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Die Erfindung betrifft ein System zum Bereitstellen von Angaben zu Fahrzeugen auf einer Verkehrsfläche, wobei das System eine Vielzahl autarker Sensoreinrichtungen sowie eine zentrale Einrichtung umfasst. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine autarke Sensoreinrichtung, eine Steuerungseinrichtung sowie eine zentrale Einrichtung, welche zur Verwendung mit dem System eingerichtet sind, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind im Zusammenhang mit der Bewirtschaftung von Parkflächen Verfahren bekannt, um von Fahrzeugen belegte Parkplätze sowie freie Parkplätze unter Verwendung von Sensoren zu ermitteln und diese Angaben zur Verwaltung der Parkflächen einzusetzen.
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Aus
DE 10 2015 202 788 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Erkennung eines Belegungszustands von nicht einzeln markierten Parkplätzen bekannt. Hierzu ist vorgesehen, eine Mehrzahl von Belegungssensoren in einem Abstand d zueinander auf oder oberhalb einer zu erfassenden Fläche anzuordnen. Eine zentrale Kontrolleinheit, auf der ein virtuelles Abbild der zu erfassenden Fläche hinterlegt ist, kommuniziert mit den Belegungssensoren, um Informationen über den Belegungszustand am Ort des Sensors zu empfangen, wobei der zentralen Kontrolleinheit die Positionen der Belegungssensoren bekannt ist. Die Belegungssensoren können als passive Sensoren ausgestaltet sein, beispielsweise als Magnetsensoren, und/oder können als emittierende Sensoren wie Radarsensoren oder optische Sensoren ausgebildet sein.
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DE 10 2016 211 099 A1 beschreibt ein Konzept zum Ermitteln eines Belegungszustands eines Parkplatzes. Dabei ist vorgesehen, mittels mehrerer in der Parkfläche versenkter oder auf der Parkfläche angeordneter Drucksensoren eine Größe eines belegten Flächenabschnitts zu erfassen und den Belegungszustand des Parkplatzes zu ermitteln. Der belegte Flächenabschnitt kann in eine digitale Karte eingetragen werden, welche auch zum Navigieren auf dem Parkplatz verwendet werden kann. Bevorzugt werden piezoelektrische Drucksensoren verwendet, welche keine eigene Spannungsquelle benötigen.
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EP 1 816 623 A1 beschreibt ein System zum Erkennen der Belegung einer Fläche mit Objekten. Hierzu ist eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen vorgesehen, welche an einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Fläche angeordnet sind, um die Belegung oder nicht-Belegung mit mindestens einem Objekt zu erkennen. Die Sensoren umfassen jeweils einen Detektor zum Erkennen des Belegungszustands am Ort des Sensors und ein Kommunikationsmodul, um mit anderen Sensoren und/oder einer Zentraleinheit zu kommunizieren, wobei die Kommunikation bevorzugt drahtlos erfolgt. Der Detektor kann beispielsweise als Ultraschallsensor oder als Infrarotsensor ausgeführt sein. Die Zentraleinheit ist eingerichtet, die von den Objekten belegte Fläche zu bestimmen.
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EP 2 082 386 B1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Verwaltung einer Parkfläche, wobei die Parkplätze nicht einzeln markiert sind. Eine Vielzahl von Sensorknoten ist entlang der Parkfläche angeordnet und jeder der Sensorknoten ist eingerichtet, die Belegung eines Teils der Parkfläche zu erkennen. Über ein Kommunikationsnetzwerk werden die Daten an eine zentrale Managementeinrichtung übertragen, wobei lokale Basisstationen zwischengeschaltet werden können, die jeweils die Daten mehrerer Knoten konzentrieren.
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Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass diese nicht geeignet sind, um für eine Verkehrsfläche eine vollständige Karte mit Angaben zu allen Verkehrsteilnehmern zu erstellen. Eine solche Karte wäre jedoch insbesondere im Zusammenhang mit dem Betrieb autonomer Fahrzeuge wünschenswert, um sichere Angaben zu Verkehrsteilnehmern in der Umgebung bereitzustellen, welche unabhängig von den Sensoren des jeweiligen Fahrzeugs sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein System zum Bereitstellen von Angaben zu Fahrzeugen auf einer Verkehrsfläche vorgeschlagen. Das System umfasst eine Vielzahl autarker Sensoreinrichtungen sowie eine zentrale Einrichtung. Die autarken Sensoreinrichtungen umfassen jeweils mindestens einen Detektor zum Erkennen von Fahrzeugen in der Nähe der autarken Sensoreinrichtung, eine Kommunikationseinrichtung und mindestens eine Energiequelle. Dabei ist vorgesehen, dass die zentrale Einrichtung eingerichtet ist, anhand bekannter Positionen der autarken Sensoreinrichtungen und von den autarken Sensoreinrichtungen erhaltenen Daten Angaben zu allen im Bereich der autarken Sensoreinrichtungen befindlichen Fahrzeugen zu ermitteln, wobei die Angaben zumindest die Position, die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit der jeweiligen Fahrzeuge umfassen.
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Das vorgeschlagene System ist somit modular aufgebaut und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Sensoreinrichtungen jeweils unabhängig voneinander und ohne zusätzliche Komponenten funktionsfähig sind.
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Bevorzugt sind bei dem System Unterstationen vorgesehen, welche jeweils Daten von einer Untermenge von autarken Sensoreinrichtungen, welche sich jeweils in Reichweite dieser Unterstation befinden, empfangen und zusammengefasst an die zentrale Einrichtung weiterleiten.
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Bevorzugt können zudem Zwischenstationen vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, zusammengefasste Sensordaten von Unterstationen zu empfangen, welche sich jeweils in der Reichweite einer Zwischenstation befinden, und wiederum zusammengefasst und/oder vorverarbeitet an die zentrale Einrichtung weiterzuleiten.
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Somit kann bei dem System auch eine Vernetzung der Komponenten untereinander modular erfolgen, wobei jeweils je nach Bedarf Unterstationen und Zwischenstationen vorgesehen sein können, um die Komponenten untereinander effizient zu vernetzen.
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Die Kommunikation zwischen den einzelnen Modulen des Systems, also insbesondere der autarken Sensoren mit der zentralen Einrichtung und/oder gegebenenfalls mit zwischengeschalteten Unterstationen und Zwischenstationen, erfolgt bevorzugt drahtlos. Auf diese Weise müssen keine aufwändigen Kabelverlegearbeiten für die Versorgung mit Daten und/oder Strom vorgenommen werden. In der Regel ist es dabei ausreichend, wenn eine unidirektionale Kommunikation ermöglicht wird, also von den autarken Sensoreinrichtungen Daten in Richtung der zentralen Einrichtung fließen können. Ein Fluss in umgekehrter Richtung ist in der Regel nicht erforderlich, kann jedoch in Fortbildungen des Systems vorgesehen sein.
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Die zentrale Einrichtung umfasst insbesondere Recheneinrichtungen, wie beispielsweise eine Computereinrichtung, um die erhaltenen Daten auszuwerten. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Recheneinrichtung ebenfalls wie das System modular aufgebaut wird und nicht ausschließlich innerhalb der zentralen Einrichtung selbst vorgehalten wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Zwischenstationen jeweils eine Recheneinrichtung umfassen, um von den autarken Sensoreinrichtungen erhaltene Daten vorzuverarbeiten.
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Bei dem System ist bevorzugt vorgesehen, die autarken Sensoreinrichtungen flächendeckend in der Verkehrsfläche anzuordnen, so dass die gesamte Verkehrsfläche durch die Detektoren der autarken Sensoreinrichtung überwacht werden kann. Die einzelnen Positionen, an denen die autarken Sensoreinrichtungen in der Verkehrsfläche angeordnet sind, sind der zentralen Einrichtung dabei bekannt. Erhält die zentrale Einrichtung entsprechend von einer bestimmten Sensoreinrichtung ein Signal dahingehend, dass sich gerade ein Fahrzeug direkt über dieser Sensoreinrichtung befindet, kann die Position dieses Fahrzeugs genau zugeordnet werden.
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Bevorzugt umfasst die zentrale Einrichtung eine digitale Karte, welche die Verkehrsfläche beschreibt. Damit diese digitale Karte zur Realisierung verschiedener Dienstleistungen, wie beispielsweise für das Navigieren von Fahrzeugen verwendbar ist, ist bevorzugt, dass diese digitale Karte unter anderem Angaben zu Fahrspuren auf der Verkehrsfläche umfasst. Diese Angaben zu den Fahrspuren umfassen dabei insbesondere die Fahrtrichtung auf dieser Fahrspur und Angaben zu entsprechenden Verkehrshinweisen.
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Verkehrshinweise können beispielsweise Geschwindigkeitsbeschränkungen, Vorfahrtsregelungen, Positionen von Ampeln und dergleichen umfassen.
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Die zentrale Einrichtung ist bevorzugt eingerichtet, aus einer Abfolge von erhaltenen Daten die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu bestimmen. Sind beispielsweise autarke Sensoreinrichtungen in Form eines Arrays in einer Fahrspur eingearbeitet und bewegt sich ein Fahrzeug entlang dieser Fahrspur, so werden von diesem Fahrzeug die einzelnen Sensoreinrichtungen nach und nach überfahren. Bei einer Überfahrt wird eine entsprechende autarke Sensoreinrichtung somit registrieren, dass sich ein Fahrzeug annähert, das Fahrzeug sich irgendwann direkt über der Sensoreinrichtung befindet und anschließend, dass sich das Fahrzeug wieder von der Sensoreinrichtung entfernt. Aus diesen Angaben, welche jeweils von den nacheinander angeordneten Sensoreinrichtungen geliefert werden, kann anhand der Aktivierungsreihenfolge der Sensoreinrichtungen die Fahrtrichtung bestimmt werden und anhand der Geschwindigkeit der Aktivierung von aufeinanderfolgenden Sensoreinrichtungen kann auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs geschlossen werden.
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Um autark arbeiten zu können, umfassen die autarken Sensoreinrichtungen jeweils eine Energiequelle. Bevorzugt ist die Energiequelle ausgewählt aus Solarzellen, piezoelektrischen Wandlern, Induktionsspulen und Kombinationen mehrerer dieser Energiequellen. Bei einer Solarzelle beispielsweise liefert das Sonnenlicht im Laufe des Tages die notwendige Energie, wobei die Solarzelle als Energiequelle bevorzugt mit einem Energiespeicher kombiniert wird, um auch bei Dunkelheit, also während der Nacht, Energie für die Funktion der autarken Sensoreinrichtung bereitstellen zu können. Ein piezoelektrischer Wandler hingegen kann beispielsweise aus Vibrationen, welche durch darüberfahrende Fahrzeuge verursacht werden, Energie gewinnen. Auch hier kann eine Kombination mit einem Energiespeicher erfolgen, wobei hier auch auf einen Energiespeicher verzichtet werden kann, da die Vibrationsenergie genau dann zur Verfügung steht, wenn die autarke Sensoreinrichtung aktiv werden muss, nämlich wenn sich ein Fahrzeug in der Nähe dieser Sensoreinrichtung befindet.
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Eine Induktionsspule als Energiequelle kann ebenfalls mit oder ohne Kombination mit einem Energiespeicher verwendet werden, wobei die Induktionsspule zur Gewinnung von Energie auf ein magnetisches Wechselfeld angewiesen ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Erregerspule, welche ein solches magnetisches Wechselfeld bereitstellt, in Fahrzeugen installiert wird, welche sich auf der Verkehrsfläche bewegen. In diesem Fall würde ebenfalls die Energie für den Betrieb der autarken Sensoreinrichtung genau dann zur Verfügung stehen, wenn diese aktiv werden muss, nämlich, wenn ein Fahrzeug mit entsprechender Erregerspule über der autarken Sensoreinrichtung steht oder fährt.
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Zum Erkennen von Fahrzeugen umfassen die autarken Sensoreinrichtungen mindestens einen Detektor. Dieser Detektor ist bevorzugt ausgewählt aus induktiven Sensoren, kapazitiven Sensoren, Ultraschallsensoren, Geräuschsensoren, Vibrationssensoren, optischen Sensoren und Kombinationen mehrerer dieser Detektoren.
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Diese Detektoren können auch teilweise mit einer Energiequelle identisch sein. Beispielsweise kann eine Solarzelle sowohl zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Betrieb der autarken Sensoreinrichtung dienen, als auch eine Information darüber bereitstellen, ob sich gerade ein Fahrzeug oberhalb der autarken Sensoreinrichtung befindet und daher eine Lichtquelle, wie beispielsweise die Sonne blockiert. Gleiches gilt für Vibrationsdetektoren. Ein solcher Vibrationsdetektor kann als piezoelektrischer Wandler ausgestaltet sein, welcher Vibrationen in elektrische Energie umwandelt. Ein über die autarke Sensoreinrichtung fahrendes Fahrzeug würde dann über seine Vibrationen sowohl die für den Betrieb der autarken Sensoreinrichtung notwendige Energie liefern, als auch gleichzeitig ein Signal für die Anwesenheit des Fahrzeugs liefern.
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Die autarken Sensoreinrichtungen sind bevorzugt derart in die Verkehrsfläche eingelassen, dass diese bündig mit der Fahrbahnoberfläche bzw. der Straßenoberfläche abschließen. Auf diese Weise haben die Sensoren freies Sichtfeld beziehungsweise eine Energiequelle wie eine Solarzelle Zugang zu einer Lichtquelle, und gleichzeitig werden Fahrzeuge, welche über die Fahrbahn fahren, wenig gestört. Alternativ dazu kann eine Sensoreinrichtung auch unterhalb der Fahrbahndecke angeordnet sein, sofern die verwendete Energiequelle beziehungsweise der verwendete Detektor nicht auf eine Sichtverbindung angewiesen ist.
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In beiden Fällen können die autarken Sensoreinrichtungen einfach installiert werden, indem eine Öffnung in die Fahrbahndecke gebohrt wird und anschließend die Sensoreinrichtung eingesetzt wird. Da die Sensoreinrichtungen autark sind, sind keine weiteren Kabelverlegearbeiten erforderlich.
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Bevorzugt ist bei dem System vorgesehen, dass ein Abstand zwischen benachbarten autarken Sensoreinrichtungen kleiner ist als die durchschnittliche Länge eines Fahrzeugs. Der Abstand zwischen zwei benachbarten autarken Sensoreinrichtungen wird nachfolgend auch als Dichte der Sensoreinrichtungen bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich ist der Abstand bevorzugt kleiner als die halbe Entfernung gewählt, in der die Sensoreinrichtungen ein Fahrzeug detektieren können. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die gesamte Verkehrsfläche überwacht werden kann und keine Lücken entstehen, in welchen beispielsweise ein stehendes Fahrzeug nicht detektiert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, die Dichte der autarken Sensoreinrichtungen und damit den Abstand zwischen zwei benachbarten Sensoreinrichtungen variabel auszugestalten, wobei beispielsweise in einem Innenstadtbereich, bei dem die Fahrzeuge sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegen und auch abgestellt werden können, dicht gewählt wird, so dass eine flächendeckende Überwachung möglich ist, und in einem ländlichen Bereich, beispielsweise außerhalb besiedelter Gebiete, die Abstände zwischen zwei benachbarten Sensoreinrichtungen vergrößert werden. Hierbei kann gegebenenfalls auch akzeptiert werden, dass Bereiche zwischen zwei benachbarten Sensoreinrichtungen nicht überwacht werden können, da in der Regel die Fahrzeuge in Bewegung sind und bereits nach kurzer Zeit wieder von einer Sensoreinrichtung registriert werden. In diesem Fall kann beispielsweise der Abstand zweier benachbarter Sensoreinrichtungen im Bereich von 6 m bis 10 m gewählt werden. Diese Wahl für die Dichte bzw. den Abstand basiert auf der Annahme, dass eine Fahrzeuggeschwindigkeit im Bereich von etwa 60 km/h bis 120 km/h liegt, was ca. 17 bis 33 m/s entspricht, dass eine Abtastrate von 10 Hz verwendet wird und dass für eine Validierung eines Objekts 3 Messungen erforderlich sind.
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Um bei dem System die Fahrzeuge zuverlässig einer bestimmten Fahrspur der Verkehrsfläche zuordnen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass für jede Fahrspur der Verkehrsfläche autarke Sensoreinrichtungen angeordnet sind.
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Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass eine laterale Position der autarken Sensoreinrichtungen innerhalb einer Fahrspur zwischen zwei benachbarten autarken Sensoreinrichtungen variiert. Entsprechend sind die Sensoreinrichtungen entlang einer Fahrspur bevorzugt nicht entlang einer Achse ausgerichtet, also wie an einer Perlenkette aufgereiht, sondern jeweils versetzt angeordnet, beispielsweise entlang zweier parallel zueinander angeordneter Achsen. Eine derartige versetzte Anordnung der Sensoreinrichtungen erlaubt es der zentralen Einrichtung, neben einer longitudinalen Position des Fahrzeugs auf dieser Fahrspur, also eine Position entlang der gewöhnlichen Fahrtrichtung des Fahrzeugs, auch die laterale Ausrichtung des Fahrzeugs mit Bezug auf diese Fahrspur zu bestimmen, also auch entlang der lateralen Richtung eine Positionsbestimmung durchzuführen.
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Bevorzugt umfasst das System ferner Steuerungs- und/oder Navigationseinrichtungen, welche Fahrzeugen zugeordnet werden können. Bevorzugt ist bei dem System zumindest ein Fahrzeug mit einer solchen Steuerungs- und/oder Navigationseinrichtung ausgerüstet. Eine derartige Steuerungs- und/oder Navigationseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, Angaben zu Fahrzeugen in der Umgebung des jeweiligen Fahrzeugs und/oder Navigationsanweisungen von der zentralen Einrichtung zu empfangen.
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Die Steuerungs- und/oder Navigationseinrichtung verfügt dazu bevorzugt über eine bidirektionale Verbindung zur zentralen Einrichtung, so dass die Steuerungs- und/oder Navigationseinrichtung Daten zur zentralen Einrichtung senden kann und von dieser wieder empfangen kann.
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Da bei dem vorgeschlagenen System die zentrale Einrichtung Angaben zur Position, Fahrtrichtung und Geschwindigkeit sämtlicher Fahrzeuge auf der Verkehrsfläche besitzt, kann die zentrale Einrichtung den Fahrzeugen besonders präzise und zuverlässige Angaben zur Verfügung stellen. Beispielsweise kann die zentrale Einrichtung eine digitale Karte bereitstellen, welche neben der genauen Position einer von dem Fahrzeug zu folgenden Fahrspur auch Angaben zu den Fahrzeugen in der Umgebung umfasst. Des Weiteren kennt die zentrale Einrichtung insbesondere auch die genaue Position desjenigen Fahrzeugs, dem die jeweilige Steuerungs- und/oder Navigationseinrichtung zugeordnet ist. Das heißt, das jeweilige Fahrzeug kann sich in der von der zentralen Einrichtung zur Verfügung gestellten digitalen Karte genau verorten und seine Position genau bestimmen.
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Da die zentrale Einrichtung über hochgenaue Daten zu sämtlichen Fahrzeugen auf der Verkehrsfläche verfügt, ist die zentrale Einrichtung auch in der Lage, Navigationsanweisungen für sämtliche Fahrzeuge zu generieren, die einen autonomen Betrieb aller Fahrzeuge oder einer Untermenge der Fahrzeuge gewäh rleistet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine autarke Sensoreinrichtung bereitzustellen, welche zur Verwendung mit dem beschriebenen System eingerichtet ist. Daher gelten im Rahmen des Systems beschriebene Merkmale entsprechend für die autarke Sensoreinrichtung und umgekehrt gelten im Rahmen der autarken Sensoreinrichtung beschriebene Merkmale für das System.
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Die autarke Sensoreinrichtung verfügt über mindestens einen Sensor zum Erkennen von Fahrzeugen in der Nähe der autarken Sensoreinrichtung, eine Kommunikationseinrichtung und mindestens eine Energiequelle.
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Je nach Art und Ausgestaltung des mindestens einen Detektors der autarken Sensoreinrichtung kann diese Sensoreinrichtung entweder lediglich die Anwesenheit eines Fahrzeugs in der Nähe erkennen oder zusätzliche Angaben erfassen, wie beispielsweise die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und der Sensoreinrichtung, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder die Art oder Größe des Fahrzeugs.
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In einer Ausführungsform der autarken Sensoreinrichtung ist diese derart eingerichtet, dass bei Abwesenheit eines Fahrzeugs ein Schlafmodus aktiv wird, in dem ein Energieverbrauch der autarken Sensoreinrichtung minimiert ist. Nähert sich ein Fahrzeug, was beispielsweise über das Erkennen von Vibration erfolgen kann, wird die autarke Sensoreinrichtung in einen Betriebsmodus versetzt. Die Detektoren der autarken Sensoreinrichtung messen dann die Entfernung zum Fahrzeug und übertragen die Messdaten an die zentrale Einrichtung. Verlässt das Fahrzeug die Reichweite des Detektors wieder, wird die Sensoreinrichtung wieder in den Schlafmodus versetzt, in dem der Energieverbrauch minimiert ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine zentrale Einrichtung bereitzustellen, welche zur Verwendung mit dem System eingerichtet ist. Entsprechend gelten im Rahmen des Systems beschriebene Merkmale für die zentrale Einrichtung und umgekehrt gelten im Rahmen der zentralen Einrichtung beschriebene Merkmale für das System.
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Bei der zentralen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine Computereinrichtung, wie beispielsweise eine Server- oder Cloud-Computing-Einrichtung handeln, welche zusätzlich über Mittel verfügt, um Daten der autarken Sensoreinrichtungen zu empfangen.
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Um verschiedene Dienstleistungen zu realisieren, wie beispielsweise eine digitale Karte zum Navigieren bereitzustellen, kann beispielsweise auch eine Verbindung zum Internet vorgesehen sein, so dass Fahrzeuge und Navigationssysteme eine digitale Karte über das Internet abrufen können.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die zentrale Einrichtung Routeninformationen für autonome Fahrzeuge generiert und Steueranweisungen zum Folgen dieser Route über eine drahtlose Kommunikationseinrichtung an autonome Fahrzeuge übermittelt.
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Entsprechend wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei eines der beschriebenen Systeme verwendet wird und dem autonomen Fahrzeug eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, welche von dem System Angaben zu Fahrzeugen in der Umgebung der zentralen Einrichtung und/oder Steueranweisungen erhält.
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Bei der Verkehrsfläche, welche im Rahmen des beschriebenen Systems und/oder des beschriebenen Verfahrens verwendet wird, kann es sich um das gesamte Straßennetz oder um einen Teil eines Straßennetzes handeln, welcher mit den vorgeschlagenen autarken Sensoreinrichtungen ausgerüstet ist. Wird das System beziehungsweise das Verfahren für eine Untermenge des Straßennetzes verwendet, kann es sich dabei insbesondere um einen abgeschlossenen Teil handeln, wie beispielsweise alle Verkehrswege auf einem abgeschlossenen Betriebsgelände, einen abgetrennten Parkplatz, ein Parkhaus, eine Tiefgarage oder dergleichen.
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Vorteile der Erfindung
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Die in modernen Fahrzeugen verbauten Assistenzsysteme sowie die zur Führung autonomer Fahrzeuge vorgesehenen Computereinrichtungen benötigen für ihre Funktion präzise und zuverlässige Daten über die Umgebung des Fahrzeugs. Dabei ist insbesondere eine präzise Lokalisierung des eigenen Fahrzeugs erforderlich und eine präzise Lokalisierung sämtlicher anderer Verkehrsteilnehmer in der Umgebung dieses Fahrzeugs. Klassische Lösungen, welche auf Satellitennavigation und/oder an den jeweiligen Fahrzeugen angeordnete Sensoren, wie beispielsweise Ultraschall-, Radar- oder Lidarsensoren, aufbauen, sind hierzu nicht präzise genug und können durch widrige Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Nebel oder Regen, darüber hinaus beeinträchtigt sein. Ebenso sind bekannte infrastrukturbasierte Lösungen, wie beispielsweise in einem Laternenmast angeordnete Radar-, Lidar- oder Ultraschallsensoren von widrigen Umgebungsbedingungen betroffen und können nicht unter allen Umständen zuverlässige Daten liefern.
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Mit dem vorgeschlagenen System wird hingegen ein umfassender Ansatz bereitgestellt, welcher geeignet ist, sämtliche Fahrzeuge auf einer Verkehrsfläche genau zu lokalisieren sowie deren Geschwindigkeit und Fahrtrichtung zu bestimmen. Hierdurch wird das Verkehrsgeschehen vollständig abgebildet und kann insbesondere zur Führung autonomer Fahrzeuge verwendet werden. Des Weiteren kann eine präzise Lokalisierung der jeweiligen Fahrzeuge bereitgestellt werden.
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Das vorgeschlagene System ist modular aufgebaut und kann durch das Vorsehen weiterer Sensoren, Unterstationen und Zwischenstationen immer weiter ausgebaut werden.
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Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Sensoreinrichtungen autark ausgestaltet sind, so dass insbesondere keine Erdarbeiten erforderlich sind, um Kabel für die Energieversorgung und Kommunikation zu verlegen.
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Die Erfindung stellt somit ein externes und von sämtlichen beteiligten Fahrzeugen unabhängiges System bereit, mit dem Angaben zu Fahrzeugen auf einer Verkehrsfläche ermittelt und bevorzugt auch an die jeweiligen Verkehrsteilnehmer verteilt werden können.
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Die Erfindung kann insbesondere in Verbindung mit autonomen Fahrzeugen verwendet werden, welche auf diese Weise in einer definierten Umgebung eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, bei einer mehrspurigen Straße nur eine der Fahrspuren mit dem vorgeschlagenen System auszurüsten. Diese Fahrspur könnte dann für autonome Fahrzeuge vorgesehen werden, so dass kein vollumfänglicher Ausbau aller Fahrspuren erforderlich ist.
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Die Erfindung weist zudem den Vorteil auf, dass vorhandene Fahrzeuge einfach zu autonomen Fahrzeugen aufgerüstet werden können, da Informationen zu anderen Verkehrsteilnehmern von dem vorgeschlagenen System bereitgestellt werden und die autonomen Fahrzeuge selbst keine vollumfängliche eigene Sensorik benötigen. Da keine oder nur wenige Sensoren nachgerüstet werden müssen, wird das Nachrüsten einer autonomen Fahrfunktion erheblich vereinfacht.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Systems umfassend eine Vielzahl von autarken Sensoreinrichtungen und eine zentrale Einrichtung,
- 2 das Überfahren von autarken Sensoreinrichtungen durch ein Fahrzeug,
- 3 eine schematische Darstellung einer autarken Sensoreinrichtung,
- 4 eine schematische Darstellung einer alternativen autarken Sensoreinrichtung,
- 5 und 6die laterale Anordnung von autarken Sensoreinrichtungen und
- 7 die Anwendung des Systems beim Führen von Fahrzeugen in komplexen Verkehrssituationen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Übersicht eines Systems 1 zum Bereitstellen von Angaben zu Fahrzeugen 14 auf einer Verkehrsfläche 10. Bei der in der 1 dargestellten Verkehrsfläche 10 handelt es sich um eine Straße mit zwei Fahrspuren 12. Auf den beiden Fahrspuren 12 sind jeweils Fahrzeuge 14 unterwegs, welche sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
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Für eine präzise Bestimmung der Position sowie der Fahrtrichtung und Geschwindigkeit ist bei dem System 1 vorgesehen, eine Vielzahl von autarken Sensoreinrichtungen 100 in der Verkehrsfläche 10 anzuordnen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei jeder der beiden Fahrspuren 12 autarke Sensoreinrichtungen 100 zugeordnet, wobei innerhalb einer der Fahrspuren 12 die autarken Sensoreinrichtungen 100 wie an einer Perlenkette aufgereiht angeordnet sind. Bewegt sich, wie in 1 dargestellt, ein Fahrzeug 14 entlang einer der Fahrspuren 12, so überfährt das Fahrzeug 14 nacheinander die einzelnen autarken Sensoreinrichtungen 100.
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Jede der autarken Sensoreinrichtungen 100 ist eingerichtet, die Anwesenheit eines Fahrzeugs 14 zu erkennen. Erkennt eine der autarken Sensoreinrichtungen 100 die Anwesenheit eines Fahrzeugs 14, so wird ein Signal generiert, um eine zentrale Einrichtung 200 über die Anwesenheit des Fahrzeugs 14 zu unterrichten.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das System 1 ein modulares Kommunikationsnetzwerk zur Verbindung der einzelnen autarken Sensoreinrichtungen 100 und der zentralen Einrichtung 200. Dieses Kommunikationsnetzwerk umfasst eine Vielzahl von Unterstationen 210 sowie Zwischenstationen 220, wobei in der schematischen Darstellung der 1 zwei Unterstationen 210 sowie eine Zwischenstation 220 eingezeichnet sind. Die Unterstationen 210 sind dabei eingerichtet, Signale der autarken Sensoreinrichtungen 100 innerhalb ihrer Umgebung aufzufangen und an die Zwischenstation 220 weiterzuleiten. Die Zwischenstation 220 wiederum leitet die Signale an die zentrale Einrichtung 200 weiter. Dabei kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass innerhalb der Zwischenstation 220 eine Vorverarbeitung der Daten stattfindet, so dass nicht sämtliche Berechnungen innerhalb der zentralen Einrichtung 200 ausgeführt werden müssen.
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Die zentrale Einrichtung 200 verfügt über sämtliche Daten aller autarken Sensoreinrichtungen 100 und kann insbesondere aus der Reihenfolge und dem Zeitpunkt der Aktivierung einzelner der autarken Sensoreinrichtungen 100 schließen, wo sich Fahrzeuge 14 befinden, in welche Richtung sich diese bewegen und wie schnell sich diese bewegen. Somit kann die zentrale Einrichtung 200 insbesondere eine digitale Karte erstellen, welche Angaben zu den Fahrspuren 12 sowie sämtlichen Fahrzeugen 14 umfasst. Eine solche Angabe zu einem Fahrzeug 14 kann beispielsweise in Form einer Trajektorie 18 ausgeführt sein, welche angibt, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich das Fahrzeug 14 ausgehend von einem Referenzpunkt 16 bewegt. Der Referenzpunkt 16 entspricht dabei der aktuellen Position des jeweiligen Fahrzeugs 14.
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Die von der zentralen Einrichtung 200 erstellten Angaben können insbesondere an die Fahrzeuge 14 gesendet werden, so dass diese bei der Navigation über die Verkehrsfläche 10 präzise Angaben über ihre eigene Position sowie sämtliche Positionen, Fahrtrichtungen und Geschwindigkeiten aller anderen Fahrzeuge 14 erhalten.
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2 zeigt schematisch von der Seite die Überfahrt von autarken Sensoreinrichtungen 100 durch ein Fahrzeug 14. In der 2 ist ein Ausschnitt einer Verkehrsfläche 10 gezeigt, wobei in eine Straßenoberfläche 11 eine autarke Sensoreinrichtung 100 sowie eine weitere autarke Sensoreinrichtung 100' eingelassen sind. Die autarke Sensoreinrichtung 100 sowie die weitere autarke Sensoreinrichtung 100' schließen dabei bündig mit der Oberfläche der Verkehrsfläche 10 ab.
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In der in 2 dargestellten Situation befindet sich das Fahrzeug 14 über der autarken Sensoreinrichtung 100 und bewegt sich entlang der Trajektorie 18 auf die weitere autarke Sensoreinrichtung 100' zu. Das Fahrzeug 14 befindet sich dabei im Einflussbereich der beiden Sensoreinrichtungen 100, 100' und wird somit von beiden Sensoreinrichtungen 100, 100' erkannt, so dass auch beide Sensoreinrichtungen 100, 100' ein entsprechendes Signal an die zentrale Einrichtung 200, vgl. 1, senden.
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Je nach konkreter Ausgestaltung einer autarken Sensoreinrichtung 100 kann das Signal eine einfache Angabe darüber umfassen, dass sich ein Fahrzeug 14 gerade über der Sensoreinrichtung 100 befindet, oder es kann eine Angabe enthalten sein, wie weit das Fahrzeug 14 von der jeweiligen Sensoreinrichtung 100, 100' entfernt ist.
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In 3 ist schematisch der Aufbau einer autarken Sensoreinrichtung 100 dargestellt. Die autarke Sensoreinrichtung 100 ist dabei in die Oberfläche einer Verkehrsfläche 10 eingelassen und schließt mit der Straßenoberfläche 11 bündig ab. Die Sensoreinrichtung 100 umfasst eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Abläufe, die insbesondere als Mikrocontroller 105 ausgeführt sein kann, eine Kommunikationseinrichtung 104, welche mit einer Antenne 102 und der Steuereinrichtung verbunden ist, eine Energiequelle 108, einen Energiespeicher 106 sowie einen Detektor 110. Die Energiequelle 108 ist beispielsweise als Solarzelle 109 ausgestaltet und in diesem Ausführungsbeispiel daher an der Straßenoberfläche 11 angeordnet. Der Energiespeicher 106 ist beispielsweise als eine Batterie 101 beziehungsweise als ein Akkumulator 107 ausgestaltet und speichert die Energie der Solarzelle 109. Der Detektor 110 ist in dem dargestellten Beispiel der 3 als ein piezoelektrischer Wandler 111 ausgestaltet, welcher Vibrationen in elektrische Signale umwandelt.
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Die Solarzelle 109 kann neben ihrer Funktion als Energiequelle 108 auch eine Angabe dahingehend liefern, ob sich ein Fahrzeug 14, vgl. 2, direkt oberhalb der autarken Sensoreinrichtung 100 befindet. Fährt ein Fahrzeug 14 über die autarke Sensoreinrichtung 100, so blockiert dieses Fahrzeug 14 vorübergehend die Sonneneinstrahlung, was über die Solarzelle 109 erkannt und an die Steuereinrichtung beziehungsweise den Mikrocontroller 105 übermittelt werden kann.
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Gleichermaßen kann der Detektor 110, welcher als piezoelektrischer Wandler 111 ausgestaltet ist, neben seiner Funktion als Sensor für die Vibrationen auch als Energiequelle 108 dienen, wobei aus Vibrationen Energie gewonnen wird und in den Energiespeicher 106 eingeleitet werden kann.
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In 4 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer autarken Sensoreinrichtung 100 dargestellt, welche in einer Verkehrsfläche 10 bündig mit der Straßenoberfläche 11 angeordnet ist. Die autarke Sensoreinrichtung 100 verfügt hierbei über eine Induktionsspule 112, welche sowohl als Energiequelle 108 als auch als Detektor 110 dient. Fahrzeuge 14 sind entsprechend mit einer Erregerspule 120 ausgerüstet. Fährt ein derartig ausgerüstetes Fahrzeug 14 über die autarke Sensoreinrichtung 100, so gerät die Induktionsspule 112 in das magnetische Wechselfeld, welches von der Erregerspule 120 erzeugt wird. Hierdurch wird die autarke Sensoreinrichtung 100 mit Energie versorgt und erhält gleichzeitig ein Signal über die Anwesenheit des Fahrzeugs 14, so dass die autarke Sensoreinrichtung 100 die zentrale Einrichtung 200, vgl. 1, über die Anwesenheit des Fahrzeugs 14 benachrichtigen kann. Aus der Stärke des Magnetfelds, welches über die Induktionsspule 112 gemessen wird, kann darüber hinaus eine Angabe über die Entfernung zwischen dem Fahrzeug 14 und der autarken Sensoreinrichtung 100 gewonnen werden, welche ebenfalls an die zentrale Einrichtung 200 übertragen werden kann.
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In den 5 und 6 ist eine Anordnung der autarken Sensoreinrichtung 100 dargestellt, welche geeignet ist, die Position von Fahrzeugen 14 sowohl hinsichtlich einer longitudinalen Position und hinsichtlich einer lateralen Position relativ zu einer Fahrspur 12 zu erkennen.
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5 zeigt dabei die Anordnung von autarken Sensoreinrichtungen 100 von der Seite, wobei zwei Fahrspuren 12, 12' erkennbar sind. Jeder der Fahrspuren 12, 12' sind dabei zwei Sensoreinrichtungen 100 zugeordnet. In der Darstellung der 5 befindet sich ein Fahrzeug 14 auf einer weiteren Fahrspur 12', wobei das Fahrzeug 14 sich ganz in der Nähe einer autarken Sensoreinrichtung 100 und oberhalb einer weiteren Sensoreinrichtung 100' befindet. Entsprechend generieren die Sensoreinrichtungen 100, 100' entsprechende Signale, welche an die zentrale Einrichtung 200, vgl. 1, gesendet werden und aussagen, dass sich das Fahrzeug 14 in einer gewissen Entfernung zu der autarken Sensoreinrichtung 100 befindet und direkt oberhalb der weiteren Sensoreinrichtung 100'. Anhand dieser beiden Angaben kann dann die zentrale Einrichtung 200 die Ausrichtung des Fahrzeugs 14 auf der weiteren Fahrspur 12' hinsichtlich einer lateralen Position auf der weiteren Fahrspur 12' bestimmen.
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6 zeigt eine Anordnung der Sensoreinrichtungen 100 zum Bestimmen der lateralen Ausrichtung eines Fahrzeugs 14 mit Bezug zu einer Fahrspur 12 in einer Ansicht von oben. Deutlich ist zu erkennen, dass einer Fahrspur 12 sowie einer weiteren Fahrspur 12' jeweils autarke Sensoreinrichtungen 100 zugeordnet sind, wobei diese jeweils entlang zweier Linien ausgerichtet sind. Dabei ergibt sich eine alternierende Anordnung, bei der jeweils zwei einer Fahrspur 12 zugeordneten und benachbart zueinander angeordneten Sensoreinrichtungen 100 mit Bezug zu der jeweiligen Fahrspur 12 versetzt angeordnet sind.
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Auf diese Weise kann die zentrale Einrichtung 200, vgl. 1, sowohl eine laterale als auch eine longitudinale Position des Fahrzeugs 14 mit Bezug zu einer Fahrspur 12, 12' bestimmen.
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7 zeigt eine komplexe Verkehrssituation in Form einer Kreuzung ohne regelnde Lichtzeichen oder Verkehrszeichen. Entsprechend besteht die Verkehrsfläche 10 aus zwei sich kreuzenden Straßen mit jeweils zwei Fahrspuren 12, welche entgegengesetzte Fahrtrichtungen aufweisen.
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In sämtlichen Fahrspuren 12 der Verkehrsfläche 10 sind erfindungsgemäß autarke Sensoreinrichtungen 100 angeordnet, welche es dem System 1 erlauben, die Position, Richtung und Geschwindigkeit sämtlicher Fahrzeuge 14 exakt zu bestimmen. Dabei wird wie in 7 skizziert zu jedem Fahrzeug 14 eine Position sowie eine Trajektorie 18 bestimmt, welche Fahrtrichtung und Geschwindigkeit kennzeichnet.
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Um einen autonomen Betrieb der Fahrzeuge 14 zu ermöglichen, umfassen in dem in 7 dargestellten Beispiel sämtliche der Fahrzeuge 14 eine Steuerungseinrichtung 300, welche mit dem System 1 in Verbindung steht, und insbesondere eingerichtet ist, Anweisungen von der zentralen Einrichtung 200, vgl. 1, zu empfangen. Da der zentralen Einrichtung 200 sämtliche Angaben zu allen Verkehrsteilnehmern zur Verfügung stehen, kann diese die Verkehrssituation erkennen und die Fahrzeuge 14 entsprechend der Verkehrsregeln führen, so dass jedes der Fahrzeuge 14 effizient zu seinem Zielort geleitet wird und Kollisionen vermieden werden.
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Alternativ zu einer Führung der Fahrzeuge 14 durch Steueranweisungen an eine Steuerungseinrichtung 300 können die Informationen der zentralen Einrichtung 200 beispielsweise auch für eine intelligente Ampelsteuerung verwendet werden, welche die Ampeln entsprechend der tatsächlichen Verkehrssituation optimal regelt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015202788 A1 [0003]
- DE 102016211099 A1 [0004]
- EP 1816623 A1 [0005]
- EP 2082386 B1 [0006]