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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Fahrassistenzsystem zum automatisierten Fahren, ein Fahrzeug mit einem solchen Fahrassistenzsystem, ein Fahrassistenzverfahren zum automatisierten Fahren, und ein Speichermedium zum Ausführen des Fahrassistenzverfahrens. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Kommunikationsschnittstelle zwischen einer Trajektorienplanung und einem Fahrdynamik-Regelsystem beim automatisierten Fahren eines Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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Fahrassistenzsysteme zum automatisierten Fahren gewinnen stetig an Bedeutung. Das automatisierte Fahren kann mit verschiedenen Automatisierungsgraden erfolgen. Beispielhafte Automatisierungsgrade sind ein assistiertes, teilautomatisiertes, hochautomatisiertes oder vollautomatisiertes Fahren. Diese Automatisierungsgrade wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) definiert (siehe BASt-Publikation „Forschung kompakt“, Ausgabe 11/2012). Beispielsweise sind die Fahrzeuge mit Level 4 vollautonom im Stadtbetrieb unterwegs.
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Die notwendige Redundanz der für das automatisierte Fahren relevanten Wirkketten wird durch eine Aufdoppelung sämtlicher beteiligter Aktoren, Sensoren und Steuergeräte erreicht. Insbesondere wird zwischen einer Hauptebene und einer Rückfallebene unterschieden. Im fehlerfreien Betrieb wird die Hauptebene für das Fahren verwendet.
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Die Fehlerreaktion eines Elements der Wirkketten ist immer die Einnahme des sicheren Zustands, was in der Regel das passive Verhalten bzw. das Abschalten des Elements bedeutet. Tritt ein Kardinalfehler (Ausfall) eines Elements auf, dann befindet sich das Gesamtsystem im Notbetrieb. Welche Wirkkette der Haupt- oder Rückfallebene in Betrieb bleibt, wird über einen auf alle beteiligten Steuergeräte verteilten Arbitrierungsalgorithmus dynamisch bestimmt.
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Durch den verteilten Arbitrierungsalgorithmus wird eine hohe Komplexität im Gesamtsystem durch eine logische n-mal-n Verknüpfung aller beteiligten Steuergeräte erzeugt. Das führt unter anderem dazu, dass immer eine digitale Umschaltung zwischen den Wirkketten mitsamt allen ihnen zugeordneten Elementen (Steuergeräten) erfolgt. Zudem ist die Testbarkeit des Umschaltmechanismus nur im komplexen Gesamtsystem möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Fahrassistenzsystem zum automatisierten Fahren, ein Fahrzeug mit einem solchen Fahrassistenzsystem, ein Fahrassistenzverfahren zum automatisierten Fahren, und ein Speichermedium zum Ausführen des Fahrassistenzverfahrens anzugeben, die eine Komplexität eines Fahrassistenzsystems verringern können. Insbesondere ist es eine Ausgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Komplexität eines Fahrassistenzsystems zu verringern, bei gleichzeitiger Beibehaltung einer Sicherheit des Fahrassistenzsystems.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrassistenzsystem zum automatisierten Fahren eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, angegeben. Das Fahrassistenzsystem umfasst ein erstes Modul, das eine Trajektorienplanung für das automatisierte Fahren bereitstellt; und ein zweites Modul, das eine Fahren-Domäne bereitstellt, wobei das zweite Modul eingerichtet ist, um einen Potentialvektor zur Beschreibung eines Fahrzeugpotentials an das erste Modul auszugeben, wobei der Potentialvektor einen Sicherheitszustandsparameter umfasst.
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Erfindungsgemäß wird der Potentialvektor zur Beschreibung der Fähigkeiten der Fahren-Domäne um die Dimension des Sicherheitszustands erweitert. Dadurch erhält die Trajektorienplanung Informationen über den Sicherheitszustand und die momentane Fähigkeit des Fahrzeugs, ohne sich konkret um die Details kümmern zu müssen. Das bedeutet insbesondere, dass die Trajektorienplanung informiert wird, ob sich beispielsweise die Domäne Fahrdynamik und Antrieb im Notbetrieb befindet. Ist ein Element der Redundanz ausgefallen, kann unter Kenntnis der verbliebenen Fähigkeiten entsprechend reagiert werden, beispielsweise durch Einleiten eines Nothaltemanövers.
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Die Einführung des Sicherheitszustands im Potentialvektor ermöglicht zudem eine Kapselung eines Teilsystems (Fahrdynamik, Antrieb) in Bezug auf die Wirkkettenarbitrierung. Durch die Kenntnis von [Sicherheitszustand, Fähigkeit] muss sich die steuernde Einheit der Trajektorienplanung nicht mehr um die Umsetzung des Fahrwunsches kümmern. Dies wird allein in der Domäne entschieden. Der Fahrwunsch kann unabhängig von der Zugehörigkeit der Aktorik zu Haupt- oder Rückfallebene umgesetzt werden. Dies erhöht die zur Verfügung stehende Performance bei gleichzeitiger Reduktion der Komplexität. Zudem ist der Sicherheitszustand im Teilsystem testbar.
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Das erste Modul und das zweite Modul können in einem gemeinsamen Software- und/oder Hardware-Modul realisiert sein. Alternativ dazu können das erste Modul und das zweite Modul jeweils in getrennten Software- und/oder Hardware-Modulen realisiert sein.
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Vorzugsweise gibt der Sicherheitszustandsparameter einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand an. Der erste Zustand kann ein Normalbetrieb der Fahren-Domäne sein. Der zweite Zustand kann ein Notfallbetrieb der Fahren-Domäne. Der Notfallbetrieb tritt zum Beispiel auf, wenn ein Element der Hauptebene ausfällt.
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Vorzugsweise umfasst der Potentialvektor eine Vielzahl von Fähigkeiten der Fahren-Domäne. Jeder Fähigkeit der Vielzahl von Fähigkeiten kann ein entsprechender Sicherheitszustandsparameter zugeordnet sein. Beispielsweise kann die Vielzahl von Fähigkeiten Fahrregelsysteme und/oder eine Lenkung und/oder eine Betriebsbremse und/oder eine Parkbremse und/oder Vertikaldynamiksysteme und/oder Antriebssysteme und/oder eine Rekuperation betreffen.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, angegeben. Das Fahrzeug umfasst das Fahrassistenzsystem zum automatisierten Fahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Der Begriff Fahrzeug umfasst PKW, LKW, Busse, Wohnmobile, Krafträder, etc., die der Beförderung von Personen, Gütern, etc. dienen. Insbesondere umfasst der Begriff Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung.
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Unter dem Begriff „automatisiertes Fahren“ kann im Rahmen des Dokuments ein Fahren mit automatisierter Längs- oder Querführung oder ein autonomes Fahren mit automatisierter Längs- und Querführung verstanden werden. Bei dem automatisierten Fahren kann es sich beispielsweise um ein zeitlich längeres Fahren auf der Autobahn oder um ein zeitlich begrenztes Fahren im Rahmen des Einparkens oder Rangierens handeln. Der Begriff „automatisiertes Fahren“ umfasst ein automatisiertes Fahren mit einem beliebigen Automatisierungsgrad. Beispielhafte Automatisierungsgrade sind ein assistiertes, teilautomatisiertes, hochautomatisiertes oder vollautomatisiertes Fahren. Diese Automatisierungsgrade wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) definiert (siehe BASt-Publikation „Forschung kompakt“, Ausgabe 11/2012).
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Beim assistierten Fahren führt der Fahrer dauerhaft die Längs- oder Querführung aus, während das System die jeweils andere Funktion in gewissen Grenzen übernimmt. Beim teilautomatisierten Fahren (TAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum und/oder in spezifischen Situationen, wobei der Fahrer das System wie beim assistierten Fahren dauerhaft überwachen muss. Beim hochautomatisierten Fahren (HAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum, ohne dass der Fahrer das System dauerhaft überwachen muss; der Fahrer muss aber in einer gewissen Zeit in der Lage sein, die Fahrzeugführung zu übernehmen. Beim vollautomatisierten Fahren (VAF) kann das System für einen spezifischen Anwendungsfall das Fahren in allen Situationen automatisch bewältigen; für diesen Anwendungsfall ist kein Fahrer mehr erforderlich.
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Die vorstehend genannten vier Automatisierungsgrade entsprechen den SAE-Level 1 bis 4 der Norm SAE J3016 (SAE - Society of Automotive Engineering). Beispielsweise entspricht das hochautomatisierte Fahren (HAF) Level 3 der Norm SAE J3016. Ferner ist in der SAE J3016 noch der SAE-Level 5 als höchster Automatisierungsgrad vorgesehen, der in der Definition der BASt nicht enthalten ist. Der SAE-Level 5 entspricht einem fahrerlosen Fahren, bei dem das System während der ganzen Fahrt alle Situationen wie ein menschlicher Fahrer automatisch bewältigen kann; ein Fahrer ist generell nicht mehr erforderlich.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrassistenzverfahren zum automatisierten Fahren eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, angegeben. Das Fahrassistenzverfahren umfasst ein Ausgeben, durch eine Fahren-Domäne, eines Potentialvektors zur Beschreibung eines Fahrzeugpotentials an eine Trajektorienplanung, wobei der Potentialvektor einen Sicherheitszustandsparameter umfasst; und ein Durchführen einer Trajektorienplanung für das automatisierte Fahren unter Verwendung des Potentialvektors.
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Das Fahrassistenzverfahren kann die Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Fahrassistenzsystems implementieren.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Software (SW) Programm angegeben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Fahrassistenzverfahren zum automatisierten Fahren eines Fahrzeugs auszuführen.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Speichermedium angegeben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Fahrassistenzverfahren zum automatisierten Fahren eines Fahrzeugs auszuführen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Fahrzeug mit einem Fahrassistenzsystem zum automatisierten Fahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 2 eine Gesamtarchitektur eines Fahrassistenzsystems mit Hauptebene und Rückfallebene,
- 3 eine Architektur eines Fahrassistenzsystems zum automatisierten Fahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
- 4 ein Flussdiagram eines Fahrassistenzverfahrens zum automatisierten Fahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Ausführungsformen der Offenbarung
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Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 10 mit einem Fahrassistenzsystem 100 zum automatisierten Fahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Das Fahrzeug 10 umfasst das Fahrassistenzsystem 100 zum automatisierten Fahren. Beim automatisierten Fahren erfolgt die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs 10 automatisch. Das Fahrassistenzsystem 100 übernimmt also die Fahrzeugführung. Hierzu steuert das Fahrassistenzsystem 100 den Antrieb 20, das Getriebe 22, die (z.B. hydraulische) Betriebsbremse 24 und die Lenkung 26 über nicht dargestellte Zwischeneinheiten.
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Zur Planung und Durchführung des automatisierten Fahrens werden Umfeldinformationen einer Umfeldsensorik, die das Fahrzeugumfeld beobachtet, vom Fahrerassistenzsystem 100 entgegengenommen. Insbesondere kann das Fahrzeug wenigstens einen Umgebungssensor 12 umfassen, der zur Aufnahme von Umgebungsdaten, die das Fahrzeugumfeld angeben, eingerichtet ist. Der wenigstens eine Umgebungssensor 12 kann beispielsweise ein oder mehrere LiDAR-Systeme, ein oder mehrere Radar-Systeme und/oder eine oder mehrere Kameras umfassen.
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2 zeigt eine Gesamtarchitektur eines Fahrassistenzsystems mit Hauptebene und Rückfallebene.
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Eine Redundanz der für das automatisierte Fahren relevanten Wirkketten wird durch eine Aufdoppelung sämtlicher beteiligter Aktoren, Sensoren und Steuergeräte erreicht, wobei zwischen einer Hauptwirkkette und einer Rückfallebene unterschieden wird. Eine Wirkkette besteht im Allgemeinen aus der Umweltsensorik mit dem Steuergerät, das auch die Trajektorienplanung rechnet, einer Lenkaktorik, einer Bremseinheit sowie einer der Wirkkette zugeordneten Energieversorgung. Die Wirkkette der Rückfallebene ist im Allgemeinen geringer leistungsfähig als die Hauptebene.
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Im fehlerfreien Betrieb wird die Hauptwirkkette für das Fahren verwendet. Die Fehlerreaktion eines Elements der Wirkketten ist dabei die Einnahme des sicheren Zustands, was in der Regel das passive Verhalten bzw. das Abschalten des Elements bedeutet. Tritt ein Kardinalfehler (Ausfall) eines Elements auf, dann befindet sich das Gesamtsystem im Notbetrieb. Welche Wirkkette der Haupt- oder Rückfallebene in Betrieb bleibt, wird herkömmlicherweise über einen auf alle beteiligten Steuergeräte verteilten Arbitrierungsalgorithmus dynamisch bestimmt.
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Durch den verteilten Arbitrierungsalgorithmus wird eine hohe Komplexität im Gesamtsystem durch eine logische n-mal-n Verknüpfung aller beteiligten Steuergeräte erzeugt. Das führt insbesondere dazu, dass meist eine digitale Umschaltung zwischen den Wirkketten mitsamt allen ihnen zugeordneten Elementen (Steuergeräten) geschieht. Zudem ist die Testbarkeit des Umschaltmechanismus nur im komplexen Gesamtsystem möglich.
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3 zeigt eine Architektur eines Fahrassistenzsystems 300 zum automatisierten Fahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung
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Das Fahrassistenzsystem 300 umfasst ein erstes Modul 310, das eine Trajektorienplanung für das automatisierte Fahren bereitstellt; und ein zweites Modul 320, das eine Fahren-Domäne bereitstellt, wobei das zweite Modul 320 eingerichtet ist, um einen Potentialvektor zur Beschreibung von Fahrregelsystemen an das erste Modul auszugeben, und wobei der Potentialvektor einen Sicherheitszustandsparameter umfasst.
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Das erste Modul 310 und das zweite Modul 320 können über wenigstens eine Schnittstelle verbunden sein, wie zum Beispiel ein Gateway 330.
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Das erste Modul 310 und das zweite Modul 320 können in einem gemeinsamen Software- und/oder Hardware-Modul realisiert sein. Alternativ dazu können das erste Modul und das zweite Modul jeweils in getrennten Software- und/oder Hardware-Modulen (nicht gezeigt) realisiert sein.
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Das erste Modul 310 führt eine Trajektorienplanung basierend auf einer Sensorfusion (d.h. eine Fusion von Sensordaten der Umgebungssensorik), einem Umfeldmodell und dem Potentialvektor durch. Insbesondere ist für die Trajektorienplanung eine Kenntnis des Potentials der Fahrregelsysteme notwendig, damit die Anforderung an geplante Manöver die momentanen Fähigkeiten des Fahrzeugs nicht übersteigt.
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Der Potentialvektor zur Beschreibung der Fähigkeiten der Fahrregelsysteme, Lenkung, Betriebs- und Parkbremse, Vertikaldynamiksysteme sowie der Antriebssysteme inklusive der Rekuperation (Verzögerung) ist gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung um die Dimension des Sicherheitszustands erweitert.
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Die Größe Sicherheitszustand umfasst dabei wenigstens zwei Zustände: Normalbetrieb und Notfallbetrieb. Gegebenenfalls sind noch weitere Zustände vorhanden, beispielsweise für die Abbildung des Aufstartverhaltens. Dadurch erhält die Trajektorienplanung Informationen über den Sicherheitszustand und die momentane Fähigkeit des Fahrzeugs, ohne sich konkret um die Details kümmern zu müssen.
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3 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines Fahrassistenzverfahrens 400 zum automatisierten Fahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Fahrassistenzverfahren 400 kann durch eine entsprechende Software implementiert werden, die durch einen oder mehrere Prozessoren (z.B. eine CPU) ausführbar ist.
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Das Fahrassistenzverfahren umfasst im Block 410 ein Ausgeben, durch eine Fahren-Domäne, eines Potentialvektors zur Beschreibung von Fahrregelsystemen an eine Trajektorienplanung, wobei der Potentialvektor einen Sicherheitszustandsparameter umfasst; und im Block 420 ein Durchführen einer Trajektorienplanung für das automatisierte Fahren unter Verwendung des Potentialvektors.
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Das Fahrassistenzverfahren kann die Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Fahrassistenzsystems implementieren.
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Erfindungsgemäß wird der Potentialvektor zur Beschreibung der Fähigkeiten der Fahren-Domäne um die Dimension des Sicherheitszustands erweitert. Dadurch erhält die Trajektorienplanung Informationen über den Sicherheitszustand und die momentane Fähigkeit des Fahrzeugs, ohne sich konkret um die Details kümmern zu müssen. Das bedeutet insbesondere, dass die Trajektorienplanung informiert wird, ob sich beispielsweise die Domäne Fahrdynamik und Antrieb im Notbetrieb befindet. Ist ein Element der Redundanz ausgefallen, kann unter Kenntnis der verbliebenen Fähigkeiten entsprechend reagiert werden, beispielsweise durch Einleiten eines Nothaltemanövers.
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Die Einführung des Sicherheitszustands im Potentialvektor ermöglicht zudem eine Kapselung eines Teilsystems (Fahrdynamik, Antrieb) in Bezug auf die Wirkkettenarbitrierung. Durch die Kenntnis von [Sicherheitszustand, Fähigkeit] muss sich die steuernde Einheit der Trajektorienplanung nicht mehr um die Umsetzung des Fahrwunsches kümmern. Dies wird allein in der Domäne entschieden. Der Fahrwunsch kann unabhängig von der Zugehörigkeit der Aktorik zu Haupt- oder Rückfallebene umgesetzt werden. Dies erhöht die zur Verfügung stehende Performance bei gleichzeitiger Reduktion der Komplexität. Zudem ist der Sicherheitszustand im Teilsystem testbar.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
