eines lokalen Bereichs entlang einer Höhenachse eine Position (d.h. die Auftreffhöhe) eines Laserstrahls zu detektieren, wodurch in erster Linie eine Höhenveränderung ermittelbar ist. Das Messsystem umfasst ferner eine Berechnungseinheit, die die Auswertung der Position des Laserstrahls durchführt. Da eine erste der zwei Einheiten Laserdetektor und Laserquelle mit einem Chassis des Straßenfertigers oder einem Referenznehmer des Straßenfertigers verbunden ist, wird diese erste Einheit in einer definierten, vorbekannten Höhe zu dem Untergrund für die einzubauende Schicht geführt. Die entsprechende zweite Einheit der zwei Einheiten ist mit der Bohle verbunden, die auf der einzubauenden Schicht aufliegt, so dass die zweite Einheit in Abhängigkeit zu der Schichtdicke entlang der Höhenachse in einer definierten (vorbekannten) Höhe zu der Schicht bewegt wird. So ist nun auf Basis der ermittelten Position des Laserstrahls entlang der Höhenachse / Auftreffhöhe die Schichtdicke (und auch eine Schichtdickenveränderung) detektierbar.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Schichtdicke dadurch berechenbar, dass eine Differenz zwischen der definierten Höhe der ersten Einheit und der definierten Höhe der zweiten Einheit gebildet wird, wobei hierbei auch der Höhenversatz des Ortes der Emission des Laserstrahls zu dem Anbringungsort der Laserquelle und der Versatz zwischen der Detektionsposition und dem Anbringungsort des Detektors berücksichtigt wird.
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Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schichtdicke einer neu aufgebrachten Materialschicht, beispielsweise einer Asphaltschicht mittels einer Lasersendeeinheit und mittels einer Laserempfangseinheit gemessen werden kann, indem die eine Einheit in einer fixen und bekannten Höhe zu dem Untergrund, auf welchem die Schicht aufzubringen ist, geführt wird, während die andere Einheit in einer fixen und ebenfalls bekannten Höhe zu der Oberfläche der aufzubringenden Schicht geführt wird. Bevorzugt sind die zwei Elemente dann ungefähr in derselben absoluten Höhe angeordnet, so dass der Detektor eine relative Veränderung zwischen den zwei Einheiten detektieren kann, wenn der Detektor den Auftreffpunkt des Laserstrahls und damit die Auftreffhöhe bestimmen kann. Da die entsprechenden Höhen bekannt sind, können so auch der Versatz zwischen den zwei Oberflächen (Untergrund, aufgebrachte Schicht) und folglich auch die Schichtdicke bestimmt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass jede Position bzw. jeder Auftreffpunkt auf dem Laserdetektor einer bestimmten Höhendifferenz zwischen Lasersender und Laserdetektor zugeordnet ist, die der Schichtdicke des eingebauten Straßenbelags entspricht. Somit ist es also vorteilhafterweise möglich, beim Aufbringen des Straßenbelags auf den Untergrund direkt die Schichtdicke zu bestimmen und bei eventuellen Abweichungen sofort zu reagieren, so dass es nicht wie beim Stand der Technik zu „Latenzstrecken“ kommt.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen wird ein Rotationslaser als Laserquelle verwendet, der eine Laserebene mit einer Vielzahl von Laserstrahlen aufspannt. Der Rotationslaser hat den Vorteil, dass so die Ausrichtung von Laserquelle und Laserdetektor wesentlich vereinfacht wird. Im Regelfall verlaufen der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen z.B. der Laserebene im Wesentlichen parallel zum Untergrund, d. h. also im Wesentlichen orthogonal zu einer Fahrtrichtung des Straßenfertigers und im Wesentlichen orthogonal zu einer Breite der Bohle. Der Terminus „im Wesentlichen“ impliziert, dass eine 100%ige Parallelität bzw. 100%ige Orthogonalität nicht zwingend erforderlich ist, so dass auch Abweichungen um beispielsweise 1°, 3° oder sogar 5° in Bezug auf Parallelität oder Orthogonalität oder allgemein eine Abweichung ≤ 5 Grad zulässig ist, so dass die Orthogonalitäts- bzw. Parallelitätsbedingung erfüllt ist.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Messsystem zwei Laserquellen-/Laserdetektor-Paare, z. B. in unterschiedlichen Höhen. Alternativ können auch zwei Laserdetektoren vorgesehen sein, die beispielsweise links und rechts auf der Bohle oder links und rechts auf dem Straßenfertiger angebracht sein können, so dass, wenn man von einem Laser, der eine Laserebene parallel zu dem Untergrund aufspannt, ausgeht, durch die Höhendifferenz zwischen links/rechts eine Verkippung der Bohle detektieren kann. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kommen zu den zwei Detektoren auch zwei Laserquellen zum Einsatz, die bevorzugt (aber nicht notwendigerweise) in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind, so dass die Verkippung anhand der zwei Laserquellen-/Laserdetektor-Paare detektierbar ist. Bei beiden Ausführungsbeispielen erfolgt die Berechnung der Querverkippung unter Zuhilfenahme der Berechnungseinrichtung in der Art, dass ein Vergleich der Positionen der zwei Laserdetektoren bestimmt wird. Somit ist es also im Resultat vorteilhafterweise möglich, nicht nur die Höhe der Bohle, sondern auch eine Neigung desselben zu bestimmen.
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Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Messsystem, bei welchem eine Bedieneinheit, insbesondere zur Visualisierung der Schichtdicke vorgesehen ist. Hierbei kann die Bedieneinheit auch als ein Smart-Device, wie z. B. als Tablet-PC ausgeführt sein. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Höhensignal nicht nur visualisiert werden, sondern auch direkt zur Steuerung benutzt werden. Deshalb umfasst das Messsystem entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Steuerung, die ausgebildet ist, um zur Höhenregulierung den Straßenfertiger so zu steuern, dass die Bohle entlang der Höhenachse variierbar ist.
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Messsystem, bei dem eine (Längs-) Verkippung der Bohle gegenüber einer Fahrtrichtung des Straßenfertigers bestimmbar ist. Insofern wird eine Längsverkippung (d. h. orthogonal zu der Breite und zu der Höhenachse) detektiert. Das Detektieren der Verkippung erfolgt beispielsweise dadurch, dass zwei Laserstrahlen durch die Laserquelle in zwei unterschiedliche Höhen zu dem Laserdetektor emittiert werden. Hierbei können die zwei Laserstrahlen z. B. in V-Form aufgefächert werden, wobei hier entsprechend einer bevorzugten Variante die zwei Laserstrahlen zusammen mit der Höhenachse ein rechtwinkliges Dreieck bilden. Durch die Laufzeitdifferenzen der zwei Laserstrahlen kann dann eine Verkippung bestimmt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die zwei Laserstrahlen auch jeweils in einer Laserebene (vgl. oben Rotationslaser) vorkommen können. Bei dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen ist es vorteilhafterweise möglich, dass unter Zuhilfenahme der Berechnungseinheit die Längsverkippung der Bohle sofort d. h. ohne Latenz detektierbar ist.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann statt der einen Einheit auf dem Straßenfertiger (fix gekoppelt mit dem Fahrwerk des Straßenfertigers) diese Einheit auch auf einem Extrareferenznehmer, wie z. B. einem Zusatzfahrwerk, welches beispielsweise in Zug- oder Schubrichtung mit dem Straßenfertiger der Bohle gekoppelt ist, befestigt sein. Dieses Zusatzfahrwerk wird in einer definierten Höhe zu dem Untergrund (auf welchem der Straßenbelag aufzubringen ist) geführt, so dass die Funktionalität hier analog zu der oben Erläuterten ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann dieses Zusatzfahrwerk eine sogenannte „Teleskopmechanik“ umfassen, die es ermöglicht, dass das Zusatzfahrwerk immer senkrecht zu dem Untergrund geführt wird. Diese Ausführungsbeispiele ermöglichen vorteilhafterweise, dass das Zusatzfahrwerk auf wesentlich kleinere Unebenheiten des Untergrunds reagiert im Vergleich zu dem Fahrwerk des Straßenfertigers, der aufgrund seiner Bereifung in mehreren Aufstandspunkten nicht den kleinen Unebenheiten folgen kann.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass sowohl Laserquelle als auch Laserdetektor vorzugweise lösbar, z. B. mittels einer einfachen Befestigungsmechanik oder mittels eines Magneten an Straßenfertiger und Bohle befestigbar sind.
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Schichtdickenerfassung für den oben genannten Straßenfertiger. Hierbei umfasst das Verfahren die Schritte Emittieren eines Laserstrahls zu dem Laserdetektor, Detektieren einer Position des Laserstrahls entlang der Höhenachse über einen Bereich des Laserdetektors und Bestimmen ausgehend von der Position des Laserstrahls der Schichtdicke. Die oben erläuterten Annahmen bezüglich der Position der Laserquelle für den Laserstrahl und des Laserdetektors zur Detektion bestehen fort. Entsprechend den weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Computerprogramm zur Durchführung des erläuterten Verfahrens geschaffen.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Messsystems gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
- 2a-c schematische Darstellungen eines Straßenfertigers in Kombination mit drei unterschiedlichen Varianten eines Messsystems gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
- 3 eine schematische Darstellung eines Lasermesssystems in Kombination mit einem Zusatzfahrwerk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Lasermesssystems mit der Zusatzfunktionalität der Längswinkeldetektion gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente und Strukturen vorgesehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
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1 zeigt schematisch einen Straßenfertiger 10 mit einer beispielsweise über eine Mechanik 32 hinterherziehbaren Bohle 34. Der Straßenfertiger 10 weist beispielsweise ein Chassis, das (fix) mit dem Fahrwerk 31 gekoppelt ist, auf. Über das Fahrwerk 31 wird er auf dem Untergrund 20 in Fahrtrichtung FR fortbewegt. Hierbei wird die Bohle 34 hinterhergezogen und verteilt das Material des Straßenbelags 35, so dass der Straßenbelag 35 glattgezogen wird und eine ebene Oberfläche entsteht. Hierbei weist der Straßenbelag 35 eine (beispielsweise konstante) Schichtdicke SD auf. SD illustriert die Höhe der Oberfläche 35o des Straßenbelags 35 in Bezug auf den Untergrund 20.
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Da die Bohle 34 auf der Oberfläche 35o aufliegt, kann ausgehend von der Höhendifferenz zwischen der Bohle 34 und den Aufstandspunkt des Fahrwerks 31 auf dem Untergrund 20 die Schichtdicke SD berechnet werden. Um die Höhendifferenz zu bestimmen, wird ein Messsystem 100 an Bohle 34 und Straßenfertiger 10 (bzw. dessen Chassis) installiert. Das Messsystem 100 umfasst eine Laserquelle 51 sowie einen Laserdetektor 61. Die Laserquelle 51 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Chassis 10 installiert und ausgebildet ein Laserstrahl L1 in Richtung des Detektors 61 zu emittieren.
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Der Detektor 61 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Bohle 34 angebracht (im Bereich der Bohlenhinterkante) und ausgebildet, um den Laserstrahl L1 bzw. um genau zu sein seine Position 61p zu bestimmen. Je nachdem, ob der Detektor 61 entlang der Höhenachse HA (hoch oder runter) bewegt wird, variiert die Position 61p auf dem Detektor 61. Innerhalb des Bereichs 61b des Detektors 61 kann die Position 61p des Laserstrahls L1 detektiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel bzw. in der Darstellung trifft der Punkt 61p in der Höhe 61h auf. Durch die Bestimmung der Höhe 61h des Laserstrahls L1 mittels des Detektors 61 kann bereits eine relative Höhenänderung der Bohle 34, und folglich auch eine relative Änderung der Schichtdicke SD detektiert werden, da ja der Detektor 61 so mit der Bohle 34 gekoppelt ist, dass er zusammen mit der Bohle 34 entlang der Höhenachse HA bewegt wird. Die Variation kann beispielsweise innerhalb des Bereichs 61b erfolgen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel trifft der Strahl L1 in der Höhe 61h auf.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 wird davon ausgegangen, dass die Laserquelle 51 bzw. allgemein die erste der zwei Einheiten des Messsystems 100 (d. h. entweder die Laserquelle 51 oder der Laserdetektor 61) in einer vorbestimmten und bekannten Höhe 51bh zu dem Untergrund 20 angeordnet ist. Hier bezieht sich die vordefinierte Höhe 51bh auf die Höhe der Emission des Laserstrahls L1, der beispielsweise um einen Versatz 51v gegenüber der tatsächlichen Verbindung zwischen der Laserquelle 51 und dem Chassis des Straßenfertigers 10 entlang der Achse HA versetzt ist. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass sich die Höhe 51bh aus dem Abstand zwischen dem Anbringungsort der Laserquelle 51 gegenüber der Ebene 20 sowie dem Versatz 51v zusammensetzt.
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Analog hierzu ist der Laserdetektor 61 bzw. allgemein die zweite der zwei Einheiten des Messsystems 100 in einer vorbekannten Höhe 61bh angeordnet, wobei sich hier 61bh auf den Abstand zwischen der Oberfläche 35o und dem Beginn des Bereichs 61b bezieht. Hierbei sei angemerkt, dass die Höhe 61bh wiederum einen Versatz 61v umfasst, um welchen der Bereich 61b gegenüber dem Anbringungsort (unterer Befestigungspunkt des Detektors an der Halterung 65 oder 66, siehe 2a-c, 3 und 4) des Detektors 61 entlang der Achse HA verschoben ist. Hier trifft der Laserstrahl L1 in der Höhe 61h des Bereichs 61b auf, so dass sich ein totaler Höhenwert 61ha des Auftreffpunkts 61p in Bezug auf die Oberfläche 35o ergibt. Dieser Höhenwert 61ha variiert je nach Schichtdicke SD und damit auch je nach detektierter Höhe 61h. In anderen Worten ausgedrückt, heißt das, dass der Höhenwert 61ha einen variablen Anteil 61h (in Abhängigkeit von der Schichtdicke SD) sowie einen vordefinierten bzw. bekannten Anteil 61bh hat.
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Der variable Anteil 61h lässt sich anhand der Position 61p mittels des Detektors 61 bestimmen, so dass durch die Detektion des Punkts 61p bzw. um genau zu sein, der Höhe 61h ein Rückschluss auf die Schichtdicke SD gezogen werden kann.
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Diesen Rückschluss führt beispielsweise eine Berechnungseinrichtung (nicht dargestellt) aus, die in Abhängigkeit von dem bestimmten Wert 61h die Schichtdicke SD bestimmt. Ändert sich nun die Höhenlage der Bohle 34 in Bezug auf das Chassis des Straßenfertigers 10, beispielsweise durch Unebenheiten einer am Straßenrand angebrachten Referenzschnur oder durch sogenanntes „Auf- und Abschwimmen“ der Bohle 34, so ändert sich folglich auch die Schichtdicke SD des neu aufgebrachten Straßenbelags 35. Eine Änderung der Höhenlage der Bohle 34 in Bezug zum Chassis des Straßenfertigers 10 wird jedoch durch das Messsystem 100, insbesondere durch die Laserempfangseinheit 61 detektiert. Die Information bezüglich der Höhenlage der Bohle 34 wird entweder zu Protokollierungszwecken, zu Visualisierungszwecken oder zu Steuerungszwecken weiteren Einheiten, wie z. B. einer Steuerung oder einem Bedienpanel zur Verfügung gestellt.
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Auch wenn bei obigem Ausführungsbeispiel der 1 davon ausgegangen worden ist, dass die Laserquelle 51 auf dem Chassis des Straßenfertigers 10 angeordnet ist, während der Laserdetektor 61 fix mit der Bohle 34 gekoppelt ist, sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Anordnung auch genau spiegelverkehrt sein kann, so dass beispielsweise der Detektor 61 sich in einem kontinuierlichen Abstand zu dem Untergrund 20 zusammen mit dem Chassis des Straßenfertigers 10 bewegt, während der Laserstrahl der Laserquelle 51 zusammen mit der Bohle 34 entlang der Höhenachse HA bewegt wird.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann als Lasereinheit
51 ein sogenannter Rotationslaser zum Einsatz kommen, der eben an dem Chassis des Straßenfertigers
10 angebracht ist. Der rotierende Laserstrahl spannt somit eine Laserebene, umfassend eine Vielzahl von Laserstrahlen, auf, welche dann von der Laserempfangseinheit
61 empfangen bzw. abgetastet werden. Bei dem Laserempfänger
61 kann es sich beispielsweise um einen baumaschinentauglichen Laserempfänger, wie er in der
EP 1 983 299 offenbart ist, handeln. Wie bereits oben erläutert, berechnet die Laserempfangseinheit
61 eine Höheninformation
61h, sendet diese an einen beispielsweise an einem Straßenfertiger 10 angeordneten Steuerrechner zur Bestimmung der Schichtdicke.
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Bezug nehmend auf 2a-d werden nun weitere Varianten eines Messsystems 100 erläutert.
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2a-c zeigt jeweils einen Straßenfertiger 10, welcher sich über einen zu bearbeitenden Untergrund 20 bewegt und dabei eine neue Materialschicht 22, wie z. B. einen Asphalt, aufbringt.
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Straßenfertiger 10 dieser Art sind hinreichend bekannt. Sie verfügen üblicherweise im vorderen Bereich über einen Materialbunker 30, in welchen während des Fertigungsprozesses kontinuierlich Material 35 eingefüllt wird. Das Material 35 wird über nicht dargestellte Förderbänder in den hinteren Bereich des Straßenfertigers 10 transportiert und über eine Schnecke 33 vor der Bohle 34 verteilt. Die Bohle 34 zieht das Material 35 im Wesentlichen glatt und verdichtet dies gegebenenfalls noch. Die Bohle 34 ist dabei nicht starr mit dem Chassis des Straßenfertigers verbunden, sondern wird über Zugarme 32, welche seitlich links und rechts am Straßenfertiger 10 angeordnet sind, gezogen. Durch Hub- und Nivellierzylinder werden die Zugarme in ihrer Höhe verändert, wodurch sich die Höhenlage der Bohle 34 entsprechend ändert, d. h. die Bohle sich während des Fertigungsprozesses entsprechend nach oben oder unten (vgl. Höhenachse HA) bewegt.
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Zur Regelung der Höhenlage der Bohle 34 wird in der Regel ein Nivellierungssystem mit entsprechender Sensorik eingesetzt. Sensoren (nicht dargestellt) messen beispielsweise den Abstand der Bohle zum Untergrund 20 oder zu einer nicht dargestellten Referenz, beispielsweise einer entlang der zu fertigenden Straße gespannten Schnur. Weiterhin umfasst das Nivellierungssystem üblicherweise eine Anzeige- und Bedieneinheit 40, welche entweder nur auf einer Seite der Bohle 34 oder auf beiden Seiten der Bohle 34 angeordnet ist. Hierüber werden Einbauparameter des Fertigungsprozesses für das Bohlenpersonal visualisiert bzw. können vom Bohlenpersonal geändert bzw. bestimmten Einbausituationen angepasst werden.
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Zur Bedienung und Steuerung des Straßenfertigers 10 verfügt dieser weiterhin über einen Fahrerstand 36 und ein Bedienpult 42, in welches Eingabe- und Anzeigegeräte integriert sind. Der Fahrer hat somit auch einen Überblick über Einbauparameter des Fertigungsprozesses und kann den Fertiger entsprechend steuern, beispielsweise die Einbaugeschwindigkeit erhöhen oder verringern.
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Um die Schichtdicke SD der neu eingebauten Materialschicht 22 zu bestimmen, verfügt der Straßenfertiger 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel über eine Lasersendeeinheit 51 bzw. 52, beispielsweise einen Rotationslaser, welcher an dem Chassis des Straßenfertigers 10 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel aus 2a wird nur der Lasersender 51 benutzt, während in dem Ausführungsbeispiel aus 2b nur der Lasersender 52 benutzt wird. Die beiden Lasersender 51 und 52 sind in unterschiedlichen Höhen angeordnet. Alternativ wäre auch eine Anordnung an unterschiedlichen Seiten in Breitenebenen (links/rechts) des Straßenfertiger 10 denkbar. Das Ausführungsbeispiel aus 2c zeigt die Nutzung von beiden Lasersendern 51 und 52. Die Lasersendeeinheit 51, 52 sendet einen Laserstrahl L1, L2 aus, beispielsweise einen rotierenden Laserstrahl, und „spannt“ somit eine Laserebene auf, welche von einer Laserempfangseinheit 61 bzw. 62 empfangen oder abgetastet wird. Die Laserempfangseinheit 61 ist in der Höhe des Lasersenders 51 angeordnet, während die Laserempfangseinheit 62 in der Höhe des Lasersenders 52 angeordnet ist. Insofern wird beim Ausführungsbeispiel aus 2a die Laserempfangsseite L61 verwendet, während bei dem Ausführungsbeispiel aus 2b die Laserempfangseinheit 62 verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel aus 2c werden beide Laserempfangseinheiten 61 und 62 verwendet. Die Laserempfangseinheit 61 und 62 ist über eine Halterung 65 und 66 an der Bohle 34 angeordnet. Vorzugsweise sind die Lasersendeeinheiten 51/52 und die Laserempfangseinheiten 61, 62 ca. 2 m oder allgemein im Bereich von 50 cm bis 8 m voneinander beabstandet.
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Die Laserempfangseinheit 61, 62 berechnet eine Höheninformation und sendet diese an einen am Straßenfertiger angeordneten Steuerungsrechner 71 zur Bestimmung der Schichtdicke der neu eingebauten Materialschicht 22. Dabei kann die Laserempfangseinheit 61, 62 entweder per Kabel mit dem Steuerungsrechner 71 verbunden sein; denkbar ist jedoch auch eine drahtlose Verbindung. Dazu ist mit dem Steuerungsrechner 71 eine Kommunikationseinheit 72 verbunden, welche drahtlos mit verschiedenen Komponenten kommunizieren kann. Dies können zum Beispiel am Straßenfertiger angeordnete Komponenten, wie die Laserempfangseinheit 61, 62 oder aber auch die Anzeige- und Bedieneinheit 40, oder aber auch externe Komponenten, wie beispielsweise mobile Geräte wie ein Laptop 81, ein Smartphone 82 oder auch ein Tablet-PC 83 sein, wie insbesondere in 2c dargestellt ist.
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Denkbar ist es allerdings auch, dass eine Smartwatch oder eine Datenbrille oder dergleichen (nicht dargestellt) die von der Kommunikationseinheit 72 ausgesendeten Signale 76 empfangen kann. Die am Straßenfertiger 10 angeordnete Komponenten verfügen dabei über eine entsprechende Kommunikationseinheit 78, die eine drahtlose Verbindung wie beschrieben ermöglicht.
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Aus den gemessenen Werten der Laserempfangseinheit 61, 62 und der bekannten Anbringungshöhe der Lasersendeeinheit 51, 52 kann der Steuerungsrechner 71 die Schichtdicke der neu eingebauten Materialschicht 22 berechnen. Ändert sich die Höhenlage der Bohle 34 in Bezug zum Chassis des Straßenfertigers und in Bezug zur Anbringungshöhe der Lasersendeeinheit 51, 52, so ändert sich folglich auch die Schichtdicke des neu aufgebrachten Straßenbelags 22. Die durch den Steuerungsrechner 71 berechnete Schichtdicke kann entweder auf dem Bedienpult 42 angezeigt werden oder aber auch zur Regelung auf einen vorgegebenen Wert der Schichtdicke verwendet werden. Um den Wert der Schichtdicke auf dem Bedienpult 42 anzuzeigen, ist dieses mittels eines Kabels 75 mit dem Steuerungsrechner 71 verbunden.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Konfiguration aus 2c mit den zwei Lasersendeeinheiten 51 und 52 und den zwei Laserempfangseinheiten 61 und 62, die beispielsweise auf zwei unterschiedlichen Seiten (links/rechts) des Straßenfertigers 10 bzw. der Bohle 34 angeordnet sind, dazu genutzt werden, um eine Verkippung nach links/rechts zu bestimmen. Die Bestimmung der Verkippung ist dadurch möglich, dass die linksseitig bestimmte Höhe von der rechtsseitig bestimmten Höhe abweicht, so dass ausgehend von der Abweichung und von einem bekannten Abstand der zwei Laserempfänger 61 und 62 ein Rückschluss auf die Verkippung geschlossen werden kann. Die Anordnung der Lasersender-Laserempfänger-Paare 51 + 61 bzw. 52 + 62 ist deshalb vorteilhaft, da dieses sich so gegenseitig nicht beeinflussen. Alternativ wäre es auch denkbar, dass ein Lasersender, der eine Laserebene aufspannt, für beide Laserempfänger 61 und 62 eingesetzt wird, wenn diese beispielsweise in der gleichen Höhe angeordnet sind.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen wurde bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, dass die Laserstrahlen L1 und L2 bzw. die Laserebenen, die die Laserstrahlen L1 und L2 umfassen, im Wesentlichen parallel zu dem Untergrund 20 verlaufen. Hierbei heißt „im Wesentlichen“ beispielsweise mit einer Abweichung kleiner 5° oder kleiner 1° zu der Parallelen. Weiter wurde entsprechend Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, dass die Höhenebene HA senkrecht, d. h. orthogonal zu der Breitenebene und orthogonal zu der Fahrtrichtung FR bzw. der Ebene 20 verläuft. Hierbei meint „orthogonal“ wiederum „im Wesentlichen orthogonal“, d. h. mit einer Abweichung von ≤ 5° oder ≤ 1°/ von 90°.
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Gemäß einer alternativen Variante wird eine Lasersendeeinheit anstatt auf dem Chassis des Straßenfertigers auf einem Zug- oder Schubteil angeordnet, wobei das Zug- oder Schubteil sich auf dem zu verarbeitenden Untergrund vor der Bohle befindet. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt schematisch eine auf einem Zug- oder Schubteil 90 angeordnet Lasersendeeinheit 51, 52 wobei das Zug- oder Schubteil 90 sich auf dem zu bearbeitenden Untergrund 20 vor der Bohle 34 bewegt. Das Zug- oder Schubteil 90 ist über eine in der Höhe beweglich gelagerte Mechanik 91, 93 (Teleskoplagerung) mit der Bohle 34 verbunden, wobei diese Mechanik an der Bohle selbst noch einmal drehbar gelagert befestigt ist (siehe BZ 92). Durch die Mechanik 91, 93 wird die bestehende Fläche 20 vor der Bohle 34 „kopiert“ und durch die Lasersendeeinheit 51, 52 auf die Laserebene L1, L2 und somit auf die Laserempfangseinheit 61, 62 übertragen.
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Dieses Zug- oder Schubteil kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch als anders geartetes Zusatzfahrwerk ausgeführt sein, das das Höhenprofil des Untergrunds 20 kopiert, so dass mittels der Lasersendeeinheit 50 bzw. 52 Höhenänderungen des Untergrunds derart überträgt, dass diese mittels des Laserdetektors 60, 61 detektierbar sind. Der Vorteil bei einem derartigen Zusatzfahrwerk bzw. bei dem oben erläuterten Zug- und Schubteil ist, dass selbst kleine Veränderungen des Untergrunds 20 detektierbar sind, was beispielsweise bei einer Nutzung des Standardfahrwerks des Straßenfertigers 10 nicht möglich ist. An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass die oben erläuterte Teleskoplagerung ein Kippen der Lasereinheit 51, 52 weitestgehend verhindert, so dass erhebliche Fehler in der Höhenberechnung ausgeschlossen werden können.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann auch bei dieser Variante der Laserdetektor mit der Lasersendeeinheit vertauscht sein, so dass also der Laserdetektor auf dem Zusatzfahrwerk angeordnet ist, während der Lasersender mit der Bohle verbunden ist.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Messsystem dazu ausgebildet sein, um ein Verkippen der Bohle gegenüber der Längsachse (vgl. Fahrtrichtung) zu detektieren. Hierzu ist die Lasersendeeinheit ausgebildet, um einen „aufgefächerten“ Punktlaserkegel bzw. zwei in einem vorgegebenen Winkel emittierte Laserstrahlen V-förmig zu emittieren. Hierzu können dann auch zwei in einem vorgegebenen Winkel angeordnete Laser-Distanz-Sensoren verwendet werden. Dieses Ausführungsbeispiel wird Bezug nehmend auf 4 erläutert.
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Wie in 4 schematisch dargestellt ist, so kann die Lasersendeeinheit 51, 52 auch ein „aufgefächerter“ Punktlaser bzw. zwei in einem vorgegebenen Winkel angeordnete Laser-Distanzsensoren sein. Der „aufgefächerte“ Punktlaser spannt eine V-förmige Fläche mit einem Öffnungswinkel α zur Laserempfangseinheit 61, 62 hinauf. Durch eine integrierte Abstandsmessung werden kontinuierlich die Abstände L1/L1' bzw. L2/L2' zwischen der Lasersendeeinheit 51, 52 und der Laserempfangseinheit 61, 62 bestimmt, wodurch ein Verkippen der Laserempfangseinheit beispielsweise beim Beladen des Straßenfertigers festgestellt und rechnerisch durch die Steuerungseinheit 71 kompensiert werden kann.
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Dies ist insbesondere bei einer Regelung auf eine vorgegebene und konstante Schichtdicke vorteilhaft, da es hier bei jedem Beladevorgang zu Störeinflüssen bei der Regelung kommt, die mit dem Aufbau gemäß 4 kompensiert bzw. minimiert werden könnten. Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Messsystem mit einem zusätzlichen GNSS- bzw. GPS-Empfänger. Um die gemessenen Schichtdickenwerte entsprechenden Positionen zuordnen zu können (sogenannte georeferenzierte Daten), kann ein zusätzlicher GNSS-Empfänger beispielsweise auf dem Dach des Straßenfertigers angeordnet sein.
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Weitere Ausführungsbeispiele weisen zum Exportieren bzw. allgemein ein Anzeigen der Daten eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle auf. Die gemessenen Daten sind auf einer Anzeigeeinheit 42 darstellbar, sowohl am Fahrerstand 36 als auch auf den Außensteuerständen 40 links und rechts an der Bohle 34. Über eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle 72 (WLAN/Bluetooth etc.; GSM etc.) können die gemessenen Daten auch zu einem nah gelegenen Baustellenbüro oder zu einer an der Baustelle stehenden Person (Baustellenleiter) übertragen werden und auf einem Tablet-PC, Smartphone, Smartwatch etc. angezeigt werden.
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Mithilfe des Messsystems ist eine Regelung auf eine vorgegebene Schichtdicke, beispielsweise 5 cm bei einer Deckschicht (oberste und zuletzt aufgetragene Asphaltschicht), denkbar.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Einheiten des Messsystems bzw. insbesondere der Lasersendeeinheit 51, 52 bzw. Laserdetektor 61, 62 mit lösbaren Befestigungen realisiert sein.
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Alle Komponenten sind lösbar an der Maschine befestigt. Bei den Halterungen 65 und 66 für die Laserempfangseinheiten sind vibrationsgedämpfte Halterungen sinnvoll, da diese die Vibrationen der Bohle dämpfen.
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Auch wenn bei obigem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wurde, dass das Messsystem als Vorrichtung implementiert ist, so sei darauf hingewiesen, dass ein weiteres Ausführungsbeispiel sich auf ein entsprechendes Verfahren, insbesondere ein Berechnungsverfahren zur Schichtdickenbestimmung bezieht. Das Verfahren umfasst die Basisschritte: Emittieren eines Laserstrahls, Detektieren der Position bzw. der Höhe des Laserstrahls mittels eines gegenüber angeordneten Detektor, wobei Laserquelle und Laserempfänger mit einer konstanten Höhe zu dem Untergrund, auf welchem die aufzubringende Schicht aufgebracht werden soll, angeordnet ist, bzw. in einer konstanten Höhe zu der Oberfläche der gerade aufgebrachten Schicht. In einem letzten Schritt wird dann ausgehend von der bestimmten Position des detektierten Laserstrahls die Schichtdicke unter Berücksichtigung der bekannten, konstanten Höhen berechnet.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
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Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
