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Die vorliegende Erfindung betrifft zum einen die Bestimmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs und zum anderen die Bestimmung eines Lenkwinkels zur Querregelung eines Fahrzeugs.
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Die
WO 2011/131165 A1 offenbart die Bestimmung des Fahrbahnverlaufs für ein Kraftfahrzeug. Dabei werden Sensordaten von einem Umgebungssensorsystem, das sowohl eine Kamera als auch eine digitale Karte mit GPS darstellen kann, für eine Auswerteeinheit bereitgestellt. Eine Weiterverarbeitung der von dem Umgebungssensorsystem gewonnenen Daten wird dabei nicht beschrieben.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, Sensordaten weiterzuverarbeiten, bevor sie für die Bestimmung einer Fahrspur oder zur Querregelung eines Fahrzeugs verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für ein Fahrzeug bereitgestellt, welches folgende Schritte umfasst:
- • Erfassen von Bilddaten mit Hilfe einer Kamera des Fahrzeugs.
- • Fusionieren dieser Bilddaten mit Streckendaten, welche Informationen über eine Fahrstrecke umfassen, auf welcher das Fahrzeug fährt oder steht, um dann durch diese Fusion fusionierte Daten zu erstellen. Die Streckendaten umfassen dabei insbesondere Krümmungsinformationen und/oder Höhendaten der Fahrstrecke und können auf Navigationsdaten und hinterlegten Straßenkarten basieren. Die Streckendaten ermöglichen eine Vorausschau auf die vor dem Fahrzeug befindliche Straßengeometrie. Die Krümmungsinformationen umfassen insbesondere Informationen über eine Krümmung oder ein Krümmungsmaß beispielsweise einer Mittellinie der Fahrstrecke. Beispielsweise kann der Streckenverlauf der Fahrstrecke anhand von Klothoiden eindeutig beschrieben werden, wobei die Streckendaten zu jedem Ortpunkt dieser Klothoiden eine Krümmungsinformation bereitstellen. Die Höhendaten umfassen beispielsweise eine Angabe über die Höhe bestimmter Stellen (z.B. der Mittellinie oder der Ortspunkte der Klothoiden) der Fahrstrecke. Die fusionierten Daten beschreiben insbesondere Eigenschaften der Fahrstrecke, wie beispielsweise Ausmaße und einen Verlauf der Fahrstrecke, so dass aus den fusionierten Daten eine Krümmung oder ein Krümmungsverlauf der Fahrstrecke oder einer Fahrspur des Fahrzeugs innerhalb der Fahrstrecke abgeleitet werden kann. Die fusionierten Daten stützen sich dabei in der Nähe des Fahrzeugs mehr auf die Bilddaten, während sie sich in größerer Entfernung vom Fahrzeug mehr auf die Streckendaten stützen. Mit anderen Worten stützen sich die fusionierten Daten umso mehr auf die Streckendaten, je weiter entfernt von dem Fahrzeug sich diejenige Stelle der Fahrstrecke befindet, deren Eigenschaften die fusionierten Daten beschreiben.
- • Bestimmen der Fahrspur abhängig von den fusionierten Daten. Die Fahrspur entspricht dabei insbesondere quasi einem Fahrschlauch, welcher in der Breite dieselben Ausmaße wie das Fahrzeug aufweist und denjenigen Weg beschreibt, den das Fahrzeug auf der Fahrstrecke voraussichtlich bzw. laut Plan zurücklegen wird. Es ist aber auch möglich, dass die Fahrspur quasi einer Fahrlinie entspricht, wie es bei einem Einspurmodell der Fall ist.
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Die Fusion der Bilddaten und Streckendaten zur Bestimmung der Fahrspur stellen eine vorteilhafte Weiterverarbeitung von Sensordaten (d.h. der Bilddaten) dar, so dass die oben gestellte Aufgabe gelöst wird. Indem die Fahrspur anhand der fusionierten Daten bestimmt wird, wird quasi die Genauigkeit der Bilddaten in einem nahen Bereich vor dem Fahrzeug mit der Genauigkeit der Streckendaten in einem entfernteren Bereich vor dem Fahrzeug kombiniert. Damit werden die Vorteile der Genauigkeit einer Kamera mit der Vorausschau prädiktiver Streckendaten verknüpft. Die erfindungsgemäß bestimmte Fahrspur kann zum einen zur automatischen Querregelung, aber auch für einen Spurhalteassistenten eingesetzt werden. Dabei wird unter der automatischen Querregelung eines Fahrzeugs verstanden, dass der Fahrer nicht in die Lenkung eingreifen und die Lenkung auch nicht überwachen muss. Das heißt, die automatische Querregelung lenkt das Fahrzeug autonom. Dagegen muss der Fahrer einen Spurhalteassistenten überwachen, wobei der Fahrer in die Lenkung eingreifen kann. Das heißt, der Spurhalteassistent unterstützt den Fahrer bei der Lenkung des Fahrzeugs und lenkt das Fahrzeug nur allein, wenn der Fahrer nicht eingreift.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Bestimmen der Fahrspur ein Bestimmen einer Krümmung oder eines Krümmungsverlauf der Fahrstrecke ausgehend von den fusionierten Daten. Zusätzlich werden bei dieser Ausführungsform Zustandsdaten des Fahrzeugs gemessen. Ausgehend von der Krümmung und von den gemessenen Zustandsdaten wird ein Lenkwinkel des Fahrzeugs bestimmt. Unter einem Lenkwinkel wird dabei insbesondere der mittlere Radlenkwinkel der gelenkten Achse des Fahrzeugs im kräftefreien Zustand verstanden.
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Diese Ausführungsform kann beispielsweise für eine automatische Querregelung des Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Die Zustandsdaten können zumindest einen der folgenden Werte des Fahrzeugs umfassen:
- • Einen Schwimmwinkel des Fahrzeugs. Dabei wird unter dem Schwimmwinkel der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und dem Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs im Fahrzeugschwerpunkt verstanden.
- • Eine Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs. Die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Fahrzeugs um seine Hochachse. Dabei bezeichnet die Hochachse oder Gierachse die vertikale Achse des Fahrzeugs oder genauer des fahrzeugfesten Koordinatensystems.
- • Eine Querabweichung des Fahrzeugs. Die Querabweichung bezeichnet den Abstand des Lots des Mittelpunkts des Fahrzeugs auf die Fahrspur senkrecht zur Mittellinie der Fahrspur.
- • Einen Gierwinkelfehler des Fahrzeugs. Dabei entspricht der Gierwinkelfehler der Differenz zwischen dem Fahrzeuggierwinkel und dem Markierungsgierwinkel. Das heißt, der Gierwinkelfehler entspricht dem Winkel der Schiefstellung zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Fahrbahnmarkierung.
- • Eine Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, mit welcher sich das Fahrzeug in der Fahrrichtung des Fahrzeugs bewegt.
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Erfindungsgemäß kann ein Ist-Lenkwinkel einer Lenkung des Fahrzeugs gemäß dem Lenkwinkel eingestellt werden.
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Der Lenkwinkel kann als ein Soll-Lenkwinkel angesehen werden, wobei beispielsweise eine Lenkregelung des Fahrzeugs bestrebt ist, den Ist-Winkel der Lenkung des Fahrzeugs möglichst genau diesem Soll-Lenkwinkel folgen zu lassen. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die Lenkung des Fahrzeugs bezüglich des Lenkwinkels auf den erfindungsgemäß bestimmten Lenkwinkel eingestellt.
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Dabei werden die Zustandsdaten insbesondere jeweils für einen aktuellen von mehreren Zeitschritten gemessen. Für die zukünftigen dieser Zeitschritte werden die Zustandsdaten abhängig von einem Modell einer Querdynamik des Fahrzeugs ausgehend von den für den aktuellen Zeitschritt gemessenen Zustandsdaten und der erfindungsgemäß bestimmten Krümmung bestimmt. Mit anderen Worten werden die Zustandsgrößen in diskreten Zeitschritten über den Prädiktionshorizont beispielsweise mittels eines Reglers prädiziert. Wenn dieser Prädiktionshorizont beispielsweise 50 Zeitschritte umfasst, führt dies bei einer Zykluszeit von 40 ms zu einer Vorausschau von 2 s. D.h. erfindungsgemäß werden die Zustandsgrößen für die nächsten 50 Zeitschritte bzw. 2 s berechnet. Natürlich können die Anzahl der Zeitschritte, die Zykluszeit und damit die Vorausschau beliebig eingestellt werden. Die Zustandsgrößen bzw. Zustandsdaten werden dabei in jedem aktuellen Zeitschritt gemessen und dienen als Ausgangspunkt der Prädiktion.
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Indem die zukünftigen Zustandsdaten des Fahrzeugs bestimmt werden, kann die Bestimmung des Lenkwinkels vorteilhafterweise besser durchgeführt werden, als wenn die zukünftigen Zustandsdaten des Fahrzeugs nicht bekannt sind.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Lenkwinkel als Stellgröße mit Hilfe eines Reglers anhand einer Zielfunktion abhängig von den Zustandsdaten und der Krümmung bestimmt. Dabei wird die Krümmung als eine Störgröße für den Regler angesehen. Die Störgröße bzw. Krümmung wird dabei für alle Zeitschritte (d.h. für den aktuellen und die zukünftigen bis zum Prädiktionshorizont) insbesondere als Vektor bereitgestellt. Dieser prädiktive Vektor bildet anhand der Krümmung den zukünftigen Streckenverlauf bzw. den zukünftig von dem Fahrzeug zu befahrenden Teil der Fahrstrecke ab. Die bereitgestellte Störgröße ist mit anderen Worten der über den Prädiktionshorizont des Reglers bekannte Krümmungsverlauf der Fahrstrecke, welcher aus den fusionierten Daten gewonnen wird.
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Indem als Störgröße die Krümmung, welche auch für zukünftige Zeitschritte bekannt ist, eingesetzt wird, kann erfindungsgemäß bereits vor dem Auftreten einer Querabweichung von der Mitte der Fahrspur reagiert werden. Während also beispielsweise ein klassischer PID-Regler zunächst eine Regelabweichung (im Fall eines Spurhalteassistenten eine Querabweichung von der Mitte der Fahrspur) benötigt, um eine Reaktion zu erzeugen, kann durch den erfindungsgemäßen modellprädiktiven Regler bereits vor dem Auftreten der bekannten Störung eine kompensierende Stellgröße (d.h. ein Lenkwinkel) aufgebracht werden. Da erfindungsgemäß die Vorausschau der Kamera (d.h. die Bilddaten) quasi mit Hilfe der prädiktiven Streckendaten erweitert wird, wird die Regelgüte verbessert.
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Der modellprädiktive Regler realisiert eine modellbasierte prädiktive Regelung, welche ein Modell des dynamischen Verhaltens der Regelstrecke im laufenden Betrieb zur Regelung verwendet. Dieses Modell ermöglicht die Prädiktion des Systemverhaltens und kann somit genutzt werden, um die Stellgröße anzupassen, noch bevor eine Regelabweichung auftritt.
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Dabei kann mittels der Zielfunktion ein Verlauf des Lenkwinkels über die Zeitschritte derart bestimmt werden, dass zum einen eine zeitliche Änderung des Lenkwinkels minimiert wird und dass zum anderen eine Querabweichung des Fahrzeugs und ein Gierwinkelfehler des Fahrzeugs minimiert werden.
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Die erfindungsgemäße Regelung basiert demnach auf der Optimierung der Zielfunktion. Die Zielfunktion berücksichtigt zum einen eine vorhergesagte Mittenabweichung bzw. Querabweichung des Fahrzeugs und zum anderen den prädizierten Gierwinkelfehler, welche sich auf Basis des bestimmten Stellgrößenverlaufs bzw. Lenkwinkelverlaufs anhand des Modells berechnen lassen. Dabei wird der mittels der Zielfunktion bestimmte Lenkwinkelverlauf derart gewichtet, dass die ausgegebenen Stellgrößen, d.h. die zeitlichen Änderungen des Lenkwinkels, möglichst klein sind. Ziel der Regelung ist demnach, dass die Querabweichung und der Gierwinkelfehler mit möglichst geringem Regeleinsatz, d.h. mit möglichst kleinen zeitlichen Änderungen des Lenkwinkels, zu Null geführt werden.
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Insbesondere arbeitet der Regler mit einem Einspurmodell, um die Zustandsdaten in den zukünftigen Zeitschritten in Abhängigkeit von den jeweils aktuell gemessenen Zustandsdaten und der Krümmung zu bestimmen.
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Das Einspurmodell entspricht dem bereits 1940 von Dr. Riekert und Dr. Schunk vorgestellten Einspurmodell. Dieses Einspurmodell arbeitet mit folgenden Vereinfachungen und Annahmen:
- • Der Gesamtschwerpunkt des Fahrzeugs liegt auf der Fahrbahnhöhe, so dass auch bei einer schnellen Kurvenfahrt keine Radlastunterschiede und keine Wankbewegung entstehen.
- • Die Radaufstandspunkte werden achsweise zusammengeführt, so dass das Fahrzeug nur noch auf einer Spur bzw. Linie fährt.
- • Eine Änderung der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird quasistationär behandelt, so dass keine Reifenumfangskräfte auftreten.
- • Eine Gierbewegung und Schwimmbewegung sind die einzigen Freiheitsgrade.
- • Hub- und Nickbewegungen treten nicht auf.
- • Eine auftretende Querbeschleunigung ist kleiner als 0,4 g.
- • Infolge eines Schräglaufwinkels treten weder ein Nachlauf noch Rückstellmomente auf.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei die Vorrichtung eine Kamera zum Erfassen von Bilddaten und Steuermittel umfasst. Die Steuermittel sind ausgestaltet, um zur Erzeugung von fusionierten Daten die Bilddaten mit Streckendaten zu fusionieren, welche Informationen über eine Fahrstrecke umfassen, auf welcher sich das Fahrzeug bewegt. Darüber hinaus sind die Steuermittel ausgestaltet, um abhängig von den fusionierten Daten eine Fahrspur des Fahrzeugs zu bestimmen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
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Insbesondere umfasst die Vorrichtung Sensormittel, um Zustandsdaten des Fahrzeugs zu messen oder zu erfassen.
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Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsfall eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Flugzeugen einsetzbar ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden Bilddaten und prädiktive Streckendaten fusioniert, was im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Erweiterung der Streckenvorausschau führt. Dadurch können Erkenntnisse der Streckenführung in der Zukunft ermittelt werden, was wiederum eine bessere Anpassung der Regelstrategie für einen Spurhalteassistenten oder zur Bestimmung des Lenkwinkels ermöglicht. Erfindungsgemäß kann ein onlinefähiger, modellprädiktiver Regler für die Berechnung der Stellgröße (des Lenkwinkels) eingesetzt werden, welcher die gewonnenen prädiktiven Informationen (d.h. die fusionierten Daten) berücksichtigt.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht beispielsweise bei einem Spurhalteassistenten eine adaptive Spurmittenführung, welche den Fahrer möglichst ruhig und annähernd kontinuierlich unterstützt. Gerade kurvenreichen Straßenabschnitte können im Vergleich zum Stand der Technik mit einem deutlichen Komfortgewinn durchfahren werden erfindungsgemäß kann das vorausschauende menschliche Fahrverhalten deutlich besser abgebildet werden, als durch einen klassischen PID-Regler. Damit sorgt die vorliegende Erfindung für einen unmittelbaren Komfort- und Vertrauensgewinn beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren beschrieben.
- In 1 ist ein erfindungsgemäßes Reglersystem dargestellt.
- In 2 ist der Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
- In 3 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt.
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Bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Reglersystem werden die von einer Kamera 2 erfassten Bilddaten 6 mit prädiktiven Streckendaten, welche beispielsweise in einem Navigationssystem gespeichert sind, zu fusionierten Daten 7 fusioniert 15. Aus diesen fusionierten Daten 7 wird die Krümmung ĸ der Fahrstrecke oder der Fahrbahn, auf welcher das Fahrzeug fährt, bestimmt. Diese Krümmung ĸ wird dabei als Störgröße 14 betrachtet.
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Der modellprädiktiven Regelung 12 werden neben der Störgröße 14 Zustandsgrößen 13, welche auch eine Längsgeschwindigkeit vx des Fahrzeugs umfassen können, zugeführt. Die Zustandsgrößen 13 werden dabei von Sensormitteln des Fahrzeugs periodisch für den aktuellen Zeitschritt gemessen bzw. erfasst und dann für zukünftige Zeitschritte insbesondere abhängig von den gemessenen Zustandsgrößen 13 und der Krümmung ĸ anhand eines Einspurmodells bestimmt. Abhängig von der Störgröße 14 bzw. der Krümmung ĸ und abhängig von den Zustandsgrößen 13 bestimmt die Regelung 12 einen Soll-Lenkwinkel δ. Die erfindungsgemäße Regelung 12 ist dabei bestrebt, die Änderungen bezüglich der Stellgröße bzw. des Lenkwinkels δ möglichst gering zu halten. Das Ziel der Regelung 12 ist dabei, die Querabweichung ey und den Gierwinkelfehler eψ möglichst zu minimieren. Der Soll-Lenkwinkel δ wird einer Lenkung 11 des Fahrzeugs zugeführt, welche den Ist-Lenkwinkel möglichst umgehend auf den Soll-Lenkwinkel δ einstellt.
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Neben der dargestellten Regelung 12 kann erfindungsgemäß auch eine Regelung eingesetzt werden, welche anstelle des Soll-Lenkwinkels δ eine Differenz zum Ist-Lenkwinkel ausgibt. Bei dieser häufig eingesetzten Regelung muss der Ist-Lenkwinkel der Regelung als Eingangsgröße zugeführt werden.
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In 2 ist der Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Im ersten Schritt S1 werden von einer Kamera 2 Bilddaten 6 erfasst. Diese Bilddaten 6 werden im Schritt S2 mit prädiktiven Streckendaten 1 zu fusionierten Daten 7 fusioniert. Im Schritt S3 werden Zustandsdaten 13 des Fahrzeugs erfasst, während im Schritt S4 die Krümmung ĸ der Fahrstrecke ausgehend von den fusionierten Daten 7 bestimmt wird. Schließlich wird im Schritt S5 der Lenkwinkel δ abhängig von der Krümmung ĸ und den Zustandsdaten 13 bestimmt.
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In 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 umfasst neben Steuermitteln 3 eine Kamera 2, Sensormittel 4 und eine Lenkung 11. Die Steuermittel 3 erstellen aus von der Kamera 2 erfassten Bilddaten 6 und prädiktiven Streckendaten 1 fusionierte Daten 7. Abhängig von diesen fusionierten Daten 7 und von den Sensormitteln 4 erfassten Zustandsdaten 13 bestimmen die Steuermittel 3 einen Lenkwinkel, welcher der Lenkung 11 zugeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- prädiktive Streckendaten
- 2
- Kamera
- 3
- Steuermittel
- 4
- Sensormittel
- 6
- Bilddaten
- 7
- fusionierte Daten
- 10
- Fahrzeug
- 11
- Lenkung
- 12
- modellprädiktive Regelung
- 13
- Zustandsgrößen
- 14
- Störgröße
- 15
- Fusionierung
- 20
- Vorrichtung
- δ
- Lenkwinkel
- β
- Schwimmwinkel
- ψ
- Giergeschwindigkeit
- ey
- Querabweichung
- eψ
- Gierwinkelfehler
- ĸ
- Krümmung
- vx
- Längsgeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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