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Es sind Fahrzeuge bekannt, die zum Transportieren von Lasten ausgelegt sind. Diese Fahrzeuge können einen elektrischen Antrieb aufweisen. Beispielsweise ist in der
DE3432530A1 eine Sackkarre gezeigt, die zum Transport über Treppenstufen geeignet ist. Diese Sackkarre weist einen Schalter auf, der zur Richtungsumschaltung vorgesehen ist. Für die Betätigung solch einer Sackkarre ist spezielles Wissen notwendig, die die Bedienung des Schalters für die Richtungsumschaltung ermöglicht. Somit ist eine intuitive Bedienung unmöglich.
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Die Erfindung gemäß der Hauptansprüche weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass eine intuitive Bedienung des Fahrzeugs durch einen Nutzer erfolgen kann. Dazu ist das Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet, der einen Elektromotor umfasst, welcher eine Achse des Fahrzeugs antreibt. In der Regel ist das Fahrzeug einachsigen, wobei diese eine Achse durch den Elektromotor angetrieben wird. Eine Last, die auf das Fahrzeug geladen wird, wird um die Achse zusammen mit dem Fahrzeug selbst gekippt. Die Achse stellt den Drehpunkt des Kippens dar. Das Fahrzeug wird selbstständig aufgrund einer Eingabe und einer Ausgabe einer Regelung des Elektromotors den Schwerpunkt des beladenen Fahrzeugs über der Achse im Lot mit der Erdanziehung derartig ausbalancieren, dass das Fahrzeug in einer Gleichgewichtslage verharrt, ohne dass der Nutzer eine Kraft für das Balancieren auf das Fahrzeug ausüben muss. Das Balancieren der Last in der Gleichgewichtslage wird gestartet, in dem das Fahrzeug um einen Winkel um die Achse gekippt wird. Wenn das Fahrzeug den Winkel für den Start des Balancierens erreicht, wird durch den Elektromotor ein Drehmoment auf die Achse gegeben, der den Schwerpunkt im Lot mit der Achse hält. Der Winkel bezieht sich auf einen Referenzpunkt am Fahrzeug und einen Referenzpunkt im Raum in dem sich das Fahrzeug befindet. Der Drehpunkt der Achse bildet die Spitze des Winkels.
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Weiterbildungen und alternative Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann zum Starten des Balancierens das Fahrzeug um den Winkel der Gleichgewichtslage gekippt werden. Insbesondere wird das Balancieren initiiert, wenn das Fahrzeug aus seiner Position mit einem Winkel des Betrags 0° in die Gleichgewichtslage gekippt wird. Um den Bereich des Winkels der Gleichgewichtslage kann sich ein Winkelbereich erstrecken. Der Winkelbereich der Gleichgewichtslage erstreckt sich dabei ausgehend von dem Winkel der Gleichgewichtslage in positiver und/oder negativer Richtung des Winkels. Der Winkelbereich der Gleichgewichtslage kann eine tolerierbare Fehleinstellung des Winkels angeben. Dadurch ist es ermöglicht, das Balancieren zu initiieren, obwohl das Fahrzeug nicht exakt um den Winkel der Gleichgewichtslage gekippt wird.
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Vorzugsweise kann ein Rad an der Achse während des Kippens die Kräfte und Bewegungen des Nutzers ausgleichen, sodass das Rad beim Kippen in die Gleichgewichtslage eine Ausgleichsbewegung ausführt. Durch die Ausgleichsbewegung bleibt das Fahrzeug bezüglich seiner Translationsrichtung während des Kippen am selben Ort. Das Rad kann somit eine relative Rotation um den Betrag des Kippwinkels in der Kipprichtung des Fahrzeugs in entgegengesetzter Richtung ausführen. Das Rad führt bei dieser optionalen Weiterbildung eine Ausgleichsbewegung aus. Durch die Ausgleichsbewegung wird eine erhöhte Kontrolle über das Fahrzeug gewährleistet.
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Vorteilhafterweise kann das Rad eine Rollbewegung in Translationsrichtung ausführen, wenn das Fahrzeug innerhalb eines Winkelbereichs zum Starten der Bewegung des Fahrzeugs aus der Gleichgewichtslage heraus verkippt wird. Der Winkelbereich zum Starten der Bewegung erstreckt sich um die Gleichgewichtslage herum. Dieser Winkelbereich zum Starten der Bewegung des Fahrzeugs in Transaltionsrichtung kann mit dem Winkelbereich der Gleichgewichtslage überlappen oder vorzugsweise deckungsgleich sein. Insbesondere ist der Winkelbereich der Gleichgewichtslage kleiner als der Winkelbereich zum Starten, und liegt innerhalb des Winkelbereichs zum Starten. Grundsätzlich können beide Winkelbereiche symmetrisch um die Gelichgewichtslage herum angeordnet sein. Damit wird eine einfache handhabbare Steuerung des Fahrzeugs gewährleistet.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der das Rad derart rollt, dass sich das Fahrzeug in die Richtung bewegen kann, in die der Schwerpunkt entlang des Winkelbereichs zum Starten der Bewegung aus der Gleichgewichtslage gekippt wird. Wird diese Weiterbildung aus der Gleichgewichtslage das Fahrzeug um einen Winkel innerhalb des Winkelbereichs zum Starten nach vorne gekippt, dann bewegt sich das Fahrzeug in Translationsrichtung aufgrund des Rollens des Rades nach vorne. Eine Bewegung nach hinten kann erzeugt werden, wenn das Fahrzeug innerhalb des Winkelbereichs zum Starten ausgehend von der Gleichgewichtslage nach hinten gekippt wird. Vorne und hinten bezieht sich auf die Position des Nutzers zum Fahrzeug. Alternativ kann ein Starten der Bewegung auch erfolgen, wenn kein Winkelbereich zum Starten vorgesehen ist, und das Fahrzeug aus der Gleichgewichtslage heraus gekippt wird.
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Die Winkellage kann bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung durch ein Signal gemessen werden, das vorzugsweise durch eine Motorklemmspannung und/oder -strom gegeben ist. So kann das Signal beispielsweise durch das aufgewendete Drehmoment, durch Charakteristika des Magnetfeldes innerhalb des Elektromotors, durch einen speziell für die Winkellage vorgesehenen Sensor innerhalb des Rades und/oder Antriebs und/oder durch einen Beschleunigungssensor innerhalb des Rades und/oder Antriebs erfasst werden. Dabei verarbeitet die Steuerung das Signal, und entscheidet aufgrund des Signals welche Winkellage vorliegt. So kann die Regelung die Position des Schwerpunkts bestimmen, indem festgestellt wird, das eine Ausgleichsbewegung des Rades nach vorne oder nach hinten nur mit einem bestimmten Drehmoment möglich ist. Auf diese Weise ist auch eine Abschätzung des Lastmoments denkbar. Für die Abschätzung des Lastmoments kann durch die Steuerung aufgenommen werden wie groß beispielsweise das Drehmoment für das Balancieren ist. Aufgrund des Hebels, welcher bei der Verschiebung des Schwerpunkts in Verbindung mit der Masse der Last zustande kommt, kann ein Rückschluss auf die Masse gezogen werden. Dazu kann die geometrische Abmessung des Fahrzeugs und die Winkellage herangezogen werden.
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Eine alternative Ausführungsform beinhaltet eine einfache Lösung, um den Schwerpunkt festzustellen. Es ist möglich, die Lage des Schwerpunkts durch eine Einwirkung des Nutzers auf das Fahrzeug in die Steuerung zu programmieren. Die Einwirkung kann durch eine Geste und/oder ein akustisches Signal erfolgen. Beispielsweise kann als Geste ein Rütteln oder ein plötzliches Ändern der Auslenkrichtung des Winkels herangezogen werden. Der Winkel der Winkellage, bei der die Einwirkung erfolgt, wird dadurch festgelegt. Beispielsweise kann die Gleichgewichtslage durch die Einwirkung festgelegt werden.
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Das Stoppen der Bewegung des Fahrzeugs in Translationsrichtung kann bei einer vorteilhaften Ergänzung der Erfindung durch ein Überschreiten des Winkelbereichs zum Starten der Bewegung durch das Kippen des Fahrzeugs erfolgen. Für die Bewegung in Translationsrichtung muss das Fahrzeug um einen Winkel gekippt werden, sodass das Fahrzeug in eine Winkellage innerhalb des Winkelbereichs zum Starten der Bewegung um die Gleichgewichtslage herum positioniert ist. Wünscht nun der Nutzer ein Stoppen des Fahrzeuges, so kann er das Fahrzeug weiterkippen, bis es eine Winkellage außerhalb des Winkelbereichs zum Starten einnimmt. Das Kippen erfolgt vorzugsweise in der Translationsrichtung, in der sich das Fahrzeug bewegt. So ist es nicht notwendig, jedoch möglich, das Fahrzeug in die entgegengesetzte Richtung zu kippen. Es wäre also möglich, den Winkelbereich auch in die entgegengesetzte Richtung zu verlassen und das Fahrzeug zu stoppen. Durch diese vorteilhafte Ergänzung wird ein sicheres Bedienen des Fahrzeugs ermöglicht.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung kann darin bestehen, dass die Bewegung in Translationsrichtung gestoppt wird, indem durch das Kippen der Winkel der Gleichgewichtslage erreicht wird. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass das Kippen bei dem Winkel der Gleichgewichtslage angehalten wird, sodass der Kippvorgang in der Gleichgewichtslage gestoppt wird. Das Kippen kann über den Winkel der Gleichgewichtslage hinaus erfolgen, wobei die Bewegung entlang der Translationsrichtung gestoppt wird, wenn der Winkel während der Kippbewegung einmal erreicht wird. Dies gewährleistet eine zusätzliche Möglichkeit das Fahrzeug sicher zu stoppen.
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Aus sicherheitsrelevanten Gründen kann das Rollen des Rads stoppen, wenn ein Zusammenstoß durch die Steuerung registriert wird. Dazu kann entweder ein Beschleunigungssensor oder ein Signal des Elektromotors ausgewertet werden. Ein Zusammenstoß weist einen charakteristischen Stoß auf, der durch eine abrupte Richtungsänderung gekennzeichnet ist.
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Nach dem Stoppen der Bewegung durch Überschreiten des Winkelbereichs der Gleichgewichtslage kann das Fahrzeug in einen fahrbereiten Zustand gesetzt werden. Bei einem Stoppen in Vorwärtsrichtung kann dies durch ein Zurücklenken des Fahrzeugs in den Winkelbereich der Gleichgewichtslage erfolgen, während unabhängig davon bei einem Stoppen in Rückwärtsrichtung ein erneutes Bewegen des Fahrzeugs erst möglich sein kann, wenn das Fahrzeug einen Winkel mit dem Betrag 0° einnimmt. Alternativ oder ergänzend kann ein Starten der Bewegung erfolgen nachdem der Winkel der Gleichgewichtslage erreicht wird. Darüber hinaus sind diese drei Startbedingungen für sich als auch in Kombination miteinander oder unter Weglassung einer der Startbedingungen realisierbar. Durch die Startbedingungen wird sichergestellt, dass ein Losfahren erst bei Erreichen des fahrbereiten Modus erfolgen kann, sodass ein sicherer Umgang mit dem Fahrzeug gewährleistet ist.
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Vorzugsweise ist an der Achse wenigstens ein Rad angebracht, dass für die Fortbewegung des Fahrzeugs vorgesehen ist. Das Rad ist mit dem Antrieb verbunden und umfasst wenigstens die Steuerung und den Elektromotor. Ein Kippen um die Achse erfolgt um das Rad herum. Es ist denkbar, dass in dem Rad auch ein Akku eingebaut ist. Das Rad kann alle wesentlichen Komponenten eines Antriebs umfassen, so dass außerhalb des Rades keine Komponenten an dem Fahrzeug befestigt werden müssen.
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Das vorteilhafte Fahrzeug kann aufgrund seiner überragenden Eigenschaften gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Anwendungen darstellen. Beispielsweise kann das Fahrzeug als eine Sackkarre, ein Einkaufsroller, ein Rollkoffer, ein Golf-Trolley und/oder ein Personbeförderungsmittel ausgeführt sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Es zeigen die Zeichnungen:
- 1 a) bis e) ein Fahrzeug als Sackkarre in verschiedenen Betriebszuständen,
- 2 ein Zustandsdiagramm der Steuerverfahrens,
- 3 i) und ii) jeweils ein Regelkreis der Betriebszustände Gleichgewichtszustand und Bewegungszustand.
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In 1 sind unterschiedliche Betriebszustände a) bis e) eines Fahrzeugs 10 gezeigt. Das Fahrzeug 10 ist beispielhaft als Sackkarre 100 abgebildet. Anstatt einer Sackkarre 100 könnte das Fahrzeug 10 ein Einkaufsroller, ein Rollkoffer, ein Golf-Trolley und/oder ein Personbeförderungsmittel sein. Die Sackkarre 100 weist einen langen ersten Hebel 104 auf, welcher durch einen Nutzer 102 betätigt wird. Weiter weist die Sackkarre 100 einen kurzen zweiten Hebel 106 auf, auf dem eine Last 108 positioniert wird. Die Last 108 weist einen Schwerpunkt 18 auf. Der erste und zweite Hebel 104, 106 sind miteinander verbunden, wobei an ihrem Verbindungpunkt eine Achse 12 mit einem Rad 20 angeordnet ist. Üblicherweise weist eine Sackkarre 100 wenigstens zwei Räder 20 auf, wobei eine Ausführungsform mit einem Rad 20 nicht auszuschließen ist. Der erste und der zweite Hebel 104, 106 sind quer zueinander angeordnet. Die Achse 12 stellt einen Drehpunkt der Sackkarre 100 und somit des Fahrzeugs 10 dar, um den die Sackkarre 100 um einen Winkel f gekippt werden kann.
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Der Winkel f ergibt sich bezüglich der Erdanziehung aus der Horizontalen oder dem Lot und einer Geraden, die durch einen Referenzpunkt am Fahrzeug 10 und durch den Drehpunkt der Achse 12 geht. In 1 ist der Winkel durch die Horizontale und die Gerade durch den langen ersten Hebel 104 gegeben.
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Das Rad 20 ist durch einen Elektromotor 14 angetrieben. Der Elektromotor 14 wird durch eine Steuerung 16 gesteuert. Der Elektromotor 14 und die Steuerung 16 sind in das Rad 20 integriert, sodass an die Sackkarre 100 lediglich das Rad 20 angebracht werden muss, um die Sackkarre 100 mit einem elektrischen Antrieb zu versehen.
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Wie in 1 a) gezeigt ist, ist die Sackkarre 100 in einem fahrbereiten Zustand a, der sich dadurch auszeichnet, dass sich die Sackkarre 100 in einer Translationsrichtung 1, 2 nicht bewegt. Gleichzeitig ist die Sackkarre 100 nicht gekippt, sodass der Winkel f einen Betrag aufweist. Ein Nutzer 102 steht vor der Sackkarre 100 in Vorwärtsrichtung 2 gemäß der Translationsrichtungen 1, 2.
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Durch ein Kippen der Sackkarre 100 um einen Winkel f wird die Steuerung 16 in einen startbereiten Zustand b versetzt. Sobald der Nutzer 102 die Sackkarre 100 um einen Winkel f zu kippen beginnt, beginnen die Räder 20 die Kippbewegung auszugleichen, indem sie sich in entgegengesetzter Richtung drehen. Dadurch bleibt die Sackkarre 100 während der Kippbewegung am selben Ort bezüglich der Translationsrichtungen 1, 2. Sie bewegt sich also nicht in eine der Translationsrichtungen 1, 2.
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Da die Sackkarre 100 die Last 108 mit dem Schwerpunkt 18 über den ersten und zweiten Hebel 104, 106 gegen die Erdanziehungskraft nach oben befördert, weist die beladene Sackkarre 100 eine Gleichgewichtslage bei einem Winkel f0 auf. In der Gleichgewichtslage sind die Drehmomente der beladenen Sackkarre 100 nach vorne und nach hinten ausgeglichen. Dieser Winkel f0 ist vorzugsweise von einem Winkelbereich df0 des Balancierens der Gleichgewichtslage umgeben, der sich insbesondere in Vorwärtsrichtung 2 als auch in Rückwärtsrichtung 1 gleich weit erstreckt.
Solange der Schwerpunkt 18 wie in 1 b) den Winkel f0 oder vorzugsweise den Winkelbereich df0 nicht erreicht hat, bleibt der startbereite Zustand b erhalten. Der startbereiten Zustand b liegt somit vor, wenn der Winkel f zwischen >0° und <f0 oder vorzugsweise zwischen >0° und <(f0 - df0/2) liegt.
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Erreicht der Schwerpunkt 18 den Winkel f0 oder vorzugsweise den Winkelbereich df0, so erzeugt die Steuerung 16 einen Balancierzustand c, bei dem der Gleichgewichtszustand der Sackkarre 100 durch Rollbewegungen der Räder 20 beibehalten wird, wie es in 1 c) gezeigt ist. Dabei wird ein zeitliches Ändern des Drehmoments nach vorne oder nach hinten durch die Steuerung 16 erfasst, und durch ein entgegengesetztes Drehmoment des Antriebs im Rad 20 ausgeglichen. In diesem Zustand ist die Kraft, die der Nutzer 102 zum Erhalt der Gleichgewichtslage hinzufügen muss minimiert oder wird gar völlig vermieden.
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Die Steuerung 16 kann das Drehmoment anhand eines Motorstroms und/oder eine Motorklemmspannung erfassen. Denkbar ist auch ein Sensor welcher die Kipplage der Sackkarre 100 erfasst.
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Möchte der Nutzer 102 die Sackkarre 100 in einen Bewegungszustand d oder e nach vorne bzw. hinten in Translationsrichtung 1, 2 versetzen, so muss der Nutzer 102 die Sackkarre 100 aus dem Winkelbereich df0 herauskippen, und in einen Winkelbereich df zum Starten der Bewegung befördern, wie in 1 d) und e) gezeigt ist. Der Winkelbereich df umgibt den Winkel f0 in symmetrischer Weise, und weist einen größeren Betrag auf als der Winkelbereich df0. Um eine Bewegung in Rückwärtsrichtung 1 zu erzeugen, muss der Schwerpunkt 18 nach hinten aus der Gleichgewichtslage mit dem Winkel f0 vorzugsweise um einen Winkelbetrag >df0/2 aber <df gekippt werden. Durch diese Winkellage beginnen die Räder 20 in Rückwärtsrichtung 1 zu rollen. Für eine Rollen in Vorwärtsrichtung 2 muss dieses Prinzip umgekehrt werden, sodass ein Kippen um die gleichen Winkelbeträge nach vorne notwendig ist, um die Räder nach vorne zu rollen. Alternativ ist eine unsymmetrische Anordnung der Winkelbereiche denkbar.
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Das Fahrzeug 10 bzw. die Sackkarre 100 stoppt den Bewegungszustand d, e, wenn der Winkel f den Winkel f0, vorzugsweise den Winkelbereich df, überschreitet. Dadurch wird ein Stoppzustand s gemäß 1 f) erzeugt. Der Stoppzustand s kann beispielsweise erreicht werden, wenn man das Fahrzeug 10 nach vorne und/oder nach hinten kippt. Alternativ oder ergänzend kann ein Stoppzustand s erreicht werden, wenn das Fahrzeug 10 aus dem Bewegungszustand d, e, vorzugsweise dem Winkelbereich df, in den Balancierzustand c, vorzugsweise den Winkelbereich df0, gekippt wird. Durch das Erzeugen des Stoppzustands s wird das Fahrzeug 10 in einen Zustand gesetzt, aus dem das Fahrzeug wieder in den Startzustand b gebracht werden kann.
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In 2 ist das Zustandsdiagramm einer möglichen Bedienungsfolge abgebildet, die vorzugsweise ohne Winkelbereiche df, df0 verläuft. Wird aus dem Zustand b der Winkel f verändert, sodass ein Betrag größer als 0° vorliegt, wird der Balancierzustand c eingestellt. In dem Balancierzustand c wird der Winkel f0 der Gleichgewichtslage detektiert, wodurch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 in Translationsrichtung 1, 2 auf 0 geregelt wird. Gleichzeitig wird der Winkel f auf den Winkel f0 der Gleichgewichtslage geregelt, wenn der Winkel f0 erkannt wurde. Wird nun der Winkel f durch den Nutzer 102 vom Winkel f0 entfernt, vorzugsweise in den Winkelbereich df gebracht, wird der Bewegungszustand d, e eingeleitet. Der Bewegungszustand d, e wird in den Stopptzustand s umgewandelt, wenn der Winkel f durch den Nutzer 102 wieder in die Gleichgewichtslage mit dem Winkel f0 gebracht wird.
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Alternativ kann der Stoppzustand s durch eine Rütteln des Nutzers 102 an dem Fahrzeug 10 erreicht werden. Ebenso kann durch eine Rütteln der Winkel f0 der Gleichgewichtslage programmiert werden.
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In 3 sind zwei Regelkreise i) und ii) dargestellt. Der Regelkreis i) stellt die Regelung während des Erreichens des Balancierzustands c dar. Der Antrieb des Rads 20 gibt ein Signal u beispielsweise in Form eines Drehmoments, eines Motorstroms oder einer Motorklemmspannung an die Steuerung 16 des Fahrzeugs 10 aus, die eine Änderung des Winkels f einstellt. Dies veranlasst wiederum den Antrieb des Rads 20 eine zeitliche Änderung df/dt des Winkels f aufzunehmen und somit den Regelkreis zu schließen. Während des Bewegungszustandes d, e wird durch den Antrieb ein Signal u an die Steuerung 16 ausgegeben, die wiederum einen Winkel f einstellt, wie in ii) gezeigt ist. Der Winkel f wird in einer Schleife von dem Antrieb aufgenommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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