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Stand der Technik
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Bekannt sind Mess- und Positionssysteme für Baumaschinen, bei denen mittels Neigungs- und/oder Winkelsensoren zum Beispiel an einem Baggerarm und einer Schaufel des Baggerarms deren Positionen relativ zur Kabine der Baumaschine bestimmt werden können. Die Positionen können auf einem Display dem Baumaschinenfahrer angezeigt werden.
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Ferner sind Ortungsverfahren (zum Beispiel GPS) bekannt, die eine absolute Positionsbestimmung zur Umgebung ermöglichen.
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Aus der
DE A1 10 2014 208 070 ist ein eine Fahrzeugdynamik berücksichtigendes Kontrollsystem zur Positionssteuerung eines Geräts einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine bekannt. Das Gerät umfasst eine Steuereinheit und eine Bodenprofilbestimmungseinrichtung. Die Steuereinheit ermittelt aufgrund des Bodenprofils die zu erwartenden vertikalen Bewegungen des Trägerfahrzeugs und gibt einem Aktor in vorausschauender Weise ein Steuersignal, um das Gerät kontinuierlich in einer vorbestimmten Position über dem Bodenprofil zu führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Fahren eines Fahrzeugs und/oder ein Führen eines Werkzeugs des Fahrzeugs in unstrukturierten Umgebungen ohne zu häufige Wiederholung und/oder Korrektur der Bewegungen und/oder ohne zu Über- oder Untersteuern gelingt nur langjährig erfahrenen Fahrern. Ungeübte Fahrer neigen zum sequentiellen Steuern von Fahrzeug und Werkzeug und/oder müssen Fahrzeug und/oder Werkzeug wiederholt positionieren und/oder ein Über- oder Untersteuern während des Arbeitens korrigieren. Dabei gleichzeitig auf die statische und dynamische Stabilität des Fahrzeugs/des Werkzeugs zu achten und/oder Kollisionen mit Hindernissen zu vermeiden und/oder den jeweils optimalen Betriebspunkt zu erhalten, überfordert den ungeübten Fahrer/Bediener in der Regel. Die Erfindung ermöglicht eine Optimierung der erwähnten Arbeitsprozesse bei einer Erhöhung der Sicherheit von Personen/Fahrern/Bedienern (also Insassen des Fahrzeugs), von Personen/Gegenständen, die sich im Umfeld des Fahrzeugs und deren Anbaugeräte/Werkzeuge befinden sowie einen verschleißreduzierenden und ressourcenschonenden Einsatz von Fahrzeugen und Werkzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Visualisierung einer Betriebsführung und/oder einer möglichen Kollision mit einem Hindernis für einen Insassen eines Fahrzeugs sieht vor, dass dem Insassen mindestens eine prädizierte Trajektorie von mindestens einem Element des Fahrzeugs visualisiert bzw. optisch dargestellt wird. Unter einer Trajektorie eines Elements kann eine Bewegungsbahn des Elements verstanden werden. Durch die Prädiktion bzw. das Prädizieren der Trajektorie, das heißt das Vorhersagen bzw. Berechnen einer künftigen Trajektorie und/oder eines zukünftigen Ereignisses, und die optische Darstellung bzw. Visualisierung der Trajektorie, also der vorausschauenden Bewegungsbahn von dem mindestens einem Element des Fahrzeugs, kann der Insasse, insbesondere der Fahrzeugführer, vorausschauend das Fahrzeug und/oder insbesondere ein Werkzeug des Fahrzeugs führen und hierdurch eine optimale Betriebsführung zum Beispiel ein Über- und Untersteuern, und/oder eine sich anbahnende Kollision mit einem Hindernis verhindern. Die Trajektorie zeigt dem Insassen, welche zukünftige Situation sich einstellen wird, wenn er seine Fahrzeugführungsparameter nicht ändert. Das heißt, die Trajektorie wird mittels zeitlicher Extrapolation der aktuellen Bewegungsdaten und Führungsparameter des Fahrzeugs mittels einer Recheneinheit ermittelt. Durch rechtzeitige, aufgrund der Erfindung mögliche Eingriffe beim Fahren des Fahrzeugs beziehungsweise beim Steuern des Werkzeugs lassen sich die vorstehend erwähnten Nachteile vermeiden. Selbst ungeübte Fahrzeugführer kommen aufgrund der Erfindung in die Lage, eine optimale Betriebsführung und Vermeidung jeglicher Kollisionen zu erreichen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Element des Fahrzeugs ein Karosserieelement der Karosserie des Fahrzeugs und/oder ein insbesondere bewegbares Werkzeugelement von einem Werkzeug des Fahrzeugs verwendet wird. Mit der Karosserie des Fahrzeugs sind alle Fahrzeugteile gemeint, die nicht zum Werkzeug gehören. Das Werkzeug kann ein Anbaugerät oder Arbeitsgerät des Fahrzeugs sein. Das Anbaugerät bzw. Arbeitsgerät kann beispielsweise ein Baggerarm oder eine Baggerschaufel sein, sofern es sich bei dem Fahrzeug beispielsweise um eine Baumaschine handelt.
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Vorzugsweise umfasst bzw. ist das Element ein Punkt der Karosserie oder des Werkzeugs. Beispielsweise werden Eckpunkte, insbesondere einer Außenhülle bzw. eines Umfangs, der Karosserie oder der erwähnten Baggerschaufel als Punkte gewählt, für die eine jeweilige prädizierte Trajektorie ermittelt wird. Die jeweilige prädizierte Trajektorie wird dem Fahrzeugführer optisch dargestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden mehrere Punkte der Karosserie und/oder des Werkzeugs gewählt. Das heißt, das Element umfasst mehrere Punkte der Karosserie und/oder des Werkzeugs. Damit werden mehrere Trajektorien, für jeden der Punkte eine, ermittelt und dem Fahrer optisch dargestellt. Dadurch ist ein einfaches Anpassen der Gesamttrajektorie, die aus den mehreren Einzeltrajektorien gebildet wird, an beispielsweise Bewegungen des Werkzeugs in einfacher Art und Weise möglich. Wird beispielsweise das Werkzeug nach außen von dem Fahrzeug wegbewegt, so wird ein dem Werkzeug zugeordneter Punkt mit der zugehörigen Trajektorie ebenfalls nach außen bewegt. Durch die optische Visualisierung ist dies für den Fahrer beziehungsweise Bediener des Fahrzeugs einfach wahrnehmbar.
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Insbesondere wird aus den mehreren Punkten eine dreidimensionale Trajektorie als Fahrschlauch-Trajektorie dargestellt. Unter einer dreidimensionalen Trajektorie kann eine Bewegungsbahn eines Flächensegments verstanden werden. Hierbei kann das Flächensegment von mehreren Punkten aufgespannt werden. Durch das Prädizieren der Bewegungsbahn des Flächensegments kann die dreidimensionale Trajektorie erzeugt werden. Es wird somit aus den mehreren Punkten ein Fahrschlauch erzeugt, der dem Fahrer ein verbessertes Raumgefühl der Trajektorie beziehungsweise der prädizierten Gesamttrajektorie bietet. Insbesondere wird durch die mehreren Punkte eine rechteckförmige Fahrschlauch-Trajektorie erzeugt. Das bedeutet, dass der Fahrschlauch im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist und dadurch eine stark vereinfachte Form des Fahrzeugs mit dem Werkzeug wiedergibt.
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Insbesondere wird der Fahrschlauch in Abhängigkeit von einer Bewegung des Werkzeugelements, insbesondere quer zu einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bzw. im Querschnitt des Fahrschlauchs, vergrößert oder verkleinert. Der Fahrschlauch, insbesondere ein rechteckförmiger Fahrschlauch, wird in Abhängigkeit von der Werkzeugelementstellung beziehungsweise Werkzeugelementbewegung somit aufgezogen beziehungsweise erweitert oder zusammengezogen beziehungsweise reduziert. Zum Beispiel kann ein Zusammenklappen des Werkzeugs den Querschnitt des Fahrschlauchs und damit die prädizierte dreidimensionale Trajektorie im Querschnitt verkleinern. Auch ist es denkbar, beim Bewegen des Werkzeugs die Rechteckform in eine Mehreckform zu erweitern, die mehr als vier Ecken aufweist, um eine Grundfläche des Fahrschlauchs an die Form des Fahrzeugs mit dem Werkzeug bei Bedarf anzupassen. Mit zunehmender Anzahl von Punkten ist eine präzisere Ausbildung der Grundfläche des Fahrschlauchs gewährleistet. Die Länge des Fahrschlauchs wird bevorzugt fest oder dynamisch eingestellt. Bei einer dynamischen Länge sind Einflussfaktoren wie beispielsweise Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Einsatzfall des Fahrzeugs, Topologie der Umgebung, Dynamik der Umgebung oder dergleichen berücksichtigt, um die Länge des Fahrschlauchs einzustellen.
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Wie bereits erwähnt, kann das Fahrzeug ein landwirtschaftliches Fahrzeug sein. Die Erfindung umfasst jedoch auch zum Beispiel PKWs, LKWs, Schienenfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und so weiter.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass mindestens eine Bewegung des Fahrzeugs automatisch ermittelt und bei der Bestimmung der Trajektorie verwendet wird. Demzufolge geht die Dynamik des jeweiligen Fahrzustands des Fahrzeugs in die Bestimmung bzw. Ermittlung der prädizierten Trajektorie ein, das heißt, die Trajektorie wird vorzugsweise laufend anhand der tatsächlichen Verhältnisse bzw. Fahrzeugparameter bzw. Umgebungsparameter korrigiert.
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Insbesondere ist bei der Ermittlung der Bewegung des Fahrzeugs vorgesehen, mindestens eine Geschwindigkeit, mindestens eine Beschleunigung, mindestens eine Gier-Rate, mindestens ein Lenkwinkel und/oder mindestens eine Ortsposition zu verwenden. Insbesondere wird die Bewegung des Fahrzeugs mittels mindestens eines Sensors des Fahrzeugs ermittelt. Dadurch ist eine besonders präzise Prädiktion der Trajektorie möglich.
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Bevorzugt wird dem Insassen ein Umgebungsbild mit der darin dargestellten Trajektorie optisch angezeigt. Kreuzt sich die prädizierte Trajektorie beispielsweise mit einem aus dem Umgebungsbild ersichtlichen Hindernis, so ist von einer Kollision auszugehen, die aufgrund der erfindungsgemäßen Vorausschau verhindert werden kann. Alternativ oder zusätzlich wird die Bewegung mittels mindestens eines Sensors in der Umgebung oder Infrastruktur des Fahrzeugs und/oder mittels mindestens eines Sensors eines anderen, insbesondere in der Umgebung des Fahrzeugs befindlichen Fahrzeugs ermittelt. Dazu ist das vorliegende Fahrzeug bevorzugt informationstechnisch mit der Infrastruktur und/oder zumindest den in der Umgebung befindlichen Fahrzeugen vernetzt.
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Bei der erwähnten Betriebsführung und/oder Ermittlung der möglichen Kollision wird vorzugsweise die aktuelle Dynamik oder Statik des Fahrzeugs und/oder Reaktionszeiten von Regelsystemen des Fahrzeugs berücksichtigt. Dadurch wird die Prädiktion der Trajektorie verbessert.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dem Insassen angezeigt wird, ab welchem Punkt/Bereich der Trajektorie spätestens ein manueller Eingriff erfolgen muss, um die Kollision zu verhindern. Dem Insassen wird somit deutlich, wieviel Zeit ihm für eine Korrektur zur Verfügung steht, um vorzugsweise behutsam jedoch wirkungsvoll zu reagieren.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst ein Steuergerät zur Ausführung bzw. Steuerung des Verfahrens. Ferner kann die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit wie bspw. ein Display oder ein Head-up Display zur Visualisierung umfassen.
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Durch die Erfindung ist ein genaueres und/oder schnelleres und/oder sicheres und/oder verbrauchsoptimiertes Fahren des Fahrzeugs und/oder Führen eines Werkzeugs des Fahrzeugs ermöglicht. Das Fahren und/oder Führen kann manuell durch einen Insassen oder automatisch erfolgen.
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Von Vorzug ist, wenn das Fahrzeug und/oder Werkzeug mit Sensoren ausgestattet ist/sind, die die Bewegungen von Fahrzeug und/oder Werkzeug direkt oder indirekt messen. Mittels einer geeigneten Einrichtung, zum Beispiel eines Steuergeräts, werden entsprechende Größen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Gier-Rate, Lenkradwinkel, Ortsposition und so weiter bei der Erzeugung der Trajektorie berücksichtigt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine Trajektorie eines Bereichs/Punktes des Fahrzeugs/des Werkzeugs beschränkt, sondern vorzugsweise werden stets mehrere Trajektorien von mehreren Bereichen des Fahrzeugs vorzugsweise gleichzeitig oder sequenziell dargestellt. Insbesondere wird durch die mehreren auf die Punkte bezogenen Trajektorien eine dreidimensionale Gesamttrajektorie des Fahrzeugs, insbesondere inklusive des Werkzeugs, dargestellt, vorzugsweise in der Art eines dreidimensionalen Fahrschlauchs. Dazu werden die Punkte bevorzugt in der Art gewählt, dass sie die Umrisslinie des Fahrzeugs sowie des Werkzeugs/Anbaugerätes beschreiben. Dann bilden die daraus abgeleiteten Trajektorien die Umrisslinien des dreidimensionalen Fahrschlauchs. Der Querschnitt des Fahrschlauchs ist abhängig von der Statik und Dynamik des Fahrzeugs sowie des Werkzeugs oder Anbaugeräts. Dadurch kann eine Kollisionsvermeidung im Raum insbesondere senkrecht zur Fahrebene prädiziert werden.
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Bei einer Kursprädikation bzw. Prädiktion der Trajektorie von Fahrzeug und/oder Werkzeug ohne automatische Zielführung wird dem Insassen ein reales oder synthetisches 3D-Umgebungsbild mit der Prädikation der Trajektorie von Fahrzeug und/oder Werkzeug zum Beispiel auf einem Display dargestellt. Die prädizierte Trajektorie des Fahrzeugs gegenüber der Umgebung wird dabei vereinfacht derart ermittelt, das angenommen wird, dass die aktuelle Krümmung der Fahrzeugtrajektorie über dem (eventuell unebenen) Grund beibehalten wird oder aus den die Fahrzeugbewegungsrichtung beeinflussenden Steuergrößen und einem kinematischen Modell der Fahrzeugtrajektorie berechnet. Im Hinblick auf ein Werkzeug des Fahrzeugs kann die prädizierte Trajektorie gegenüber dem Fahrzeug vereinfacht derart ermittelt werden, indem angenommen wird, dass die aktuelle Krümmung der Werkzeugtrajektorie über dem Grund beibehalten wird und/oder aber aus dem die Werkzeugbewegungsrichtung beeinflussenden Steuergrößen und einem kinematischen Modell eine Werkzeugtrajektorie berechnet wird. Hierbei kann eine Stellgrößenbegrenzung und damit Bewegungsbegrenzung der Werkzeugbewegung berücksichtigt werden. Die Bewegungstrajektorie des Werkzeugs über dem (eventuell unebenen) Grund ergibt sich aus der Summe der Trajektorien von Fahrzeug gegenüber dem Grund und der Trajektorie des Werkzeugs gegenüber dem Fahrzeug. Beides kann dem Insassen (Fahrer/Benutzer) zum Beispiel auf einem Display vorzugsweise mittels unterschiedlich farbigen oder markierten virtuell vorauseilenden Linien über dem Grund und dem Raum oder virtuell vorausfahrendem „Geisterfahrzeug“ und vorausbewegtem „Geisterwerkzeug“ angezeigt werden. Dadurch wird dann auch sichtbar, wann das Werkzeug beziehungsweise die Werkzeuge an einen Anschlag/Anschläge fahren werden und/oder wann das Fahrzeug den gewollten „Fahrschlauch“ verlässt beziehungsweise das Fahrzeug mit Hindernissen und/oder das mindestens eine Werkzeug mit Hindernissen kollidieren würden. Ein rechtzeitiges Erkennen von Objekten und ein korrigierendes Steuern und Eingreifen in das System obliegt dem Insassen (Fahrer/Bediener).
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Vorzugsweise können Warnungen maschinell ausgegeben werden. Vorzugsweise können mittels maschinellem Sehen Objekte erkannt und klassifiziert und deren Trajektorie prädiziert dargestellt werden.
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Mit Kenntnis der aktuellen Dynamik und Statik des Fahrzeugs und/oder Werkzeugs und/oder vorzugsweise von Reaktionszeiten von Regelsystemen kann dem Insassen angezeigt werden, ab welchem Punkt/Bereich der jeweiligen Trajektorie spätestens ein Eingriff erfolgen muss, um eine Kollision zu vermeiden.
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Bei einer Kursprädikation bzw. Prädiktion einer Trajektorie von Fahrzeug und/oder Werkzeug mit adaptiver Zielführung verfügt das System vorzugsweise über eine semantische und/oder globale Lokalisierung. So kann der Kurs/die Trajektorie von Fahrzeug und/oder Werkzeug in einer dynamischen 3D-Karte aufgezeichnet werden. Wiederholen sich Fahrzeugbewegungen und/oder Werkzeugbewegungen, so kann das System dies erkennen und dem Insassen durch markierte Trajektorien dargestellt werden. Ist eine weitere Wiederholung von Trajektorien gewollt, so kann der Insasse diese, auch einzeln oder abschnittsweise, für eine automatische Führung aktivieren. Dies kann vorzugsweise durch Touch auf einem Display und/oder durch Blickrichtungserkennung und Bestätigung erfolgen.
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Erfolgt eine Kursprädikation von Fahrzeug und/oder Werkzeug mit automatischer Zielführung, so kann bei einer vollautomatischen Führung zum Beispiel ein Start- und ein Ziel-Punkt in einer (globalen oder semantischen) 3D-Karte fixiert oder die Koordinaten von einem Steuerungssystem/Baustellenplanungssystem und so weiter vorgegeben werden. Die Trajektorien-Planung erfolgt anhand von Kinematik, Statik und Dynamik von Fahrzeug und/oder Werkzeug. Die Routenplanung und Navigation berücksichtigt befahrbare Freiflächen und/oder ausgewiesene Wege und/oder mittels Objekterkennung und Klassifikation erkannte Fahrspuren und/oder erkannte Hindernisse und/oder Bodenunebenheiten und so weiter.
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Denkbar ist auch eine beliebige Kombination der obigen verschiedenen Möglichkeiten. Dabei ist wichtig, dass dem Insassen angezeigt wird, in welchem Modus sich das Fahrzeug und/oder das Werkzeug befindet und dass er rechtzeitig auf die Übernahme durch ihn beziehungsweise das System hingewiesen wird. Dabei sind Übernahmebestätigungen durch den Insassen denkbar. Auch dies kann durch entsprechend markierte prädizierte Trajektorien angezeigt und dem Insassen signalisiert werden.
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Der Vorteil einer Visualisierung auf einem Display oder mehreren Displays ist, dass dem Insassen verstellte beziehungsweise verdeckte beziehungsweise nicht einsehbare Bereiche im Umfeld angezeigt werden können und dass sich der Insasse alleinig mittels der Visualisierung, und hierzu noch vorausschauend, orientieren kann.
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Vorzugsweise kann der Grad der Assistenz vom Insassen selbst bestimmt werden. Alternativ kann dies auch durch das Management oder das Planungssystem vorgegeben oder eingegrenzt werden.
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Erkennt das System Gefahren von außen oder eine Unfähigkeit des Fahrers/Bedieners (also des Insassen), so kann das System mindestens zeitweise übernehmen und/oder den Insassenwunsch ignorieren und/oder limitieren und/oder übersteuern, um insbesondere eine Kollision zu vermeiden. Steuert der Fahrer des Fahrzeugs beispielsweise den Ausleger eines Werkzeugs an, so dass dieser in eine Höhe schwenkt, in welcher die Gefahr einer Kollision mit einem Element aus der Umgebung des Fahrzeugs zu befürchten ist, so limitiert das System die maximale Schwenkhöhe derart, dass der Ausleger unterhalb des Kollisionselements vorbeigeführt wird, oder übersteuert die Schwenkhöhe derart, dass der Ausleger weiter über das Element hinausgehoben wird, um dadurch das Element zu überfahren und eine Kollision zu vermeiden.
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Anhand der Trajektorien-Planung und der realen Trajektorien als auch über Änderungen der Regelungseingriffe (zum Beispiel Regelabweichungen, I-Anteile und so weiter) können Driften, Offsets, Toleranzen, Alterung, Verschleiß und so weiter des Systems beziehungsweise von Teilen davon erkannt werden und bei Überschreitung von Limits Warnungen und/oder Fehlerspeichereinträge erfolgen.
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Um ein bestimmtes (Arbeits-)Ziel zu erreichen, ist die Bewegung von Fahrzeug und/oder Werkzeug erforderlich. Aus der Anzahl möglicher Kombinationen von Fahrzeugbewegung und/oder Werkzeugbewegung lässt sich ein energetisches Optimum für Fahrzeug- und Werkzeugtrajektorie suchen/bestimmen.
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Denkbar ist auch eine Optimierung der Trajektorien hinsichtlich Verschleiß/Alterung.
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Anhand der Abweichungen von empfohlenen und realen Trajektorien kann der Lernfortschritt des Fahrers/Bedieners bestimmt werden. Gleichzeitig kann der Arbeitsaufwand (Zeit, Kraftstoff, Wege, Drehzahlen, Momente, Leistungen, Energien) mit dem Arbeitsergebnis in Relation gesetzt werden. Alle Daten lassen sich online berechnen, übertragen, speichern und auswerten. Auswertungen können in die Optimierung der Trajektorien/Planung wiederum einfließen (lernende Systeme).
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Die Figur zeigt rein beispielhaft und schematisch ein befahrbares Oberflächenprofil 1 mit prädizierter Fahrzeug-Trajektorie 2. Die Figur entspricht der Ansicht auf einem Display, das von dem Insassen des Fahrzeugs wahrgenommen wird. Die Fahrzeug-Trajektorie 2 zeigt den vorausschauenden Verlauf von vier Fahrzeugaußenpunkten, so dass sich ein dreidimensionaler Fahrschlauch 3 in einem rechteckförmigen Querschnitt ergibt. Optional, jedoch nicht dargestellt, werden mehr als vier Fahrzeugaußenpunkte gewählt, um eine besonders präzise Fahrzeug-Trajektorie 2 darzustellen. Alternativ werden weniger als vier Fahrzeugaußenpunkte gewählt, beispielsweise nur zwei Fahrzeugaußenpunkte, insbesondere in einer Höhen-Ebene liegenden Fahrzeugaußenpunkt P1 und P2, ausgewählt, um eine Ebene Fahrzeug-Trajektorie darzustellen.
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Ist beispielsweise der Punkt P3 einem bewegbaren Werkzeug des Fahrzeugs zugeordnet, so ist außerdem vorgesehen, dass der Punkt P3 in Abhängigkeit von einem Bewegen des Werkzeugs mitbewegt wird, sodass sich die Grundfläche beziehungsweise Grundform der Fahrschlauch-Trajektorie beziehungsweise des Fahrschlauchs 3 mit verändert. Beispielsweise wird der Punkt P3 wie durch Pfeile in der Figur gezeigt, nach außen oder nach innen verschoben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass dann, wenn das Werkzeug mit dem Punkt P3 nach außerhalb des Fahrzeugs beziehungsweise in einen Bereich außerhalb des Fahrschlauchs 3 des Fahrzeugs bewegt wird, zusätzliche Punkte berücksichtigt werden und aus der Rechteckform des Fahrschlauchs eine Mehreckform mit mehr als vier Ecken erzeugt wird, um beispielsweise eine an das Werkzeug individuell angepasste Fahrschlauch-Trajektorie 3 zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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