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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug mit einem LIDAR-Sensor und ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors.
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Stand der Technik
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Die
CN105891843A offenbart einen Laserradar für ein Antikollisionsvermeidungssystem eines Fahrzeugs. Der Laserradar ist als ein Dual-Rotations-Lasersende- und Empfangsscanner ausgebildet. Er umfasst eine Basis und einen Rotationskörper eines Sende- und eines Empfangsfensters, wobei der Rotationskörper an der Basis angebracht ist; der obere Teil des Rotationskörpers ist mit einem Lasergenerator, einer Linsengruppe und einem Reflektor versehen; der austretende Lichtpfad des Reflektors ist auf das Sendefenster ausgerichtet; die hintere Oberfläche des Reflektors ist mit einem Motor mit einer Nocke versehen, die den Reflektor zum Schwenken antreibt, so dass der Lichtpfad eine sektorförmige Abtastung ausführen kann; der untere Teil des Rotationskörpers ist mit einer Laserempfangsvorrichtung versehen; ein konischer Reflektor ist am Empfangsfenster installiert; und der reflektierte Laser wird durch den konischen Reflektor zu einer Laserempfangseinrichtung reflektiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LIDAR-Sensor zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, wobei der LIDAR-Sensor rotierbar gelagert ist. Der LIDAR-Sensor weist eine rotierbare Trägerstruktur; eine Sendeeinheit zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung in das Sichtfeld und eine Empfangseinheit zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung, die im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde, auf. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind entlang eine Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur vertikal übereinander angeordnet. Der LIDAR-Sensor weist weiterhin eine Antriebseinheit zum rotierenden Antreiben der rotierbaren Trägerstruktur und einen Motor zum Antrieb der Antriebseinheit auf. Der Motor ist derart parallel zu der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur angeordnet, dass eine Rotationsachse des Motors parallel zur Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist die Antriebseinheit entlang der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur mittig zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit angeordnet.
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Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors sind an der rotierbaren Trägerstruktur angeordnet. Bei einem LIDAR-Sensor kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors auf der Basis einer Signallaufzeit (Time of Flight, TOF) bestimmt werden. Bei einem LIDAR-Sensor kann ein Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und einem Objekt im Sichtfeld des LIDAR-Sensors auf der Basis eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Signals (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) bestimmt werden. Das Sichtfeld des LIDAR-Sensors kann mittels der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung abgetastet werden.
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Die rotierbare Trägerstruktur ist insbesondere als ein Rotor eines Elektromotors ausgebildet. Die Sendeeinheit kann als wenigstens ein Laser ausgebildet sein. Die Empfangseinheit kann als wenigstens ein Detektor ausgebildet sein.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Motor zum Antrieb der Antriebseinheit direkt neben der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit angeordnet sein kann. Der Motor kann parallel zu der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur auf weitestgehend gleicher Höhe wie die Sendeeinheit angeordnet sein. Der Motor kann parallel zu der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur auf weitestgehend gleicher Höhe wie die Empfangseinheit angeordnet sein. Der Motor kann derart angeordnet sein, dass die Bauhöhe des LIDAR-Sensors durch die Größe der Sendeeinheit und der Empfangseinheit vorgegeben ist. Die Bauhöhe des LIDAR-Sensors beschreibt hierbei die Ausdehnung des LIDAR-Sensors entlang der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur. Es kann eine Vergrößerung der Bauhöhe des LIDAR-Sensors entlang der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur vermieden werden. Die Bauhöhe des LIDAR-Sensors kann verringert werden. Insbesondere beim Einbau eines LIDAR-Sensors an und/oder in einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem PKW, LKW oder auch Motorrad, werden konkrete Anforderungen an die Bauhöhe eines LIDAR-Sensors gestellt. Durch die verringerte Bauhöhe des hier beschriebenen LIDAR-Sensors wird die Verwendung des LIDAR-Sensors in einem Fahrzeug ermöglicht. Ein designtechnisch neutraler und aerodynamisch neutraler Einbau in ein Fahrzeug wird ermöglicht. Dadurch, dass die Sendeeinheit und die Empfangseinheit an der rotierbaren Trägerstruktur angeordnet sind, wird weiterhin ein möglichst verlustfreies Abtasten des Sichtfelds des LIDAR-Sensors ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit Zahnräder aufweist. Die Zahnräder sind insbesondere als radialverzahnte oder als stirnverzahnte Zahnräder ausgebildet.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Antrieb der Antriebseinheit mittels des Motors und somit das Antreiben der rotierbaren Trägerstruktur sehr langlebig ist. Die Verwendung von Zahnrädern ist außerdem preiswert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit ein Riemengetriebe aufweist. Das Riemengetriebe ist insbesondere als ein Riemengetriebe mit Zahnriemen ausgebildet.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Antrieb der Antriebseinheit mittels des Motors und somit das Antreiben der rotierbaren Trägerstruktur geräuschärmer verläuft als z. B. bei Verwendung von ausschließlich Zahnrädern. Ein Riemengetriebe ist außerdem spielfrei.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit wenigstens ein Kopplungselement aufweist. Das Kopplungselement ist insbesondere als ein permanentmagnetisches und/oder als ein ferromagnetisches Kopplungselement ausgebildet.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Antreiben der rotierbaren Trägerstruktur mittels der Antriebseinheit berührungslos und somit besonders geräuscharm stattfinden kann. Der Verschleiß der Antriebseinheit kann auf ein Minimum reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die rotierbare Trägerstruktur eine Rotorwelle aufweist und dass der LIDAR-Sensor weiterhin wenigstens ein Element zur Energieübertragung und/oder wenigstens ein Element zur Datenübertragung aufweist. Hierbei sind/ist das wenigstens eine Element zur Energieübertragung und/oder das wenigstens eine Element zur Datenübertragung jeweils an wenigstens einem Ende der Rotorwelle angeordnet. Ein Element zur Energieübertragung kann ein ringförmiges elektronisches Bauelement sein. Ein Element zur Energieübertragung kann ein Schleifring sein. Wenigstens zwei Elemente zur Energieübertragung können sich berühren. Ein Element zur Energieübertragung kann alternativ eine berührungslose Induktivspule sein. Ein Element zur Datenübertragung kann ein ringförmiges elektronisches Bauelement sein. Ein Element zur Datenübertragung kann ein Schleifring sein. Wenigstens zwei Elemente zur Datenübertragung können sich berühren. Ein Element zur Datenübertragung kann eine berührungslose Induktivspule sein.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass durch die räumliche Trennung von Daten- und Energieübertragung beide besonders störungsfrei und mit erhöhter Daten- und Energieübertragungsrate arbeiten können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Ende der Rotorwelle der rotierbaren Trägerstruktur in wenigstens einem Lager rotierbar gelagert ist. Insbesondere ist wenigstens ein Ende der Rotorwelle der rotierbaren Trägerstruktur in wenigstens einem Rillenkugellager rotierbar gelagert. Das Rillenkugellager ist insbesondere als ein Radialrillenkugellager ausgebildet.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die rotierbare Trägerstruktur mit lediglich geringen Reibungsverlusten rotieren kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weiterhin wenigstens eine elektronische Leiterplatte zur Steuerung und/oder Auswertung von Signalen der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit aufweist.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Sichtfelderfassung mit hoher zeitlicher und bildlicher Auflösung erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der LIDAR-Sensor weiterhin einen Drehwinkelgeber aufweist. Der Drehwinkelgeber ist insbesondere an der rotierbaren Trägerstruktur angeordnet. Alternativ weist insbesondere der Motor den Drehwinkelgeber auf. Der Drehwinkelgeber ist insbesondere als ein optischer Encoder und ein Impulsgeberrad ausgebildet. Alternativ ist der Drehwinkelgeber als ein magnetoresistiver Resolver ausgebildet.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Rotationsgeschwindigkeit und -position der rotierbaren Trägerstruktur gesteuert und überwacht werden kann.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einer Arbeitsvorrichtung mit einem oben beschriebenen LIDAR-Sensor.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Fahrzeug mit einem oben beschriebenen LIDAR-Sensor.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zum Betreiben eines oben beschriebenen LIDAR-Sensors. Das Verfahren weist einen Schritt des Bestromens eines Motors zum rotierenden Antrieb des Motors in eine erste vorgegebene Richtung um eine Rotationsachse des Motors auf, wobei der Motor derart parallel zu einer Rotationsachse einer rotierbaren Trägerstruktur des LIDAR-Sensors angeordnet ist, dass eine Rotationsachse des Motors parallel zur Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur angeordnet ist. Das Verfahren weist die weiteren Schritte des Antriebs einer Antriebseinheit mittels des rotierenden Motors; des Antriebs der rotierbaren Trägerstruktur mittels der Antriebseinheit in eine zweite vorgegebene Richtung um die Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur; des Ermittelns einer aktuellen Geschwindigkeit der rotierbaren Trägerstruktur; des Vergleichs der aktuellen Geschwindigkeit der rotierbaren Trägerstruktur mit einer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit der rotierbaren Trägerstruktur; der Aussendung elektromagnetischer Strahlung in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors in Abhängigkeit des Vergleichs mittels einer Sendeeinheit und des Empfangens von elektromagnetischer Strahlung, die im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde, mittels einer Empfangseinheit auf. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind hierbei entlang eine Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur vertikal übereinander angeordnet. Die Antriebseinheit ist entlang der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur mittig zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit angeordnet. Die Signale der mittels der Empfangseinheit empfangenen elektromagnetischen Strahlung können ausgewertet werden. Die Auswertung der Signale kann beispielsweise mittels einer Rechnereinheit erfolgen. Die Auswertung der Signale kann beispielsweise auf einem Steuergerät erfolgen. Die Ergebnisse der Auswertung können für weitere Anwendungen verwendet werden. Die Signale können über eine Schnittstelle des LIDAR-Sensors an eine weitere Vorrichtung übermittelt werden. Die Ergebnisse der Auswertung können über eine Schnittstelle des LIDAR-Sensors an eine weitere Vorrichtung übermittelt werden. Die Ergebnisse der Auswertung können beispielsweise für die Funktionen eines Fahrerassistenzsystems verwendet werden. Die Ergebnisse der Auswertung können beispielsweise für die Funktionen eines autonom fahrenden Fahrzeugs verwendet werden.
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Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
- 2 eine Draufsicht auf einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors;
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines LIDAR-Sensors.
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1 zeigt beispielhaft eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors 1. 2 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf den LIDAR-Sensor 1 aus 1, wobei ein Höhenschnitt entlang der Achse A-A des LIDAR-Sensor 1 gezeigt ist. Der LIDAR-Sensor 1 ist biaxial aufgebaut. In dem mehrteilig ausgebildetem Gehäuse 10 des LIDAR-Sensors 1 sind im Lagerdeckel oben und der Basis unten jeweils Lager 11, 12 angeordnet. Die Lager 11, 12 können als Rillenkugellager ausgebildet sein. Der LIDAR-Sensor 1 weist weiterhin die rotierbare Trägerstruktur 20, sprich einen Rotor 20, auf. Die rotierbare Trägerstruktur 20 weist eine Rotorwelle auf. Die beiden Enden 21, 22 der Rotorwelle der rotierbaren Trägerstruktur 20 sind in den Lagern 11, 12 rotierbar gelagert.
An der rotierbaren Trägerstruktur 20 sind die Sendeeinheit 23, zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors 1, und die Empfangseinheit 24, zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung, die im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde, entlang der Rotationsachse 29 der rotierbaren Trägerstruktur 20 vertikal übereinander angeordnet. Die Sendeeinheit 23 und die Empfangseinheit 24 sind an der rotierbaren Trägerstruktur 20 befestigt. Der LIDAR-Sensor 1 weist eine im Gehäuse 10 eingelassene laserlichtdurchlässige Sichtscheibe 15 auf. Oberhalb und unterhalb der Sendeeinheit 23 und der Empfangseinheit 24 ist an den Enden 21, 22 der Rotorwelle jeweils wenigstens ein Element 25 zur Energieübertragung und/oder wenigstens ein Element 26 zur Datenübertragung angeordnet. Wenigstens zwei Elemente 25 zur Energieübertragung bzw. wenigstens zwei Elemente 26 zur Datenübertragung können als sich jeweils berührende (mittels Schleifkontakten) oder berührungslose (mittels Induktivität) ringförmige, elektronische Elemente ausgebildet sein.
Außerdem können an der rotierbaren Trägerstruktur 20 eine oder mehrere elektronische Leiterplatten 27, 28 befestigt sein, die zur Steuerung und/oder Auswertung von Signalen der Sendeeinheit 23 und/oder der Empfangseinheit 24 ausgebildet sein können. Die eine oder mehrere elektronische Leiterplatten 27, 28 können miteinander bzw. mit dem wenigstens einen Element 25 zur Energieübertragung und/oder mit dem wenigstens einen Element 26 zur Datenübertragung elektrisch verbunden sein.
Weiterhin ist an der rotierbaren Trägerstruktur 20 eine Antriebseinheit angeordnet. Die Antriebseinheit 30 ist entlang der Rotationsachse 29 der rotierbaren Trägerstruktur 20 mittig zwischen der Sendeeinheit 23 und der Empfangseinheit 24 angeordnet. In 1 ist die Antriebseinheit 30 als Zahnrad 30 ausgebildet, die von einem kleineren Ritzel 41 eines Motors 40 mit einem geeigneten Untersetzungsverhältnis angetrieben wird. Der Motor 40 ist derart parallel zu der Rotationsachse 29 der rotierbaren Trägerstruktur 20 angeordnet, dass die Rotationsachse 43 des Motors 40 parallel zur Rotationsachse 29 der rotierbaren Trägerstruktur 20 angeordnet ist. Der Motor 40 kann ein Elektromotor sein. Der Elektromotor 40 kann von der an der Gehäusewandung befestigten Hauptplatine 13 elektrisch versorgt und angesteuert werden.
In weiteren Ausführungsformen kann die Antriebseinheit 30 ein Riemengetriebe aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann die Antriebseinheit 30 wenigstens ein Kopplungselement aufweisen. Ein im Motor 40 integrierter Drehwinkelgeber kann auch zur Ansteuerung des LIDAR-Sensors ausgebildet sein. Der Drehwinkelgeber kann zur Ansteuerung des Schusszeitpunktes der Sendeeinheit 23, sprich des Lasers, ausgebildet sein. Der Drehwinkelgeber kann auf der rotierbaren Trägerstruktur 20 angeordnet sein.
Ein geeigneter mehrpoliger Steckverbinder 14 stellt die elektrische Schnittstelle des LIDAR-Sensors 1 zum Beispiel zu einem Fahrzeug oder zu einer Arbeitsvorrichtung her.
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3 zeigt beispielhaft das Verfahren 300 zum Betreiben eines LIDAR-Sensors. Das Verfahren 300 beginnt in Schritt 301. Im Schritt 302 wird ein Motor des LIDAR-Sensors zum rotierenden Antrieb des Motors in eine erste vorgegebene Richtung um eine Rotationsachse des Motors bestromt. Der Motor beginnt sich beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Der Motor ist derart parallel zu einer Rotationsachse einer Trägerstruktur des LIDAR-Sensors angeordnet, dass eine Rotationsachse des Motors parallel zur Rotationsachse einer rotierbaren Trägerstruktur angeordnet ist. Im Schritt 303 wird eine Antriebseinheit mittels des rotierenden Motors angetrieben. Der Motor nimmt also beispielsweise durch seine Ritzel die Zahnräder der Antriebseinheit mit. Im Schritt 304 wird die rotierbare Trägerstruktur mittels der Antriebseinheit in eine zweite vorgegebene Richtung um die Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur angetrieben. Die rotierbare Trägerstruktur wird beispielsweise zu einer Rotation im Uhrzeigersinn angetrieben. Im Schritt 305 wird eine aktuelle Geschwindigkeit der rotierbaren Trägerstruktur ermittelt. Im Schritt 306 wird eine aktuelle Geschwindigkeit der rotierbaren Trägerstruktur mit einer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit der rotierbaren Trägerstruktur verglichen. Im Schritt 307 wird elektromagnetische Strahlung in das Sichtfeld des LIDAR-Sensors mittels einer Sendeeinheit ausgesendet. Die Aussendung 307 erfolgt in Abhängigkeit des Vergleichs aus Schritt 306. Beispielsweise erfolgt die Aussendung 307 nur, wenn die aktuelle Geschwindigkeit gleich oder größer der vorgegebenen Sollgeschwindigkeit ist. Sobald sich beispielsweise die rotierbare Trägerstruktur mit der Sollgeschwindigkeit konstant dreht, lösen Steuerplatinen des LIDAR-Sensors zu geeigneten Zeitpunkten die Sendeeinheit aus und Laserstrahlen verlassen den LIDAR-Sensor durch eine im Gehäuse eingelassene laserlichtdurchlässige Sichtscheibe. Im Schritt 308 wird elektromagnetische Strahlung, die im Sichtfeld von einem Objekt reflektiert wurde mittels einer Empfangseinheit des LIDAR-Sensors empfangen. Anhand der Signale der empfangenen elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise die Position eines Objekts im Sichtfeld des LIDAR-Sensors ermittelt werden. Die Ermittlung kann unter Heranziehen des Drehwinkels zum Schusszeitpunkt und der Laufzeit des Laserlichts erfolgen. Aus einer Vielzahl solcher Punktmessungen kann eine sogenannte 3D-Punktewolke generiert und über eine Schnittstelle des LIDAR-Sensors z. B. an ein Fahrzeug oder eine Arbeitsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit des LIDAR-Sensors sind entlang einer Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur vertikal übereinander angeordnet. Die Antriebseinheit ist entlang der Rotationsachse der rotierbaren Trägerstruktur mittig zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit angeordnet. Das Verfahren 300 endet in Schritt 309.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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