CN101920703A - 用于控制两轮车辆中的牵引力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统和方法，该车辆包括扭矩控制发动机(121)和用于瞬时地测量所述车辆(120)的驾驶参数(v，φ,θ，ω，x，a，RPM，档)的多个传感器(122)，该方法包括以下步骤：根据由所述多个传感器(122)检测的代表来自用户的扭矩请求的参数(θ)确定基准滑移值(λ₀)；估计瞬时滑移值(λ_s)；基于基准滑移值(λ₀)和瞬时滑移值(λ_s)之间的差值，确定至发动机(121)的所请求扭矩信号的第一分量(τ_CL)；并且其特征在于基准滑移值(λ₀)是通过将代表扭矩请求的参数(θ)与滑移(λ)相关联的扭矩-滑移映射确定的，该映射随着由所述多个传感器(122)检测的该两轮车辆(120)的纵向速度(v)和侧倾角(φ)而变化。

Description

用于控制两轮车辆中的牵引力的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于控制两轮车辆中的牵引力的系统和方法。

背景技术

在一般车辆中，特别是在两轮车辆或摩托车辆中，牵引力的控制是通过控制加速期间驱动轮的滑移(slip)并以确保良好的道路保持(road-holding)性能并由此提高车辆自身的安全性和驾驶条件的方式来实现的。特别的，为了在车辆运动的方向上提供牵引力，非零纵向滑移水平是必需的。

然而，当车辆须应对转弯时，具有非零纵向滑移值会导致轮胎可施加的横向力减少。这一效果在两轮车辆中尤其严重，在两轮车辆中轮胎施加的横向力不仅使车辆能够完成转弯，还能稳定侧倾动态性能(roll dynamic)。

因此，在摩托车辆中，根据其是在直向行驶还是正要转弯而具有相反的滑移需要。

控制摩托车辆中的牵引力的第一种公知的解决方案是通过限制驱动轮的滑移水平而不考虑瞬时倾斜的情况，来提高安全性。

这种方法实施闭环控制，其根据瞬时测量值估计瞬时滑移值，并调整车辆的发动机所提供的扭矩以保持该瞬时滑移值低于一个界限值。

为了对每个倾斜情况确保高水平横向附着(lateral adhesion)，在这一公知的方法中，以保守的方式选择该界限滑移水平。

然而，对界限滑移值的保守选择导致摩托车辆在一些情况下时的较低性能，在这些情况中，大于界限值的滑移水平将提供更大的牵引力并因此提供更大的加速度，而不会将车辆带入不稳定的状况。

控制摩托车辆中的牵引力的第二种公知的方法应用于赛车。这样的系统被设计和校准以便确保在已知赛道上的最高性能。因而它们着重于性能方面而不被开发来确保当面临可变的附着力情况时的稳健性(sturdiness)。因此这样的系统难以应用到生产车辆中。

在公知的闭环控制方法中，对瞬时滑移值的估计通常通过简单地使其等于前轮和后轮的转速之差来以近似的方式实现。

在这样的方式中，由于不考虑影响瞬时滑移的更多不同参数，所述控制是基于一个不精确的反馈值，因此并不是很可靠，因为该反馈值可能的不精确会导致系统的同样不精确的反应。

此外，尽管能确保更高的稳健性，这些闭环系统通常在响应基准变化(reference variation)方面慢于前馈控制系统。

最后，用于控制牵引力的前馈方法是公知的，其基于一些已知的输入参数，例如发动机转数、档位(inserted gear)、节流阀的位置等，调整发动机提供的扭矩并由此调整瞬时滑移。

这种不基于对瞬时滑移反馈的调整的控制方法，不能适应于驾驶表面和车辆的瞬时情况(例如路面提供的附着力或轮胎的磨损情况)，因此仅能用于比赛场合(在比赛场合可以高度详细地计划和描述路线上的每一个机动动作(manoeuvre))。

发明内容

本发明的目的在于避免上述缺点，并且具体地是设计一种用于控制两轮车辆中的牵引力的方法，其能够确保车辆的高度稳定性，同时根据特定的驾驶条件提供可能达到的最好性能。

本发明的另一目的在于提供一种控制两轮车辆中的牵引力的方法，其能够以精确的方式估计摩托车辆的瞬时滑移值，以此方式实现更稳健的控制。

本发明更进一步的目的在于设计一种控制两轮车辆中的牵引力的方法，其能适应车辆和路面的瞬时情况，而不会失去迅速的系统反应。

本发明的最后但并非最不重要的目的在于制造一种控制两轮车辆中的牵引力的系统，其能够执行根据本发明的控制方法。

根据本发明的这些及其他的目的通过制造一种在独立权利要求中限定的用于控制两轮车辆中的牵引力的系统和方法来实现。

该用于控制两轮车辆中的牵引力的系统和方法的进一步特征作为从属权利要求的对象。

附图说明

根据本发明的用于控制两轮车辆中的牵引力的系统和方法的特性和优点在以下的说明中会更为明显，其作为示例而不是限制的目的给出，并参考附图，其中：

图1为执行根据本发明的控制两轮车辆中的牵引力的方法的控制系统的图示；

图2为表示根据本发明的控制两轮车辆中的牵引力的方法的框图；

图3a和3b为在根据本发明的控制两轮车辆中的牵引力的方法中使用的可能阈值映射的图示；

图4为在根据本发明的控制两轮车辆中的牵引力的方法中使用的基准滑移发生器的可能实施例的图表。

具体实施方式

参考附图，其中示出了一个用于控制两轮车辆中的牵引力的系统，总地以附图标记100表示。

用于控制牵引力的系统100包括控制模块110，耦接到两轮车辆120的发动机121，其中可以对发动机121进行扭矩控制，也就是可以提供系统100请求的瞬时扭矩τ。

具体地，对所请求扭矩的调整通常通过改变每个气缸的点火提前，或者优选地通过节流阀的电子控制以便能够使用发动机121能产生的整个扭矩范围，或者甚至通过组合这两种方法来获得。

在具有发动机121的车辆(其中可以控制扭矩)中，预计了一个用于控制发动机的系统(未示出)，该系统将通过加速器(accelerator)实施的用户请求转换为基准扭矩(τ)。该转换借助于映射实现，该映射将加速器的位置、档位和发动机转数与向用于控制发动机121的系统请求的扭矩τ相关联。

当根据本发明的控制牵引力的系统100中的控制模块110激活时，其确定这一系统100提供作为发动机121的输入的对应信号τ₀所需的瞬时扭矩(取代通常由用于控制发动机的传统系统产生的基准扭矩)。

还预计存在多个传感器122，其适于向控制模块110提供摩托车辆120的驾驶参数测量值，基于其中的一个测量值可以确定车辆的瞬时侧倾角(rolling angle)

为了确定瞬时侧倾角

传感器122可以包括例如一个仪表，用于在车辆120的两侧测量距地面的距离，从中可以得到侧倾角

的直接测量值，或包括一个加速计或速度陀螺仪(rate gyro)，其可以提供测量值，基于此可以估计瞬时侧倾角

就像在申请号为MI2007A000559的意大利专利申请中描述的那样。

根据本发明，控制模块110包括基准发生器111，作为输入连接到扭矩请求源，该扭矩请求源基于档位和用发动机转数RPM表示的发动机速度并通过代表扭矩请求的参数θ来表示，该参数θ例如为加速器或节流阀的角位置。

此后，提及加速器或节流阀的角位置时，应当将其理解为代表扭矩请求的参数θ的非限制性实例。基于由传感器122确定的车辆行驶的速度v和侧倾角

代表瞬时扭矩请求的参数θ，基准发生器111向闭环控制器112提供作为其输入的基准滑移值λ₀，该基准滑移值λ₀与滑移重构器113所估计的瞬时滑移值λ_s进行比较。

基于基准滑移值λ₀与瞬时滑移值λ_s之间的差值，闭环控制器112确定对应于向发动机121请求的瞬时扭矩的信号τ₀的第一分量τ_CL。

而且，优选地预计一个前馈控制器114，除加速器或节流阀的角位置θ之外，该前馈控制器114根据车辆120的瞬时条件，如它的速度v、侧倾角

用发动机转数RPM表示的发动机速度等，确定对应于向发动机121请求的瞬时扭矩的信号τ₀的第二分量τ_OL。

这些测量值通过摩托车辆120上的多个传感器122进行检测。

闭环控制器112和前馈控制器114的组合动作通过取决于摩托车辆行驶的速度v和侧倾角

的适当的可变混合因子μ被混合，以确保系统更为迅捷的响应，或反之亦然，对车辆或道路状态变化的更高的适应性。

控制牵引力的系统100优选地还包括监视模块130，其根据瞬时滑移λ_s和加速器或节流阀的角位置θ的变化速度管理控制模块110的激活。

最后，预计具有用户界面140，包括多个选择器，允许用户设置控制模块110的管理参数。

具体地，可以选择控制模块110的激活阈值，具体来说也就是随车辆的速度v和侧倾角而变的滑移值λ或者加速器或节流阀的角位置θ的变化速度。

用户界面140还用于选择更多的参数，例如混合参数μ，以及显示当前选择，可能会示出某些参数之间的相关性，例如混合参数μ与车辆的速度v和侧倾角的相关性。

控制两轮车辆中的牵引力的系统100的操作如下。控制模块100仅在出现某些表明需要控制牵引力的情况时(例如后轮失去牵引力)才会进行干预。

为了这一目的，在预定速度v之外，监视模块130将控制模块110置于可能能够在出现某些激活条件的情况下进行干预的状态中。

特别的，使用了两个供选择的激活条件(超过该激活条件后，控制模块110就被激活)：最小滑移λ_min或代表瞬时扭矩请求的参数θ的最小变化速度，例如加速器或节流阀的最小开启速度。

激活条件可总结如下：

通过对特殊阈值映射的初始选择，事先定义最小滑动值λ_min和加速器或节流阀的角位置θ的最小变化，如图3a和3b所示，其将所允许的最大及最小滑移值和加速器或节流阀的角位置θ的所允许的最小变化与车辆行驶的速度v和侧倾角

相关联。

除滑移值之外，将加速器或节流阀的开启速度用作控制模块110的激活阈值，有利地使控制系统100能够在由于用户的突发扭矩请求而导致突然失去道路附着力(road grip)之前提前进行干预。

一旦达到这两个激活条件的其中之一，车辆的瞬时状态就被存储在控制模块110中。

特别地，至少存储发动机提供的瞬时扭矩τ_hold、后轮的滑移值λ_hold、车辆的侧倾角和加速器或节流阀的角位置θ_hold。

这些值中的一部分被控制模块110中的基准发生器111用于生成基准滑移λ₀。

另一方面，其他的值用于避免控制模块110的激活和去激活时的不连续。

基准滑移λ₀是在具有两个阈值的系统的基础上生成的，以便即使在控制模块110处于活动状态时也能提供对摩托车辆进行控制的感觉。

特别地，控制模块激活时的加速器或节流阀的角位置θ_hold和滑移λ_hold的瞬时值被用于生成将滑移与加速器或节流阀的角位置θ相关联的扭矩-滑移映射，并且每次在其基础上识别出基准滑移值λ₀。

这一扭矩-滑移值映射必须满足以下条件。

当加速器完全开启时，滑移等于摩托车辆行驶的特定速度和侧倾角所允许的最大滑移：

最大滑移值λ_max可以根据速度和侧倾角，通过初始选择阈值的映射得到。

当加速器或节流阀的角开启位置θ等于激活时存储的值θ_hold，并且侧倾角的值

等于初始侧倾角时，基准滑移就被设置为等于激活时刻存储的滑移值λ₀＝λ_hold，以便确保控制牵引力的系统100在点火时的控制动作的连续性。

当加速器或节流阀的角开启位置θ为0时，基准滑移λ₀被设置为0。

图4示出了一个满足所指出条件的映射的非限制性实例。

使用这一映射来确定基准滑移λ₀的基准发生器111允许用户通过操作加速器来控制该滑移。特别地，当加速器完全开启时，用户就是在针对车辆行驶的速度v和侧倾角

请求最大可接受滑移λ_max。

基准滑移λ₀与用滑移重构器113得到的估计滑移值λ_s进行比较。摩托车辆120的一个车轮的滑移λ定义如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ωr}-v}{\mathrm{\ωr}}$

其中，ω为摩托车辆的该被分析车轮的转动速度，r为该车轮的瞬时半径，v为在车辆的质心测量的其纵向速度。

车轮的瞬时半径r依赖于侧倾角

和摩托车辆承受的垂直载荷。

因此，使用滑移重构器113对瞬时滑移λ_s的估计优选地考虑(以一种创新的方式)前轮和后轮的转动速度ω_f、ω_r，前后悬架的冲程x_f、x_r，车辆的纵向加速度a和侧倾角

这些测量值通过摩托车辆120上预计的多个传感器122检测。

基本上，标称滑移值是基于前轮和后轮的转动速度ω_f、ω_r和车轮的标称半径值r计算的。

该标称滑移值随后借助其余测量值的处理进行校正，以便以使其尽可能近似到实际瞬时半径值的方式来校正标称半径，同时也考虑纵向加速度a对车辆质心上的纵向速度和对负荷转移的影响。

对瞬时滑移值λ_s的这一瞬时估计使得能够具有一个可靠的系统，其甚至能够在缺少一个或多个用于对该标称滑移值进行校正的测量值的情况下仍能运转。

在这种情况下，将得到对滑移的不太精确的估计，但是不管怎样，它可以用于控制牵引力。

闭环控制器112基于基准滑移λ₀与估计滑移值λ_s之间的差值来确定向发动机121请求的扭矩的第一分量τ_CL。

在估计滑移λ_s低于基准滑移λ₀的情况下，应当向发动机请求较大的扭矩。类似的，在估计滑移λ_s高于基准滑移λ₀的情况下，应当向发动机请求较低的扭矩。

此外，车辆的速度v的测量值用于修改闭环控制器112的校准和混合参数μ。

特别地，当速度v增加时，控制器112的异常以高频率移除。控制器的校准还受到档位的影响。特别是，修改控制器的增益以补偿由于不同的传动比造成的变化。

为了避免向发动机121请求的扭矩的不连续，由闭环控制器112确定的扭矩的第一分量τ_CL被加到控制系统100被激活时发动机121施加的扭矩τ_hold上。而且，每当闭环控制器112被激活，扭矩的第一分量τ_CL就被设置为等于0。

除了由闭环控制器112确定的扭矩τ_CL请求之外，前馈控制器114还确定要向发动机121请求的第二扭矩分量τ_OL。

这种要向发动机121请求的第一和第二扭矩分量τ_CL和τ_OL，根据用来对这两个分量的频率加权的混合参数μ而对整体扭矩τ₀产生较大或较小的影响。

特别地，混合参数μ用于修改闭环控制系统112的频带和前馈元件114的反应速度。具体来说，如果μ＝1，闭环控制系统的带宽具有最大值，而前馈控制项被高度滤波。在这样的配置中，摩托车辆牵引力的控制主要在闭环中发生，从而确保高度的可靠性，但是在某些车辆中，在跟随滑移基准方面会较慢。

否则，如果μ＝0，闭环控制系统的带宽具有最小值，而前馈控制具有轻微滤波的作用。在这样的配置中，摩托车辆像在扭矩驱动下的一般两轮车辆一样工作。

通过修改混合参数μ的值，可以获得从闭环控制得到的分量τ_CL和从前馈控制得到的分量τ_OL的频率的最佳混合。

混合参数μ的值可以依赖于用户通过用户界面140对车辆的速度v以及侧倾角所做的选择。

最后，控制模块110被保持激活来执行向发动机121请求的扭矩τ_O的调整，直到用户通过先前说明的控制发动机的传统系统所请求的扭矩被保持为大于根据本发明的控制牵引力的系统100所请求的扭矩。否则，控制模块110被去激活。

从所做的描述中，应当可以清楚地看出本发明的在两轮车辆对象中控制牵引力的系统和方法的特点，正像其相关的优势也应当是清楚的。

事实上，这种在两轮车辆中控制牵引力的方法，其根据代表来自用户的扭矩请求的参数生成可变基准滑移值，允许用户控制滑移而不仅仅是去限制它。

此外，通过将滑移与车辆的速度和车辆正处于的侧倾角这二者相关联的映射来确定滑移基准值，能够确保车辆的高度稳定性同时提供取决于特定驾驶条件而能取得的最佳性能。

而且，瞬时滑移值是以精确的方法估计的，这使得整个闭环控制特别稳健。

最后但并非最不重要的，由于有前馈控制元件，系统能提供快速的反应，同时仍能适应车辆和路面的瞬时情况。

最后，应当清楚的是，以此方式构想的在两轮车辆中控制牵引力的系统和方法可以进行许多修改和变形，其均在本发明的范围之内；而且，所有的细节可被技术上等同的元件所替代。

Claims (15)

1.一种用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，所述两轮车辆(120)包括扭矩控制发动机(121)和用于瞬时地测量所述车辆(120)的驾驶参数(v，θ，ω，x，a，RPM，档)的多个传感器(122)，该方法包括步骤：

-根据代表来自用户的扭矩请求的参数(θ)确定基准滑移值(λ₀)，代表扭矩请求的所述参数(θ)由所述多个传感器(122)检测；

-估计瞬时滑移值(λ_s)；

-基于所述基准滑移值(λ₀)和所述瞬时滑移值(λ_s)之间的差值，确定至所述发动机(121)的所请求扭矩信号的第一分量(τ_CL)；

其特征在于：所述基准滑移值(λ₀)是通过将代表扭矩请求的所述参数(θ)与滑移(λ)相关联的扭矩-滑移映射确定的，所述扭矩-滑移映射随着由所述多个传感器(122)检测的所述两轮车辆(120)的纵向速度(v)和侧倾角(φ)而变化。

2.根据权利要求1所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于包括步骤：记录激活牵引力控制时表征所述车辆(120)的初始滑移值(λ_hold)、所述侧倾角的初始值(φ_hold)、和代表扭矩请求的所述参数的初始值(θ_hold)；所述扭矩-滑移映射满足以下条件：

-当代表扭矩请求的所述参数(θ)呈现为最大值时，所述基准滑移值(λ₀)对应于针对所述纵向速度(v)和所述侧倾角(φ)所允许的最大滑移值(λ_max)；

-当代表扭矩请求的所述参数(θ)对应于代表扭矩请求的所述参数的所述初始值(θ_hold)并且当所述侧倾角(φ)对应于所述侧倾角的所述初始值(φ_hold)时，所述基准滑移值(λ₀)对应于所述初始滑移值(λ_hold)；并且

-当代表扭矩请求的所述参数(θ)等于0时，所述基准滑移值(λ₀)等于0。

3.根据权利要求2所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于：所述最大滑移值(λ_max)是基于第一组阈值映射选择的，该第一组阈值映射根据所述纵向速度(v)和所述侧倾角(φ)定义最大滑移值(λ_max)和最小滑移值(λ_min)。

4.根据权利要求3所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于包含步骤：检查牵引力控制的至少一个激活条件，所述至少一个激活条件为超过根据所述第一组阈值映射选择的最小滑移(λ_min)，或根据第二组阈值映射选择的代表来自用户的扭矩请求的所述参数(θ)的最小变化速度，该第二组阈值映射根据所述纵向速度(v)和所述侧倾角(φ)定义代表来自用户的扭矩请求的所述参数(θ)的最小变化速度值。

5.根据前述权利要求中的一项所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于：代表扭矩请求的所述参数(θ)是所述车辆(120)的加速器或所述车辆(120)的节流阀的开启角位置。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于，所述估计瞬时滑移值(λ_s)的步骤包括：根据由所述多个传感器(122)检测的所述车辆(120)的前轮和后轮的转动速度(ω_f，ω_r)和所述车轮的标称半径值(r)来计算标称滑移值，并根据由所述多个传感器(122)检测的测量值中的至少一个来校正所述标称滑移值，所述测量值包括：

-所述车辆(120)的前悬架的冲程(x_f)；

-所述车辆(120)的后悬架的冲程(x_r)；

-所述车辆(120)的纵向加速度(a)；

-所述车辆(120)的所述侧倾角(φ)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于包括步骤：根据由所述多个传感器(122)检测的代表来自用户的扭矩请求的所述参数(θ)、所述纵向速度(v)、所述侧倾角(φ)、和发动机速度(RPM)中的至少一个，确定至所述发动机(121)的所请求扭矩信号的第二分量(τ_OL)。

8.根据权利要求7所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于：扭矩信号的所述第一分量(τ_CL)和扭矩信号的所述第二分量(τ_OL)被加到对应于在激活牵引力控制时向所述发动机(121)请求的扭矩的扭矩信号(τ_hold)上。

9.根据权利要求7或8所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的方法，其特征在于：扭矩信号的所述第一分量(τ_CL)和扭矩信号的所述第二分量(τ_OL)通过混合参数(μ)进行频率混合，所述混合参数(μ)适于对扭矩信号的所述两个分量(τ_CL，τ_OL)中的第一分量相对于另一分量进行更大程度的滤波。

10.一种用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统(100)，所述两轮车辆(120)包括扭矩控制发动机(121)和用于瞬时地测量所述车辆(120)的驾驶参数(v，

θ，ω，x，a，RPM，档)的多个传感器(122)，所述系统(100)包括：控制模块(110)，其耦接到所述发动机(121)，以将对应于所请求扭矩的信号(τ₀)作为输入提供到所述发动机(121)，所述控制模块(110)作为输入被连接到所述多个传感器(122)，所述控制模块(110)包括适于确定对应于所请求扭矩的所述信号(τ₀)的第一分量(τ_CL)的闭环控制器(112)，作为输入连接到用于估计瞬时滑移(λ_s)的滑移重构器(113)和用于生成基准滑移(λ₀)的基准发生器(111)，其特征在于所述基准发生器(111)适于根据将由所述多个传感器(122)检测的代表扭矩请求的参数(θ)与滑移(λ)相关联的扭矩-滑移映射来确定基准滑移(λ₀)，所述扭矩-滑移映射随着由所述多个传感器(122)检测的纵向速度(v)和侧倾角(φ)而变化。

11.根据权利要求10所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统(100)，其特征在于：所述滑移重构器(113)作为输入连接到所述多个传感器(122)，以便于通过根据由所述多个传感器(122)检测的所述车辆(120)的前轮和后轮的转动速度(ω_f，ω_r)和所述车轮的标称半径值(r)来确定标称滑移值，并通过根据由所述多个传感器(122)检测的测量值中的至少一个校正所述标称滑移值，来估计所述瞬时滑移(λ_s)，

所述测量值包括：

-所述车辆(120)的前悬架的冲程(x_f)；

-所述车辆(120)的后悬架的冲程(x_r)；

-所述车辆(120)的纵向加速度(a)；

-所述车辆(120)的所述侧倾角(

)。

12.根据权利要求10或11所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统(100)，其特征在于包括至少一个前馈控制器(114)，其适于根据由所述多个传感器(122)检测的所述车辆(120)的多个瞬时驾驶参数确定对应于所请求扭矩的所述信号(τ₀)的第二分量(τ_OL)。

13.根据权利要求12所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统(100)，其特征在于所述闭环控制器(112)和所述前馈控制器(114)的动作通过适于修改其带宽的混合参数(μ)被混合。

14.根据权利要求10-13中的一项所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统(100)，其特征在于包括监视模块(130)，其适于在超过至少一个激活参数时管理所述控制模块(110)的激活，所述至少一个激活参数包括最小滑移值(λ_min)和代表来自用户的扭矩请求的所述参数(θ)的最小变化速度值。

15.根据权利要求10-14中的一项所述的用于控制两轮车辆(120)中的牵引力的系统(100)，其特征在于包括用户界面(140)，该用户界面(140)包括用于设定所述控制模块(110)的管理参数的多个选择器。

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