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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet autonom fahrender Fahrzeuge, insbesondere autonom fahrender Shuttles zur Personenbeförderung.
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Heutige Fahrzeuge weisen eine Vielzahl von Sicherheitssystemen auf, um Fahrzeug, Insassen und Umgebung zu schützen. Ein solches System ist z.B. ein Notbremssystem, das zur Kollisionsabsicherung dient, also dazu, Kollisionen mit vorausliegenden, im Fahrbereich des eigenen Fahrzeugs befindlichen Objekten zu vermeiden.
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Solche Systeme schauen z.B. direkt vor das Fahrzeug nach Kollisionen, z.B. die sogenannten City-Notbremsassistenten. Dies führt zu sehr konservativen Annahmen, da nicht bekannt ist, wo das Fahrzeug als nächstes hinfahren wird. Das hat zur Folge, dass einige Probleme nicht behandelt werden können oder die Reichweite stark eingeschränkt werden muss, was zu niedrigeren Einsatzgeschwindigkeiten, niedrigen Verfügbarkeiten und geringer Zuverlässigkeit (häufiges, unnötiges Stehenbleiben) führt. Dabei können bereits ein geparktes Fahrzeug, ein Leitpfosten oder ein Baum fälschlich als drohende Kollision erkannt werden. In anderen Fällen werden der aktuell geplante Primärpfad und der Sicherheitspfad ständig auf Kollisionsfreiheit geprüft und gegebenenfalls neue Trajektorien online berechnet. Hierfür ist eine sehr komplexe Schnittstelle zwischen dem Sicherheitspfad und dem Primärpfad nötig, da der aktuelle Pfad (Primärpfad) mit Zeitstempeln etc. übertragen werden muss. Eine Adaption auf andere Fahrzeuge und/oder Hersteller ist nur mit sehr viel Aufwand möglich.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch welches eine zuverlässigere und einfachere Vermeidung von Kollisionen möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Vermeiden einer Kollision von einem autonom fahrenden Fahrzeug mit mindestens einem potentiellen Kollisionsobjekt, umfassend folgende Schritte. In einem ersten Schritt erfolgt ein Bereitstellen eines Fahrspurverlaufs für das Fahrzeug durch eine Fahrplanungsschnittstelle und ein Ermitteln eines sicheren Fahrschlauches, dessen Abmessungen zumindest von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ermitteln eines Sicherheitsbereichs innerhalb des Fahrschlauchs alleine durch fahrzeugeigene Sicherheitssensoren, und ein Überwachen des Sicherheitsbereichs durch die fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren. In einem dritten Schritt erfolgt eine Übergabe des Sicherheitsbereichs an die Fahrplanungsschnittstelle derart, dass im Falle, dass ein Objekt innerhalb des Fahrschlauches erkannt wird, bestimmt wird, ob dieses Objekt bei unverändertem Fahrverhalten in den Sicherheitsbereich eindringen wird. Wenn dies der Fall ist, erfolgt ein Bestimmen, dass eine Kollision bevorsteht und es erfolgt ein Ergreifen einer Sicherheitsmaßahme zur Kollisionsvermeidung.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann ein potentielles Kollisionsobjekt bereits als sicherheitskritisch eingestuft werden, bevor es in den sicherheitskritischen Bereich eindringt. Somit können rechtzeitig, also vorausschauend, Maßnahmen ergriffen werden, um nicht nur eine Kollision zu vermeiden, sondern auch, um eine Notbremsung bis zum Stillstand zu vermeiden.
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In einer Ausführung entspricht die Breite des Sicherheitsbereichs der Breite des Fahrzeugs zuzüglich einem vorgegebenen Sicherheitsabstand zuzüglich einem vorgegebenen geschwindigkeitsabhängigen Anteil.
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In einer Ausführung ist die im dritten Schritt durchgeführte Sicherheitsmaßnahme ein Abbremsen des Fahrzeugs bis zum Erreichen einer Länge und Breite des Fahrschlauches, in dem kein Objekt erkannt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die im dritten Schritt durchgeführte Sicherheitsmaßnahme ein Ausweichen des Fahrzeugs innerhalb der eigenen Fahrspur oder ein Wechseln der Fahrspur in eine benachbarte Fahrspur. Vorteilhaft ist die im dritten Schritt durchgeführte Sicherheitsmaßnahme ein Anhalten des Fahrzeugs, wenn erkannt wird, dass das erfasste Objekt auch trotz Abbremsen oder Ausweichen oder Wechseln der Fahrspur in dem Sicherheitsbereich erkannt wird.
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In einer Ausführung wird der Sicherheitsbereich vor und/oder neben und/oder hinter dem Fahrzeug aufgespannt. Somit kann die komplette Kontur des Fahrzeugs abgedeckt werden und auch Objekte auf der Seite oder hinter dem Fahrzeug erkannt werden.
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Ferner ist ein Steuergerät vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, das als Softwareprogramm ausgeführte Verfahren zu implementieren.
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Ferner ist ein autonom fahrendes Fahrzeug vorgesehen, aufweisend fahrzeugeigene Umfeldsensorik zur Überwachung seiner Umgebung und Aktuatorik zur Bewegung des Fahrzeugs, sowie das mindestens mit fahrzeugeigener Umfeldsensorik und Aktuatorik in Signalverbindung stehende Steuergerät.
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In einer Ausführung ist das autonom fahrendes Fahrzeug ein PKW oder ein Personenbeförderungsfahrzeug, umfassend ein Shuttle.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen Fahrschlauch und einen Sicherheitsbereich gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt eine Situation gemäß dem Stand der Technik.
- 3 zeigt eine Situation gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine Situation gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die hohe Sicherheitsanforderung für autonom fahrende Fahrzeuge 1 ist praktisch nur über eine Aufteilung in zwei Pfade möglich, einen Primärpfad oder Normalpfad, der das eigentliche Fahren übernimmt und plant, und einen Sicherheitspfad, der das Verhalten des Primärpfads überprüft und eingreift, wenn es zu Verletzungen von Grenzen bzw. Gefährdungen kommt. Beide Pfade werden aktuell über HD-Karten und sicherheitskritische Lokalisierung realisiert, durch welche eine (sicherheitskritische) Erkennung von Verkehrsregeln, eine (sicherheitskritische) Spurerkennung und eine (sicherheitskritische) Objekterkennung erfolgt. Aus diesen wird der Fahrspurverlauf für das Fahrzeug 1 und die anderen Verkehrsteilnehmer ermittelt. Außerdem wird ein Fahrschlauch 10 ermittelt, der für das Fahren unkritisch ist, solange sich keine Objekte 2 darin befinden. Nachteilig ist, dass die Verwendung der für beide Pfade benötigten HD-Karten und Lokalisierung zu einem komplexen, berechnungsaufwendigen und teuren Produktdesign führt. Außerdem führt mit bisherigen Ansätzen ein Vorbeifahren an statischen Objekten bzw. ein Überholen von dynamischen Objekten zu häufigen Falschauslösungen und Verfügbarkeitseinschränkungen.
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Zur Lösung dieses Problems wird ein vorausschauendes Verhalten implementiert, indem ein Sicherheitsbereich 11 aus den fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren, welche insbesondere eine Umfeldsensorik zur Überwachung der Umgebung des (eigenen bzw. Ego-) Fahrzeugs 1 aufweisen, ermittelt und dem Normalpfad bereitgestellt wird. Der Normalpfad bekommt die Aufgabe, die Fahrspur so zu wählen, dass der Sicherheitsbereich 11 nicht mit Objekten 2 wie Menschen, Fahrzeugen, Bäumen, etc. überlappt, um mit diesen (dann als Kollisionsobjekte 2) erkannten Objekten 2 nicht zu kollidieren. Der Sicherheitsbereich 11 wird ständig von den fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren überwacht. Sollte in diesen Sicherheitsbereich 11 ein Objekt 2 eintreten, wird dies durch die fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren erkannt (auch als Safety-Objekterkennung bezeichnet) und eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet, wie nachfolgend noch beschrieben.
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Der Sicherheitsbereich 11 wird anhand der aktuellen Geschwindigkeit, der maximal möglichen Verzögerung des Fahrzeugs 1 und anderen Kriterien bestimmt, die zur Beurteilung herangezogen werden können, um zu bestimmen, ob eine Kollision mit dem erkannten Objekt 2 bevorsteht. Insbesondere ist hier der benötigte Bremsweg bis zum Stillstand wichtig.
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Durch dieses Konzept wird das Fahrzeug 1 in die Lage versetzt, vorausschauend zu fahren. Dabei sind keine Lokalisierung, keine HD-Karte, keine Spurerkennung und auch keine Verkehrsregelerkennung für das Safety-Konzept notwendig, also um Kollisionen mit Objekten 2 zu verhindern. Somit kann ein günstigeres und weniger komplexes Produkt realisiert werden.
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Die Sicherheitssensoren des Safety-Konzepts können aus verschiedenen Kombinationen und einer unterschiedlichen Anzahl der Sensoren Kameras, Radar, Lidar, Ultraschallsensoren etc. zusammengestellt werden, wobei es ausreicht, die fahrzeugeigenen Sensoren zu verwenden.
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Nachfolgend wird das vorgeschlagene Konzept anhand der 1 bis 4 beschrieben.
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Bisher wird die Breite des Fahrschlauches 10 des Fahrzeugs 1 so gewählt, dass mindestens die gesamte Fahrspur, gegebenenfalls sogar noch ein seitlich außerhalb der Fahrspur befindlicher Bereich, abgedeckt wird. Die Länge des Fahrschlauches 10 entspricht dem Bremsweg bis zum Stillstand, ist also abhängig von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1. Jedes Objekt 2, das sich in diesem Fahrschlauch 10 befindet, wird durch die fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren als Kollisionsobjekt erkannt und das Fahrzeug 1 wird zum Stillstand abgebremst.
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Da ein Übergang in den sicheren Zustand, also Anhalten, auch bei statischen, nicht kollisionskritischen Objekten wie parkenden Fahrzeugen, Bäumen etc. geschieht, ist eine potentiell hohe Falscherkennungsrate und damit eine Verringerung der Verfügbarkeit des autonom fahrenden Fahrzeugs 1 zu erwarten.
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1 zeigt einen Fall gemäß dem Stand der Technik, in dem sich das Objekt 2 noch im normalen Fahrschlauch 10 (also entlang des Normalpfads) des Fahrzeugs 1 befindet und auch von den fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren erkannt wird. Außerdem ist ein von den fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren aufgespannter Sicherheitsbereich 11 vor dem Fahrzeug 1 vorgesehen, der innerhalb des normalen Fahrschlauchs 10 liegt. Wie bereits beschrieben gibt es nach bisherigem Stand der Technik keine Planung bezüglich Zeit oder Abstand zum Objekt 2, sondern es wird sofort reagiert, sobald ein Objekt 2 in den Fahrschlauch 10 eindringt. Dies hat den Nachteil, das Fahrzeug 1 dazu gezwungen wird, zu reagieren und zu Kollisionsvermeidung einen sicheren Zustand einzunehmen (in 2 mit dem Ausrufezeichen gekennzeichnet), d.h. es hält an (Notbremsung). Da das Objekt 2 aber in vielen Fällen durch Abbremsen und langsameres Fahren oder durch leichtes Ausweichen (und ggf. Abbremsen) sicher passiert werden könnte, wird durch das aktuell notwendige Verhalten die Verfügbarkeit des autonom fahrenden Fahrzeugs 1 verringert.
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In 3 und 4 sind Szenarien gezeigt, welche aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine höhere Verfügbarkeit des autonomen Fahrzeugs 1 ermöglichen, da das Objekt 2 nicht in den zusätzlich zum Fahrschlauch 10 aufgespannten Sicherheitsbereich 11 des Fahrzeugs 1 eindringt und es dadurch nicht in den sicheren Zustand wechseln muss. Dies wird durch Ergreifen einer Sicherheitsmaßnahme möglich, sobald ein Objekt 2 in den Fahrschlauch 10 eindringt und von den fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren erkannt wird, dass bei unverändertem Fortsetzen der Fahrt das Objekt 2 auch in den Sicherheitsbereich 11 des Fahrzeugs 1 eindringen wird. Diese Erfassung wird der Fahrplanungsschnittstelle übermittelt, die den Normalpfad des Fahrzeugs 1 plant und von dieser in die Planung einbezogen, d.h. es wird eine entsprechende Sicherheitsmaßnahme bestimmt, um eine Kollision zu vermeiden.
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In 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Möglichkeit einer eingeleiteten Sicherheitsmaßnahme gezeigt, wenn ein Objekt 2 im Fahrschlauch 10 (und damit weit vor dem Sicherheitsbereich 11) erkannt wurde und es bestimmt wurde, dass es bei gleichbleibendem Verhalten des Fahrzeugs 1, also insbesondere bei einem Beibehalten der aktuellen Geschwindigkeit, in dessen Sicherheitsbereich 11 eindringen würde, was zu einer Notbremsung (sicherer Zustand) führen würde.
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In dem in 3 gezeigten Fall verringert das Fahrzeug 1 seine Geschwindigkeit, was durch den dünneren Pfeil angedeutet ist, in einem solchen Maße, dass der Sicherheitsbereich 11 des Fahrzeugs 1 sich so verkleinert, dass das Objekt 2 passiert werden kann. Somit ist keine Notbremsung mehr notwendig, da das Objekt 2 dann außerhalb des Sicherheitsbereichs 11 ist. Das heißt, das Fahrzeug 1 kann auf seiner ursprünglichen Trajektorie (Normalpfad) bleiben. Durch eine geeignete Verringerung der Geschwindigkeit wird der Sicherheitsbereich 11 des Fahrzeugs 1 automatisch verkleinert, da aufgrund der geringeren Geschwindigkeit der Bremsweg kürzer wird und schneller erkannt und reagiert werden kann, wenn dennoch eine Kollision mit dem Objekt 2 droht. Der Fahrschlauch 10 wird also in seiner Breite und Länge in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 angepasst. Genauer ist die Breite des Fahrschlauches 10 die Summe aus der Fahrzeugbreite des Fahrzeugs 1, einem z.B. gesetzlich, durch den Betreiber des Fahrzeugs 1 oder andere Stellen vorgegebenen Sicherheitsabstand zu einem Objekt 2 und einem geschwindigkeitsabhängigen Anteil. Der geschwindigkeitsabhängige Anteil hängt dabei von der von der Art des Fahrzeugs, dessen Ausstattung (z.B. Bremsen) etc. ab, wodurch bestimmt wird, wie lange der Bremsweg des Fahrzeugs 1 bis zum Stillstand ist. Er hängt auch von der Art der im Fahrzeug 1 verbauten Sensorik und deren Sichtfeld (field of view) ab. Somit kann im Falle, dass das Fahrzeug 1 sehr langsam unterwegs ist, die Breite des Fahrschlauches 10 verkleinert werden, da ein Abbremsen zum Stillstand (also Erreichen des sichersten Zustands) sehr schnell möglich ist. Ein Objekt 2 kann damit aufgrund des kürzeren Bremswegs weiter in die Fahrspur hineinragen als wenn das Fahrzeug 1 schneller fahren würde. Somit kann außerdem mit geringerem Abstand an einem Objekt 2 vorbeigefahren werden als wenn das Fahrzeug 1 mit höherer Geschwindigkeit fährt.
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In dem in 4 gezeigten Fall verringert das Fahrzeug 1 seine Geschwindigkeit nicht, sondern weicht dem Objekt 2 aus, was durch den schrägen Pfeil angedeutet ist. Durch das Ausweichen entweder auf die benachbarte Fahrspur oder innerhalb der eigenen Fahrspur in geeigneter Weise verschiebt sich der Fahrschlauch 10 und damit auch der Sicherheitsbereich 11. Somit ist das Objekt 2 nicht mehr im Fahrschlauch 10 oder droht zumindest nicht mehr in den Sicherheitsbereich 11 einzudringen und kann damit mit unverminderter Geschwindigkeit passiert werden. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass kein anderes Objekt 2 in den Fahrschlauch 10 eindringt, z.B. Gegenverkehr auf der benachbarten Fahrspur (aktuell und innerhalb eines Zeitraums, in dem das Überholmanöver durchgeführt wird).
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Selbstverständlich kann auch eine Kombination aus Abbremsen (Verringern der Geschwindigkeit) und Ausweichen erfolgen. Dies kann nötig sein, wenn die Geschwindigkeit nicht mehr so verringert werden kann, dass das Objekt 2 außerhalb des Sicherheitsbereichs 11 ist, wenn das Fahrzeug 1 das Objekt 2 passiert. Auch kann es sein, dass sich auf der Nebenspur ein weiteres Fahrzeug befindet oder in der Zeit, in der das Ausweichmanöver passiert, befinden wird (Prädiktion), so dass nur innerhalb der eigenen Fahrspur ausgewichen werden kann, d.h. eigene Fahrspur nicht überfahren werden darf. In diesem Fall kann nur dann eine Notbremsung verhindert werden, wenn die Geschwindigkeit verringert wird und sich dadurch der Fahrschlauch 10 verkleinert.
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Durch das vorausschauende Agieren des Fahrzeugs 1 kann seine Verfügbarkeit erhöht werden, so dass weniger Notbremsungen durchgeführt werden. Da das Fahrzeug 1 ein autonom fahrendes Fahrzeug 1 ist, ist es sowieso mit umfassender Umfeldsensorik wie Kamera, Lidar, Radar, Ultraschall, Raddrehzahlerfassung etc. (sowie Kombinationen daraus) ausgestattet. Somit kann ein Sicherheitsbereich 11 lediglich durch fahrzeugeigene, für das autonome Fahren sowieso benötigte Umfeldsensorik aufgespannt werden und es ist keine aufwändige Lokalisierung, keine HD-Karte, keine Spurerkennung, keine Verkehrsregelerkennung für das Safety-Konzept mehr nötig. Dies spart Rechenleistung ein und vereinfacht das Gesamtsystem.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird die Verfügbarkeit bei gleichzeitigen minimalen Schnittstellenanforderungen an andere Systeme (Primärpfad) erhöht.
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Autonom fahrenden Fahrzeuge 1, für welche das beschriebene Verfahren anwendbar ist, sind z.B. PKWs oder auch Personentransportfahrzeuge wie Shuttles, die Personen an ein vorgegebenes Ziel bringen. In einer Ausführung sind diese Shuttles in städtischen Bereichen eingesetzt und dienen damit sozusagen als öffentliches Verkehrsmittel ähnlich wie bisher Bus, Tram bzw. Straßenbahn, S-Bahn oder U-Bahn.
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Das Verfahren besteht also aus mehreren Schritten. Im ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen eines Fahrspurverlaufs für das Fahrzeug 1 durch eine Fahrplanungsschnittstelle und ermitteln eines sicheren Fahrschlauches 10, dessen Abmessungen zumindest von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Sicherheitsbereich 11 innerhalb des Fahrschlauchs 10 alleine durch fahrzeugeigene Sicherheitssensoren ermittelt, und es erfolgt ein Überwachen des Sicherheitsbereichs 11 durch die fahrzeugeigenen Sicherheitssensoren. In einem dritten Schritt S3 erfolgt eine Übergabe des Sicherheitsbereichs 11 an die Fahrplanungsschnittstelle derart, dass im Falle, dass ein Objekt 2 innerhalb des Fahrschlauches 10 erkannt wird, bestimmt wird, ob dieses Objekt 2 bei unverändertem Fahrverhalten in den Sicherheitsbereich 11 eindringen wird. Wenn dies der Fall ist, erfolgt ein Bestimmen, dass eine Kollision bevorsteht und es erfolgt ein Ergreifen einer Sicherheitsmaßahme zur Kollisionsvermeidung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 10
- Fahrschlauch
- 11
- Sicherheitsbereich
- 2
- Objekt
- S1-S3
- Verfahrensschritte
