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Es ist bekannt, dass zum Bewegen einer mobilen Einheit, z. B. eines Fahrzeugs, ein Fahrantrieb verwendet wird. Das Lenken kann bei leichten Fahrzeugen direkt durch den Fahrer ausgeführt werden. Wenn das Lenken jedoch viel Kraft und/oder Energie erfordert, aber auch insbesondere bei selbständig lenkenden Fahrzeugen, ist es ebenso bekannt, dass auch für die Lenkung ein Antrieb vorgesehen ist.
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Insbesondere kleine, moderne Pkw haben häufig Motor und Antrieb auf der Vorderachse. Über ein Differential sind beide Vorderräder angetrieben und beide Räder können gelenkt werden.
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Bei vielen sog. Flurförderzeugen, z. B. Gabelstaplern oder auch fahrerlosen Transportfahrzeugen, verwendet man ein kompaktes, meistens elektrische Fahrlenkmodul. Bekannt ist hierfür auch die Anwendung eines sog. Differentialantriebes, der eigentlich aus zwei Fahrantrieben besteht, von denen jeder ein Rad antreibt. Die zwei Antriebe sind an einem Drehschemel nebeneinander angeordnet, sodass durch unterschiedliche Drehzahlen die Fahrgeschwindigkeit änderbar ist und auch das Fahrzeug gelenkt werden kann.
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Des weiteren werden häufig Radantriebe eingesetzt, die über eine senkrecht ausgerichtete Drehachse mit dem eigentlichen Fahrzeugrahmen verbunden sind. Diese Drehachse kann dann wiederum über einen Lenkantrieb verstellt werden, sodass hierdurch ein Lenken des Radantriebs bzw. ein Ändern der Fahrtrichtung möglich ist.
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Nachteilig ist, dass insbesondere, wenn viele und/oder auch große Lenkänderungen vorgenommen werden, die Energie- und Steuerzuführungen bzw. Leitungen zu den Antrieben flexibel und trotzdem hoch zuverlässig sein müssen. Die vielen Bewegungen führen jedoch zu Verschleiß an den Zuführungen bzw. Leitungen. Lange Leitungen senden außerdem Störfelder aus bzw. nehmen Störfelder auf.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Ansteuerung und Regelung des Fahrlenkmoduls zu vereinfachen und zuverlässiger zu gestalten.
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Die Aufgabe wird durch das Merkmal des Anspruchs 1 gelöst, dadurch dass die Regelung der Motoren auf dem Modul erfolgt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die für die Ansteuerung und auch Regelung des Fahrlenkmoduls zusätzlichen Mittel nicht von diesem getrennt aufgebaut werden, sondern zusammen mit dem Fahrlenkantrieb ein Modul bilden. Zu diesen Mitteln können die Antriebsregler, sowie Sensoren zur Erfassung der tatsächlichen Drehzahl oder Drehung der Motoren, z. B. Inkrementalgeber oder Tacho, gehören. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Fahrlenkmodul im wesentlichen komplett aufgebaut ist, die Leitungen zwischen Regler und Antriebsmotoren sehr kurz und somit robuster gegen Störungen sind und auch weniger Störungen ausstrahlen. Ein solches Modul lässt sich universell anwenden bzw. für viele unterschiedliche Aufgaben anwenden. Das Fahrlenkmodul besteht aus einem Radantrieb (Fahreinheit) und einer Lenkeinheit oder aus zwei Fahreinheiten, die bei unterschiedlicher Drehzahl auch lenken können (Differentialantrieb). Das Differentialfahrlenkmodul ist drehbar gegenüber dem Fahrzeugrahmen gelagert, z. B. mit einem Drehschemel.
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Das Fahrzeug besteht typischerweise aus dem Fahrlenkmodul und einem Fahrzeugrahmen mit weiteren Rädern, z. B. Bockrollen. Der Fahrzeugrahmen kann ggf. auch für die Aufnahme von Lasten verwendet werden.
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Für die unterschiedlichen Verwendungsfälle des Fahrzeugs sind verschiedene Ausführungen des Fahrzeugrahmens möglich.
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Auf dem Fahrzeugrahmen können sich die eigentliche Energiequelle für das Fahrzeug (z. B. Akkumulator) und evtl. Einrichtungen zur Informationsverarbeitung oder zur Steuerung des gesamten Fahrzeugs oder auch nur der Lastaufnahme befinden. Es sind dann lediglich die Betriebsenergie und Informationen für die Fahrgeschwindigkeit und für die Lenkrichtung auf das Fahrlenkmodul zu übertragen.
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Dieses ist jedoch grundsätzlich einfacher und zuverlässiger herzustellen, als wenn sich die Antriebsregler auf dem Fahrzeugrahmen befinden.
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Während bei Fahrlenkmodulen, die aus einem Radantrieb und einem Lenkantrieb bestehen, der Lenkantrieb am Rahmen verbaut sein kann, und somit keine flexible Energiezuführung vom Rahmen benötigt, müssen beim Differentialantrieb mit Drehschemel beide Antriebsmotoren mit Energie, z. B. aus der Batterie, die im Rahmen verbaut ist, versorgt werden. Da die Regelung vorteilhafterweise auf dem Fahrlenkmodul verbaut ist, benötigt man für beide Antriebe allerdings nur eine Energiezuführung, die über die getrennte Regelung an beiden Antrieben getrennt weiter geleitet wird.
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(2. Anspruch) Noch deutlicher wird der Vorteil der Erfindung, wenn der Sensor nach Anspruch 2 zur Spurführung und möglicherweise auch die Geschwindigkeitsrüberwachung bzw. -regelung ebenfalls auf dem Fahrlenkmodul verbaut ist. Dieses ist ein typische Anforderung für fahrerlose oder auch assistierte Fahrzeuge.
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Besonders deutlich ist dies, wenn die Spurführung entlang einer virtuellen oder auch tatsächlich erkennbaren Linie vorgenommen werden soll. Bei fahrerlosen Fahrzeugen verwendet man schon seit Jahrzehnten Leitdrähte in der Fahrbahn oder auch Striche auf der Fahrbahn zur Spurführung. Als weitere Markierungsmittel kommen inzwischen Transponder oder Magnete in der Fahrbahn in Frage. Zur Spurführung entlang von künstlichen oder auch inzwischen natürlichen Landmarken dienen des weiteren Laser oder Kameras, z. T. auch Radar und Ultraschall. Dies sind typische Sensoren, die vorteilhaft auf dem Fahrlenkmodul mit verbaut werden können. Es ist dabei von großem Vorteil, dass der Sensor an dem des Fahrlenkmodul mit geschwenkt wird, weil dann seine Ausrichtung mit der Ausrichtung des Fahrlenkmodul übereinstimmt. Der Sensor schaut sozusagen in die aktuell anliegende Fahrrichtung und ist somit optimal, insbesondere an Linien, wie Leitdrähten oder Strichen, ausgerichtet.
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Das magnetische Feld des Leitdrahtes durchläuft den Sensor ideal quer zur Fahrtrichtung. Auch der Strich auf der Fahrbahn durchläuft, bei optimaler Auswertung, dann das Kamerabild ideal längs und mittig zum Zentrum. Bei einem Verbauen des Sensors an dem eigentlichen Rahmen des Fahrzeugs wird der Sensor nicht mitgelenkt, sodass die Ausrichtung zur Spur bei Kurvenfahrt im Randbereich des Sensors liegt. Die Auswertung wird dadurch erheblich schwieriger. Es muss dann zusätzlich der aktuelle Winkel zwischen Fahrzeugrahmen und dem Fahrlenkmodul ermittelt und übertragen werden. Dieser Winkel ist eine weitere Fehlerquelle.
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Bei Kurvenfahrt ist außerdem die Achse des Rahmens nicht identisch mit der Fahrrichtung des Fahrlenkmodul. Das kann dazu führen, dass die Linien oder die Fahrbahnmarkierung nicht mehr mittig im Erfassungsbereich sind und im ungünstigen Fall auch „verloren” gehen.
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Ein weiterer Vorteil für das Verbauen des Spursensors direkt auf dem Fahrlenkmodul st, dass auch hier der Leitungsweg des Spursignals für die Regler auf dem Fahrlenkmodul sehr kurz ist und direkt ohne Drehübertrager oder spezielle Übertrager ausgeführt werden kann. Um ein Signal vom Rahmen auf das Fahrlenkmodul zu übertragen, werden sonst zusätzliche konduktive, induktive, HF oder IR-Übertager eingesetzt.
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Nachteilig bei diesen Übertragern ist, dass sie zusätzliche Kosten verursachen und ein Ausfallrisiko darstellen. Konduktive Übertrager verschleißen außerdem. Daher ist es von großem Vorteil, keine oder möglichst wenige dieser Übertrager einzusetzen. Diese Nachteile hat man nicht, wenn alle oder möglichst viele Module auf dem Fahrlenkmodul verbaut sind.
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Wenn die Batterie z. B. aus Platzgründen nicht auf dem Fahrlenkmodul, sondern im Rahmen verbaut wird, wird lediglich eine Energieübertragung zum Fahrlenkmodul notwendig. Ggf. kann ein Datenaustausch zwischen Fahrlenkmodul und Rahmen auch optisch oder durch Funk über sehr kurze Distanzen ggf. auch abgeschirmt erfolgen.
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Vorteilhaft bei kompakten Fahrlenkmodul ist, dass die Auswertung des Spursensorsignals ebenfalls auf dem Modul vorhanden ist. Bei Bedarf können unterschiedliche Spursensoren, z. B. Leitdraht oder auch Strichsensoren, Transponder oder Magnetsensoren oder andere alternativ oder auch in Kombination verwendet werden. Auch Sensoren zur Hinderniserkennung sind auf dem Fahrlenkmodul optimal einsetzbar. Dadurch, dass das Fahrlenkmodul immer in die aktuelle Fahrrichtung ausgerichtet ist, wird ebenso der Sicherheitssensor, z. B. ein Laserscanner oder eine Kamera oder Ultraschalleinrichtungen oder andere berührende oder berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen vorteilhaft in die aktuelle Fahrrichtung mitgedreht.
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Der Konstrukteur eines Fahrzeugs kann bei dem Hersteller des Fahrlenkmoduls unterschiedliche Sensoren zur Spurführung oder auch Hinderniserkennung bestellen, je nach der Bestimmung des Fahrzeugs. Das Fahrlenkmodul wird mit passenden Sensoren geliefert und ist ggf. sogar zertifiziert. Dadurch wird dem Fahrzeugkonstrukteur sehr viel Arbeit abgenommen.
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Wenn die Führung des Fahrzeugs entlang einer Linie erfolgt, z. B. mit einem Leitdraht oder mit einem Strich, dann ist es nach Anspruch 4 sinnvoll, die Position entlang dieser Linie durch eine geeignete Ortsmarke auf dem Boden, z. B. eine optische oder induktive Referenzmarke vorzunehmen. Es ist dann von Vorteil, dass der Ortsmarkensensor ebenfalls mit an dem Fahrlenkmodul verbaut wird.
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Dadurch, dass die Spurführung an dem Fahrlenkmodul auch in Kurven zuverlässig an der Linie gehalten wird, ist gewährleistet, dass die Ortsmarke sicher erfasst wird. Wenn der Ortsmarkensensor hingegen an dem Fahrzeugrahmen verbaut wird, kann es bei ungünstigen Kurvenkonstellationen dazu kommen, dass sich der Ortsmarkensensor relativ von der Idealspur verschiebt und dann die Ortsmarke nicht mehr erkannt wird.
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Trotzdem ist es natürlich möglich weiterhin Spurerfassungssensoren am Fahrzeugrahmen zu verbauen und deren Daten ggf. auch zusätzlich zu verwenden.
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(5. Anspruch) Weil ggf. auf dem Fahrzeugrahmen mehr Platz ist als auf dem Fahrlenkmodul kann es von Vorteil sein, die Batterie auf dem Fahrzeugrahmen unterzubringen. Auch eine Steuerung für Lastaufnahmemittel und andere Aktoren, kann hier Platz finden. Der Rahmen ist auch für die Ladekontakte zum Energiespeicher geeignet.
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Außer einer Energieübertragung ist ggf. auch ein Datenaustausch zwischen Fahrlenkmodul und Rahmen erforderlich.
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Klassischerweise wird die Energie konduktiv, z. B. über Schleifkontakte, oder auch induktiv, z. B. mittels Induktionsspulen übertragen.
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Wenn die Anforderungen nicht zu hoch sind, ist auch die Verwendung von flexiblen Leitungen, ggf. auch aufgewickelt, möglich.
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Die Datenübertragung zwischen Fahrzeugrahmen und Fahrlenkmodul kann über eigene Schleifen oder auch induktive oder flexible Leitungen oder auch durch Modulation des Energieübertragungsweges vorgenommen werden. Vorteilhaft ist eine Funk- oder Infrarotübertragung. Sie ist verschleißfrei und lässt hohe Übertragungsraten zu.
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Wegen des geringen Aufwandes ist es vorteilhaft die Leitung mittig im Drehzentrum durchzuführen. Bei geringen Fahrrichtungsänderungen wird bei ausreichender Leitungslänge die Leitung nur wenig tordiert. Auch hilft es die Leitung spiral- oder wendelförmig aufzuwickeln, um so bei Fahrtrichtungsänderung die Torsion auf eine möglichst lange Leitung zu verteilen. Die Belastung verringert sich dadurch erheblich.
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Vorteilhaft ist, dass das Fahrlenkmodul komplett fertig ist. Der Projektierer kann ohne Entwicklungsaufwand und -kosten dieses Modul direkt für seine eigene Konstruktion übernehmen. Er muss lediglich die Batterie anklemmen und den anwendungsspezifischen Rahmen ggf. mit der anwendungsspezifischen Steuerung hinzufügen.
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Wenn auch die Batterie auf dem Fahrlenkmodul Platz findet, ist nach Anspruch 6 keine elektrische Verbindung zum Fahrzeugrahmen notwendig. Bei diesem Ausrüstungsumfang wird dann der Vorteil für den Fahrzeugkonstrukteur noch deutlicher. Er muss nur noch den Fahrzeugrahmen entwerfen. Das Fahr-/Lenkmodul ist für viele unterschiedlichste Einsätze geeignet und kann in größerer Stückzahl hergestellt werden. Durch die Massenproduktion ist es ausgereifter als ein Sonderfahrzeug, das der Fahrzeugkonstrukteur nur für seine Anwendung entwickelt hat.
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Wenn alle Sensoren, Aktoren, Regler, der Bahnrechner die Auftragseingabeschnittstelle (z. B. Datenfunk) und ein Energiespeicher (z. B. Batterie) auf dem Fahrlenkmodul vorhanden sind, ist das Fahrlenkmodul eigentlich schon in der Lage zu fahren. Ein Stützrad oder Stützräder oder der Führungsrahmen mit Rad oder Rädern sind dann nur noch notwendig, damit das Fahrlenkmodul nicht umkippt. Die Leitungen und teure und auch anfällige Übertrager zum Fahrzeugrahmen entfallen.
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Wenn einmal eine EMV- und Störausstrahlungsprüfung beim Hersteller des Fahrlenkmoduls erfolgreich durchgeführt wurde, kann die Konformität erklärt werden. Das Fahrlenkmodul ist dann geprüft bzw. zertifiziert für unterschiedliche bestimmungsgemäße Anwendungen. Der Konstrukteur des Fahrzeugs muss dann für das Fahrlenkmodul keine weiteren Prüfungen durchführen. Das ist insbesondere im Sonderbau oder bei Kleinserien von Fahrzeugen ein sehr großer Vorteil.
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Der Energiespeicher auf dem Fahrlenkmodul hat aber auch Vorteile, um Stromspitzen auszugleichen. Kondensatoren können hohe Stromspitzen aufnehmen und diese Energie bei Bedarf auch wieder zurückführen. Sog. SuperCaps sind auch in der Lage Energie aufzunehmen, wenn das Fahrlenkmodul generatorisch arbeitet, also Strom erzeugt. Der Strom fließt dann nicht über die längere Leitung über den Energiespeicher auf dem Fahrzeugrahmen, sondern verbleibt auf dem Fahrlenkmodul.
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(7. Anspruch) Das Fahrlenkmodul lässt sich mit Anschlägen gegenüber dem eigentlichen Fahrzeugrahmen gegen Verdrehung zusätzlich absichern. Ein Anschlag kann mechanisch erfolgen oder lediglich als elektrisches Signal gesetzt werden. Diese Maßnahme hilft, dass das Fahrlenkmodul zu weit durchdreht, sodass sich ggf. Kabel aufwickeln oder auch um einen Referenzpunkt zur Feststellung des Winkels zwischen Fahrlenkantrieb und Fahrzeugrahmen zu gewinnen. Endanschläge können dann als Referenzpunkte für die Odometrie oder andere Lenkwinkelsensoren genutzt werden. Insbesondere bei dem Drehschemeldifferenzialantrieb mit zwei Antriebsmotoren wird durch Einschränkung des Lenkbereiches die Stabilität des Fahrzeugs erhöht. Denn wenn die Lenkrichtung im ungünstigsten Fall auf 90° nach links oder rechts gedreht wird, kann der Fahrzeugrahmen über dem Drehschemel in ungünstigen Situationen schnell kippen. Durch Einschränkung des Lenkbereiches wird des weiteren auch ggf. mehr Platz für andere Komponenten unter dem Fahrzeugrahmen gewonnen.
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(8. Anspruch) Bei Verwendung von Differenzialantrieben ist die Erfassung der tatsächlich gefahrenen Strecke mit Inkrementalgebern an den beiden Fahrantrieben möglich. Dadurch kann man dann in der Regel auf die Ausrichtung des Fahrzeugrahmens in Bezug auf das Fahrlenkmodul schließen. Zuverlässiger und insbesondere bei Rückwärtsfahrt des Moduls praktisch notwendig ist jedoch die Verwendung eines Sensors, z. B. eines Inkrementalgebers, zur tatsächlichen Ausrichtung des Fahrlenkmodul in Bezug auf den Fahrzeugrahmen.
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Bei Rückwärtsfahrt, kann der Fahrzeugrahmen gegenüber dem Fahrlenkmodul relativ schnell ausbrechen. Er ist dann unkontrollierbar, wenn keine Winkelerfassung zwischen Rahmen und Fahrlenkmodul erfolgt.
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(9. Anspruch) In der Regel hat ein Spursensor, der am Fahrlenkmodul verbaut ist, eine gute Ausrichtung oder auch Sicht auf künstliche Spurmarkierungen in oder auf der Fahrbahn. Bei vielen Fahrzeugen ist jedoch die Ausrichtung nach oben durch den darüber liegenden Fahrzeugrahmen und deren Aufbauten nicht oder kaum möglich.
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Vorteilhaft kann dann eine direkte oder indirekte Verlängerung der Drehachse des Fahrlenkmodul sein, sodass der Spursensor aus einer höheren Position die Marken in der Umgebung besser erfassen kann. Der Spursensor kann dann weiterhin in die aktuelle Richtung des Fahrlenkmodul ausgerichtet sein. Eine solche Ausrichtung des Spursensors ist ebenso auch für die Ausrichtung eines Hindernissensors oder anderen Sensors zur Erfassung der Umgebung in vorteilhafter Weise möglich.
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(10. Anspruch) Bei Verwendung von mehreren Fahr-/Lenkantrieben kann sich das gesamte Fahrzeug omnidirektional bewegen und somit beliebige Fahrmanöver ausführen, z. B. auch Querfahren. Zur Führung entlang einer Linie kann somit das gesamte Fahrzeug z. B. vorne und hinten exakt entlang dieser Linie geführt werden und benötigt eine kleinere Hüllkurve als wenn es nur an einer Achse geführt wird. Die Synchronisation der Fahr-/Lenkantriebe ist vorteilhaft, damit sie sich beim Hintereinanderfahren nicht gegenseitig ausbremsen bzw. bei Querfahrt die gewünschte Ausrichtung des Fahrzeugs und auch Richtung beibehalten.
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(11. Anspruch) Je nach Anforderung, Fahrkurs und auch Bodenhaftung sowie durch andere Fehlermöglichkeiten kann es dazu kommen, dass die zurückgelegte Strecke und auch die Richtung nicht korrekt erfasst werden, z. B. durch Rutschen oder auch Schlupf. Durch Verwendung von zusätzlichen Sensoren (Redundanz) oder auch durch Überprüfung an Wegmarken können Fehler festgestellt werden.
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Auch Plausibilitätsprüfungen können Fehler feststellen, bspw. wenn mit einem Differentialantrieb längere Zeit über eine bekanntermaßen gerade Strecke gefahren wird und dabei festgestellt wird, dass der eine Antrieb schneller dreht als der andere. Entsprechendes gilt bei Kurven, wenn die Antriebe mit anderen Geschwindigkeiten laufen als für die Kurve zu erwarten wäre.
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(12. Anspruch) Wenn festgestellt wird, dass die zurückgelegte Wegstrecke nicht mit der angenommen Sollwegstrecke übereinstimmt, wird ein Fehler vorliegen. Somit kann dann entsprechend reagiert werden.
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(13. Anspruch) Da sich das Fahrlenkmodul auch bei Kurvenfahrt in die gewünschte Fahrrichtung dreht, ist es nicht nur für den Spurführungssensor oder einen allgemeinen Hindernissensor, sondern auch für einen Abstandssensor der geeignete Einbauort. Somit ist der Sensor in die Richtung gedreht, in die das Fahrzeug auch fahren wird. Hindernisse im Fahrweg und auch andere Fahrzeuge, die sich in der Spur befinden, können dann besser erkannt werden. Mit einem Abstandssensor ist dann eine Konvoifahrt möglich.
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(14. Anspruch) Ein Fahrzeug mit mehr als drei Rädern, bei dem die Räder nicht gefedert sind oder die Achsen einen Ausgleich haben, wird bei unebener Fahrbahn kippeln. Wenn das Fahrlenkmodul durch einen Differentialantrieb realisiert wurde, ist es von Vorteil, wenn quer zur Differentialachse, also längs zur Fahrzeugrichtung das Fahrlenkmodul nach rechts oder links über eine Längsachse (Pendelachse) ausgleichen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass beide Räder des Differentialantriebs auch am Boden sind.
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(15. Anspruch) Nicht nur für die Spurführungssensoren ist das Fahrlenkmodul der ideale Einbauort. Auch eine Beleuchtung, bspw. ein Fahrlicht oder Blinklichter, können auf diesem Modul verbaut werden, sodass die Beleuchtung besser in Fahrtrichtung ausgerichtet ist.
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Wenn das Fahrlenkmodul nach Anspruch 16 um 180° gedreht werden kann, werden auch die Spurführungssensoren und ggf. andere Sensoren mitgedreht. Somit schauen die Sensoren wieder optimal in die Richtung, in die auch das Fahrlenkmodul fährt, bspw. wenn das ganze Fahrzeug rückwärts fahren soll.
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Rückwärtsfahren ist im allgemeinen instabiler als Vorwärtsfahren. Dagegen hilft, dass man zwei Fahrlenkmodul verwendet, die beide über Spurführungssensoren verfügen und dass jedes dieses Fahrlenkmodul der Spur folgen kann. Wenn dann ein Fahrlenkmodul im vorderen Bereich und der andere im hinteren Bereich des Fahrzeugs ist, kann das Fahrzeug ideal einer vorgegebenen Linie folgen. Die sog. Hüllkurve des Fahrzeugs ist dann am geringsten, d. h. das Fahrzeug benötigt dann am wenigsten Platz, also die geringste Fahrbahnbreite.
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(17. Anspruch) Mit dem Fahrlenkmodul lässt sich eine elegante Fahrrichtungsumkehr durchführen. Wenn dazu das Fahrlenkmodul um annähernd 180° gedreht wird und dann das Fahrlenkmodul den Fahrzeugrahmen zurückschiebt, wird der Fahrzeugrahmen nach rechts oder links ausschwenken. Voraussetzung ist jedoch, dass das Fahrlenkmodul in Vorwärts- und Rückrichtung etwas versetzt zueinander fährt. Während das Fahrlenkmodul seiner Spur weiter folgt, wird der Rahmen ausgeschwenkt, bis er 90° quer zur Fahrbahn steht und dann wieder von dem Fahrlenkmodul nachgezogen wird.
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Eine Fahrtrichtungsänderung kann nach Anspruch 18 gezielt durchgeführt werden, indem beim Differentialantrieb eines der beiden Räder gestoppt bzw. gebremst wird. Dies kann bewusst durchgeführt werden, um eine Kurve oder eine Wende zu fahren, bspw. um von einer Linie auf eine andere Linie zu schwenken. Sobald der Spurführungssensor die neue Linie erkannt hat, wird die Bremsung für das Rad gelöst und wieder weiter gefahren, d. h. der neuen Linie gefolgt.
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(19. Anspruch) Fahrlenkmodul sind empfindlicher als einfache Lastrollen. Um einfache Lastrollen gegen Überlastung zu schützen, kann man die Lastrollen relativ preiswert höher dimensionieren.
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Bei Fahrlenkmodulen würde eine höhere Dimensionierung ungleich mehr Geld kosten. Daher ist es ggf. vorteilhafter, Fahrlenkmodul vor Stoßbelastung durch die Last oder von der Fahrbahn durch eine Federung zu schützen und/oder allgemein bei zu hoher Last zu stoppen oder nicht anzufahren.
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(20. Anspruch) Bei einem Fahrlenkmodul sind Fahrgeschwindigkeit und Fahrrichtung bekannt. Somit kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass bei Kurvenfahrt die Geschwindigkeit entsprechend reduziert wird.
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(21. Anspruch und 22. Anspruch) Fahrzeuge, die ein sog. Federspeicherbremssystem haben bremsen automatisch, sobald der Strom abgeschaltet wird. Eine Bremswirkung kann auch erzeugt werden, wenn das Fahrlenkmodul quergestellt wird. Die Fahrzeugmasse drückt dann gegen das quergestellte Rad, das im Idealfall dann nicht nach rechts oder links weiter dreht. Um ein Weiterrollen des Fahrlenkmoduls nach rechts oder links zu verhindern, ist es nach Anspruch 22 von Vorteil, wenn sich das Fahrlenkmodul selbst in eine Bremsposition dreht. Im dieser Position kann/können dann das Antriebsrad oder die Antriebsräder bspw. durch eine Klemme festgehalten werden. Das ist ausreichend, um ein Weiterrollen zu verhindern. Erst durch ein ausreichendes Fahrantriebsmoment am Differentialantrieb oder Lenkmoment am Lenkantrieb wird das Rad dann aus dieser Situation befreit.
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(23. Anspruch) Da das Fahrlenkmodul eine ideale Position für einen Spursensor ist, ist es auch geeignet, um mit einem Sensor (Zielsensor) das Fahrzeug auf ein bestimmtes Ziel zu führen oder einem Ziel zu folgen. Dieses Ziel muss gut erkennbar sein, z. B. durch eine Marke. Bei dem Ziel kann es sich um Batterieladekontakte oder eine Lastübergabestelle oder um ähnliches handeln. Ziel bzw. Marke können in, auf, über oder neben der Fahrbahn sein oder vor dem Fahrzeug hergeführt werden. Ggf. soll dabei auch eine bestimmte Distanz zum Ziel gehalten werden, z. B. wenn die Marke nicht direkt identisch ist mit dem Ziel bzw. bei der Konvoifahrt. Die Marke kann sich an einer Wand befinden oder vor dem Fahrzeug auf dem Boden. Das Ziel können dann bspw. auch Batterieladekontakte sein, die sich in einer gewisse Distanz vor dem Ziel befinden. Dann muss das Fahrzeug diese Distanz zum Ziel einhalten, damit es richtig auf den Batterieladekontakten positioniert wird. Gleiches gilt auch für Lastübergabestellen u. ä..
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Der Zielsensor wird vorteilhafter auf dem Fahrlenkmodul verbaut, weil dadurch die Spurregelung sehr einfach wird. Das Ziel ist vorausschauend zu erkennen. Wenn als Zielsensor eine Kamera verwendet wird, dann kann das Fahrlenkmodul direkt über die Kamera auf das Ziel zugeführt werden. Der Fahrzeugrahmen folgt dann automatisch dem Fahrlenkmodul.
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Wenn mit dem Zielsensor auch eine Entfernungsermittlung möglich ist, kann das Fahrzeug in gewünschter Position auch vor dem Ziel gestoppt werden oder es kann eine Konvoifahrt mit Abstandsregelung durchgeführt werden.
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Nachteilig bei der bisherigen Verwendung eines Sensors auf dem Fahrzeugrahmen ist, dass dann erste über eine zusätzliche Ermittlung des Differenzwinkels zwischen Rahmenausrichtung und Fahrlenkmodulausrichtung eine Lenkregelung möglich ist.
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Die Regelung wird aufwendiger, komplizierter und schlechter.
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Die Verwendung des Zielsensors auf dem Fahrlenkmodul hat dagegen diese Nachteile nicht.
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(24. Anspruch) Zur Stabilisierung der Regelung ist es von Vorteil, wenn sich auf dem Fahrlenkmodul auch ein Beschleunigungssensor (z. B. inertialer Drehsensor) befindet, mit dem sich Ausrichtungsänderung des Fahrlenkmodul sofort erkennen lassen. Dies ist von Vorteil für die Regelung, wenn Regelgrößen sich ändern und darauf schnell reagiert werden soll.
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(25. Anspruch) Es ist von Vorteil, wenn verschiedene Fahrlenkmodule existieren, die jedoch weitestgehend gleiche Schnittstellen haben. Wenn sich die Module bspw. in Größe, Leistung, Eignung für verschiedene Anwendung usw. unterscheiden, jedoch sonst ähnlich für den Anwender sind, fällt es leichter das geeignete Modul für die aktuelle Anwendung auszusuchen. Idealerweise sind die verschiedenen Module austauschbar.
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Dem Anwender fällt es leichter dann von einem bisher bekannten Modul auf ein ähnliches Modul umzusteigen, wenn Schnittstellen, Programmierung usw. bereits bekannt sind.
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(27. Anspruch und 28. Anspruch) Wenn das Fahrlenkmodul über Wegsensoren für eine entsprechende Erfassung und über einen geeigneten Auswerter verfügt, kann die zurückgelegte Wegstrecke bzw. Bahn aufgenommen werden. Diese Information kann für die Erstellung einer Wegkarte genutzt werden. Es ist dann von Vorteil, wenn eine so zurückgelegte und erfasste Wegstrecke bzw. Bahn für einen Fahrauftrag als Sollbahn definiert werden kann und ein Fahrzeug diese Wegstrecke abfahren kann.
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(30. Anspruch) Der Fahrzeugrahmen kann über Stützen verfügen, sodass bei zu hoher Last diese Belastung nicht über die Räder, sondern über die Stützen an den Boden abgegeben wird.
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(31. Anspruch) Mit einer Schnellwechselvorrichtung zwischen Fahrlenkmodul und Fahrzeugrahmen ist der Austausch der Module relativ komfortabel möglich. Da das Fahrlenkmodul mit vielen Komponenten ausgestattet ist, besteht eine gewisse Ausfallwahrscheinlichkeit. Mit der Schnellwechselvorrichtung ist die Behebung des Ausfalls in kurzer Zeit möglich. Vorteilhaft ist, wenn dabei auch die Daten für den Fahrauftrag und/oder auch Daten für die Fehlerursache erfasst werden können. Wenn das neue Fahrlenkmodul eingesetzt wird, sollte es somit möglich sein, das Fahrzeug mit dem bisherigen Fahrauftrag weiterlaufen zu lassen bzw. einen Datenspeicher auslesen zu können, mit dem die letzten Daten ausgelesen werden können, um auf die Ursache für den Fehler zu schließen.
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(32. Anspruch) Wenn das Fahrlenkmodul von dem eigentlichen Fahrzeugrahmen getrennt wird, kann mind. ein Stützrad, z. B. eine Lenkrolle, von Vorteil sein. Wenn das Fahrlenkmodul dann auch noch über einen Energiespeicher, z. B. eine kleine Batterie verfügt, kann man es sogar selbstfahrend von dem eigentlichen Fahrzeugrahmen trennen. Dieser Vorteil gilt insbesondere für große Fahrzeuge, wenn das Fahrlenkmodul zum Austausch, zur Reparatur oder zur Wartung vom Fahrzeugrahmen getrennt werden soll. Auch ein Wechsel des Fahrzeugrahmens ist dadurch möglich.
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Mit Stützrad wird die Lagerung zwischen Fahrzeugrahmen und Fahrlenkmodul einfacher, ggf. kann statt Drehkranz ein Zapfen zur Aufnahme ausreichend sein. Die Kippkräfte sind dann am Fahrlenkmodul niedrig, wenn soviel Spiel oder Ausgleichmöglichkeiten vorhanden sind (ggf. auch Kugelzapfen), dass Bodenunebenheiten ausgeglichen werden können.
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Das Fahrlenkmodul kann den Fahrzeugrahmen selbständig wechseln, wenn entsprechende Aufnahmen dafür vorgesehen sind.
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Da das Fahrlenkmodul sowieso geführt wird, ist es nach Anspruch 33 von Vorteil, auch ggf. eine berührungslose Energieübertragung auf diesem Modul zu verbauen.
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Die berührungslose Energieübertragung benötigt in der bekannten induktiven Form eine genaue Positionierung, um eine gute Übertragung zu gewährleisten.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Energie aus der berührungslosen Energieübertragung dort ankommt, wo sie gebraucht wird.
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Bei defekten Fahrzeugen oder um das Fahrzeug außerhalb der Automatikstrecke zu nutzen oder um es abweichend vom Automatikbetrieb manuell auszurichten usw. ist es sinnvoll, das Fahrzeug bzw. das Fahrlenkmodul manuell zu führen.
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Vorteilhaft ist es dafür z. B. eine Stange oder Deichsel zu verwenden, mit der das Fahrlenkmodul gezogen, geschoben und/oder gelenkt werden kann. Eine Fernsteuerung kann ebenfalls geeignet sein. Ein kleiner Handsender ist z. T. praktischer in der Bedienung, als eine Stange. Es ist auch möglich, dem Fahrlenkmodul z. B. eine optische Marke vorzuhalten, und das Fahrzeug dieser Marke folgen zu lassen. Dazu muss das Fahrlenkmodul allerdings, ebenso wie bei der Fernsteuerung, noch selbständig fahren und lenken können.
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Das Fahrlenkmodul kann in verschiedenen Ausführungen, z. B. mit verschiedenen Spurführungssensoren für verschiedene Geschwindigkeiten mit verschiedenen Hindernissensoren, geliefert werden. Ggf. hat der Hersteller Fahrlenkmodultypen, die sich in Größe und/oder Leistung unterscheiden.
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Sie sind als Module entwickelt und gebaut und können als solche vom Hersteller bereits zertifiziert sein.
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Der Fahrzeugkonstrukteur oder Anwender nutzt das Fahrlenkmodul als Basis oder Baustein für sein Fahrzeug. Er muss dann selbst keine Zertifizierung des Fahrlenkmoduls durchführen. Dies ist ein großer Vorteil für ihn und vereinfacht seinen Konstruktionsaufwand.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird diese anhand von Zeichnungen beispielhaft dargestellt und nachfolgend beschrieben:
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1 Die Unteransicht eines Fahrzeugs bestehend aus Fahrlenkeinheit und Fahrzeugrahmen
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2 Die Seitenansicht des Fahrzeugs
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3 Ein Wendemanöver
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4 Das Bremsen eines Rades
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Für den Konstrukteur eines Fahrzeugs, auch eines fahrerlosen Transportfahrzeugs, ist es besonders vorteilhaft, wenn er auf ein kompaktes, bewährtes und für ihn auch bekanntes Fahrlenkmodul (1) zurückgreifen kann.
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1 zeigt ein solches Fahrlenkmodul (1) von der Unterseite eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug ist für unterschiedliche Aufgaben geeignet, z. B. zum Transport von Personen oder Lasten oder als Plattform für einen mobilen Roboter, es kann manuell oder ferngesteuert, automatisch oder auch autonom fahren.
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Dargestellt ist eine umfangreichere Ausrüstung mit einem Differenzialantrieb bestehend aus
- – zwei Motoren (2.1, 2.2), die direkt oder über Getriebe die Räder (3.1, 3.2) antreiben
- – den Inkrementalgebern (5.1, 5.2), um die Wegstrecke zu erfassen,
- – den Antriebsreglern (4.1, 4.2),
- – einem Bahnregler (6), der ggf. auch einen Fahrzeugrechner, einen Drehratensensor und ein Funkmodul zur Datenübertragung hat,
- – einen Spursensor (7) zur Spurführung,
- – einen Zielsensor (8) zur Fahrt auf ein Ziel,
- – einen Hindernissensor (9) zur Erkennung und Abstandshaltung vor Hindernissen,
- – einen Referenzmarkensensor (10), um bestimmte Markierungen, Transponder, Magnete oder Barcodes auf der Fahrbahn als Streckenmarken zu erkennen,
- – Blinklichter (11.1, 11.2) und/oder andere Leuchten,
- – möglicherweise einen Energiespeicher (13),
- – ggf. auch ein Stützrad (14), sodass das Fahrlenkmodul (1), wenn es von dem Fahrzeugrahmen (16) getrennt ist, abgestützt wird, damit es nicht umkippt oder sogar noch fahren kann,
- – einen Drehkranz (15) oder eine andere Lagerung, z. B. mit einem Zapfen und einer entsprechenden Gegenaufnahme, sodass das Fahrlenkmodul (1) unter dem Fahrzeugrahmen (16) drehbar gelagert ist.
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Statt Differentialantrieb kann ein Fahrlenkmodul bspw. auch einen Antriebsmotor mit mind. einem Rad und einen Lenkantrieb haben. Auch andere Kombinationen sind möglich.
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Das Fahrlenkmodul kann ein vom Fahrlenkmodulhersteller zertifiziertes Produkt sein. Wenn der Fahrzeugkonstrukteur es bestimmungsgemäß einsetzt, kann er ggf. für die Konformitätserklärung des Gesamtfahrzeugs auf Prüfungen des Fahrlenkmoduls ganz oder teilweise verzichten.
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An dem Fahrzeugrahmen (16) sind zwei Bockrollen (17.1, 17.2) und eine Batterie (18) zu erkennen, die über ein Batteriekabel (20), das über eine Durchführung (12) am Fahrzeuglenkmodul (1) die Energie für die Motoren (2.1, 2.2) und andere Verbraucher auf dem Fahrlenkmodul (1) liefert.
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Die Batterie (18) auf dem Fahrzeugrahmen (16) anzuordnen ist sinnvoll, wenn auf dem Fahrzeugrahmen (16) relativ viel Platz ist. Möglicherweise wird hier ohnehin Energie benötigt, um andere Verbraucher und Aktoren auf dem Fahrzeugrahmen (16) mit Energie zu versorgen bzw. anzusteuern. Dies können bspw. nicht dargestellte Lastaufnahmemittel sein, ein Roboter oder andere Verbraucher, Sensoren, Aktoren, Ein- oder Ausgabegeräte. Dies hängt von der Aufgabe des Fahrzeugs ab.
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Es ist somit einfach zu erkennen, dass es für den Konstrukteur natürlich von großem Vorteil ist, wenn er das Fahrlenkmodul (1) zukaufen kann und sich auf seine eigentliche, anwendungsspezifische Aufgabe konzentrieren kann, nämlich die Konstruktion und Gestaltung des anwendungsspezifischen Fahrzeugrahmens.
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Während der Fahrzeugrahmen als Sonderbau dann in eher kleineren Stückzahlen für unterschiedliche Aufgaben zu erstellen ist, ist das Fahrlenkmodul eher für vielfältige Anwendungsbereiche gedacht und kann in größeren Serien für viele Konstrukteure und Anwender hergestellt werden.
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Es kann jedoch ggf. mit unterschiedlichen Motoren, Getrieben für unterschiedliche Lasten, Geschwindigkeiten und auch Leistungen ausgelegt sein (Motoren 3.1, 3.2). Je nach Eignung können Sensoren mit unterschiedlichsten Prinzipien gewählt werden. So ist es bspw. von Vorteil, wenn als Spursensor (7) je nach Bedarf, ein Leitdrahtsensor, ein Strichsensor oder auch als Referenzmarkensensor ein optischer oder induktiver Sensor verwendet werden kann. Dies gilt prinzipiell auch für den Zielsensor oder den Hindernissensor. Im allgemeinen stehen induktive, optische, Ultraschall oder auch Radarverfahren zur Auswahl.
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Die Zusammenstellung der Komponenten für das Fahrlenkmodul (1) ist nur beispielhaft. Es können, je nach Bedarf, Komponenten hinzukommen oder entfallen. Von Bedeutung ist dabei aber das Fahrlenkmodulprinzip. Ähnlich wie bei einem Baukasten kann das Fahrlenkmodul (1) aus bewährten Komponenten zusammengestellt und geliefert werden. Der Konstrukteur des eigentlichen Fahrzeugs muss sich um dieses Fahrlenkmodul (1) nicht mehr kümmern. Lediglich die Ein- und Ausgabe für die Fahraufträge muss er dem Fahrlenkmodul (1) zukommen lassen. Dieses kann über ein nicht dargestelltes Funkmodul oder eine nicht dargestellte Ein- Ausgabeeinheit auf dem Fahrlenkmodul (1) oder auch über eine Ein-/Ausgabe, die sich auf dem Fahrzeugrahmen (16) befindet, geschehen. Die Ein-/Ausgabe auf dem Fahrzeugrahmen (16) muss dann direkt oder indirekt induktiv, konduktiv mit Hochfrequenz oder Licht in irgendeiner Weise mit dem Fahrlenkmodul (1) in irgendeiner Weise kommunizieren.
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Im Prinzip ist das Fahrlenkmodul (1) mehr oder weniger selbständig, das zeigt sich insbesondere dann, wenn es von dem Fahrzeugrahmen (16) getrennt werden kann und ggf. sogar mehr oder weniger selbst fahren kann. Dazu kann auch das Stützrad (14) dienen, sodass das Fahrlenkmodul (1) nicht umkippt.
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Ein ausreichender Energiespeicher (13) ist hierfür ebenfalls auf dem Fahrlenkmodul (1) verbaut. Der Energiespeicher (13) kann sonst als Puffer zur Verminderung von Störungen auf dem Übertragungsweg von der Batterie (18) dienen oder auch Spitzenleistungen, z. B. beim Bremsen, aufnehmen (Rekuperation).
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Bei kurzen Wegen kann die Batterie (18) in dieser Form evtl. ganz entfallen, wenn der Energiespeicher (13) ausreichend ist. Andererseits kann die Batterie (18) aber allein zur Versorgung der Verbraucher auf dem Fahrzeugrahmen (16) dienen. Somit wäre dann kein Batteriekabel (20) oder eine andere Energieübertragung zwischen Batterie (18) und Energiespeicher (13) notwendig.
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In 2 ist das Fahrzeug mit dem Fahrlenkmodul (1) und dem Fahrzeugrahmen (16) in der Seitenansicht dargestellt. Zu sehen sind auch Batterie (18), Batteriekabel (20), ein Rad (3.1), eine Bockrolle (17.1) sowie ein Stützrad (14), ein Blinklicht (11), ein Zielsensor (8) und der Bahnregler (6). Wenn in üblichen Anwendungen das Fahrlenkmodul (1) von dem Fahrzeugrahmen (16) nicht getrennt wird, ist das Stützrad (14) nicht erforderlich, wenn Fahrlenkmodul (1) und Fahrzeugrahmen (16) über einen größeren Drehkranz (15) (Drehschemel) miteinander verbunden sind. Wenn jedoch diese Verbindung eher aus einem Zapfen, Kugelzapfen oder ähnlichen Führungen mit geringen Führungskräften aufgebaut ist, dann kann das Fahrlenkmodul (1) zum Kippen nach vorn oder hinten neigen. Ein oder mehrere Stützräder (14), vor oder hinter der Achse der Räder (3), verhindert dieses Kippeln. Im einfachsten Fall kann anstelle eines Stützrades (14) auch ein Gleitkörper verwendet werden, der insbesondere beim Bremsen oder auch beim Wechseln des Fahrzeugrahmens (16) Stabilität liefert.
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Wenn das Fahrlenkmodul (1) sowieso in der Spur geführt wird und hier auch die Energie benötigt wird, ist es zusätzlich von Vorteil auf dem Fahrlenkmodul (1) eine berührungslose Energieübertragung bzw. das Koppelelement (19) vorzusehen. Das Koppelelement (19) empfängt die Energie von der entsprechenden stationären Einrichtung, z. B. einer Koppelspule in der Fahrbahn und einem Generator. In Kombination mit dem Energiespeicher (13) können dann auch Strecken gefahren werden, auf denen dann teilweise keine berührungslose Energieübertragung möglich ist. Somit ist das Fahrlenkmodul (1) in gewissem Sinne energetisch autonom.
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Zum Wechseln des Fahrzeugrahmens (16) sind leicht und schnell lösbare Wechselvorrichtungen vorteilhaft. Dazu kann eine Entriegelung notwendig sein. Hilfreich ist, wenn dann der Fahrzeugrahmen ebenfalls abgestützt werden kann, damit er nicht umkippt.
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Insbesondere bei fahrerlosen Transportfahrzeugen ist es von Vorteil oder notwendig, wenn das Wechseln des Fahrzeugrahmens (16) automatisch erfolgt. Dazu muss sich dann das Fahrlenkmodul (1) entsprechend unter den Fahrzeugrahmen (16) schieben können bzw. ihn auch selbständig verlassen können. Dazu kann eine Unterfahrhilfe mittels Anhebens oder Unterrollens des Fahrzeugrahmens hilfreich sein. Eine optionale Hubvorrichtung kann den Fahrzeugrahmen (16) anheben.
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Mit dem Fahrlenkmodul (1) lassen sich elegante Wendemanöver mit dem Fahrzeugrahmen (16) durchführen.
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Dies ist in 3 dargestellt. Zunächst fährt das Fahrzeug auf der Vorwärtsspur (25) von rechts nach links bis in die dargestellte Position. Hier hat sich das Fahrlenkmodul (1) leicht nach links gedreht. Zu sehen ist dies an den Rädern (3.1, 3.2). Zu erkennen ist auch, dass die Fahrt bisher mit einem Spursensor (7.1) in Vorwärtsfahrtrichtung erfolgte. Die Spur kann identisch sein, z. B. mit einem Leitdraht oder mit einem Strich oder einer virtuellen Planspur.
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Um nun rückwärts zu fahren kann das gesamte Fahrlenkmodul (1) entweder um 180° gedreht werden, sodass dann der Spursensor (7.1) zurückschaut oder es wird ein zweiter Spursensor (7.2) verwendet, so wie hier dargestellt. Wenn dieser zweite Spursensor (7.2) nun der Rückwärtsspur (26) folgt, dann wird der Fahrzeugrahmen (16) mit den dargestellten Bockrollen (17.1, 17.2), der Fahrzeugrahmenspur (27) folgen bis der Wendepunkt (28) erreicht ist. Von dort aus wird dann der Fahrzeugrahmen wieder in die neue Vorwärtsrichtung beschleunigt, bis er etwa die ursprüngliche Fahrzeugspur (25) erreicht hat. Das vorauslaufende Fahrlenkmodul (1) hat dann ebenfalls von der Rückwärtsspur (26) auf die ursprüngliche Vorwärtsspur (25) eingeschwenkt.
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In dieser oder ähnlicher Art lässt sich auf einfache Weise ein Fahrzeug auf einer Stichstrecke oder einer beliebigen Strecke komfortabel wenden.
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Auch in 4 ist wieder das Fahrzeug, bestehend aus dem Fahrlenkmodul (1) und dem Fahrzeugrahmen (16) im Prinzip dargestellt. Des weiteren sind die Bockrollen (17.1, 17.2) sowie die Räder (3.1, 3.2) in ihrer Ursprungslage zu sehen. Da einfache Motoren keine Bremse haben, könnte das Fahrzeug ungewollt wegrollen. Um dies zu verhindern, kann das Fahrlenkmodul (1) um 90° gedreht werden, sodass dann die Räder (3.1, 3.2) in ihren Rad-Parkpositionen (3.3, 3.4) zu sehen sind. Dabei rutscht mind. eines der Räder an einen Bremsklotz (29), z. B. eine Feder o. ä. heran. Durch diesen Widerstand wird es dann gehindert aus der Park- oder Halteposition wegzurollen. Um das Fahrlenkmodul (1) aus dieser Situation bei einem Fahrauftrag zu lösen, muss dann lediglich ein ausreichendes Drehmoment auf die Räder (3.1, 3.2) gegeben werden. Dabei drehen die Räder (3.1, 3.2) dann ggf. wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück.
