DE112006003274B4 - Fahrzeuginterne Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe - Google Patents

Fahrzeuginterne Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug, das umfasst, dass
ein Fahrzeugdynamikzustand gemessen wird;
ein Nennwert der relativen Schwerpunkthöhe bereitgestellt wird;
Kandidatenschätzwerte der relativen Schwerpunkthöhe auf der Grundlage des Nennwerts der relativen Schwerpunkthöhe berechnet werden;
ein Fahrzeugdynamikzustand entsprechend den Kandidatenschätzwerten der relativen Schwerpunkthöhe geschätzt wird; und
einer der Kandidatenschätzwerte der relativen Schwerpunkthöhe, der einem geschätzten Fahrzeugdynamikzustand entspricht, der sich von dem gemessenen Fahrzeugdynamikzustand um weniger als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, als die relative Schwerpunkthöhe ermittelt wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es wurden verschiedene Erfassungstechniken zum Detektieren eines beginnenden Fahrzeugüberschlags vorgeschlagen und eingesetzt, die Beschleunigungssensoren, die an drei Achsen wirksam sind, Neigungssensoren, Niveaumess- und Gravitationssensoren umfassen. Meistens werden mikromechanische Gier- und Beschleunigungssensoren eingesetzt. Für solche Erfassungsfunktionen sind Airbag-Auslösesteuerungen verwendbar, die häufig bei Insassenüberschlagschutzsystemen verwendet werden, um beispielsweise ausfahrbare Überrollbügel und Kopf-Airbags einzusetzen und Sicherheitsgurtspanneinrichtungen auszulösen.
  • Mikromechanische Gier- und Beschleunigungssensoren sind auch zur Nutzung bei Überschlagwarnungs-/-präventionssteuerungen verwendbar, die dafür vorgesehen sind, den Bediener hinsichtlich eines beginnenden Überschlags zu alarmieren oder Korrekturmaßnahmen zu treffen, um zu verhindern, dass das Fahrzeug umkippt. Präventionssteuerungen können verschiedene Antriebsstrang-, Lenkungs-, Brems- und Aufhängungsteilsysteme verwenden. Allgemein werden solche Warnungs-/Präventionssteuerungen durch die Querbeschleunigungsgrenzen des Fahrzeugs ge mäß den Fahrzeugeigenschaften beeinflusst, die durch Faktoren bestimmt sind, welche Schwerpunkt, Spur, Masse, Reifen und Fahrbahndynamik etc. umfassen.
  • Es zeigte sich, dass die relative Schwerpunkthöhe, d. h. die Höhe des Schwerpunkts der gefederten Masse relativ zu dem Wankzentrum, ein kritischer Parameter der Fahrzeugwankbewegung ist. Nennwerte für die relative Schwerpunkthöhe eines Fahrzeugs können leicht ermittelt werden. Der tatsächliche relative Schwerpunkt weicht jedoch auf statische und dynamische Weise von dem Nennwert ab. Beispielsweise bewirken Fahrzeugbeladungszustände allgemein eine statische Änderung des relativen Schwerpunkts. Statische Änderungen können insbesondere bei Geländewagen, Lastwagen und Kleintransportern erheblich sein. Außerdem bewegt sich das Wankzentrum der gefederten Masse, wenn das Fahrzeug wankt. Solch eine Bewegung führt eine dynamische Änderung der relativen Schwerpunkthöhe ein.
  • Eine Abweichung des tatsächlichen relativen Schwerpunkts vom Nennwert beeinflusst die Leistung von Überschlagwarnungs-/-präventionssteuerungen auf der Grundlage des Nennwerts des relativen Schwerpunkts. Daher ist es erwünscht, Überschlagpräventionssteuerungen an solche Abweichungen anzupassen. Somit ist eine Ermittlung des tatsächlichen relativen Schwerpunkts eines Fahrzeugs erwünscht.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Schwerpunkthöhe eines Fahrzeugs sind in DE 101 61 799 A1 und DE 102 47 993 A1 beschrieben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug mit verbesserter Genauigkeit anzugeben.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
  • Die vorliegende Erfindung erreicht eine fahrzeuginterne Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe (SP-Höhe), indem die Komponente der statischen Änderung dieser betrachtet wird. Statische Änderungen treten auf, wenn sich Beladungszustände ändern. Daher ist es nur erforderlich, dass die Ermittlung stattfindet, wenn sich die Beladungszustände ändern. Vorzugsweise findet die Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe daher beispielsweise am Beginn einer Reise statt, der aus einem Zündzyklus, einer erweiterten Periode eines Fahrzeugleerlaufs oder einem Schalten aus Neutral oder Parken oder anderen solchen Hinweisen gefolgert werden kann. Alternativ können nicht einschränkende Initiierungsindikatoren zur Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe beispielsweise Änderungen der Fahrzeugbeladung umfassen, die aus einer Straßen- oder Motorlast oder aus Änderungen einer Aufhängungslast gefolgert werden, die aus Dämpfersensoren etc. gefolgert werden.
  • Ein Verfahren zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug umfasst, dass ein Fahrzeugwankzustand detektiert wird und die relative Schwerpunkthöhe auf der Grundlage von Daten geschätzt wird, die während des Fahrzeugwankzustands gesammelt werden.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden für Fachleute beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen beispielhafter Ausführungsformen ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs, das zur Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm auf hoher Ebene, das beispielhafte Aufgaben für eine fahrzeuginterne Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 zeigt eine beispielhafte Routine zum Ausführen einer Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 zeigt in zusätzlicher Ausführlichkeit eine beispielhafte Datenauswahlroutine zum Ausführen der Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 zeigt in zusätzlicher Ausführlichkeit eine beispielhafte Berechnungsroutine zum Ausführen der Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Als erstes auf 1 Bezug nehmend ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs 10 gezeigt. Das Fahrzeug 10 weist vier Räder 28 auf und ist für eine fahrzeuginterne Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet. Das Fahrzeug 10 ist mit einem Lenkrad 30 und mehreren Sensoren ausgestattet, die für eine Überschlagpräventionssteuerung nützlich sind und beispielsweise einen Lenkwinkelsensor 26, einen Querbeschleunigungsmesser 14, einen Gierkreisel 16, einen Wankkreisel 18 und einzelne Raddrehzahlsensoren 12 umfassen. Alle Sensoren sind Eingänge in einen Universalrechner basierten Fahrzeug-Controller 20, der vorzugsweise eine oder mehrere Fahrzeugdynamiksteuereinheiten umfasst, die für Fahrzeugstabilitätsverbesserungen geeignet sind. Die Steuereinheiten können universale digitale Computer mit einem Mikroprozessor oder einer zentralen Verarbeitungseinheit, einem Nur-Lese-Speicher (ROM), einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einem Hochgeschwindigkeitstakt, einer Analog-Digital-(A/D-) und einer Digital-Analog-(D/A-)Schaltung, einer Eingabe/Ausgabe-Schaltung und Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O) und einer geeigneten Signalkonditionierungs- und Pufferschaltung umfassen. Jede Steuereinheit weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem ROM gespeichert sind. Bei dem vorliegenden Beispiel umfasst der Controller 20 Algorithmen und eine Funktionalität 24 zur Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe und vorzugsweise Fahrzeugzustandsschätzungs- und/oder Fahrzeugsteueralgorithmen 22, die beispielsweise Überschlagpräventionssteuerungen umfassen.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm auf hoher Ebene, das beispielhafte Aufgaben für eine fahrzeuginterne Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Ermittlungsprozess umfasst drei Teile, die konditioniert sind, um zu arbeiten, wie es hierin nachstehend in Bezug auf 3 weiter beschrieben ist. Ein Sensorsignal-Präprozessor 52 nimmt die Messungen von den hierin oben beschriebenen verschiedenen Sensoren 50 auf, entfernt Sensorfehler oder reduziert Sensorrauschen und konditioniert ansonsten die Sensorsignale nach Bedarf. Eine Datenauswahleinrichtung 54 wählt und sammelt Teile von Daten, die zur Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe geeignet sind. Ein Kalman-Filter-basierter (KF-basierter) Identifikator 56 schätzt die relative Schwerpunkthöhe auf der Grundlage der gesammelten Daten.
  • Mit zusätzlicher Bezugnahme auf 3 ist eine beispielhafte Routine <300> zum Durchführen einer Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bevor diese Routine fortfährt, wird ein Initialisierungsprozess ausgeführt. Der Initialisierungsprozess setzt eine Variable id_flag auf 0; einen Zähler n auf 1; und einen Anfangswert für den Schätzwert der relativen Schwerpunkthöhe hs(1) auf deren Nennwert hsnominal. Vorzugsweise wird hsnominal von einem Kalibrierungswert bereitgestellt. Die Verarbeitungsprozedur in 3 startet mit einem Prüfen, ob id_flag = 0 <301>. Wenn dies der Fall ist, wurde die Ermittlung nicht abgeschlossen und fährt der Ermittlungsprozess mit einem Lesen und Vorverarbeiten von Sensorsignalen fort <304>. Als Nächstes ermittelt und speichert die Datenauswahleinrichtung die qualifizierten Daten für die Ermittlung <307>, wie es hierin nachstehend in Verbindung mit 4 weiter beschrieben ist. Beim Empfang eines vollständigen Teils der qualifizierten Daten von der Datenauswahleinrichtung schätzt der KF-basierte Identifikator die relative SP-Höhe und gibt das Ergebnis als h_est aus, wie es hierin nachstehend in Verbindung mit 5 weiter beschrieben ist. Wenn das Ergebnis das Ermittlungsergebnis des ersten Durchgangs ist, d. h. n = 1, setzt das Ergebnis hs(1) auf den neu identifizierten Wert der relativen SP-Höhe h_est <313>. Andernfalls wird das Ergebnis mit den vorherigen Ermittlungsergebnissen gemittelt, um einen neuen Schätzwert zu bilden <315>. Die Aktualisierung des Schätzwerts kann durch die folgende Beziehung zusammengefasst werden:
    Figure 00070001
  • Die Ermittlung ist in einer von zwei Situationen abgeschlossen. Erstens ist die Ermittlung abgeschlossen, wenn der neue Schätzwert hs(n) sehr nahe an dem vorherigen Schätzwert hs(n – 1) liegt <317>. Mit anderen Worten ist, wie in 3 gezeigt, die Ermittlung abgeschlossen, wenn |hs(n) – hs(n – 1)| < εhs, wobei εhs ein vordefinierter Schwellenwert ist. Ein bevorzugter Wert für εhs kann 1% bis 5% der Fahrzeugkalibrierung hsnominal betragen. Zweitens kann die Ermittlung nach einer vorbestimmten Dauer als abgeschlossen betrachtet werden, wie sie beispielsweise durch ein Verstreichen einer Zeitdauer oder eine Anzahl von Ermittlungsroutinenausführungen gemessen wird. Beispielsweise wird, wie in 3 gezeigt, angenommen, dass die Ermittlung der relativen SP-Höhe nach einer vorbestimmten Anzahl N von Routinenausführungen abgeschlossen ist <319>.
  • Um diese beiden Abschlusssituationen zu unterscheiden, wird ein Flag id_flag auf 1 gesetzt, wenn der Schwellenwertvergleich den Abschluss bestimmt <321> und wird das Flag auf 2 gesetzt, wenn ein Dauervergleich den Abschluss bestimmt. Nach dem Abschluss, d. h. id_flag ≠ 0, ruft der Ermittlungsprozess direkt den identifizierten Wert hs(n) ab, ohne jegliche neuen Daten zu verarbeiten. Andernfalls bleibt id_flag 0; daher wird die Identifikation mit n > 1 und hs(n) aus dem vorherigen Identifikationsprozess ausgeführt, wenn die nächste Wankbewegung auftritt.
  • Nun auf 4 Bezug nehmend ist eine beispielhafte Datenauswahlroutine <400> gezeigt. Die Datenauswahlroutine dient dem Wählen und Sammeln von Daten, die für zuverlässige Ermittlungen der relativen Schwerpunkthöhe geeignet sind. Die mit relativ großen Wankbewegungen in Verbindung stehenden Daten haben die erforderlichen Voraussetzungen und die erforderliche Stabilität. Die Datenauswahleinrichtung ermittelt die qualifi zierten Daten auf der Grundlage der Fahrzeugwankrate. Um die Datenintegrität einer in Verbindung stehenden Wankbewegung aufrechtzuerhalten, wird vorzugsweise auch eine bestimmte Menge von Daten vor und nach der großen Wankbewegung erlangt. Somit erlangt und speichert die Auswahleinrichtung Daten für eine bestimmte Dauer, die an die große Wankbewegung angrenzt.
  • Wie es weiterhin in 4 ausgeführt ist, beginnt die Datenauswahleinrichtung mit dem Lesen der verarbeiteten Daten von dem Sensorsignal-Präprozessor <401>. Die Datenauswahleinrichtung fährt dann gemäß ihren Betriebszuständen fort, die durch eine Variable Modus bezeichnet sind, die auf Null initiiert wird <403>. Wenn Modus gleich Null ist, sammelt die Auswahleinrichtung momentan keine Daten. Die Auswahleinrichtung ermittelt dann auf der Grundlage der Wankrate, ob die neu gelesenen Daten qualifiziert sind. Dies wird beispielsweise durch Vergleichen der Fahrzeugwankrate (|Wankrate|) mit einem vordefinierten ersten Wankratenschwellenwert (r_med) ausgeführt <405>. Vorzugsweise wird r_med von einem Kalibrierungswert bereitgestellt. Ein bevorzugter Wert für r_med kann etwa 5 Grad/Sekunde betragen. Wenn |Wankrate| r_med übersteigt, setzt die Auswahleinrichtungsroutine Modus = 1 und die Variablen Abschluss und Abbruch auf Null <407>. Die Variablen Abschluss und Abbruch werden hierin nachstehend ausführlicher erläutert. Modus = 1 zeigt an, dass die Datensammlung aktiv ist. Wenn |Wankrate| jedoch r_med nicht übersteigt, frischt die Auswahleinrichtungsroutine ihren Datenspeicher auf, um sich für die nächste große Wankbewegung vorzubereiten <409>.
  • Wenn Modus bei <403> nicht gleich Null ist, arbeitet die Auswahleinrichtung in dem Datensammlungsmodus. Wenn die Fahrzeugwankrate in dem Datensammlungsmodus in Bezug auf einen vordefinierten zweiten Wankratenschwellenwert (r_large) nicht übermäßig ist <411>, ermittelt die Auswahleinrichtung, ob die Fahrzeugwankbewegung zur Ruhe gekommen ist, indem geprüft wird, ob die Fahrzeugwankrate |Wankrate| während der letzten t1 Sekunden innerhalb eines vordefinierten dritten Wankratenschwellenwerts (r_small) lag, wobei t1 beispielsweise gleich etwa 1 Sekunde ist <413>. Dies wird wie in 4 gezeigt beispielsweise durch Vergleichen des größten Absolutwerts der Fahrzeugwankrate während der letzten t1 Sekunden mit einem kleinen Schwellenwert r_small erreicht, wobei r_small beispielsweise gleich etwa 2 Grad/Sekunde ist. Wenn Max(|Wankrate(t – t1:t)|) < r_small, wird angenommen, dass die Fahrzeugbewegung zur Ruhe gekommen ist. Wenn das Fahrzeug zur Ruhe gekommen ist, setzt die Auswahleinrichtung Abschluss gleich Eins und Modus gleich Null als Vorbereitung für die nächste Datensammlung und beendet die momentane Datensammlung <415>. Die somit gesammelten Daten entsprechen einem Manöver mit einer relativ großen Wankbewegung. Wenn die Wankbewegung jedoch zu stark ist, stellt das bei dem KF-basierten Identifikator verwendete lineare Modell die Fahrzeugdynamik nicht mehr mit einer ausreichenden Genauigkeit dar. In diesen Fällen sollte die Auswahleinrichtung eine Ausgabe der Daten vermeiden. Daher setzt die Auswahleinrichtung Abbruch gleich Eins, wenn |Wankrate| den zweiten Wankratenschwellenwert (r_large) übersteigt <417>, wobei r_large beispielsweise gleich etwa 20 Grad/Sekunde ist. Daher gibt die Auswahleinrichtung die gesammelten Daten nur aus, wenn Abbruch gleich Null ist <418>.
  • Der Identifikator für die relative Schwerpunkthöhe verwendet eine KF-basierte Zustandsbeobachtungseinrichtung. Für eine Kalman-Filterung werden die ausgegebenen Messungen über die Innovation, die der Fehler zwischen den ausgegebenen Messungen und den a priori ausgegebenen Schätzwerten ist, zurückgeführt. Zwei Faktoren tragen zu der Innovation bei: Sensorrauschen und Modellungenauigkeit. Mit denselben Sensormessungen und derselben Modellstruktur sollte die Innovation um so kleiner sein, je genauer die Parameter sind. Demgemäß testet der Identifikator verschiedene Werte als die relative Schwerpunkthöhe in dem Modell und identifiziert der Identifikator den einen, der zu der kleinsten Innovation führt (im Sinne der L2-Norm), als den besten Schätzwert.
  • 5 zeigt eine beispielhafte KF-basierte Identifikatorroutine <500> zum Ausführen einer Ermittlung der relativen Schwerpunkthöhe. Der Identifikator liest die durch die Datenauswahleinrichtung gesammelten Daten und den momentanen Schätzwert der relativen Schwerpunkthöhe hs(n) <501>. Unter Verwendung von hs(n) als den Nennwert setzt der Identifikator Kandidatenschätzwerte <503> gleichmäßig beabstandet zwischen (1 – a)hs(n) und (1 + a)hs(n) gemäß der folgenden Beziehung:
    Figure 00110001
    wobei (0 < a < 1) den Suchbereich bestimmt und K die Anzahl von Kandidaten ist, die ausgewertet werden sollen. Der Identifikator startet dann eine Schleife <504>, um jeden der Kandidatenschätzwerte auszuwerten. Während jeder Auswertung wird ein Kandidatenschätzwert als die relative Schwerpunkthöhe in den Systemmatrizen verwendet; werden Fahrzeugzustände auf der Grundlage von Kalman-Filtertechniken geschätzt <505> und wird die L2-Norm der entsprechenden Innovation berechnet <507>. Beispielsweise umfassen die Fahrzeugzustände Fahrzeugquergeschwindigkeit, -gierrate, -wankrate und -wankwinkel; ist der Eingang in das Kalman-Filter der Lenkwinkel; und sind die Ausgänge die Gierrate und die Wankrate. Die Messungen von den Gier- und Wankkreiseln werden verwendet, um die a priori-Schätzwerte der Ausgänge zu korrigieren. Daher ist die Innovation der Fehler zwischen den a priori-Schätzwerten der Ausgänge und den Messungen von den Gier- und Wankkreiseln. Der Kandidat Höhe(i), der die kleinste Innovation liefert, wird als der beste Schätzwert h_est betrachtet <508>. Der Identifikator gibt h_est aus und aktualisiert a = λa, wobei (0 < λ ≤ 1), um den Suchbereich für die nächste Ermittlung zu reduzieren <510>.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug, das umfasst, dass ein Fahrzeugdynamikzustand gemessen wird; ein Nennwert der relativen Schwerpunkthöhe bereitgestellt wird; Kandidatenschätzwerte der relativen Schwerpunkthöhe auf der Grundlage des Nennwerts der relativen Schwerpunkthöhe berechnet werden; ein Fahrzeugdynamikzustand entsprechend den Kandidatenschätzwerten der relativen Schwerpunkthöhe geschätzt wird; und einer der Kandidatenschätzwerte der relativen Schwerpunkthöhe, der einem geschätzten Fahrzeugdynamikzustand entspricht, der sich von dem gemessenen Fahrzeugdynamikzustand um weniger als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, als die relative Schwerpunkthöhe ermittelt wird.
  2. Verfahren zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Fahrzeugdynamikzustand eine Fahrzeugwankrate und/oder eine Fahrzeuggierrate umfasst.
  3. Verfahren zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Nennwert der relativen Schwerpunkthöhe eine Kalibrierung umfasst.
  4. Verfahren zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Nennwert der relativen Schwerpunkthöhe eine zuvor ermittelte relative Schwerpunkthöhe umfasst.
  5. Vorrichtung zum Ermitteln der relativen Schwerpunkthöhe bei einem Fahrzeug, umfassend: mehrere Fahrzeugdynamiksensoren (12, 14, 16, 18, 26), die ausgebildet sind, um Fahrzeugdynamikdaten zu messen; einen Controller (20), der ausgebildet ist, um die Fahrzeugdynamikdaten zu empfangen, und ein von einem Computer lesbares Speichermedium umfasst, das Algorithmen speichert, die ausgebildet sind, um die relative Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs (10) auf der Grundlage der Fahrzeugdynamikdaten zu ermitteln, wobei die Algorithmen die Schritte umfassen: Bereitstellen eines Nennwerts der relativen Schwerpunkthöhe; Berechnen von Kandidatenschätzwerten der relativen Schwerpunkthöhe auf der Grundlage des Nennwerts der relativen Schwerpunkthöhe; Schätzen eines Fahrzeugdynamikzustands entsprechend den Kandidatenschätzwerten der relativen Schwerpunkthöhe; und Ermitteln eines der Kandidatenschätzwerte der relativen Schwerpunkthöhe, der einem geschätzten Fahrzeugdynamikzustand entspricht, der sich von den gemessenen Fahrzeugdynamikdaten um weniger als einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, als die relative Schwerpunkthöhe.
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