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Einrichtung zur optischen Anzeige eines veränderlichen
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Sicherheitsabstandes eines Fahrzeuges Die Erfindung bezieht sich
auf eine Einrichtung zur optischen Anzeige eines veränderlichen Sicherheitsabstandes
eines Fahrzeuges im realen Umfeld des Fahrers durch Erzeugung von Lichtreflexen
an der Frontscheibe des Fahrzeuges.
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In der Unfallstatistik des Kraftfahrzeugverkehrs spielen Unfälle,
die auf Fehleinschätzung der Gefahr beruhen, die in der hohen Geschwindigkeit liegt,
eine große Rolle. Das liegt zum großen Teil daran, daß die notwendigen Sichtheitabstände
zum vorausfahrenden Fahrzeug, die unbedingt übersehbare freie Strecke und ganz allgemein
der aus Sicherheitsgründen vor dem fahrenden Wagen freizuhaltende Raum in quadratischer
Potenz der gefahrenen Geschwindigkeit variiert. Bereitet allein schon die Abschätzung
von Distanzen aus dem sich bewegenden Fahrzeug dem Menschen Schwierigkeiten, so
ist er durch diese quadratische Variation des einzuhaltenden Sicherheitsabstandes
überfordert.
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Der notwendige Sicherheitsabstand ist einerseits eine Funktion der
Geschwindigkeit und andererseits eine Funktion des Straßenzustand. Ein allen Verkehrssituationen
optimal gerechtwerdender Sicherheitsabstand ist der Bremsweg XB, der dem Quadrat
der Geschwindigkeit v direkt und der Größe des Kraftschlußbeiwerts , der den Kontakt
zwischen Rad und Straße beschreibt, umgekehrt proportional ist.
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B = XB (1) g bedeutet dabei die Gravitationskonstante (g = 9,81 m/sec2)
Zur Berechnung des Sicherheitsabstandes XB wird der Wert der gefahrenen Geschwindigkeit
ständig auf übliche Weise direkt
gemessen. Für den Kraftschlußbeiwert
besteht die Möglichkeit, entweder verschiedene Werte vom Fahrer von Hand in Abhängigkeit
einer subjektiven Beurteilung des Straßenzustandes einstellen zu lassen oder den
Wert in einem besonderen Verfahren ständig zu messen (siehe Patentanmeldung "Verfahren
und Einrichtung zur Bremsweganzeige", Aktenzeichen P 26 24 041.5).
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Man könnte den so gewonnenen Sicherheitsabstand mit Hilfe von konventionellen
Instrumenten dem Fahrer anzeigen. Bei einem Rundinstrument würde hierbei der Weg
als eine Winkelstellung des Zeigers erscheinen. Verwendet man eine sog. Bandanzeige,
so könnte die Sicherheitsdistanz als in einem bestimmten Maßstab verkleinerte Wegstrecke
dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine sog. situationsanaloge
Anzeige zu verwenden. Hierbei wird vor dem stilisierten Bild, das den Blick auf
eine gerade Straße mittlerer Breite wiedergibt, ein waagrechter Zeiger so auf und
ab bewegt, daß seine augenblickliche Höhe nach den Gesetzen der perspektivischen
Abbildung der anzuzeigenden Entfernung entspricht. Bei all diesen konventionellen
Anzeigen besteht jedoch der Nachteil darin, daß die angezeigte Größe vom Fahrer
erst durch eine mentale Leistung von der durch das Instrument vorgenommenen Codierung
in die reale Umwelt übertragen werden muß. Außerdem ist es notwendig, zu ihrer Beachtung
den Blick vom Verkehrsgeschehen abzuwenden, was gerade in kritischen Verkehrssituationen
zum Nichtbeachten des Instruments führt. Dieser Nachteil kann vermieden werden,
wenn man im realen Umfeld die Stelle markiert, die der augenblicklich geforderten
Sicherheitsdistanz entspricht. Das ist mit Hilfe der bekannten Technik des Head-Up-Displays
möglich, die zu diesem Zweck entsprechend abgewandelt werden muß.
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Bei der üblichen Head-Up-Display-Technik, wie sie beispielsweise für
die Flugzeuginstrumentierung verwendet wird, befindet sich im Brennpunkt einer optischen
Sammellinse eine lichtundurchlässige Scheibe, die durch Zahlensymbole durchbrochen
ist. Über einen Kollimator wird das Licht einer Lichtquelle parallelisiert und durch
die
Zahlensymbole geworfen. Die Sammellinse ist so in der Armaturentafel angebracht,
daß der Pilot bzw. Fahrer ihr Spiegelbild in der Windschutzscheibe sieht. Tn dem
Spiegelbild der Linse erkennt er durch die Windschutzscheibe blickend die Zahlensymbole
scheinbar im Unendlichen liegend im realen Umfeld. Durch Drehen der Scheibe ist
es möglich, verschiedene Zahlensymbole in den Strahlengang zu bringen und so die
interessierende Information im realen Umfeld anzubieten. In einer anderen Ausführungsform
befindet sich an Stelle der Zahlenscheibe der Bildschirm eines Oszillografen im
Brennpunkt der Sammellinse. So kann die elektronisch auf dem Bildschirm dargestellte
Information im realen Umfeld ohne Abwenden des Blickes erkannt werden.
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Allerdings hat auch die zuletzt beschriebene Anzeigetechnik immer
noch den Nachteil, daß die dargebotene Information nicht in das reale Umfeld integriert
ist. Der Fahrer muß auch hierbei den angezeigten Sicherheitsabstand über seine Vorstellungskraft
auf die Straße projezieren, d.h. er muß auf der vor ihm liegenden Fahrbahn ständig
abschätzen, wo der ihm angezeigte Sicherheitsabstand jeweils endet. Somit bringt
auch ein derartiges System noch keine befriedigende Verbesserung der Fahrsicherheit.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeigeeinrichtung zu schaffen,
mit der dem Fahrer eines Fahrzeugs ständig die einzuhaltende Sicherheitsdistanz
so angezeigt wird, daß er diese Information ohne weitere Überlegungen ständig in
seinen Fahrprozeß einbeziehen kann.
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Die bekannte Head- Up - Display - Technik soll dabei so abgewandelt
werden, daß der angezeigte Sicherheitsabstand (Bremsweg) stets in unmittelbarem
Bezug zum realen Umfeld steht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an der Frontscheibe
des Fahrzeugs ein quer zur Fahrbahn liegender Lichtbalken als virtuelles Bild eines
im Strahlengang einer Lichtquelle angeordneten Blendenschlitzes erzeugbar ist, wobei
der Blendenschlitz in der Nähe des Brennpunktes einer Sammellinse schräg zur optischen
Achse in Abhängigkeit von dem anzuzeigenden Sicherheitsabstand
derart
verschiebbar ist, daß die Bildweite des virtuellen Bildes jeweils dem anzuzeigenden
Sicherheitsabstand und die Bildhöhe der Augenhöhe des Fahrers über der Fahrbahn
entspricht.
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Mit der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung wird also dem Fahrer
eine Sicherheitsmarkierung mit Hilfe der optischen Abbildungsgesetze so angezeigt,
daß sie jeweils auf der Fahrbahn an dem Ort zu liegen scheint, der dem Ende des
ermittelten Bremsweges entspricht. Er hat damit ständig eine wesentliche Entscheidungshilfe
vor Augen, auf die er sein Fahrverhalten unmittelbar einrichten kann. Darüberhinaus
weist die erfindungsgemäße optische Anzeige auch wesentliche Vorteile gegenüber
verschiedentlich vorgeschlagenen vollautomatischen Abstandhalteeinrichtungen auf.
Solche Systeme ermitteln jeweils den Abstand zu einem in Fahrtrichtung befindlichen
Hindernis bzw. Fahrzeug und leiten automatisch eine Notbremsung ein, wenn die aus
der Geschwindigkeit berechnete Sicherheitsdistanz unterschritten wird. Zur Abstandsmessung
unterscheidet man im wesentlichen zwei Verfahren: Im einen Fall werden Meßsignale
in Fahrtrichtung ausgesandt, an den Gegenständen der Umwelt reflektiert und wieder
empfangen. Aus der kürzesten Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang wird auf die
Entfernung zum nächstliegenden Gegenstand in Fahrtrichtung geschlossen. Das führt
naturgemäß zu vielen Fehlmessungen durch Reflexionen an unbedeutenden Gegenständen
(z.B. Welligkeit der Fahrbahn, Bäume und Straßenbegrenzungspfosten in Kurven u.dgl.)
und damit zu sinnlosen Bremsmanövern. Das zweite Verfahren arbeitet ebenfalls mit
Laufzeitmessungen, jedoch wird in diesem Fall das Meßsignal von einem Reflektor
im vorausfahrenden Fahrzeug zurückgeworfen bzw. es wird durch einen eigenen Sender
ein Antwortsignal erzeugt. Dieses zuletzt genannte Verfahren wäre allerdings nur
dann wirksam, wenn alle Fahrzeuge und Verkehrsteilnehmer gleichzeitig damit ausgerüstet
würden, was aus wirtschaftlichen Gründen kaum durchführbar ist.
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Demgegenüber kann die erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung zwar keine
automatischen Bremsmanöver auslösen, bietet aber den erheblichen Vorteil, daß ohne
irgendeine Änderung an anderen am Verkehr teilnehmenden Fahrzeugen eine positive
Wirkung für das ausgerüstete Fahrzeug erzielt werden kann, auch dann, wenn es das
einzige ist. Weiterhin ist als Vorteil anzusehen, daß dem Fahrer, der im Hinblick
auf andere Verkehrsaufgaben sowieso aktive Regelungstätigkeiten durchzuführen hat,
auch aktiv die Distanzhaltung bzw.
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sicherheitsabstandsgerechte Geschwindigkeitshaltung erhalten bleibt.
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Die Anzeige bietet ihm im größeren Maß als bisher die Möglichkeit
einer objektiven Beurteilung der Gesamtsituation. Geht man davon aus, daß der Normalfahrer
an sich ein gesundes Sicherheitsstreben hat, und daß er nur deshalb objektiv in
unsichere Situationen gerät, weil er sie subjektiv als noch sicher ansieht, so dürfte
die erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung gerade deshalb ähnliche Wirkung haben wie
eine automatische Abstandhalteeinrichtung und darüberhinaus helfen, auch komplexere
Verkehrssituationen (z.B. sicheres Heranfahren an Kreuzungen, die nach der Rechtes
vor Links-Vorschrift" geregelt sind; Vorbeifahren an haltenden Omnibussen usw.)
vom Sicherheitsstandpunkt zu beurteilen.
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Der optische Aufbau für die erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung ist
relativ einfach und billig herzustellen, wenn der anzuzeigende Sicherheitsabstand,
etwa in Form eines elektrischen Signals, vorliegt. So kann als Sammellinse beispielsweise
eine billige Fresnellinse verwendet werden. Da in normalen Kraftfahrzeugen im Bereich
vor dem Fahrer, also zwischen Lenksäule und Armaturenbrettoberkante, nur wenig Platz
vorhanden ist, ist es zweckmäßig, im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der
Frontscheibe des Fahrzeugs einen Umlenkspiegel anzuordnen, so daß ein Teil der optischen
Anordnung in den danebenliegenden Raum verlagert werden kann. In einer vorteilhaften
Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, daß die Länge des Blendenschlitzes proportional
zu seiner Entfernung vom Brennpunkt veränderlich ist, so daß der auf der Fahrbahn
erzeugte Lichtbalken bei unterschiedlichen Entfernungen gleiche Größe erreicht.
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Dies kann beispielsweise durch Verwendung von zwei gegeneinander
verschiebbaren
Blenden erreicht werden, wobei die eine Blende eine schlitzförmige und die andere
Blende eine dreieckförmige Öffnung besitzt. Da die Verschiebung des Blendenschlitzes
gegenüber dem Brennpunkt der Linse in einem nichtlinearen Zusammenhang mit dem anzuzeigenden
Sicherheitsabstand steht, ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
die Verschiebung des Blendenschlitzes über eine Exzenterscheibe zu steuern. Anstelle
dieser Kurvenscheibe könnte auch ein die entsprechende Funktion beschreibendes nichtlineares
Potentiometer in der Steuereinrichtung verwendet werden.
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Um Verfälschungen der erfindungsgemäßen Anzeige aufgrund der verschiedenen
Beladung des Fahrzeuges bzw. aufgrund von Nickbewegungen während der Fahrt zu vermeiden,
ist in einer Weiterbildung der Erfindung außerdem vorgesehen, daß der Winkel zwischen
der optischen Achse der Anzeigeeinrichtung und der Frontscheibe in Abhängigkeit
von der Neigung des Fahrzeuges gegenüber der Fahrbahn veränderbar ist. Zu diesem
Zweck wird die optische Anordnung quer zur Fahrtrichtung drehbar gelagert; die Neigung
des Fahrzeuges kann beispielsweise als Differenz der mittleren Einfederung der Vorderachse
und der Hinterachse bestimmt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise der
erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung, Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
optischen Anordnung in einem Fahrzeug, Fig. 3 eine bei der Erfindung verwendbare
Blende mit einer dreieckförmigen Öffnung, Fig. 4 einen Schnitt IV-IV durch die Blendenanordnung
der Fig. 2, Fig. 5 ein Diagramm zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem
anzuzeigenden Sicherheitsabstand und der Verschiebung der Blendenöffnung zum Brennpunkt
der Linse, Fig. 6 eine Schaltung zur Ermittlung der Fahrzeugneigung.
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Die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays ist in
Fig. 1 schematisch wiedergegeben. In der Armaturentafel des Fahrzeugs Fz befindet
sich eine Linse L, deren optische Achse A so ausgerichtet ist, daß ihre Spiegelung
in der Windschutzscheibe FS zu dem auf den Horizont gerichteten Sehstrahl ST des
Fahrers parallel liegt. Hinter dieser Linse L wird ein Spalt SP, der über einen
Kollimator K parallelisiertes Licht oder das hinter einer Streuscheibe entstehende
diffuse Licht einer Lichtquelle Q teilweise abgedeckt und in Abhängigkeit vom anzuzeigenden
Sicherheitsabstand XB zum Brennpunkt der Linse L und zur optischen Achse A verschoben.
Die Entfernung eG des Lichtspaltes von der Sammellinse läßt sich dann nach den optischen
Abbildungsgesetzen in Abhängigkeit von der Bildweite des virtuellen Bildes, die
der anzuzeigenden Entfernung xB entspricht, berechnen: fXB e G = G f+xB (2) Dabei
ist f die Brennweite der Linse.
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Für die Entfernung hG des Lichtspaltes von der optischen Achse und
zugleich für seine Breite kann nach den Abbildungsgesetzen angegeben werden: hG
hg f+XB (3) Dabei ist hB die benötigte Bildgröße.
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Da der Eindruck erweckt werden soll, daß der Lichtbalken quer vor
dem Fahrzeug auf der Ebene der Straße liegt, ist für die Bildgröße h B die durchschnittliche
Augenhöhe des Fahrers über der Fahrbahn FB anzusetzen (ca. 1,2 m). In der Fig. 1
ist die geometrische Konstruktion der Gegenstandsentfernung eG1 bzw. eG2 und der
Gegenstandshöhe hG1 bzw. hG2 für zwei unterschiedliche anzuzeigende Entfernungen
xB1 und xB2 eingezeichnet. Der Fahrer, der über das Spiegelbild in der Windschutzscheibe
in die beschriebene Optik schaut,
sieht also den Lichtspalt SP
als virtuelles Bild SP' in der realen Umwelt in der jeweils vorgegebenen Entfernung
scheinbar auf der Straße FB liegen. Die in Fig. 1 skizzierte Optik ist in Wirklichkeit
natürlich so klein, daß sie in den Raum zwischen Armaturenbrettoberkante und Lenksäule
paßt. Das virtuelle Bild SP' des Lichtspaltes SP bleibt relativ zu der betrachteten
Umgebung unbewegt, wenn der Beobachter den Kopf vor- und zurück bzw. auf und ab
bewegt. Das Bild verschwindet, wenn die Augen des Beobachters außerhalb des durch
den Durchmesser der Linse begrenzten Strahlengang geraten. Die Höhe hB des virtuellen
Bildes über der Fahrbahn FB kann sich allerdings noch mit der Lage des Fahrzeugaufbaus
ändern. Die dadurch vom Fahrer erkannte scheinbare Entfernungsveränderung ist vergleichbar
mit der Veränderung der Reichweite des Abblendlichtes bei Nickbewegungen des Fahrzeugs.
Wenn man jedoch'die ganze in Fig. 1 skizzierte Optik quer zur Fahrtrichtung drehbar
lagert und den Winkel, den die optische Achse des Systems mit der Windschutzscheibenfläche
bildet, in Abhängigkeit von der Differenz der mittleren Einfederung an Vorder- und
Hinterachse (meßbar durch Potentiometer) variiert, so kann sowohl der oben beschriebene
Nickfehler kompensiert werden, als auch der Fehler, der durch unterschiedliche Beladung
des Fahrzeugs zustande kommt.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine ausführbare Anordnung. Der Fahrer 1
sieht durch die Windschutzscheibe 2 in der realen Umgebung das Spiegelbild einer
Linse 3. Für die benötigte Abbildungsgüte eignet sich ohne weiteres eine billig
herzustellende Fresnellinse. Für eine gute Funktionsweise des Head-Up-Displays unter
allen Bedingungen ist es notwendig, daß die Linse eine möglichst große Querschnittfläche
besitzt, da durch diese Fläche der Bereich beschränkt wird, in dem der Fahrer die
dargebotene Information erfassen kann. Der Sehstrahl des Fahrers wird hinter der
Linse durch einen Spiegel,4 4 umgelenkt. Dadurch wird die Bauhöhe der Apparatur,
die in dem Raum zwischen Armaturenbrettoberkante und Lenksäule Platz finden soll,
eingeschränkt, ohne daß eine kurzbrennweitige Linse verwendet werden muß, die die
Abbildungsgüte sehr stark verschlechtern würde. Im weiteren Verlauf trifft der Sehstrahl
auf eine Blende 5, die eine dreieckförmige Aussparung
5a aufweist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform dieser Blende 5. Die Blende ist so angebracht,
daß sich die Spitze des gleichschenkligen Dreiecks 5a genau im Brennpunkt F der
Linse 3 befindet.
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Außerdem ist die Blende unter einem WinkelcC gegen den Sehstrahl gestellt,
dessen Größe sich aus zusammengehörigen Paaren (eG, hG) nach Formel 2 und Formel
3 errechnen läßt. Hinter der Blende 5 ist eine zweite Blende 6, die eine spaltförmige
Durchbrechung 6a aufweist, parallel zur Mittelsenkrechten SM des die Öffnung 5a
beschreibenden gleichschenkligen Dreiecks verschieblich gelagert. Der Spalt 6a wird
durch eine Soffittenlampe 7, deren Licht durch einen geeigneten Reflektor 8 auf
den Spalt 6a gelenkt wird und die mit Blende 6 fest verbunden ist, beleuchtet. Fig.
4 zeigt einen Schnitt IV-IV der beschriebenen Blenden-Anordnung. Über einen Seilzug
9 wird die Blende 6 gegenüber der Blende 5 mit Hilfe eines Servopotentiometers 10
verschoben. Der Zusammenhang zwischen dem anzuzeigenden Sicherheitsabstand x3 und
der Verschiebung a wird durch Formel 4 beschrieben:
h5 ist dabei die gewünschte Lichtbalkenlänge (quer zur Fahrbahn), die als virtuelles
Bild vor den Augen des Fahrers entstehen soll.
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Für den Fall einer Brennweitenlänge von f = 400 mm der Linse und einer
Lichtbalkenlänge h5 = 2 m ist in Fig. 5 der sich aus Formel (4) ergebende Zusammenhang
dargestellt. Dieser nichtlineare Zusammenhang kann gerätetechnisch entweder durch
eine entsprechend gestaltete Kurvenscheibe 11 oder durch ein diese Funktion beschreibendes
nichtlineares Potentiometer in der Servoeinrichtung 10 verwirklicht werden oder
es könnte vom Bordcomputer ein Signal nach Formel (4) berechnet und angeboten werden.
Der Servopotentiometereinrichtung wird der anzuzeigende Sicherheitsabstand XB aus
einem Bordcomputer in Form eines elektrischen Signals zugeführt, der diese Größe
etwa nach Formel 1 aus der gefahrenen Geschwindigkeit und einem angenommenen bzw.
gemessenen Kraftschlußbeiwert berechnet.
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Um Fehlinterpretationen der angezeigten Entfernung zu vermeiden, wie
sie
durch Nickbewegungen des Fahrzeugs auftreten können, ist die ganze beschriebene
Anordnung um eine Achse 12 schwenkbar gelagert.
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Die augenblickliche Neigung der Anordnung wird durch eine weitere
Servopotentiometereinrichtung fixiert, welche durch die Differenz der mittleren
Ein federung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse anyesteuert wird. Diese
Differenz A kann durch geeignet an den vier Rädern LV, RV, LH, RH angebrachte Potentiometer
R1 bis R4 gemäß einer Analogschaltung, die in Fig. 6 dargestellt ist, bestimmt werden.
Der Abgriff dieser Potentiometer R1 bis R4 wird durch die momentane Stellung des
linken vorderen (LV), rechten vorderen (RV), linken hinteren (LH) bzw. rechten hinteren
(RH) Rades relativ zum Karosseriekörper mechanisch festgelegt. In den Summierern
13 und 14 wird zunächst der Mittelwert der beiden Vorderradwerte und der beiden
Hinterradwerte gebildet, deren Differenz A dann in einem Differenzverstärker 15
errechnet wird. Die geschilderte Anordnung bietet dem Fahrer also die Möglichkeit,
unabhängig von Aufbauschwankungen der Karosserie oder der zufälligen Kopfstellung
relativ zur Windschutzscheibe den von einem Bordcomputer errechneten Sicherheitsabstand
im realen Umfeld in seiner wahren Größe zu erkennen.
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L e e r s e i t e