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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines von einem Zugfahrzeug gezogenen Anhängers mithilfe eines Radarsystems des Zugfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge sind häufig mit einem Radarsystem ausgerüstet, das Ortungsdaten über das Verkehrsumfeld für ein Fahrerassistenzsystem bereitstellt, beispielsweise für eine Geschwindigkeits- und Abstandsregelung, eine Totwinkelüberwachung und/oder einen Spurwechselassistenten. Wenn das Fahrzeug einen Anhänger zieht, so erfordert dies gewisse Anpassungen in der Funktionalität des Fahrerassistenzsystems. Beispielsweise muss bei Fahrten mit Anhängern eine Geschwindigkeitsbegrenzung beachtet werden. Bei der Totwinkelüberwachung kann es zu Fehlwarnungen kommen, weil das Radarsystem (z.B. bei Kurvenfahrten) den Anhänger als ein anderes Fahrzeug im toten Winkel interpretiert. Bei einem Spurwechselassistenten muss die Warnzone an die größere Länge des Gespanns aus Zugfahrzeug und Anhänger angepasst werden.
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Generell hat ein Anhänger eine Beleuchtungsanlage, die durch Einkuppeln eines Steckers an die Fahrzeugelektrik angeschlossen werden muss. Beim Herstellen dieser elektrischen Verbindung kann zugleich ein Detektionssignal erzeugt werden, das das Vorhandensein eines Anhängers anzeigt. Da die elektrische Kupplung jedoch defekt sein kann oder das Ankoppeln vergessen werden kann, wäre es wünschenswert, wenn das Vorhandensein eines Anhängers auch auf andere Weise erkannt werden kann, so dass ein höheres Maß an Redundanz erreicht wird.
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Aus
US 2015325126 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Vorhandensein eines Anhängers mit Hilfe des Radarsystems des Zugfahrzeugs erkannt wird. Zur Unterscheidung zwischen einem Anhänger und einem in geringem Abstand folgenden anderen Fahrzeug wird hier der Umstand ausgenutzt, dass der Anhänger bei Geradeausfahrt stets den gleichen Abstand zum Zugfahrzeug hat und dass sich auch bei Kurvenfahrten der mit dem Radarsystem gemessene Abstand nur innerhalb sehr enger Grenzen ändert.
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Aus
US 9 211 889 B1 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem, sofern ein Anhänger vorhanden ist, auch die Länge des Gespanns gemessen wird. Dazu wird bei Kurvenfahrten der Abstand von Reflexionszentren gemessen, die sich im hinteren Endbereich des Anhängers befinden.
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Aus
DE 11 2020 000 325 T5 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Radarsystem dazu genutzt wird, wichtige Eigenschaften eines Anhängers wie beispielsweise die Länge, die Zahl der Achsen und die Höhe des Anhängers zu messen. Dabei wird jedoch vorausgesetzt, dass es bereits aus anderer Quelle bekannt ist, dass überhaupt ein Anhänger angehängt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine zuverlässigere Entscheidung ermöglicht, ob ein Anhänger angehängt ist oder nicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:
- - schätzen von Parametern eines Anhängermodells anhand von Ortungsdaten des Radarsystems,
- - prädizieren von Änderungen der Ortungsdaten anhand des Anhängermodels und anhand von Bewegungsdaten des Zugfahrzeugs,
- - vergleichen von gemessenen Änderungen der Ortungsdaten mit den prädizierten Änderungen und entscheiden, mithilfe eines Klassifizierungsalgorithmus und auf der Basis der Vergleichsergebnisse, ob die Ortungsdaten einen Anhänger repräsentieren oder nicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine zuverlässigere Unterscheidung zwischen Anhängern und anderen Objekten im Umfeld des Fahrzeugs dadurch ermöglicht, dass die Dynamik eines vom Zugfahrzeug gezogenen Anhängers modelliert und mit der vom Radarsensor gemessenen Dynamik verglichen wird. Da sich die Dynamik eines gezogenen Anhängers wesentlich von der Dynamik eines eigenständigen, in geringem Abstand folgenden Fahrzeugs unterscheidet, lässt sich mit hoher Sicherheit entscheiden, ob die Ortungsdaten wirklich auf das Vorhandensein eines Anhängers hinweisen.
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Wesentliche Parameter des Anhängermodells, die die Dynamik des Anhängers beeinflussen, sind beispielsweise der Abstand zwischen der Anhängerkupplung und der Achse des Anhängers und, bei mehrachsigen Anhängern, die Anzahl der Achsen und der Radstand. In Verbindung mit der Gierrate des Zugfahrzeugs bestimmen diese Parameter die Änderung des Knickwinkels zwischen der Längsachse des Anhängers und der Längsachse des Zugfahrzeugs. Anhand dieser Änderung des Knickwinkels lässt sich wiederum prädizieren, wie sich die Ortungsdaten, also die Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Richtungswinkel im Azimut und ggf. auch in Elevation, der am Anhänger vorhandenen Reflexpunkte, verändern werden. Mit Hilfe des Klassifizierungsalgorithmus kann dann geprüft werden, ob die Abweichungen zwischen den prädizierten und den gemessenen Änderungen so klein sind, dass die Annahme, dass die Ortungsdaten von einem durch das Anhängermodell beschriebenen Anhänger stammen, die einzig plausible Hypothese ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei rotierenden Objekten wie etwa den Rädern eines Fahrzeugs oder Anhängers weist die Dopplerverschiebung der Radarreflexe eine charakteristische Abhängigkeit vom Elevationswinkel auf. Dieser als Mikro-Dopplereffekt bekannte Effekt ermöglicht es, die Räder eines Anhängers oder Fahrzeugs verlässlich zu identifizieren. Bei Kurvenfahrten lässt sich anhand des Zusammenhangs zwischen der Änderung des vom Radarsensor gemessenen Abstands des Rades und der Änderung des gemessenen Azimutwinkels der Abstand zwischen dem Rad und der Kupplungsposition bestimmen und in das Anhängermodell integrieren. Wenn das Zugfahrzeug an der Rückseite zwei Radarsensoren aufweist, die die Räder auf beiden Seiten des Anhängers gleichzeitig erfassen können, lässt sich auch unmittelbar der Abstand zwischen der Kupplungsposition und der Achse bestimmen. Wenn die Räder des Anhängers nur bei Kurvenfahrten im Ortungsbereich der Radarsensoren liegen, lässt sich der Abstand zwischen der Kupplungsposition und der Achse jedenfalls dann bestimmen, wenn bei abwechselnden Kurvenfahrten nach rechts und links jedes der beiden auf der Achse liegenden Räder mindestens einmal erfasst worden ist.
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Die Parameter des Anhängermodells können umso genauer geschätzt werden, je mehr Ortungsdaten zur Verfügung stehen. Zumindest in der Anfangsphase, kurz nach Beginn der Fahrt, kann deshalb das Anhängermodell fortlaufend aktualisiert werden, bis die Modellparameter zu Werten konvergieren, die mit der gesamten Historie der Ortungsdaten kompatibel sind. Wenn sich diese Konvergenz nach einer gewissen Anzahl von Ortungsereignissen noch nicht eingestellt hat, so entscheidet der Klassifikationsalgorithmus, dass kein Anhänger vorhanden ist.
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Der Klassifikationsalgorithmus kann mit Methoden des maschinellen Lernens so trainiert werden, dass er trotz unvermeidlicher Fehlertoleranzen der Ortungsdaten zuverlässig zwischen den Klassen „Anhänger“ und „nicht Anhänger“ unterscheiden kann. Die Trainingsdaten können bei Fahrten mit unterschiedlichen Anhängertypen generiert werden, so dass auch bei Anhängern mit unterschiedlichen Eigenschaften eine robuste Klassifikation erreicht wird.
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Das Anhängermodell kann neben Anhängern im eigentlichen Sinne auch abgeschleppte Fahrzeuge einschließen, mit der Länge des Abschleppseils oder der Abschleppstange als relevantestem Modellparameter. In dem Fall wäre es möglich, auch Abschleppsituationen automatisch zu erkennen und die Funktionalität des Fahrerassistenzsystems entsprechend anzupassen.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Kraftfahrzeug-Radarsystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist; und
- 2 und 3 Skizzen zweier zeitlich aufeinanderfolgender Verkehrssituationen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das in 1 gezeigte Radarsystem weist zwei Radarsensoren 10, 12 und eine elektronische Auswertungseinrichtung 14 auf. Die Radarsensoren 10, 12 sind an den linken und rechten hinteren Ecken eines Kraftfahrzeugs verbaut und überwachen jeweils einen Raum hinter und links bzw. rechts neben dem Fahrzeug. Gegebenenfalls können die Ortungsbereiche der beiden Radarsensoren einander überlappen, so dass auch der Raum unmittelbar hinter dem Fahrzeug erfasst werden kann.
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Die Auswertungseinrichtung 14 enthält ein Radarmodul 16, das die von den Radarsensoren 10, 12 empfangenen und digitalisierten Signale weiter auswertet und Abstände, Relativgeschwindigkeiten, Azimutwinkel und vorzugsweise auch Elevationswinkel verschiedener Reflexpunkte an einem oder mehreren georteten Objekten berechnet. Auf diese Weise erhält man Ortungsdaten 18, die in einem Zuordnungsmodul 20 weiter analysiert werden. Insbesondere sucht das Zuordnungsmodul 20 nach Gruppen von Radarreflexen, für die aufgrund weitgehend übereinstimmender Relativgeschwindigkeiten anzunehmen ist, dass sie zu demselben Objekt gehören. Wenn es sich bei dem Fahrzeug, das mit dem Radarsystem ausgerüstet ist, um ein Zugfahrzeug handelt, das einen Anhänger zieht, so werden die Radarsensoren 10, 12 zumindest bei Kurvenfahrten auch Radarreflexe von dem Anhänger empfangen, und das Zuordnungsmodul 20 wird diese Reflexe einem gemeinsamen Objekt zuordnen, von dem aber noch nicht klar ist, ob es sich wirklich um einen Anhänger oder um ein anderes Fahrzeug handelt. Einen ersten Anhaltspunkt gibt die für diese Reflexpunkte gemessene mittlere Relativgeschwindigkeit. Da sich der Anhänger mit derselben Geschwindigkeit bewegt wie das Zugfahrzeug, werden bei einem Anhänger die gemessenen Relativgeschwindigkeiten nahe bei null liegen. Für Objekte, deren Relativgeschwindigkeit um mehr als einen bestimmten Schwellenwert von null abweicht, kann von vorn herein ausgeschlossen werden, dass es sich um einen Anhänger handelt. Auch bei Objekten, deren Relativgeschwindigkeit nahezu null ist, besteht aber die Möglichkeit, dass es sich nicht um einen Anhänger handelt, sondern um ein anderes Fahrzeug, das zufällig mit der gleichen Absolutgeschwindigkeit fährt wie das eigene Fahrzeug.
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Damit diese Ungewissheit aufgelöst werden kann, weist die Auswertungseinrichtung 14 ein Modellmodul 22 auf, in dem verschiedene Anhängertypen modelliert werden können. Jedes Anhängermodell ist dabei durch einen Satz von Parametern gekennzeichnet, die beispielsweise den Abstand zwischen der Kupplungsposition und der (vordersten) Achse des Anhängers und bei mehrachsigen Anhängern auch die Anzahl der Achsen sowie den Radstand umfassen. Andere Parameter können die Breite, Höhe und Länge sowie die Spurweite des Anhängers angeben.
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Das Modellmodul 22 erhält Daten von einer Eigensensorik 24 des Fahrzeugs. Diese Daten umfassen insbesondere die Absolutgeschwindigkeit v und die Giergeschwindigkeit ω des Fahrzeugs, das im folgenden als Zugfahrzeug bezeichnet werden soll, auch wenn nicht sicher ist, ob wirklich ein Anhänger angehängt ist.
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Im Modellmodul 22 wird anhand der dynamischen Daten des Zugfahrzeugs und anhand der Modellparameter das dynamische Verhalten des Anhängers modelliert. Insbesondere wird hier prädiziert, wie sich die Ortungsdaten einzelner Reflexpunkte, die sich in verschiedenen Positionen an dem vermeintlichen Anhänger befinden, in Abhängigkeit von der aktuellen Geschwindigkeit v und der aktuellen Änderung der Gierrate ω verändern werden. Wenn die Gierrate null ist, also bei Geradeausfahrt, ändern sich weder die Abstände noch die Relativgeschwindigkeiten noch die Azimutwinkel der Reflexpunkte. Dasselbe gilt auch, wenn die Gierrate zwar von null verschieden ist (Kurvenfahrt) aber über einen längeren Zeitraum konstant geblieben ist. In dem Fall bewegen sich das Zugfahrzeug und der Anhänger auf einer Kreisbahn , und die räumlichen Beziehungen zwischen den Radarsensoren und den verschiedenen Reflexpunkten bleiben unverändert. Prädizierte Werte 26 für die Ortungsdaten der Reflexpunkte werden vom Modellmodul 22 an das Zuordnungsmodul 20 weitergegeben und dort mit den gemessenen Ortungsdaten 18 verglichen.
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Bei Antritt einer Fahrt, wenn noch keine Ortungsdaten vorliegen, sind die Modellparameter im Modellmodul 22 auf Vorgabewerte eingestellt, die beispielsweise den am häufigsten auftretenden Anhängertyp kennzeichnen. Wenn ein Anhänger angehängt ist, wird das durch die voreingestellten Parameter definierte Modell den Anhänger nicht korrekt beschreiben, so dass die anhand dieses Modelle prädizierten Ortungsdaten deutlich von den gemessenen Ortungsdaten abweichen werden. Anhand dieser Abweichungen werden in einem Schätzmodul 28 neue Parameterwerte geschätzt, die die Abweichung zwischen den prädizierten Werten und den gemessenen Werten minimieren.
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Ein Klassifizierungsmodul 30 verfolgt die Historie der Abweichungen und der Modellparameter. Wenn die Modellparameter gegen stabile Werte konvergieren, bei denen in die Abweichungen zwischen den prädizierten Ortungsdaten und den gemessenen Ortungsdaten unterhalb geeigneter Schwellenwerte liegen, so entscheidet das Klassifizierungsmodul, dass es sich bei dem georteten Objekt tatsächlich um einen Anhänger handelt, und es wird eine entsprechende Meldung 32 an ein Fahrerassistenzsystem des Zugfahrzeugs ausgegeben. Solange die Abweichungen größer bleiben als die Schwellenwerte, wird keine Anhängermeldung ausgegeben. Ebenso entscheidet das Klassifizierungsmodul 30, dass kein Anhänger angehängt ist, wenn die Abweichungen zwar zeitweise unter dem Schwellenwert liegen aber die Modellparameter zeitlich schwanken, weil die Abweichungen nur dadurch minimiert werden können, dass die Modellparameter, die den Anhänger beschreiben, fortlaufend angepasst werden. Die Schwellenwerte für die Abweichungen und für die Schwankungsbreite der Modellparameter können dadurch bestimmt werden, dass das Klassifizierungsmodul 30 durch machine learning trainiert wird, beispielsweise während Testfahrten mit verschiedenen Anhängertypen und mit nachfolgenden Fahrzeugen, die mit Anhängern verwechselt werden könnten..
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Zur Illustration des Verfahrens ist in 2 eine Verkehrssituation dargestellt, in der ein Gespann aus einem Zugfahrzeug 34 und einem Anhänger 36 auf einer Fahrbahn 38 eine Kurve durchfährt. Die beiden Radarsensoren 10, 12 sind schematisch am Heck des Zugfahrzeugs 34 angedeutet.
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Der Anhänger 36 ist in diesem Beispiel ein einachsiger Anhänger mit linken und rechten Rädern 40, 42. Während der Kurvenfahrt bildet die Längsachse f des Fahrzeugs 34 mit der Längsachse a des Anhängers einen Knickwinkel AKM, wobei A ein Punkt auf der Längsachse f des Fahrzeugs, K die Position einer Anhängerkupplung und M die Achsmitte des Anhängers 36 ist. Der Knickwinkel ist im gezeigten Beispiel so groß, dass die linke Seite des Anhängers 36 außerhalb des Ortungsbereiches des linken Radarsensors 10 liegt. Der rechte Radarsensor 12 kann jedoch Radarreflexe von verschiedenen Reflexpunkten 44, 46 am Aufbau des Anhängers und von weiteren Reflexpunkten 48, 50 am rechten Rad 42 des Anhängers empfangen.
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Die Punkte A, K und M sowie zwei Punkte R und S, die die Lage des Reflexpunktes 50 am Anhängerrad und die Lage des Radarsensors 12 angeben, sind in 2 noch einmal gesondert in einem Diagramm dargestellt, das die geometrischen Verhältnisse verdeutlicht. Die Strecke KS kann bei Montage der Anhängerkupplung gemessen werden, und die Strecke RS sowie der Winkel RSK (am Punkt S) können mit dem Radarsensor 12 gemessen werden. Damit ist das Dreieck RSK vollständig bestimmt, und somit ist die Position des Reflexpunktes 50 (Punkt R) relativ zum Zugfahrzeug 34 bekannt. Entsprechendes gilt auch für alle übrigen Reflexpunkte.
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Das Radarecho vom oberen Scheitel des Rades 42 weist aufgrund der Rotation dieses Rades eine Dopplerverschiebung zu höheren Frequenzen auf. Das Echo vom Reflexpunkt 50 auf Höhe der Anhängerachse weist diese Dopplerverschiebung nicht auf, und ein Reflexpunkt in der Nähe des unteren Scheitels des Rades 42 weist eine Dopplerverschiebung zu kleineren Frequenzen auf. Anhand dieses Musters lässt sich eindeutig erkennen, dass die Reflexpunkte 48 und 50 vom Rad des Anhängers stammen. Das erlaubt eine Bestimmung der Anzahl der Achsen des Anhängers.
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In fast allen Anhängermodellen gilt, dass der Anhänger auf seiner Länge im wesentlichen eine einheitliche Breite aufweist. Es kann deshalb angenommen werden, dass die Reflexpunkte 44 und 46 und gegebenenfalls weitere Reflexpunkte auf der Seitenfläche des Anhängeraufbaus auf einer Geraden liegen, die parallel zu der Längsachse a des Anhängers verläuft. Da die Positionen dieser Reflexpunkte bekannt sind, lässt sich die Orientierung dieser Geraden und damit auch der Knickwinkel AKM bestimmen. Auch der Abstand zwischen der Kupplungsposition und der Achsmitte kann anhand der Messdaten bestimmt werden.
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Der Abstand zwischen der Achsmitte M und dem Reflexpunkt 48 am Scheitel des Rades 42 ist gleich der halben Spurweite des Anhängers. Da die Lage der Mittelachse a bekannt ist, lässt sich anhand der Ortungsdaten auch die halbe Spurweite des Anhängers 36 bestimmen.
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Auf diese Weise lassen sich schon durch eine einzelne Radarmessung wesentliche Parameter des Anhängermodells bestimmen.
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Wenn sich beim Durchfahren einer Kurve der Knickwinkel AKM ändert, so bewegen sich alle Reflexpunkte des Anhängers auf Kreisen um den Punkt K. Wenn die Positionen ein und desselben Reflexpunktes für drei verschiedene Zeitpunkte bekannt sind, zwischen denen sich der Knickwinkel geändert hat, so lassen sich der Radius und die Lage des Mittelpunktes K des Kreises bestimmen. Somit kann durch mehrere Radarmessungen die Kupplungsposition am Punkt K auch dann ermittelt werden, wenn sie nicht von vornherein bekannt war.
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In der in 2 gezeigten Situation fährt das Zugfahrzeug 34 gerade aus der Kurve aus, so dass seine Gierrate auf null abgenommen hat und im weiteren Verlauf null bleibt. Anhand des Anhängermodells lässt sich die von null verschiedene Gierrate des Anhängers 36 vorhersagen.
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3 zeigt den Zustand zu einem etwas späteren Zeitpunkt, wenn auch der Anhänger das Ende der Kurve erreicht und der Knickwinkel abgenommen hat. Wenn die Positionen der Reflexpunkte 44 und 46 in 3 erneut gemessen werden, lässt sich überprüfen, ob die anhand der Daten in 2 prädizierte Gierrate mit den aktuellen Messungen übereinstimmt. Wenn die Modellparameter korrekt sind und es sich bei dem georteten Objekt wirklich um einen Anhänger handelt, so wird sich in dem Zustand gemäß 3 die prädizierte Gierrate bestätigen lassen.
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In 2 ist dem Grundriss des Anhängers 36 in gestrichelten Linien der Grundriss eines PKW 52 überlagert, der die gleichen Reflexpunkte 44 und 46 erzeugen könnte. Falls aus irgendwelchen Gründen, beispielsweise aufgrund von Signalrauschen oder Abschattungen nicht erkennbar ist, dass die Reflexpunkte 48 und 50 von einem Rad stammen, könnte es sich bei dem georteten Objekt auch um den PKW 52 handeln. Da ein PKW jedoch lenkbare Vorderräder aufweist, unterscheidet sich seine Dynamik beim Durchfahren einer Kurve von der Dynamik eines Anhängers. Selbst wenn der Fahrer des PWK 52 das Zugfahrzeug 34 mit konstantem Abstand verfolgt, so dass die Relativgeschwindigkeit des Mittelpunktes null ist, wird die Gierrate es PKW im allgemeinen von der für eine anhängerprädizierte Gierrate verschieden sein, wie in 3 gezeigt ist. Unter diesen Umständen würde das Klassifikationsmodul 30 entscheiden, dass kein Anhänger vorhanden ist.
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So lässt sich durch die Modellierung der Dynamik eines Anhängers anhand eines Anhängermodells eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Anhängern und anderen Fahrzeugen erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015325126 A1 [0004]
- US 9211889 B1 [0005]
- DE 112020000325 T5 [0006]