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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung. zur Einstellung
der Winkelposition von zwei oder mehr Kraftfahrzeug-Elementen, unter
denen sich wenigstens ein Außenspiegel
befindet, mit einer Einrichtung zur Detektion der Winkelposition
eines unter den Kraftfahrzeug-Elementen ausgewählten Referenzelements und
zur Berechnung der Winkelposition des Außenspiegels anhand mindestens
eines in der Einrichtung hinterlegten optischen Modells des Kraftfahrzeugs
und mindestens einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung und automatischen
Einstellung des Außenspiegels.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
ist aus der
DE 31 38
712 A1 bekannt. Diese Literaturstelle offenbart ein Gerät zur optimalen
Winkeleinstellung von Fahrzeugvorrichtungen, mit dem die Stellung
eines Fahrzeugsitzes über
Sensoren detektiert und in eine optimale Winkeleinstellung umgerechnet
wird. Optional können auch
die Größe des Fahrers
oder die Augenposition des Fahrers auf der Grundlage der von den
Detektoren gelieferten Stellungssignale berechnet werden, um die
Fahrzeugvorrichtungen automatisch in die gewünschten Winkelstellung einzustellen.
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Die
US 4,625,329 offenbart ein
Gerät zum
Analysieren der Position eines Fahrers in seinem Fahrzeug. Dabei
wird der Kopf des Fahrers mit einem Infrarotstrahl abgetastet und
das daraus resultierende Bild in optimale Winkeleinstellungen z.
B. der Spiegel umgerechnet.
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Es
ist ferner bekannt, Innen- oder Außenspiegel eines Kraftfahrzeugs über elektrische
Stelleinrichtungen zu verändern.
Die jeweils vom Fahrer gewählte
Spiegelposition kann gespeichert werden. Abhängig vom jeweiligen Fahrer
können
dann gespeicherte Positionen angefahren werden. Dabei muß jedoch
jeder Spiegel einzeln eingestellt werden. Dies ist besonders dann
von Nachteil, wenn der Fahrer, wie es des öfteren vorkommt, erst während der
Fahrt feststellt, daß die
Spiegeleinstellungen nicht stimmen. Der Fahrer versucht dann im
allgemeinen, die Spiegeleinstellungen während der Fahrt zu korrigieren.
Dabei wird jedoch die Verkehrsbeobachtung vernachlässigt und
die Unfallgefahr erhöht.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird die Position des Fahrers anhand der Winkelposition eines Referenzelements
berechnet, wobei zunächst
das Referenzelement manuell eingestellt und seine Winkelposition
detektiert wird und aus der so ermittelten Position des Fahrers
die Winkelposition des Außenspiegels anhand
eines ersten optischen Modells berechnet und anschließend die
Einstellung des Außenspiegels
automatisch vorgenommen wird. Der Fahrer braucht nur ein einziges
Element selbst einzustellen. Hat der Fahrer auf die übliche Weise über einen
Drehknopf oder einen Schalter ein Element eingestellt, können die
Winkelpositionen der anderen Elemente rechnerisch bestimmt werden.
Dies liegt daran, daß die
Elemente im allgemeinen fest zum Fahrzeug definiert sind und die
Lage des Fahrerkopfes in diesem System bereits über die Einstellung des ersten
Elements definiert ist. Das Referenzelement kann beliebig gewählt werden.
Geeignet ist z. Bsp. ein Innenspiegel. Ferner ist ein zweites Modell
hinterlegt, wobei eines der Modelle eine Einstellung des Außenspiegels
für die
Beobachtung des Verkehrsraums hinter dem Fahrzeug und das andere
Modell eine Einstellung des Außenspiegels
zur Beobachtung eines Hinterrads entspricht. Durch die Beobachtung
des Hinterrads ist beispielsweise ein Einparken sehr einfach kontrollierbar.
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Bevorzugte
Ausführungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zeichnungen
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Kraftfahrzeugs mit verschiedenen Spiegeln;
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2 eine schematische Darstellung
zur Berechnung des waagerechten Einstellwinkels von Außenspiegeln
eines Kraftfahrzeugs;
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3 eine schematische Darstellung
zur Berechnung des senkrechten Einstellwinkels von Außenspiegeln
eines Kraftfahrzeugs.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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1 zeigt schematisch in der
Draufsicht ein Kraftfahrzeug 1, dessen Frontscheibe 2 und
Heckscheibe 3 sowie einen Fahrersitz 4 mit einem
Fahrer 5. Das Kraftfahrzeug 1 ist ferner mit einem
rechten Außenspiegel 6 und
einem linken Außenspiegel 7 sowie
mit einem Innenspiegel 8 versehen. Letzterer ist an der
Frontscheibe 2 befestigt. Von den Augen 9 des
Fahrers 5 laufen gestrichelte Linien zu den Spiegeln 6, 7, 8,
die den Blick den Fahrers 5 in die verschiedenen Spiegel
symbolisieren sollen. Die strichpunktierte Linie von der Heckscheibe 3 zum
Innenspiegel 8 soll symbolisieren, daß sich die Heckscheibe 3 aus
der Sicht des Fahrers 5 im Innenspiegel 8 spiegelt.
Diese Spiegelung ergibt einen Quader. Innerhalb dieses Quaders ist
das Sehzentrum des Fahrers 5 lokalisiert. Durch die Sitzposition
und die Sitzhaltung, gemessen durch einen oder mehrere hier nicht
dargestellten Sensoren zur Erkennung der Sitzposition, läßt sich
die Schnittfläche bestimmen,
auf welche die beiden Außenspiegel 6, 7 ausgerichtet
werden müssen.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich aus den 2 und 3 und den weiter unten aufgeführten Formeln.
Daraus ist ersichtlich, wie die Position des Fahrers, genauer, die für die Winkelposition
ausschlaggebende Lage des Sehzentrums des Fahrers im Kraftfahrzeug,
allein aus der Winkeleinstellung eines Referenzelementes berechnet
werden kann. Als Referenzelement dient im Ausführungsbeispiel der linke Außenspiegel.
Dieses Ausführungsbeispiel
kann sinngemäß auch auf
die Einstellung weiterer Elemente, z. Bsp. des Innenspiegels, aber
auch anderer Elemente wie Lüftungsdüsen u. dgl.
angewandt werden. Die im Ausführungsbeispiel
beschriebene Berechnungsmethode ist auch nur eine von mehreren möglichen
Methoden, die der Fachmann aus mathematischen Beziehungen ermitteln
kann.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens werden die verschiedenen Signale, die von den Sensoren
zur Erkennung der Winkelposition der Spiegel ausgesendet werden,
von einer hier nicht dargestellten Recheneinheit gesammelt und ausgewertet.
Die Sensoren können
z. Bsp. in Stellelementen zur elektrischen Verstellung der Spiegel
integriert sein. In der Recheneinheit sind ein oder mehrere Algorithmen
niedergelegt, mittels derer die Berechnung durchgeführt wird.
Ferner sind verschiedene Konstanten niedergelegt. Diese betreffen
einmal die Fahrzeugabmessungen, nämlich Länge und Breite des Kraftfahrzeugs,
Position der Frontscheibe und der Heck scheibe sowie die Position
der Hinterräder.
Zum anderen sind optimale Spiegeleinstellungen aus Konstruktionsrichtlinien,
Sicherheitsbestimmungen und Normhandbüchern niedergelegt. Aus diesen
Werten ergibt sich ein optisches Modell des Kraftfahrzeugs.
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Zur
Berechnung wird angenommen, daß der
waagerechte Einstellwinkel bedeutend größer als der senkrechte Einstellwinkel
ist, so daß eine
Berechnung in der zweidimensionalen Ebene möglich ist. Stattdessen ist
auch eine Berechnung im dreidimensionalen Raum möglich, wobei die weiter unten
angegebenen Formeln um die Formeln für die Bestimmung von Geraden
im Raum ergänzt
und entsprechend verwendet werden können. Ferner wird definiert,
daß der
Drehpunkt eines Außenspiegels
näherungsweise
gleich der inneren Spiegelkante des Außenspiegels ist. Der Spiegeleinstellwinkel
kann in der waagerechten Ebene gemessen werden oder aus einer anders
ausgerichteten Ebene auf diese umgerechnet werden.
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Zur
Berechnung werden ferner verschiedene Punkte definiert:
Der
Punkt P0 stellt das fahrerabhängige
Sitzen um, also die Augen des Fahrers dar. Er ist definiert als
Schnittpunkt der inneren und äußeren Spiegelstrahlen
der Außenspiegel
mit der Mitte des Fahrersitzes. Berücksichtigt man die Kopfdrehung
des Fahrers beim Blick auf einen Außenspiegel, liegt dieser Punkt
hinter dem Fahrer.
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Der
Punkt P1 ist ein Fixpunkt auf dem äußeren Spiegelstrahl des linken
Außenspiegels.
Er ist defi niert als gegenüber
dem Fahrzeugende liegend, und zwar bei optimaler Einstellung des
linken Außenspiegels.
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Der
Punkt P2 ist ein Fixpunkt auf dem inneren Spiegelstrahl, ebenfalls
auf dem Fahrzeugende bei optimaler Spiegeleinstellung gelegen und
als theoretischer Durchstoßpunkt
des inneren Spiegelstrahles des linken Außenspiegels bei gegebener Spiegelbreite
und gegebener Lage des Punktes P1 definiert. Der korrespondierende
Fixpunkt in Bezug auf den rechten Außenspiegel ist mit P7 bezeichnet.
Die Punkte P1, P2 und P7 ergeben sich aus der Vorgabe der optimalen
Spiegeleinstellungen.
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Die
Punkte P4 und P5 stellen die inneren, fahrzeugabhängigen Spiegelrandpunkte
dar; die Punkte P3 und P6 stellen die entsprechenden äußeren Spiegelrandpunkte
dar. Letztere sind definiert über
die Spiegelbreite, die Einstellwinkel und die Spiegelrandpunkte
P4 und P5.
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In
das ganze System wird ein zweidimensionales Koordinatensystem gelegt,
wobei der Punkt 0 den Nullpunkt des Koordinatensystems darstellt.
Dieser Nullpunkt ist definiert als der Lotpunkt von P0 auf der Geraden
P4 – P5.
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Mit
sx und sy werden der horizontale bzw. der vertikale Versatz der
Spiegelaußenkante
zur Innenkante bezeichnet. 1 bezeichnet den vertikalen Abstand des
Sehzentrums P0 zur Verbindungsgeraden P4 – P5. bl und br bezeichnen
Teilabschnitte der Fahrzeugbreite.
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Der
Winkel α bezeichnet
den Spiegeleinstellwinkel, jeweils links oder rechts; der Winkel β bezeichnet den
Reflexionswinkel. Der Winkel δ bezeichnet
den Einstrahlwinkel, d h. den Winkel zwischen Spiegel und Spiegelstrahl.
Der Winkel τ schließlich bezeichnet
den Winkel zwischen Spiegelstrahl und x-Achse. Der Winkel β läßt sich auch mit Hilfe des
Winkels δ berechnen;
die Beziehung lautet: β =
180° – 2δ.
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Aus
diesen Punkten lassen sich allgemeine Formeln erstellen, die zur
Berechnung des waagrechten Einstellwinkels zur Anwendung kommen.
Diese Formeln und ihre Anwendung werden im folgenden erläutert. Zunächst werden
einige allgemeine Formeln angegeben, auf die bei der Berechnung
zurückgegriffen
wird (Quelle: Netz – Formeln
der Mathematik):
- 1. Winkel σ zwischen zwei Geraden P-Q und
S-T in der Ebene:
- 2. Geradengleichung aus Punkt und Steigung m in der Ebene:
- 3. Geradengleichung aus zwei Punkten P und Q in der Ebene:
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Die
Berechnung des waagrechten Einstellwinkels gemäß 2 kann wie folgt vorgenommen werden.
- a) Ist der linke Spiegeleinstellwinkel α1 bestimmt,
kann die Lage des Punktes P3 an der Spiegelaußenkante über sx und sy definiert werden: sx = (P3×P4) × cos α1 → (2a) p3x = 0 – bl – sx (1a) sy = (P3×P4) × sin α1 → (2b) p3y = – sy (1b).
- b) Aus den Punkten P3, P4 und P1 läßt sich der Einstrahlwinkel δ1 berechnen:
- c) Über
den Einstrahlwinkel kann man von P3 aus die Gerade P3-P0 definieren.
Die Geradensteigung m ergibt sich aus der 2: m = tan (α1 + 180° – δ1) (4) f(x) = p3y +
m × (x – p3x) (5).
- d) Jetzt kann die Lage von P0 bestimmt werden. Aus der Definition
des Koordinatensystems gilt: p0x = 0. Mit
x = 0 wird f(x) zu p0y = p3y + m × (- p3x) (6a) 1 = – p0y (6b).
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Aus
der Lage des Sehzentrums P0 lassen sich über die optimale Spiegeleinstellung
P7 und die Spiegelkanten P5 und P6 der Spiegeleinstellwinkel αr berechnen.
- e) Dazu wird zunächst die Hilfsgröße τr benötigt: tan τ = l/br (7).
- f) Außerdem
definiert sich der Reflexionswinkel βr über die
Fixpunkte P5, P7 und den inzwischen bekannten Punkt P0:
- g) Per Definition gilt auch für den rechten Einstrahlwinkel: δr =
(180° – βr)/2 (9).
- h) Der rechte waagrechte Einstellwinkel αr wird
damit zu: αr = δr – τr (10).
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Entsprechendes
gilt für
die Berechnung des senkrechten Einstellwinkels. Dabei kommen jedoch
die Punkte Q0, Q1 und Q2 zur Anwendung. Q0 definiert wieder das
fahrerabhängige
Sehzentrum als Punkt des Spiegelstrahls. Q1 ist der Fixpunkt auf
dem mittleren Spiegelstrahl gegenüber dem Fahrzeugende, und zwar bei
optimaler Spiegeleinstellung. Q2 definiert den mittleren Spiegelpunkt
auf der Spiegelfläche
und ist zugleich der Nullpunkt für
das Koordinatensystem und näherungsweise
der Spiegelungsdrehachse.
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Die
Winkel sind analog zu den Verhältnissen
bei der Berechnung in der waagerechten Ebene definiert. In den beiden
Berechnungsebenen nehmen sie aber unterschiedliche Größen ein.
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Im
einzelnen kann die Berechnung wie folgt vorgenommen werden:
- a) Den Ausgang bilden die gegebenen Punkte
Q1 und Q2 sowie der Meßwert
für α. Daraus
läßt sich
der Winkel (α + δ) als der
zwischen Q1-Q2 und der y-Achse eingeschlossene Winkel bestimmen: tan (α+δ) = q1x/q1y (11).
- b) Die Gerade Q2-Q0 steigt unter dem Winkel τ an. Aus der 3 ergibt sich: 90°+ α = δ + τ. τ =
90° – δ + α (12).
- c) Wenn Q2 in dieser Betrachtungsebene der Durchstoßpunkt der
Geraden P4-P5 aus der ersten Berechnung ist, gilt: q0x =
1 mit 1 aus (6b) . Damit kann die Höhe des Sehzentrums berechnet
werden: q0y = q0x × tan τ (13).
- d) Dieselben Verhältnisse
gelten auch für
den Blick in den rechten Spiegel. Das heißt, daß auch die Punkte Q1' und Q2' fahrzeugabhängig vorgegeben
sind. Damit gilt auch hier: tan (α' + δ') = q1x'/q1y' (14).
- e) Mit Q0 = Q0' und
Q2 = Q2' gilt τ = τ' . Außerdem ergibt
sich aus der 3: δ' + τ' – α' = 90°.
Wird δ' durch (α' + δ') beschrieben und
die Gleichung nach α' aufgelöst, gilt
für den
rechten senkrechten Einstellwinkel des Spiegels: α' = (τ' + (α' + δ') – 90°)/2 (15).
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Die
Winkel verhalten sich bei beiden Spiegeln, das heißt dem linken
Außenspiegel
und dem rechten Außenspiegel,
gleich.
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Die
aus diesen Punkten ermittelten Algorithmen können erfindungsgemäß variiert
werden. Zum Beispiel muß bei
der Definition des Drehpunktes P4 die innere Spiegelkante nichtunbedingt
auf der Drehachse liegen. Dies kann bei kleiner Abweichung vernachlässigt werden.
Ist jedoch eine genaue Berechnung gewünscht, so muß der Abstand
zwischen P4 und der Drehachse als Korrekturwert in die Berechnung
einbezogen werden.
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Der
Punkt P4 kann aber auch als Schnittpunkt der Spiegelflächen-Verlängerung
mit der Drehachse definiert werden. Der Punkt P2 ist dann nicht
mehr auf dem Spiegel sichtbar und muß entsprechend als Punkt auf
einem theoretischen Spiegelstrahl korrigiert werden.
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Für eine genauere
Rechnung mit Raumkoordinaten kann dieselbe Vorgehensweise wie in
der Berechnung der waagerechten Einstellung gewählt werden. Die entsprechenden
Formeln für
Geraden im Raum finden sich in mathematischen Formelsammlungen.
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Die
Algorithmen können
auch an abweichendes Benutzerverhalten angepaßt werden. Zum Beispiel nimmt
mancher Autofahrer den rechten Außenspiegel nicht zur Beobachtung
des rückwärtigen Verkehrsraumes,
sondern zur Beobachtung des rechten Hinterrades beim „Rückwärts-Seitwärts-Einparken". Um zu vermeiden,
daß diese
spezielle Spiegeleinstellung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
verstellt wird, kann eine Zusatzfunktion niedergelegt werden. Damit
stehen mehrere, im Ausführungsbeispiel
zwei optische Modelle zur Verfügung.
Genauso wie die optimale Spiegeleinstellung in der Senkrechten über den
Punkt Q1 definiert werden kann, kann auch die Lage des Hinterrades
fahrzeugabhängig
hinterlegt werden. Abhängig von
der errechneten Lage des Sehzentrums kann der Spiegel dann auch
auf das Hinterrad gerichtet werden.
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Jedes
optische Modell kann z. B. durch einen Wahlschalter mit zwei Stellungen
angewählt
werden. Die erste Einstellung entspräche dann der Verkehrsraumbeobachtung
und die zweite Einstellung der Hinterrad-Beobachtung.
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Eine
weitere Alternative bei der waagerechten Ausrichtung sieht vor,
daß statt
der Messung des Einstellwinkels α bei
entsprechender Motorisierung auch die Position des Fahrersitzes
gemessen werden kann. Dies hätte
den Vorteil, daß also
viele Möglichkeiten,
die aus der Verkettung der linken Spiegeleinstellung mit dem Sehzentrum
entstehen, ausgeschaltet werden. Dann kann auch zusätzlich über eine
gegebene Sitzposition beide Spiegel automatisch in eine optimale
Einstellung gebracht werden, so daß sich der Fahrer um die Spiegeleinstellung
nicht mehr kümmern
müßte.
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Bei
der senkrechten Ausrichtung ist es möglich, auf die Messung des
Einstellwinkels in der senkrechten Ausrichtung zu verzichten. Ist
nämlich
die waagerechte Fahrerposition bestimmt, kann über die fixen Längenverhältnisse
im Fahrzeug die Beinlänge
des Fahrers errechnet werden. Über
Ergonomietabellen kann daraus eine Gesamt-Körpergröße berechnet werden, die wiederum
die wahrscheinliche Sitzhöhe
bestimmt. In Abhängigkeit
dieser beiden Werte ist die Positionshöhe des Sehzentrums bestimmbar.
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Erfindungsgemäß können also
in der Rechen- und Steuereinheit zur Einstellung der verschiedenen Elemente
eines Kraftfahrzeuges je nach Anwendungs fall verschiedenen Algorithmen
niedergelegt sein, mit deren Hilfe eine automatische Einstellung
der Elemente anhand einiger weniger Referenzpunkte möglich ist.
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Das
Prinzip der Erfindung kann in Form eines einfachen Algorithmus in
einem Speicherchip hinterlegt werden. Bei der Applikation, z. B.
dem Einbau in ein Kraftfahrzeug, müssen lediglich ein oder mehrere
Stellwerte eingegeben werden, die die Dimensionen des Fahrzeugs
festlegen. Damit wird ein optisches Modell des Kraftfahrzeugs hinterlegt.
Geeignete Stellwerte sind z. B. Dimensionen der Elemente, Drehpunkte
von Spiegeln, Fahrzeuglänge
und Fahrzeugbreite oder die Position einzelner Fahrzeugteile, z.
B. der Hinterräder
oder des Kofferraumdeckels oder der Heckscheibe in Relation zu den
zu positionierenden Elementen.
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Es
ist möglich,
dass die Augenposition des Fahrers über die Abmessungen des Fahrzeugs
und die Einstellung eines als Referenzelement dienenden Elementes
definiert ist und daraus die Position des Fahrers und somit die
Winkelposition anderer Elemente berechnet werden kann.
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Ferner
ist es möglich,
daß ein
z. Bsp. in der Elektronik des Kraftfahrzeugs hinterlegtes optisches
Modell vorgesehen ist, welches anhand der Detektion der Sitzposition
und der Winkelposition des ersten Elementes die Einstellung der
anderen Elemente ermöglicht.
Daraus folgt eine komfortable und sichere Spiegeleinstellung.
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Insbesondere
kann auch die Position des Fahrzeugsitzes als zusätzliches
Referenzelement dienen. Dies liegt daran, daß für die richtige Einstellung
der Elemente, insbesondere der Spiegel im Kraftfahrzeug, die Position
der Augen im Raum entscheidend ist. Diese kann nicht nur aus der
aktuellen Position z. B. linken Außenspiegels, sondern auch aus
der Position des Sitzes, einschließlich der Kopfstützen ermittelt
werden. Die Berechnung der Ausrichtung der weiteren Elemente basiert
dann auf einem ergonomischen Datenmodell.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn ein oder mehrere Sensoren zur Erkennung
der Sitzposition des Fahrers vorhanden sind. Dies ermöglicht die
Detektion unterschiedlicher Sitzhaltungen des Fahrers. Der Fahrer
verändert
nämlich
im allgemeinen seine Sitzhaltung automatisch, oft bedingt durch
monotone. längere
Fahrten. Verändert
der Fahrer seine Körperhaltung,
indem er sich zum Beispiel stärker
nach vorne beugt, so wird diese Positionsveränderung detektiert und in eine
neue Winkeleinstellung der Elemente umgerechnet. Diese können dann
automatisch nachgeführt
werden. Diese permanente Nachführung
der Winkeleinstellung zur aktuellen Sitzhaltung ist besonders komfortabel.
Der Fahrer kann seine Sitzhaltung während der Fahrt beliebig ändern, ohne
auf die Spiegeleinstellung Rücksicht
nehmen oder die Spiegeleinstellung bei Veränderung der Sitzposition neu
einstellen zu müssen.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, daß eine Drehbewegung des Kopfes
des Fahrers beim Blick zum Spiegel bei der Berechnung berücksichtigt
wird. Diese Drehbewegung erfolgt erfahrungsgemäß auch bei unterschiedlich
großen
Fahrern in einem engen Winkelbereich. Daher ist es möglich, einen
mittleren Drehwinkel fest vorzugeben.
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Zur
Durchführung
der Erfindung sind mehrere Algorithmen denkbar. Besonders vorteilhaft
ist es, je einen Algorithmus für
den waagrechten und den senkrechten Einstellwinkel zu hinterlegen.
Dabei kann vorzugsweise der senkrechte Einstellwinkel über die
Position des Fahrersitzes und die fixen Längenverhältnisse des Kraftfahrzeugs,
insbesondere über
die Beinlänge
des Fahrers ermittelt werden. Anhand bekannter ergonomischer Größen läßt sich
von der Beinlänge
auf die Körpergröße des Fahrers,
die Höheneinstellung
des Fahrersitzes und damit die Position des Sehzentrums im Kraftfahrzeug
schließen.
