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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Laserstrahlempfängerschaltung und insbesondere eine fotosensitive Empfängerschaltung, die die Position eines Laserstrahls aus dem Sektor und dem Kanal der von dem Laserstrahl bestrahlten fotosensitiven Anordnung (Array) bestimmt.
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Rotationslaserstrahlen und Laserstrahlenempfänger werden allgemein in der Landwirtschaft, in der Konstruktion, dem Bauwesen, der Maschinensteuerung oder bei Vermessungsanwendungen zum Erzielen von Positionsinformationen über eine rotierende Bezugsebene des Lichts verwendet. Herkömmlicherweise wird die Positionsinformation durch ein Führen (sweeping) eines Rotationslaserstrahls über die gesamte Länge einer langen Anordnung von Fotosensoren erhalten. Wenn der rotierende Laserstrahl auf einen der Fotosensoren trifft, wird durch diesen bestrahlten Fotosensor ein Signal vorgesehen, welches durch eine geeignete Schaltungsanordnung bearbeitet wird und zum Steuern einer Bedienungsanzeige verwendet wird oder als Eingabe in eine Maschinensteuerungsschaltungsanordnung dient.
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Viele Vermessungs- und Konstruktionsanwendungen, die Laserstrahlempfänger mit linearer Positionsabtastung verwenden, benötigen einen relativ langen Empfänger, der typischerweise von ungefähr 6 Inch bis etwa 6 Fuß misst, um den Laserstrahl zu erfassen. Zusätzlich müssen solche Laserstrahlempfänger typischerweise vier identische, vertikale Anordnungen (Arrays) von Fotosensoren aufweisen, die an allen vier Seiten eines Empfängers angeordnet sind, um das Laserlicht aus jeder Richtung erfassen zu können. Typischerweise sind Fotosensoren relativ klein und sind daher von Mitte zu Mitte gemessen ungefähr 0,10 Inch bis 0,3 Inch in einer vertikalen Reihe beabstandet. Bei dieser Anordnung wird ein Strahl eines Laserlichts unabhängig von dem Punkt, über welchen er in der vertikalen Reihe der Fotosensoren streicht, erfasst. Folglich werden im allgemeinen zwischen 100 und 1000 Fotosensoren für Empfänger benötigt, die typischerweise zum Beispiel in Konstruktions- und Vermessungsanwendungen verwendet werden. Die Herstellungskosten und Schaltungsleistungsanforderungen erhöhen sich jedoch stark mit der zunehmenden Anzahl an Fotosensoren, Verstärkern und dem dazugehörigen Schaltungsaufwand. Überdies würde aufgrund der großen Anzahl von benötigten Fotosensoren eine nicht praktikable und teure Anzahl an Verstärkerkanälen notwendig, falls jeder Fotosensor seinen eigenen dezidierten Verstärkerkanal besitzen soll.
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Die
US 2003/ 0 202 172 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen der relativen Position von Referenzlicht(quellen), die eine Vielzahl von Fotodetektoranordnungen umfassen, die in einer im Allgemeinen vertikalen Reihe angeordnet sind. Jedes Array enthält eine Vielzahl von Fotodetektorelementen, die in einer im Allgemeinen vertikalen Arrayreihe angeordnet sind. Die Fotodetektorelemente in den Arrays sind in einer im Allgemeinen vertikal ausgerichteten, erweiterten Reihe angeordnet. Jedes der Fotodetektorelemente liefert eine elektrische Leistung, wenn es mit Licht beleuchtet wird. Eine Vielzahl von Gewichtungsschaltungen ist vorgesehen, wobei jede Gewichtungsschaltung einer jeweiligen der Vielzahl von Fotodetektoranordnungen zugeordnet ist. Jede Gewichtungsschaltung stellt einen Teil des elektrischen Ausgangssignals des beleuchteten Fotodetektorelements in der Anordnung als ein erstes Referenzsignal bereit, das sich auf den Abstand des beleuchteten Fotodetektorelements von einem ersten Ende der Feldreihe bezieht, und liefert einen Teil der elektrischen Ausgangsleistung das beleuchtete Fotodetektorelement als zweites Referenzsignal in Bezug auf den Abstand des beleuchteten Fotodetektorelements vom zweiten Ende der Arrayreihe. Die jeder Arrayreihe zugeordnete Gewichtungsschaltung ist mit den mit benachbarten Arrayzeilen verbundenen Gewichtungsschaltungen verbunden. Eine Vielzahl von Ausgangsschaltungen ist vorgesehen, wobei jede Ausgangsschaltung den Referenzsignalen von verbundenen Gewichtungsschaltungen zugeordnet ist und auf diese anspricht. Die Ausgangsschaltungen bestimmen die relativen Pegel der Referenzsignale von den Gewichtungsschaltungen derart, dass die Position der Referenzlichtebene in Bezug auf die Detektorvorrichtung bestimmt werden kann.
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Die
US 5 796 689 A offenbart eine Signalverarbeitungsvorrichtung für einen optischen Aufnehmer, wobei diese eine Informationssignal-Silizium-Fotodiodengruppe (SPD-Gruppe) mit einer Vielzahl von Silizium-Fotodioden umfasst. Eine erste Elektrode jeder der jeweiligen Silizium-Fotodioden ist mit einem gemeinsamen Verbindungsknoten verbunden. Eine zweite Elektrode jeder der jeweiligen Silizium-Fotodioden ist mit einem entsprechenden elektrischen Potential verbunden. Ein Informationssignalverstärker umfasst einen mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt verbundenen Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten zum Ausgeben eines Informationssignals. Eine Fokussignal-SPD-Gruppe enthält eine Vielzahl von Silizium-Fotodioden. Erste Elektroden von jeder der jeweiligen Silizium-Fotodioden der Fokussignal-SPD-Gruppe sind gemeinsam verbunden und sind ferner mit dem Eingangsknoten des Informationssignalverstärkers verbunden.
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DE 697 22 992 T2 offenbart eine Anzeigevorrichtung zur Verwendung in einer Baumaschine, die ein Schild aufweist, wobei die Vorrichtung einen Nivelliersensor aufweist, der oberhalb des Schildes angeordnet ist zum Erfassen eines Laserstrahls, der als ein Datum dient, und zum Anzeigen von Information, die auf dem erfassten Datum basiert, auf einer entfernten Anzeige, wobei die Anzeigevorrichtung gekennzeichnet ist durch ein Licht emittierendes Bauteil zur Signalübertragung, das an dem Nivelliersensor angeordnet ist; und ein Licht erfassendes Bauteil, das dem Licht emittierenden Bauteil entspricht und an der entfernten Anzeige angeordnet ist; wobei das Licht emittierende Bauteil und das Licht erfassende Bauteil dazu ausgelegt sind, die Information in der Form eines Lichtwellensignals zu emittieren bzw. zu empfangen.
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Eine Lösung zum Verringern der Kosten für Bauteile besteht in dem Gruppieren von Fotosensoren, wodurch die Fotosensoren mit einer verringerten Anzahl an Verstärkern verbunden werden können, wie im US-Patent
US 5 886 776 A , angemeldet am 23. März 1999, beschrieben. Dieses Patent zeigt einen Empfänger, in welchem Fotosensoren in Gruppen aufgeteilt sind und ein Verstärker in einem sich wiederholenden Muster mit den Ausgängen von nicht benachbarten Fotosensoren von verschiedenen Gruppen verbunden ist. Die Position des Laserstrahls wird aus dem Ort und der Stärke der von Null verschiedenen Ausgänge (Nicht-Null-Ausgänge) der Verstärker ermittelt. Man erhält jedoch eine fehlerhafte Positionsinformation, falls der Positionslaserstrahl nicht mehr ideal wird (d. h., beispielsweise durch Staub oder Dreck gestreut oder gebeugt ist), was dazu führt, dass der Laserstrahl mehr als eine Gruppe von Fotosensoren mit der gleichen Stärke bestrahlt. Die aus dem die nicht benachbarten Fotosensoren bestrahlenden Laserstrahl resultierenden fehlerhaften Positionsdaten sind nicht der Durchschnitt von zwei nicht-benachbarten Fotosensormesswerten. Vielmehr kann der Fehler bei der gemeldeten Position gelegentlich einen großen Prozentsatz der gesamten Länge der Fotosensoranordnung erreichen.
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Ein anderer Weg, die Kosten von Bauteilen zu verringern, ist es, zwei separate Anordnungen von Fotosensoren zu verwenden, die benachbart zueinander angeordnet sind. Bei dieser Lösung ist eine Anordnung (Array) mit „n“ Musterverstärkerkanälen verbunden und die andere benachbarte Anordnung (Array) mit den „m“ Sektorverstärkerkanälen verbunden. Die Anordnungen sind elektrisch isoliert. Der Laserstrahl bestrahlt dabei gleichzeitig sowohl den Sektor- als auch den Musterfotosensor, wodurch die Position des Strahls unzweideutig bestimmt wird. Jedoch verdoppelt dieser Aufbau die bereits große Anzahl an notwendigen Fotosensoren und vergrößert den Laserstrahlempfänger. Aus diesen Gründen ist diese Lösung nicht praktikabel.
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Eine weitere, andere Anordnung sieht die Verwendung von lediglich einer Anordnung von Fotosensoren vor und verbindet die Fotosensoren gleichzeitig mit den „m“ Sektorverstärkerkanälen und den „n“ Musterverstärkerkanälen. Dies ist sowohl elektrisch wie mechanisch vorteilhaft. Für jeden Fotosensor wird ein einziger Pufferverstärker verwendet, so dass die Ausgänge der Pufferverstärker mit den jeweiligen Sätzen von „n“ Musterverstärkern und „m“ Sektorverstärkern über eine ausreichende Impedanz verbunden sind, um ein Signalübersprechen zwischen zwei getrennten Sätzen an Verstärkern auf ein Minimum zu beschränken. Der Hauptnachteil dieser Lösung besteht darin, dass eine große Anzahl an Pufferverstärkern zusätzlich zu der Anzahl von „m“ plus „n“ Verstärkerkanälen erforderlich wäre. Daher ist auch diese Lösung nicht praktikabel.
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Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Laserstrahlempfänger, der aus nicht verschränkten (non-interdigitated) Fotosensoren aufgebaut ist, die in ein sich wiederholendes Muster aus „n“ Kanälen von Fotosensoren aufgeteilt sind, die mit kleineren Gruppen aus „m“ Sektoren verbunden sind, wobei der Fotostrom von sowohl den Anoden- als auch Kathodenanschlüssen der Fotosensoren verwendet wird. Bei dieser Anordnung sind keine zusätzlichen Fotosensoren erforderlich, um ein Sektorsignal vorzusehen. Außerdem werden keine Pufferverstärker benötigt, da der Fotostrom von beiden Anschlüssen jedes Fotosensors verwendet wird. Im Ergebnis können damit die Kosten zur Herstellung der Anordnung beträchtlich verringert werden. Es besteht ein zusätzlicher Bedarf, die Position des Laserstrahls durch mathematische Interpolation der relativen Stärke der Laserstrahlleistung bei jedem der Fotosensoren genauer zu erfassen. Des weiteren besteht ein Bedarf nach einem Empfänger, der weniger anfällig für die Erzeugung von fehlerhaften Positionsdaten ist, wenn die Laserpunktqualität nicht ideal ist (zum Beispiel durch Staub oder Dreck gestreut).
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Diese Bedürfnisse werden durch einen langen Laserstrahlempfänger befriedigt, der aus einer Anordnung von sich wiederholenden Mustern aus „n“ Kanälen von Fotosensoren aufgebaut ist, die in „m“ Sektoren aufgeteilt sind. Die Anoden jedes der „n“ Fotosensoren in jedem Sektor sind parallel in einem sich wiederholenden Muster mit den entsprechenden Anoden der Fotosensoren in anderen Sektoren verbunden. Die Anoden wiederum sind mit einer entsprechenden Anzahl aus „n“ Signalverstärkerkanälen verbunden. Zusätzlich sind die Kathoden der „n“ Fotosensoren in jedem Sektor „m“ parallel verbunden. Die Kathoden sind mit einer entsprechenden Anzahl von „m“ Sektorsignalverstärkerkanälen verbunden. Die Position des Laserstrahls wird durch Bestimmen der Position des bestrahlten Fotosensors relativ zu den Sektorgrenzen, d. h. seiner Kanalposition, ebenso wie zum Sektor, in dem der bestrahlte Fotosensor sich befindet, berechnet. Die Laserstrahlposition relativ zu den Sektorgrenzen wird durch die Verteilung des Fotosensorstroms, der durch die Anoden der bestrahlten Fotosensoren erzeugt wird, in den „n“ Kanälen der Verstärker aus den „n“ Fotosensoren innerhalb eines beliebigen Sektors bestimmt. Der Sektor, in dem der Laserstrahl sich befindet, wird durch die Verteilung des Fotosensorstroms, der von den Kathoden in den bestrahlten Fotosensoren erzeugt wird, in den „m“ Kanälen der Sektorverstärker aus den „m“ Gruppen von „n“ Fotosensoren bestimmt.
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Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen langen, nicht verschränkten Laserstrahlempfängeraufbau vorzusehen, der auf einem sich wiederholenden Muster von „n“ Kanälen von Fotosensoren in „m“ Sektoren basiert.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verwendung des Fotostroms von den Anoden- und Kathodenanschlüssen der Fotosensoren zu verwenden, um Sektorsignale hinzuzufügen, ohne zusätzliche Fotosensoren oder Pufferverstärker. Der Laserstrahlverstärker erzielt elektronisch die Sektorinformation aus den gleichen Fotosensoren, die die sich wiederholenden Kanalmuster ausbilden.
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Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der Beschreibung der hier verkörperten Erfindung ersichtlich.
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Diese Aufgabe(n) wird/werden durch die Gegenstände der entsprechenden Ansprüche gelöst.
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Die folgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung verstanden werden, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und in welcher:
- 1 eine schematische Darstellung eines Laserstrahlempfängers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
- 2A, B ein schematisches Schaltdiagramm einer einzigen Anordnung (Array) von Fotosensoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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Bei der vorliegenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die begleitende Zeichnung Bezug genommen, die einen Teil hiervon bildet, und in welcher eine spezifische Ausführungsform, in welcher die Erfindung realisiert ist, illustrativ und nicht beschränkend dargestellt wird. Es ist offensichtlich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und logische, mechanische und elektrische Änderungen daran ohne einem Abweichen vom gedanklichen Grundkonzept und dem Umfang der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können.
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Gemäß 1 wird ein vierseitiger Laserstrahlempfänger 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, der einen rotierenden Laserstrahl 15 empfängt. Jede der vier vertikalen Seiten 3, 5, 7, 9 des Empfängers 10 weist eine Anordnung (Array) von Fotosensoren auf. Jede Anordnung enthält eine Vielzahl an Fotosensoren, die in einer vertikalen Spalte angeordnet sind. Die vier Arrays bzw. Anordnungen von Fotosensoren an den Seiten des Laserempfängers 10 sind identisch. Jeder Fotosensor ist elektronisch parallel mit den drei Fotosensoren auf der gleichen Höhe auf den drei anderen Seiten des Empfängers 10 verbunden. Die Fotosensoren können Fotozellen, Fototransistoren, Fotodioden oder PIN-Dioden sein, typischerweise jedoch Silizium-Fotodioden oder PIN-Dioden. Die vier identischen Arrays von Fotosensoren sind an den vier Seiten des Empfängers 10 angeordnet, um den rotierenden Laserstrahl unabhängig von der Richtung, aus welcher er kommt, an dem Empfänger 10 zu erfassen.
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Gemäß 2 wird ein schematisches Schaltdiagramm eines einzigen Arrays 20 von Fotosensoren dargestellt. Die Fotosensoren in den zweiten, dritten und vierten Arrays sind identisch zu dem in 2 dargestellten Array 20 und sind parallel verbunden und können den gleichen Satz an Verstärkerkanälen verwenden. Die Fotosensoren des Arrays 20 sind in einer vertikalen Spalte angeordnet, die in „m“ gleiche Gruppen oder Sektoren mit jeweils „n“ Fotosensoren aufgeteilt sind. Die Fotosensoren des Arrays 20 sind relativ zueinander beabstandet, um in der Lage zu sein, einen Laserstrahl 15 an einer beliebigen Position innerhalb des Arrays 20 zu erfassen. Typischerweise sind die Mitten der Fotosensoren ungefähr 0,10 Inch bis ungefähr 0,30 Inch voneinander beabstandet. Die Länge jedes Sektors m ist länger als der größte effektive Durchmesser des zu erfassenden Laserstrahls. Typischerweise beträgt diese Länge zwischen ungefähr 2 und 4 Inch. Dieser Abstand toleriert auch eine Divergenz oder Streuung eines rotierenden Laserstrahls 15 beispielsweise durch Staub oder Schmutz über einen Abstand von der Laserquelle zu dem Laserstrahlempfänger 10, die gewöhnlicherweise bei landwirtschaftlichen, konstruktiven, Maschinensteuerungs- und/oder Vermessungsanwendungen verwendet werden.
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Der Laserstrahlempfänger 10 ermittelt elektronisch einzelne „m“ Sektorsignale und „n“ Kanalsignale unter Verwendung der Fotoströme, die aus den Anoden- und Kathodenanschlüssen jedes Anschlusses stammen. Die Kathoden von jedem Fotosensor in einem Sektor sind parallel mit einem Sektorsignalverstärker 30 verbunden. Für jeden Sektor in dem Array 20 von Fotosensoren gibt es einen Sektorsignalverstärker 30, was zu insgesamt „m“ Sektorsignalverstärkern 30 für jede Anordnung von Fotosensoren führt.
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Zusätzlich gibt es „n“ Fotosensoren in jedem Sektor des Arrays 20 von Fotosensoren. Die Anoden des in Bezug auf die Sektorgrenzen ersten Fotosensors 25 in jedem Sektor sind parallel mit einem ersten Kanalsignalverstärker 40 verbunden. In ähnlicher Weise sind die Anoden der in Bezug auf die Sektorgrenzen zweiten Fotosensoren 27 in jedem Sektor parallel mit einem zweiten Signalverstärker 42 verbunden. Die übrigen Anoden in jedem Sektor sind parallel in der gleichen Art und Weise parallel verbunden und bilden ein Muster, was zu einer Anzahl von „n“ Kanalsignalverstärkern führt.
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Die Ausgangssignale 35, 45 von den Kanalsignalverstärkern und den Sektorsignalverstärkern 30 sind mit einem Positionsprozessor 50 verbunden. Der Positionsprozessor 50 verwendet Elektronik und Software, um ein Ausgangssignal 55 zu erzeugen, das repräsentativ für die Position des einfallenden rotierenden Laserstrahls 15 ist. Der Positionsprozessor 50 bestimmt dabei die Laserposition durch ein mathematisches Interpolieren der relativen Stärke der von null verschiedenen Signale (Nicht-Null-Signale), die aus den Kanalsignalverstärkern 40 und den Sektorsignalverstärkern 30 erzeugt worden sind.
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Die Laserstrahlposition wird durch Ermitteln des betreffenden Sektors und des betreffenden Kanals des Fotosensors, der durch den rotierenden Laserstrahl 15 bestrahlt und beleuchtet worden ist, bestimmt. Der Sektor wird dadurch bestimmt, dass ermittelt wird, welche Gruppe von Fotosensoren innerhalb des Arrays 20 einen Fotosensorstrom an den Kathodenanschluss der Fotosensoren erzeugt, welcher wiederum ein von Null verschiedenes Signal auf der Leitung 35 an dem Eingang des Sektorsignalverstärkers 30 erzeugt und dem Positionsprozessor 50 zugeführt wird. In ähnlicher Weise wird der Kanal mit Hilfe der Verteilung des Fotosensorstroms, der aus dem Anodenanschluss des beleuchteten Fotosensors stammt, in den Kanalsignalverstärkern relativ zu der Sektorgrenze innerhalb eines beliebigen Sektors, der ein von Null verschiedenes Signal auf der Leitung 45 bei dem damit verbundenen entsprechenden Kanalsignalverstärker 40 erzeugt, bestimmt. Durch Kenntnis der Sektorsignalverstärker und der Kanalsignalverstärker, die die von Null verschiedenen Signal erzeugen, kann der Positionsprozessor 50 den Ort des bestrahlten Fotosensors mathematisch interpolieren und damit die Position des rotierenden Laserstrahls 15 bestimmen. Diese Information wird über die Ausgangsleitung 55 ausgegeben.
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Falls der Laserstrahl 15 aufgrund von Streuung oder Beugung oder einer sonstigen Weise extrem groß wird, und somit auf zwei verschiedene Sektoren und/oder Kanäle einstrahlt bzw. einfällt, ist der Positionsprozessor 50 in der Lage, zu erfassen, dass es sich um einen nicht-idealen Laserstrahl 15 handelt und wird einen interpolierten Punkt zwischen zwei Positionen, die in der Anordnung von Fotosensoren 20 bestrahlt werden, ermitteln.
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Es ist zu beachten, dass Begriffe wie „vorzugsweise“, „allgemein“ und „typischerweise“ hier nicht in einem den Umfang der beanspruchten Erfindung einschränkenden Sinn zu verstehen sind bzw. wird damit nicht impliziert, dass irgendwelche Merkmale kritisch, essentiell oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu gedacht, Alternativen oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet oder auch nicht verwendet werden können.
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Nach der ausführlichen Beschreibung der Erfindung und der Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Beispielsweise ist es durch die vorliegende Erfindung vorstellbar, dass auch andere Bedienungsabläufe und Berechnungen des Positionsprozessors 50 möglich sind. Insbesondere ist festzuhalten, dass obgleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft beschrieben sind, es vorstellbar ist, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
