CN102160099A - 用于汽车安全的传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车系统和方法，它能实时地测量一个目标汽车及其周围物体之间的间隔距离和相对速度。本发明公开的一种系统包括若干个用于检测的传感器，确定位置，测量那些在目标汽车周围的物体的距离和相对速度，并在即将碰撞时向驾驶者发出警告，并根据不同操作提供路径。

Description

用于汽车安全的传感器系统

技术领域

本发明大致涉及在汽车运输构件中使用的安全系统。本发明尤其涉及汽车系统和装置，它们在各种驾驶情况和操作中以辅助机动陆路车辆的驾驶者。本发明所述的系统利用若干个传感器，它们相互协调地运行以确定汽车周围物体的相对位置，并在即将碰撞时警告驾驶者。

背景技术

防撞系统和自适应巡航控制系统在在一些技术文献中可以找到。已经提出了各种不同类型的用于道路行驶的汽车的碰撞预警系统，以提醒驾驶员潜在的碰撞。

美国专利5529138描述了一种碰撞预警和避免系统，其采用激光雷达来测量汽车到物体的距离和相对速度来精确算出碰撞时间。美国专利5646612描述了一种碰撞预警和避免系统，其采用了激光雷达和红外摄像机。然而，激光雷达系统是一种通常价格昂贵，限于狭隘的视线区和横向分辨率比较差的复杂系统。

现有的技术提供了大量的设备和定位，跟踪和监测物体彼此相对运动的方法。这些设备包括从亚原子粒子的相对运动轨迹的测定到全球定位卫星之间的交通防撞系统的绘制，如美国专利6690296，美国专利6690295，美国专利6636752，美国专利6525674和美国专利6356855，美国专利6230107，美国专利5453740和美国专利6747592所描述的利用多普勒效应来测量移动物体速度。然而，在现有技术中还没有找到或预料到用单个系统来处理如车道变化，停车协助等多个驾驶事件的技术。发明描述技术问题

检测手段的成本，复杂性是汽车碰撞预警系统轻松利用的障碍。对于一个要求准确，快速的碰撞预警系统，它必须有一个不仅能对附近物体进行定位，而且还能实时没有明显延时地监测物体运动的跟踪装置。

公路上的汽车碰撞预警系统通常采用典型的远距离传感器。这些都限于在汽车非常接近时的狭隘视线区，并且不能准确并迅速的识别周围汽车的方向变化，如有可能会突然切入同一车道。因此，这些系统在及时发现和即将碰撞发出警告方面不足。同样，在利用多个相同类型传感器的系统中，具有传感器接收到邻近传感器所发射的射向物体被反射的信号的可能，从而干扰测距系统。在现有技术中所提及的方法和设备没有彻底完全的解决汽车行驶的道路安全问题，或没有更进一步建议这里所披露的新型传感器系统和相关的逻辑。

发明概述

本发明所述的一种用于碰撞预警系统的系统和方法其中包括若干个传感器。本发明有利地使用了现有技术中的电子传感器，如超声波，红外和激光传感器。本发明还公开了适于安全距离的构件，它们根据移动物体的相对速度而固定在移动物体之间。本发明是具有专利性的，因为它公开了完全逻辑性地根据汽车速度和操作来选择并驱动传感器的发射及发射频率。

本发明提供了新的方案来解决现有技术中的问题。其中之一是一种传感器类型的组合，它们共同地发出短波和长波，从而克服了现有技术的系统中存在的缺乏短波的缺点。此外在汽车中使用若干个传感器及它们的操作位置可以消除汽车周围信号的“盲点”。

本发明的优点是选择一组传感器类型来代替单信号类型的传感器。这最小限度减少了对某一类型传感器的依靠和由环境改变对单传感器功能的干扰。同样，相邻传感器间的干扰降到最低。根据本发明的优选实施例，该传感器系统还在协调方面起作用。本发明还提供依靠与动作汽车相对速度有关的工作动作的传感器特定组合来逻辑性选择、发射和重新发射频率。因为选择了一组传感器类型，场所的深度和视线场都处在最佳平衡。

附图说明

这里本发明的非限制性例子中所述的关于随后落段中所列的附图数字无任何限制。在图中所示的组件尺寸和特征是为了方便和清晰呈现而选择的，并没有按一定比例显示。

图1所示的是在目标汽车上的传感器系统的解决方法，作为本发明执行的最佳模式的概括。图2.a所示的是测距传感器的工作示意图。

图2.b和2.c所示的是，目标汽车和相邻汽车间的相对距离的计算示意图。

图3.a所示的是目标汽车在驾驶员可控的没有碰撞危险的周围的静态安全区的示意图。

图3.b所示的是目标汽车在驾驶员可控的没有碰撞危险的周围的动态安全区的示意图。

图4.a和4.b所示的是改变转向角后的运动半径计算示意图。

图5所示的是当汽车转弯时作用力示意图。

图6所示的是驾驶员通过传感器系统的辅助来改变车道的示意图。

图7所示的是具有距离测距传感器的每个传感器周围安全区为中心安全区的概念图。

图8.a，8.b，8.c和8.d所示的是动作改变车道和逻辑性保持汽车改变车道的最小安全距离的限制性条件。

图9所示的是驾驶员和传感器系统间的图形用户界面。

图10所示的是通过本发明的传感器系统来激活开门辅助功能。

具体实施方式

这里本发明各种实施例详细说明了所述的碰撞预警系统。本领域的普通技术人员会认识到下面的内容仅用于说明本发明，而不是用于限制本发明的保护范围。本领域的普通技术人员可以根据本发明的内容提出其他的实施例。下面将结合附图详细说明本发的实施例。在附图和下面的说明中相同的序号代表相同或类似的部件。

图1所示的是在被相邻汽车113，114，115和116环绕的目标汽车100上布置的测距传感器101，102，103，104，105，106，107，108，109，110，111，112。在本发明的优选实施例中，在汽车前面的传感器101，112和后面的传感器106，107是实时激活的，而传感器102，103，104，105，108，109，110和111是选择性激活，激活驱动是通过汽车随之而来动作如转动方向盘，开启转弯指示灯等来驱动的。

图2.a所示的是测距传感器200的工作示意图。该传感器200由发射和接收两部分组成，即距测信号202发射到目标201上并随后反射，反射信号203被传感器接收。传感器与目标之间的距离计算是

D＝(S)(T)(0.5)…………………………………………………(1)

其中D为传感器200与目标201之间的距离；S是所知的测距信号在媒介中的速度，其中本发明的优选实施例是空气；和T是发射测距信号和接收到从目标上反射回来信号之间的时间。测距信号是从传感器200出发到目标201再回到传感器200，即在传感器和目标之间来往两次。因此，乘0.5系数是用来弥补了这一现象的。相邻汽车相对速度的计算如图2.b。

图2.b和2.c所示的是相对于目标汽车100的相邻汽车114的相对位置，利用公式(1)，相邻汽车114的相对速度计算如：

dV＝(d2-d1)/dT……………………………………………………(2)

其中，dV是dT时间后该汽车的相对速度的变化，d1是通过公式(1)计算得到的目标汽车100和相邻汽车114之间的距离，d2是dT时间后目标汽车和相邻汽车之间的距离。115和116是从汽车110发出帮助测量汽车114距离的测距信号。

相邻汽车的绝对瞬时速度(W)计算如：

W＝V+dV…………………………………………………………(3)

其中，V是汽车的初始速度和dV是dT时间后速度的变化。

因此，测距传感器以间隔相等的dT时间来发射，其中，dT依汽车在路上的最大实际速度来确定，就有可能估算出目标汽车到相邻汽车的速度和距离。目标汽车的速度越大，测距传感器的发射频率就越高。相同的逻辑适用于计算其他相邻汽车的速度和距离。

有了对应的相对位置，相对速度和从目标汽车到相邻汽车的距离，传感器系统功能就是当任何物体进入目标汽车安全距离内时来提醒驾驶员即将发生，其相应的计算如：

SD＝OSD+SF……………………………………………………(4)

其中，SD是汽车周围保持的安全距离，OSD是汽车完全停止的刹车距离，SF是依汽车和驾驶员而定安全系数。对于不同的汽车其刹车距离是不同的，主要取决于汽车的惯性、道路的附着力，刹车状况和驾驶员在危险情况下的反应时间。在危险情况下，驾驶员的反应时间是非常重要的，驾驶员决定刹车以使汽车停下来。在此反应所需的时间，汽车向前推进，从而完全停止的刹车距离按比例增大了。汽车的刹车距离计算如：

s＝(v²-u²)/2a………………………………………………(5.0)

S是目标汽车的刹车距离，V是目标汽车的最终速度，u是目标汽车的初始速度，a是汽车从初始速度停止下来的经验减速系数。

因此，在刹车条件下，

因为汽车停止下来时V＝0，则可以得到，

s＝u²/2a……………………………………………………(5.1)

因此，从驾驶员反应期间和汽车完全停止的安全距离可以依据汽车反应时间内的经验距离和汽车在使用刹车并完全停止间的经验距离来简单算术加法得到。在大量的阅读材料基础上，这些参数的归纳是可能的，因此，对于特定的汽车和驾驶条件的安全距离值是可获得的。所以，就可以把汽车四周的外围安全距离画出来，如图3.a所示。

图3.a所示的是目标汽车在驾驶员可控的没有碰撞危险的周围的概念安全区。假设汽车100是长为b和宽为a的矩形，则斜边长度“d”的计算如：

d＝(a²+b²)^1/2……………………………………………………(6)

如果在驾驶中目标汽车四周的安全距离“SD”是确定的，那么目标汽车的安全区301就是宽度为(a+SD)和长度为(b+SD)的矩形。然而，这种安全区描述相对于目标汽车转向时是静态的。汽车转弯时的动态安全区详见图3.b中所示。

图3.b所示的是依照汽车100的不同动作的动态安全区301。当汽车100以一特定的角度θ转弯时，那么安全区301也以同一角θ旋转。根据这个逻辑，安全区301由此内接在圆形区302内，汽车100的任何端到圆形安全区302界线的距离均等于安全距离SD。所划定的“安全”圆形区302的直径计算如：

D＝d+2(SD)……………………………………………………(7)

其中，D是所划定安全圆形区302的直径，d是长方形汽车100的斜边长度。圆形的中心与矩形的中心是一样。“安全圆形”的半径为“R”的计算如：

R＝D/2＝d/2+SD…………………………………………………(8)

其中，R是安全圆形的半径，D是安全圆形302的直径，d为长方形汽车的斜边长度，SD是目标汽车四周保持的安全距离。

当汽车转弯时，所有的点作曲线运动，就有进入与相邻汽车碰撞距离内的危险。因此，计算汽车在特定的动作下的路径就非常重要。这一示意过程详见图4所示。

图4.a和4.b所示的是汽车以特定转弯角度的转弯效果的运动半径示意图。图4.a所示的是汽车100的占用空间，其具有平行于表示汽车100纵轴线的线401的车轮400，402，403和404。更进一步的所示如图4.b，当汽车100转弯时，前轮改变其与轴线401的方向并使他们重新与新的轴线407平行，因此在轴线401和407间产生角度406，即角度θ。如果画一根垂直于中线轴线401并过轴线401横切前轮轴线的点的虚线408，并与后轮轴线交于点409。转弯角度θ的汽车转弯半径可通过以点409为圆的中心和以等于这个圆心到前轮轴线与中心轴线401相交叉点的距离为半径的圆来估算。对于任何给定车，前轮与后轮轴线的距离“da”是常数。因此，给定的转弯角度θ的转弯半径计算如：

r＝d/Sin(θ)……………………………………………………(9)

众所周知，根据物理学原理，当任何质量为“m”的物体以半径为V进行转弯时，会有一个作用于物体的离心力。依据公式9，我们可以估算出汽车由于前轮角度的特定变化所采取的轨迹。为了确定当前轮以角度θ转弯时汽车100所采取的驾驶路径的轨迹，我们测定汽车100可达到的最大速度时的实际运动曲线路径。计算过程详见图5所述。

图5所示的是当汽车100转弯501时的作用力示意图。依据物理学原理，避免汽车100打滑，静态摩擦力应小于极限摩擦力。

fs＜＝Fs……………………………………………………(10)

fs＜＝μN……………………………………………………(11)

其中，fs是静摩擦力，Fs是汽车100的极限摩擦力。此外，由于没有在垂直方向上的运动，通常反作用力“N”就等于汽车的重量“Wt”，其更进合理的是等于汽车100产品和重力系数的重量。代入公式9中，可得

Fs＜＝μmg……………………………………………………(12)

在极限条件下，汽车即将打滑了，最大静摩擦力等于作用在做圆形运动物体上的向心力。因此，

向心力＝mv²/r……………………………………………………(13)

把公式13代入12中并是在消除不平等极限条件下，可得到

mv²/r＝μmg……………………………………………………(14)

因此，

v＝(μrg)^1/2……………………………………………………(15)

其中，μ为静摩擦系数，R为曲线半径，g为重力加速度。因此，极限速度与汽车质量无关。

把公式9代入公式15中，可得到的，

v＝{μdg/sin(θ)}^1/2…………………………………………(16)，即

v正好与{sin(θ)}^1/2成比例……………………………………(17)

当μ，d和g是常数时。

根据如图6所述的通过实时传感器激活来准确的动态保持圆形安全区并对动作如车道改变时有用的逻辑，其中，目标汽车100具有两个汽车在它的周围，也就是在前面的汽车114和在左边的汽车113。在这样的情况下，驾驶员有意要改变车道并进入汽车113的车道，该动作需要采用曲线路径601来改变车道并避免与相邻汽车113碰撞。如图6所示，汽车113的前端606在汽车100的前端607的后面。因此，测距传感器110和111感觉不到有任何汽车在它们各自的视线区602和603内。然而，测距传感器108和109可感觉到汽车113，这是因为汽车100上它们相对位置使汽车113进入了它们的视线区604和605内。

如图6所示的示意图，动作变道涉及如路径601所示的各种各样的曲线。为了避免在这样的动作中打滑，汽车100的极限速度和侧向移动角度必须计算得到。这两个参数能过公式控制

v＝{μrg/sin(θ)}^m……………………………………………(18)

其中，V是极限速度，μ为静摩擦系数，R为曲线半径，g为重力加速度(9.8m/s²)。关键是要知道汽车将遵循路径，考虑到周围的汽车不能进入汽车100的圆形安全区。传感器101和112将会警告驾驶员从汽车100至汽车114的距离小于安全距离“SD”。当改变车道到汽车113的车道时，碰撞的第一预期点将是汽车113的部分即汽车113的前端606过于靠近汽车100。

图7进一步说明了汽车100在动作改变车道中传感器间功能的协助。改变车道辅助功能是司机在他非常想要改变车道时提供协助。当驾驶员非常想要改变车道时，它提醒驾驶员盲区内的任何汽车或任何相邻的汽车。如图7所示，为了改变车道进入左边，传感器108，109，110和111在这种动作激活条件下开始工作。当驾驶员想改变车道进入左边时，传感器112和101告警，但汽车前端的部分进入了汽车114的安装距离。传感器108，109，110和111提醒汽车驾驶员在盲点115空闲以太任何靠近汽车。凭借传感器108，109，110和111的独特定位，可以发现目标汽车盲点内的汽车。这些传感器没有收到强烈的反射，即意味着没有汽车在盲点内。然而，传感器109和110收到从汽车113的反射，即意味着在目标汽车的左边存在汽车。通过计算目标汽车与汽车113的速度和距离，可帮助驾驶员有意来改变车道。

图7所示的是本发明的另一个新特点，即每个传感器可以看作是半径等于两车之间必须保持的安全距离“SD”的虚构圆的中心，这路虚构的结果是可以对目标汽车转向其右边或左边时的局面更好的理解。

图8.a至8.c所示的是在包括汽车潜在的动作时可能采用的路径和由此目标汽车在盲点内的碰撞。据推测，“安全圆”的正常完整尺寸以坐标(0，0)为原点。传感器111可查看到的汽车端边如图8.a所示的。为了目标汽车的安全，端边平躺在圆C外是非常重要的。圆C的公式计算如：

x²+y²＝1……………………………………………………(19)

图8.a所示的是当超车动作时目标汽车路径。在这里，改变车道到左边只允许至少有一支传感器在开始边(侧面)没有查看到任何靠近的汽车。为了增加安全性，即使传感器110显示有一靠近汽车，而不能切确的知道汽车的端边是在传感器110和111之间，假设信号实际上是来自传感器111而不是来看传感器110。在这种情况下汽车采取的路径如图8所示。

图8.a所示的圆C中心在(0，0)和半径＝1。如图8.b，在极限情况下，端边的位置在是(-1，0)。为了确保目标汽车一直安全，就有必要确保距离“d”，如计算从圆中心(0，0)至左端边的距离应大于1，即d＞1。同样的，在极限情况下，目标汽车(在本情况下，圆C)应该移动到前边和旁边(左边)，在这种方式下，这“端边”点从(-1，0)至(-1，-1)横穿。

如图8.b所示，目标汽车的中心的轨迹是这样的，位于原点(0，0)的目标汽车的中心在改变车道前沿着轨道G移动，当改变车道时，端边的位置移动到目标汽车安全圆的底部。现在，目标汽车新的中心点是(-1，1)。轨道G的公式，目标汽车的路径可通过公式计算得到：

(x+l)²+y²＝1……………………………………………………(20)

这个圆的中心在(-1，0)和半径＝1。然而，这种方法的一个缺点就是驾驶员的视线。如图8.b所示，驾驶员看到他前面的路，用左视镜看到靠近的汽车。然而，在改变车道发生后，现在驾驶员看到道路的垂直方向。这可以通过改变轨迹来纠正，如图8.c所示。

如图8.c所示，公式20所示的轨迹充许第一个45°。在这时，驾驶员是以角度45°来看道路上的车道或人行横道。为了让驾驶员正常观看后面的条件，轨迹的中心从(-1，0)映射到轨迹67.5°的切点上。轨迹中心点的新位置如图8.c所示。在此之后，轨迹的镜像从45°位置起点获得。这就得到了极限条件下目标汽车的完整轨迹。所有的时间，当车道改变时，如在任何点，前面的，侧面的或后面的传感器可查看到在安全距离“SD”内的任何附近汽车，并产生警告。因此，没有情况可危及驾驶员的安全。

图8.d进一步说明了目标汽车100在超赶周围汽车113时安全距离“SD”的保持。从图8.a，8.b和8.c中所示图中显而易见，所说的超赶需要驾驶员随着两个曲线轨迹，在逆时针方向上行驶的周围汽车113的曲线801和顺时针方向上汽车100进入汽车113的车道的曲线802。当动作穿过曲线801和802时安全距离是保持的。“Y”是具有镜面805的目标汽车的中心0的镜像。“p”和“c”是半径分别等于到中心0和Y距离的圆的交叉点。显然，路径801和802将沿着圆803和804边缘。在从路径801和802的转变后，明显路径802是在汽车100的安全距离SD内。在这地方目标汽车有碰撞的危险。为了确保沿着曲线802时目标汽车和相邻汽车间的安全距离，心须提供一个补偿量“ab”。补偿量“ab”的计算通过下面的公式得到：

在三角形opY中

x＝oa+ab+bY…………………………………………………(21)

其中，X是O和Y之间的距离，a和b是连接点o和Y的直线与圆的801点和802的交叉点。

从几何原理可明显得知，线oY是菱形pocY的角poc的二等分线。因此计算得到，角poY是角poc其是45°的1/2，。因此，计算得到角poY是22.5°。因为三角形poY是等腰三角形，计算得到角pYo也是22.5°，因此，计算得到角opY是(180°-45°)＝135°。

采用正弦定律，

l/sin(22.5°)＝x/sin(135°)…………………………………(22)

因此，

x＝sin(135°)/sin(22.5°)＝cos(45°)/sin(22.5°)＝0.7071/0.38268＝1.847755………………………………………………(23)

得到oa＝bY；和oa+ab＝ab+bY＝1＝圆801或802的半径。

因此x＝1.84775＝1+bY……………………………………………(24)

因此bY＝oa＝0.84775……………………………………………(25)

因此ab＝1.84775-2(0.84775)＝0.15225………………………(26)

如图8.c所示，假设安全距离的值是1，得到“ab”的值＝0.15225是在说明之内。换而言之，1是“SD+0.15225”的正常值。

因此，本发明提供了一种由在目标汽车变道动作中保持安全距离的逻辑方面与现有技术不同的多个传感器组成的汽车安全系统。工业应用

本发明在工业上具有广泛应用，并对各种驾驶动作和事件具有适应性，它可用在各种形式下如变道辅助系统，碰撞预警系统，停车辅助系统，自适应巡航控制系统，平行泊车辅助系统和预警系统开门。也适用于不同的汽车，通过考虑因素包括目标汽车的尺寸，目标汽车的形状，可被查看到的周围汽车最小尺寸，所用传感器的距离和目标汽车的速度来最优化安置传感器来激活。

图9所示的是本发明提出的传感器系统的控制台的用户界面901，它包括一个用于描述位置、相对速度和目标汽车100与相邻汽车903，904，905和906距离的显示屏902。任何物体进入汽车极限安全范围内的情况下，通过在相邻面板908上的报警灯发光来发出警告。

图10所示的是通过本发明的传感器系统来激活开门辅助功能。在这样一个场景，当汽车100停在两辆汽车113和116之间。如果汽车100与汽车113和/或汽车110与汽车116之间的距离小于开门所需要的距离，报警信号就被激活。同样，在开门的路径上有障碍物也将发生报警。障碍物可以是外部的物体或其他一些如来自汽车的单独的木制或突然车体部分。在车门打开时这个功能可通过用来查看障碍物的传感器102，103，104，105，108，109，110和111激活。在这种情况下，安全区是在打开车门1000，1001，1002和1003时形成的独立安全区1004，1005，1006和1007。安全弧的圆半径是对应门长度的一部分。门的开锁可利用激活因素在传感器组102，103，104，105，108，109，110和111中选择性的来驱动。

Claims (10)

1.一种提醒驾驶员即将发生碰撞的一体化碰撞预警系统，其特征在于包括：

安装在汽车周围的多个传感器；

接收传感器所发出的信号的接收器；

多个使用来自传感器的信号并计算目标汽车的位置和速度周围的物体之间的间隔距离和相对速度的计算器；

多个确定物体是否在一个传感器的安全区内的逻辑器；

以及多个提醒目标汽车的驾驶员即将发生碰撞的报警器。

2.如权利要求1所述的一体化系统，其特征在于传感器是超声波传感器，红外传感器和激光传感器中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一体化系统，其特征在于接收，计算和逻辑器是设置在一个中心单元中，该单元包括：

用于处理从传感器接收的信号的处理器；

用于存贮逻辑数据的存储器；

用于计算目标汽车与附近物体间的相对速度和距离的执行代码。

4.如权利要求1所述的一体化系统，其特征在于报警器包括警告灯和警告声音中的至少一种。

5.一种提醒目标汽车即将与其周围的物体发生碰撞的报警方法，其特征在于包括以下步骤：

使用至少一个传感器来遥感目标汽车周围存在的物体是静止还是运动的；

测定目标汽车与其附近物体间的间隔距离；

测定目标汽车与其附近物体间的相对速度；

测定所述物体与目标汽车间在接近距离内速度的减小值，所述的距离接近了每个传感器周围的一个特定区域；

测定当汽车超车时的路径；

并在与邻近物体的间距小于每个传感器周围的安全区时向目标汽车的驾驶员发出即将发生碰撞的报警。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述的物体包括但不限于汽车，人或无生命的障碍物。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于测定物体和目标汽车的间隔距离包括以下步骤：使传感器发射信号；

接收从目标物体反射回来的信号，测量传感器发射和接收信号的时间间隔；

将测量出的时间乘以信号的速度；

将所需时间和信号速度相乘的结果减半。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于计算目标汽车相对于物体的速度包括以下步骤：连续的测量目标汽车与物体间的间隔距离；

用前一次测量的间隔距离减去后一次测量的间隔距离；

用连续测量的间隔距离的差值乘以这些连续测量之间间隔的时间。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于计算物体的瞬时速度包括将目标汽车的原始速度加上物体的相对速度。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于安全区是以单个传感器为中心的圆形区域，驾驶员在其内安全地控制汽车，没有发生碰撞的危险；计算每个传感器周围的安全区半径包括：测量汽车速度；向驾驶员提供刹车信号；测定从向驾驶员提供刹车信号到实际刹车动作驾驶员所需要的反应时间；测定汽车完全停止所需的距离；并将驾驶员的反应距离加上汽车停止所需的距离。

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