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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft geographische Daten, und insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Art der Darstellung des
Grades der Biegung eines sich linear erstreckenden geographischen
Merkmals (wie beispielsweise einer Straße) unter Verwendung eines
Biegekoeffizienten.
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Es
wurden verschiedene neue Fahrzeugsicherheitssysteme entwickelt,
die den Fahrzeugführer warnen
oder den Betrieb des Fahrzeugs (oder von Bestandteilen davon) basierend
auf Bedingungen in der Umgebung des Fahrzeugs oder anderen Faktoren
modifizieren. Beispiele für
diese neuen Fahrzeugsicherheitssysteme sind unter anderem automatische
Ausrichtung der Scheinwerfer, automatische (oder adaptive) Fahrtregelung,
Warnung vor Hindernissen, Kurven, Kreuzungen, Lane Departure Warning
(LDW), Kollisionswarnung sowie adaptive Getriebesteuerung (AGS).
Einige dieser Fahrzeugsicherheitssysteme verwenden Sensoreinrichtungen (z.
B. Radar und Kameras) zur Erfassung des momentanen Zustands der
Fahrbahn und der Umgebung des Fahrzeugs. Einige dieser Fahr zeugsicherheitssysteme
verwenden Daten aus digitalen Straßenkarten als Komponenten.
Diese Daten dienen zur Identifikation der Lage und Form der Straße vor dem und
um das Fahrzeug. Sie können
auch zur Identifikation relativ permanenter Objekte oder Merkmale entlang
von Straßen
dienen.
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Zu
den unterschiedlichen Arten von Daten aus digitalen Karten, die
von einigen dieser Fahrzeugsysteme verwendet werden, zählen Daten,
die den Grad der Biegung der Straße anzeigen. In manchen Datenbanken
mit digitalen Karten wird der Grad der Biegung einer Straße an einem
bestimmten Punkt durch einen Wert des Krümmungsradius (oder den Kehrwert
davon) angezeigt. Einige Fahrzeugsicherheitssysteme verwenden diese
Daten bezüglich des
Krümmungsradius
zur Modifikation des Fahrzeugbetriebs. So verwendet beispielsweise
eine automatische Fahrtregelung in einem Fahrzeug die Daten, die
den Grad der Biegung einer Straße
an dem Punkt entlang der Straße
anzeigen, an dem sich ein Fahrzeug im Moment fortbewegt, zur Bestimmung
eines akzeptablen Geschwindigkeitsbereichs für das Fahrzeug. Nach der Festlegung
eines akzeptablen Geschwindigkeitsbereichs wird die Geschwindigkeit des
Fahrzeugs, wenn nötig,
durch die automatische Fahrtregelungsvorrichtung eingestellt.
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Die
in dieser Art von Fahrzeugsicherheitssystemen verwendete Karten-Datenbank
enthält
Daten, die die Positionen von Punkten entlang von Straßen anzeigen,
darunter auch Daten, die den Krümmungsradius
an den verschiedenen Punkten entlang der Straßen anzeigen. Beim Aufbau dieser
Art von Karten-Datenbanken werden Krümmungswerte unter Verwendung
von Daten berechnet, die die Koordinaten einer Reihe von Punkten
(den sogenannten "Formpunkten") angeben, durch
die die Straße
verläuft.
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Zwar
liefert die Verwendung der errechneten Werte des Krümmungsradius
zur Darstellung des Straßenverlaufs
zufriedenstellende Ergebnisse für manche
Fahrzeugvorrichtungen, dennoch besteht Raum für Verbesserungen. Die errechneten
Werte des Krümmungsradius
können
durch die Art der Funktion (z. B. stückweise lineare Funktion, B-Spline-Funktion
usw.) beeinflusst werden, die zur Näherung der vorgegebenen Formpunkte
verwendet wird. Darüber
hinaus können
kleine Veränderungen
an der Näherungsfunktion
zu großen
Veränderungen
des Krümmungswertes
führen.
Ebenso können
kleine Veränderungen
der Positionen der Datenpunkte selbst eine große Veränderung eines errechneten Krümmungsradius
zur Folge haben.
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Entsprechend
besteht ein Bedarf für
eine andere Art der Darstellung der geometrischen Straßenform
in einer geographischen Datenbank.
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Die
US 5,661,650 offenbart eine
Fahrzeugsteuerung zur Steuerung eines Fahrzeugs relativ zum Verlauf
der Straße,
auf der das Fahrzeug sich fortbewegt. Das System weist eine Vorrichtung
zur Ausgabe von Karteninformationen von Koordinatenpunkten auf,
die die Straße
beschreiben, auf der sich das Fahrzeug fortbewegt, eine Vorrichtung
zur Anzeige der Position des betreffenden Fahrzeugs, eine Vorrichtung
zur Extraktion von Referenzkoordinatenpunkten, eine Vorrichtung
zur Beurteilung des Straßenverlaufs
sowie eine Fahrzeugsteuerungsvorrichtung zur Steuerung des betreffenden
Fahrzeugs basierend auf dem festgestellten Verlauf der befahrenen
Straße.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist in den anliegenden unabhängigen Ansprüchen definiert.
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Zur
Lösung
dieser und anderer Aufgaben umfasst die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Darstellung der Krümmung
eines sich linear erstreckenden Merkmals, wie beispielsweise einer
Straße. Die
Krümmung
eines sich linear erstreckenden Merkmals, wie beispielsweise einer
Straße,
wird mit Hilfe eines Biegekoeffizienten dargestellt. Der Biegekoeffizient
an einer vorgegebenen Stelle entlang eines sich linear erstreckenden
Merkmals wird durch Vergleich des Abstands zwischen zwei Punkten
auf jeder Seite der vorgegebenen Stelle entlang des Merkmals (oder einer
Näherung
des Abstands) mit einem geradlinigen Abstand zwischen den selben
beiden Punkten bestimmt. Biegekoeffizientendaten können durch verschiedene
Fahrzeugsysteme verwendet werden, die Informationen über die
Krümmung
sich linear erstreckender Merkmale, wie beispielsweise von Straßen, auf
denen sich das Fahrzeug bewegt, benötigen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Teils der Terminologie
in dieser Beschreibung dar;
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2 stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Biegekoeffizienten an verschiedenen
Stellen entlang einer Straße
dar;
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3 stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Veränderung des Biegekoeffizienten
mit der Krümmung
dar;
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5 stellt
einen vergrößerten Abschnitt
des durch den gepunkteten Kreis in 4 eingeschlossenen
Bereichs dar;
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6 stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs einer alternativen
Ausführungsform
dar; und
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7 stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs einer weiteren alternativen
Ausführungsform
dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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I. DEFINITIONEN
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Die
folgenden Ausdrücke
sind in 1 dargestellt.
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"Sehne" bezeichnet das geradlinige
Segment, das zwei beliebige Punkte auf einem Straßenabschnitt
miteinander verbindet.
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"Sehnenlänge" bezeichnet die Länge des
geradlinigen Segments, das zwei beliebige Punkte auf einem Straßenabschnitt
miteinander verbindet.
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"Bogen" bezeichnet das Teilstück eines
Straßenabschnitts
zwischen zwei beliebigen Punkten auf dem Straßenabschnitt.
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"Bogenlänge" bezeichnet die Länge (oder eine
Näherung
davon) des Teilstücks
eines Straßenabschnitts
zwischen zwei beliebigen Punkten auf dem Straßenabschnitt.
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Das
Wort "Krümmung" bezieht sich in
dieser Beschreibung auf die allgemeine Eigenschaft eines sich linear
erstreckenden Merkmals, gekrümmt
zu sein, und ist nicht auf eine mathematische Definition beschränkt, außer dies
ist ausdrücklich
angegeben. Das Wort "Krümmung" in dem Ausdruck "Krümmungsradius" versteht sich gemäß seiner
mathematischen Bedeutung.
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II. ÜBERBLICK
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2 zeigt
einen Straßenabschnitt 10.
Mehrere Sehnen 12 wurden (in gestrichelten Linien) zwischen
Paaren von Punkten 14 auf diesem Abschnitt 10 gezogen.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die annähernd geraden
Teilstücke
des Straßenabschnitts
Bogenlängen
aufweisen, die den entsprechenden Sehnenlängen annähernd entsprechen. Im Gegensatz dazu
weisen gekrümmte
Teilstücke
des Straßenabschnitts
wesentlich größere Bogenlängen als
entsprechende Sehnenlängen
auf. Dies bedeutet, dass an relativ geraden Teilstücken eines
Straßenabschnitts
das Verhältnis
von Bogenlänge
zu Sehnenlänge
fast 1 beträgt,
und an relativ gekrümmten
Teilstücken
eines Straßenabschnitts
das Verhältnis
von Bogenlänge
zu Sehnenlänge
erheblich größer als
1 ist. Anders gesagt stellt das Verhältnis von Bogenlänge zu Sehnenlänge eine
Anzeige der örtlichen
Krümmung
des Straßenabschnitts
dar.
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Diese
Beziehung zwischen der Krümmung eines
Straßenabschnitts,
der Sehnenlänge
und der Bogenlänge
wird wie folgt ausgedrückt:
wobei C die Sehnenlänge, A die
Bogenlänge
und κ die
Krümmung
(d. h. nach der mathematischen Definition von "Krümmung") sind.
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In
dieser Beschreibung wird das Verhältnis von A zu C als "Biegekoeffizient" bezeichnet. Der "Biegekoeffizient" stellt ein Maß dafür dar, wie
sehr sich ein Teilstück
eines Straßenabschnitts
zwischen zwei Punkten von der geraden Linie aus, die eben diese
beiden Punkte miteinander verbindet, nach außen biegt oder krümmt.
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3 veranschaulicht
die Veränderung
des Biegekoeffizienten mit der Krümmung. 3 zeigt drei
alternative Strecken 30, 32 und 34 entlang
eines Straßenabschnitts 38.
Jede dieser verschiedenen Strecken stellt eine andere alternative
Straßenkonfiguration
zwischen den Punkten 40 und 42 dar. Wie in 3 gezeigt,
ist der Biegekoeffizient umso größer, je
größer die
Krümmung
ist.
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III. ANWENDUNG
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Der
Biegekoeffizient kann in verschiedenen Fahrzeugsystemen und -vorrichtungen
verwendet werden, die Daten verwenden, welche den geometrischen
Straßenverlauf
darstellen. Beispielsweise kann der Biegekoeffizient durch eine
automatische Fahrtregelungsvorrichtung verwendet werden. Die Verwendung
des Biegekoeffizienten durch eine automatische Fahrtregelungsvorrichtung
wird im Zusammenhang mit 4 und 5 beschrieben.
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In 4 bewegt
sich ein Fahrzeug 50 mit automatischer Fahrtregelung entlang
eines Straßenabschnitts 52.
Die automatische Fahrtregelung erhält Daten, die die Position
des Fahrzeugs im Verhältnis zur
Straße
anzeigen, wie sie durch Daten in einer Karten-Datenbank dargestellt
wird. Diese Funktion kann mit Hilfe bekannter Fahrzeugpositionstechnologie,
wie beispielsweise GPS, Koppeln usw., ausgeführt werden.
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Wenn
sich das Fahrzeug 50 entlang des Straßenabschnitts 52 bewegt,
passt die automatische Fahrtregelungsvorrichtung im Fahrzeug 50 die Geschwingigkeit
des Fahrzeugs basierend auf dem Biegekoeffizienten der Straße an. In 4 zeigen
die Pfeile 54 die augenblicklichen Positionen des Fahrzeugs
an. Die diesen Positionen entsprechenden Sehnen 58 sind
ebenfalls gezeigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wählt die
automatische Fahrtregelungsvorrichtung im Fahrzeug an jeder Position 54 zwei
Punkte auf beiden Seiten der Position, an der sich das Fahrzeug
befindet, aus. Dann berechnet die automatische Fahrtregelungsvorrichtung
mit Hilfe der beiden Punkte die Sehnenlänge C, die Bogenlänge A sowie
den Biegekoeffizienten. Wie in 5 gezeigt,
steigt der Biegekoeffizient an, wenn das Fahrzeug sich in die Kurve
bewegt, und fällt
erwartungsgemäß, wenn
das Fahrzeug die Kurve verlässt.
Mit Hilfe dieser errechneten Werte der Biegekoeffizienten passt
die automatische Fahrtregelungsvorrichtung in dem Fahrzeug die Fahrzeuggeschwindigkeit
entsprechend an.
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Die
Auswahl der beiden Punkte auf beiden Seiten der Fahrzeugposition
ist so konfigurierbar, dass der daraus abgeleitete Biegekoeffizient
für die Vorrichtung,
die ihn verwendet, geeignet ist. Beispielsweise ist der Abstand
(oder der Abstandsbereich) jedes der beiden Punkte von der Fahrzeugposition
konfigurierbar.
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Wie
in 5 dargestellt, überlappen sich einige der Bogenlängen und
Sehnenlängen
aufeinanderfolgender Positionen, an denen der Biegekoeffizient bestimmt
wird. Wie vorstehend bereits angegeben, ist die Auswahl der Punkte,
die zur Bestimmung des Biegekoeffizienten verwendet werden, so konfigurierbar,
dass eine geeignete Messung der Krümmung erhalten wird. Es gibt
keine Ein schränkung,
die besagen würde,
dass sich die Bogenlängen
und Sehnenlängen
nicht überlappen
dürfen.
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IV. ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Verwendung bereits
errechneter Biegekoeffizientendaten
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform verwendet
ein Fahrzeugsicherheitssystem, wie beispielsweise eine automatische
Fahrtregelung, eine Karten-Datenbank, die Biegekoeffizienten von
Punkten entlang von Straßen
enthält.
Gemäß dieser
alternativen Ausführungsform
werden die Werte der Biegekoeffizienten an Punkten entlang von Straßen im Voraus
durch den Entwickler der Datenbank berechnet und in der geographischen
Datenbank gespeichert. Die geographische Datenbank, die die errechneten
Werte des Biegekoeffizienten für
Punkte entlang von Straßen
enthält,
ist in dem Fahrzeug installiert und wird durch Fahrzeugsicherheitssysteme,
wie beispielsweise eine automatische Fahrtregelung, verwendet.
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Ein
Vorteil der Speicherung errechneter Werte des Biegekoeffizienten
in der vom Fahrzeugsicherheitssystem verwendeten Karten-Datenbank besteht darin,
dass eine Berechnung dieser Werte im Fahrzeug überflüssig wird.
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B. Berechnung von Biegekoeffizienten
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Die
Berechnung des Biegekoeffizienten kann auf unterschiedliche Arten
erfolgen. Eine Möglichkeit
der Berechnung eines Biegekoeffizienten wird in Verbindung mit 6 beschrieben.
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6 zeigt
ein Teilstück
einer Straße 60. Entlang
der Straße
befinden sich Formpunkte 62, 64, 66, 68 und 70.
Diese Formpunkte sind Punkte, an denen die geographischen Koordinaten
der Position der Straße
bekannt sind. Die geographischen Koordinaten an diesen Positionen
können
mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren zum Sammeln von Daten bestimmt
werden. Beispielsweise können
die geographischen Koordinaten an diesen Positionen mit Hilfe einer
GPS-Vorrichtung bestimmt werden. Alternativ können die geographischen Koordinaten
an diesen Positionen aus Luftaufnahmen bestimmt werden.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform wird
für jeden
Formpunkt ein Wert des Biegekoeffizienten bestimmt. Gemäß dieser
alternativen Ausführungsform
kann ein Wert des Biegekoeffizienten an einem vorgegebenen Formpunkt
angenähert
werden, indem die Summe der Entfernungen des vorgegebenen Formpunkts
von den beiden unmittelbar an den vorgegebenen Formpunkt angrenzenden
Formpunkten mit dem geradlinigen Abstand zwischen den beiden angrenzenden
Formpunkten verglichen wird. Gemäß dieser
Alternative wird die Bogenlänge
durch Näherung
mit Hilfe zweier "Sehnenlängen" bestimmt.
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Beispielsweise
wird zur Bestimmung des Biegekoeffizienten für den mit dem Bezugszeichen 66 bezeichneten
Formpunkt die Entfernung des Formpunkts 64 vom Formpunkt 66 zur
Entfernung des Formpunkts 66 vom Formpunkt 68 addiert.
Diese Summe wird dann durch die Entfernung des Formpunkts 64 von
dem mit 68 bezeichneten Formpunkt geteilt, um den Biegekoeffizienten
am Formpunkt 66 zu bestimmen. Biegekoeffizienten für die verbleibenden
Formpunkte können
auf ähnliche
Weise bestimmt werden. Die Werte der Biegekoeffizienten können dann
zusammen mit den Koordinaten der Formpunkte in einer geographischen
Datenbank gespeichert werden. Alternativ können mit Hilfe dieses Verfahrens
Biegekoeffizienten unterwegs bei Bedarf durch eine Vorrichtung im
Fahrzeug während
der Fahrt berechnet werden.
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Gemäß einer
anderen Alternative kann eine Näherung
des Biegekoeffizienten an einem vorgegebenen Formpunkt dadurch bestimmt
werden, dass die Abstände
zu zusätzlichen
Formpunkten neben den dem vorgegebenen Formpunkt unmittelbar benachbarten
berücksichtigt
werden. 7 stellt diese Ausführungsform
dar. 7 zeigt das selbe Teilstück einer Straße, das
auch in 6 gezeigt ist. In 7 wird
der Biegekoeffizient am Punkt 66 angenähert, indem zuerst die geradlinigen
Abstände
zwischen Punkt 62 und Punkt 64, zwischen Punkt 64 und
Punkt 66, zwischen Punkt 66 und Punkt 68 und
zwischen Punkt 68 und Punkt 70 addiert werden.
Die Summe dieser Abstände
wird dann durch den geradlinigen Abstand zwischen Punkt 62 und
Punkt 70 geteilt, wodurch sich der Biegekoeffizient an
Punkt 66 ergibt. Gemäß dieser
Alternative wird die Bogenlänge
mit Hilfe von vier "Sehnenlängen" angenähert bestimmt.
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In 7 wurden
zwei Punkte auf beiden Seiten des Punktes ausgewählt, an dem der Biegekoeffizient
bestimmt wurde. Alternativ kann jede beliebige Anzahl von Punkten
auf beiden Seiten des Punktes, an dem der Biegekoeffizient bestimmt
wird, ausgewählt
werden.
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Gemäß noch einer
weiteren Alternative können
die Entfernungen des Punkts entlang einer Straße, an dem der Biegekoeffizient
bestimmt wird, von den daran angrenzenden Punkten, die bei der Bestimmung
des Biegekoeffizienten verwendet werden, tatsächliche Entfernungen sein,
die das Fahrzeug zurücklegt.
Die tatsächlichen,
bei der Fahrt zurückgelegten
Entfernungen können
mit Hilfe eines Kilometerzählers
oder von Geschwindigkeitspulsdaten gesammelt oder durch Auswertung
von Luft- oder Satellitenbildern bestimmt werden.
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C. Andere Alternativen
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In
einer anderen Alternative können
die Werte des Biegekoeffizienten mit Hilfe von Daten, die den Straßenverlauf
darstellen, wie beispielsweise Formpunktdaten, während der Fahrt im Fahrzeug
berechnet werden.
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Das
neue, hier beschriebene Verfahren kann in Kombination mit der bekannten
Lösung
mit Hilfe des Krümmungsradius
angewendet werden, um die Robustheit und Effektivität unterschiedlicher
Vorrichtungen im Fahrzeug zu verbessern.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
wurden Daten bezüglich
des Biegekoeffizienten zur Darstellung des Krümmungsgrades von Straßen verwendet.
In alternativen Ausführungsformen
können
Daten bezüglich
des Biegekoeffizienten zur Darstellung des Krümmungsgrades von anderen sich
linear erstreckenden Merkmalen, wie beispielsweise Flüssen, Bahngleisen,
Grenzen, Flugbahnen, Fährstrecken
usw., verwendet werden.
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V. VORTEILE
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Aus
der Verwendung von Biegekoeffizienten zur Darstellung des Krümmungsgrades
ergeben sich mehrere Vorteile. Zunächst wird durch die Verwendung
von Biegekoeffizienten zur Darstellung des Krümmungsgrades sich linear erstreckender
geographischer Merkmale, wie beispielsweise von Straßen, die
Berechnung von Werten des Krümmungsradius vermieden,
die anfällig
für grobe
Fehler ist. Des Weiteren ist die Verwendung von Biegekoeffizienten
zur Darstellung des Krümmungsgrades
sich linear erstreckender Merkmale weniger rechenintensiv als die Verwendung
von Werten des Krümmungsradius. Darüber hinaus
können
Biegekoeffizienten aus Daten abgeleitet werden, die als ein Satz
von Formpunkten gespeichert sind (stückweise lineare Näherung),
oder aber aus polynomischen Splinesteuerungspunkten, etc.
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Die
obige ausführliche
Beschreibung soll als Veranschaulichung betrachtet werden, nicht
als Einschränkung,
und die anliegenden Ansprüche
sollen den Schutzumfang der Erfindung definieren.
