CN109962531B - 一种激光雷达无线供电控制方法和激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种激光雷达无线供电控制方法和激光雷达装置，该方法对电路结构中的电容或者电感的调节，使得固有频率和工作频率相差较大，提高了供电系统工作的稳定性。另一方面，该方法固定模块和旋转模块通过初级线圈和次级线圈传输电能，并通过第一通信线圈收发单元和第二通信线圈收发单元实现工作电压的反馈，通过反馈的工作电压实现旋转激光雷达工作过程中电压的实时调节，以满足三种不同工况下的用电要求。该无线供电系统有效解决了在激光雷达供电系统实际应用中存在的大负载变化响应差、旋转引起的谐振频率波动、功率传递效率低等问题，增强了激光雷达无线供电系统安全性、可靠性、易用性。

Description

一种激光雷达无线供电控制方法和激光雷达装置

技术领域

本发明实施例涉及无线供电技术领域，尤其是涉及一种激光雷达无线供电控制方法和激光雷达装置。

背景技术

无线供电是指通过非物理接触的电能传输方式，是一种由美国麻省理工学院的科学家开发的供电技术，原理是使用非辐射性的无线能量传输方式来驱动电器。旋转激光雷达主要用于旋转测距，全角度360度旋转激光雷达由于激光发光器件等用电器位于设备旋转部分，设备固定部分必须通过无连接线方式给旋转部分供电。然而，现有的旋转激光雷达供电特点对初级线圈谐振、次级线圈耦合的无线供电方式提出了更高的要求。无线供电系统性能优劣直接关系到激光雷达测距系统的正常工作和测距性能。

在实现本发明实施例的过程中，发明人发现现有的激光雷达供电系统的大负载变化响应差、旋转引起的谐振频率波动、功率传递效率低，导致激光雷达无线供电系统安全性低、可靠性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何解决现有的激光雷达供电系统的大负载变化响应差、旋转引起的谐振频率波动、功率传递效率低，导致激光雷达无线供电系统安全性低、可靠性差的问题。

针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种激光雷达无线供电控制方法，包括：

对所述固定模块的电路结构中的电容或电感进行调节，以调节所述无线供电系统的固有频率，使得所述固有频率和所述无线供电系统的工作频率之间的差值大于预设频率差值；

在所述无线供电系统的固定模块向旋转模块供电过程中，所述固定模块和所述旋转模块依次通过与启动供电工况、激光检测单元加载工况和正常工作工况对应的工作模式为所述旋转激光雷达供电。

可选地，与所述启动供电工况对应的工作模式包括：

与所述启动供电工况对应的工作模式包括：

S11：在启动所述旋转激光雷达时，所述固定模块的第一控制器向供电线圈驱动单元输入初始工作频率，使得供电线圈驱动单元将输入的直流电逆变为交流电，使耦合供电线圈的初级线圈获得电能，通过耦合方式传递给耦合供电线圈的次级线圈，通过次级线圈传递给供电接收单元，使所述旋转模块获得电能；

S12：所述第一控制器通过第一检测反馈单元获得耦合供电线圈的初级线圈的电流，第一控制器在监测耦合供电线圈的初级线圈电流的同时调高工作频率，使旋转模块的供电电压不断提高；

S13：旋转模块电压提高至第二控制器正常工作电压后，第二控制器通过耦合通信线圈发送给固定单元的第一控制器完成启动的信息；

S14：第一控制器获取到完成启动的信息后保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成启动供电；

S15、所述旋转激光雷达进入与所述激光检测单元加载工况对应的工作模式。

可选地，与所述激光检测单元加载工况对应的工作模式包括：

S21：第二控制器控制激光检测单元开始工作，并通过耦合通信线圈发送给第一控制器开启检测的信息；

S22：第一控制器接收到开启检测的信息后，提升供电线圈驱动单元工作频率以适应激光检测单元加载工作；

S23：若第二控制器检测到激光检测单元正常工作，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器所述激光检测单元正常工作的信息，执行S24；若第二控制器检测到所述激光检测单元未正常工作，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器激光检测单元未正常工作的信息，执行S22；

S24：第一控制器接收到正常工作信息后，保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成激光检测单元加载；第二控制器记录旋转模块初始电压；

S25：所述旋转激光雷达进入所述正常工作工况对应的工作模式。

可选地，与所述正常工作工况对应的工作模式包括：

S31：第二控制器通过第二检测反馈单元检测并记录旋转模块电压，并把旋转模块实时电压和旋转模块初始电压通过耦合通信线圈发送给第一控制器；

S32：第一控制器根据接收到的旋转模块实时电压和旋转模块初始电压，调整线圈驱动单元的工作频率；

S33：重复S31、S32完成正常工作工况对应的工作模式下的反馈控制。

可选地，所述对所述固定模块的电路结构中的电容或电感进行调节，以调节所述无线供电系统的固有频率，使得所述固有频率和所述无线供电系统的工作频率之间的差值大于预设频率差值，包括：

获取预先设定的所述工作频率，保持所述工作频率不变，调整所述耦合供电线圈的电感或者调整所述供电线圈驱动单元的电容，得到所述固有频率；所述固有频率和所述工作频率的差值大于所述预设频率差值；

其中，所述固有频率ω满足

其中，L为耦合供电线圈的初级线圈的电感值、C为谐振电容的容值。

第二方面，本实施例提供了适用于上述的方法的激光雷达装置，包括固定模块、旋转模块、耦合供电线圈和耦合通信线圈；

所述固定模块，具有电机驱动单元、第一控制器、第一检测反馈单元、供电线圈驱动单元、第一通信线圈收发单元，用于对旋转模块的结构支撑、旋转控制以及供电、通信；

旋转模块，具有供电接收单元、第二控制器、第二检测反馈单元、激光检测单元、第二通信线圈收发单元，用于完成激光检测、无线供电接收控制、与固定模块通信；

耦合供电线圈，具有第一初级线圈和第一次级线圈，第一初级线圈与固定模块连接，第一次级线圈与旋转模块连接，为旋转模块提供电能；

耦合通信线圈，具有第二初级线圈和第二次级线圈，第二初级线圈与固定模块连接，第二次级线圈与旋转模块连接，实现固定模块与通信模块相互通信。

本实施例提供了一种激光雷达无线供电控制方法和激光雷达装置，该方法对电路结构中的电容或者电感的调节，使得固有频率和工作频率相差较大，提高了供电系统工作的稳定性。另一方面，该方法固定模块和旋转模块通过初级线圈和次级线圈传输电能，并通过第一通信线圈收发单元和第二通信线圈收发单元实现工作电压的反馈，通过反馈的工作电压实现旋转激光雷达工作过程中电压的实时调节，以满足三种不同工况下的用电要求。该无线供电系统有效解决了在旋转激光雷达供电系统实际应用中存在的大负载变化响应差、旋转引起的谐振频率波动、功率传递效率低等问题，增强了旋转激光雷达无线供电系统安全性、可靠性、易用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的旋转激光雷达的无线供电系统的反馈控制方法的流程示意图；

图2是本发明另一个实施例提供的基于无线供电系统实现的控制功能示意图；

图3是本发明另一个实施例提供的基于旋转激光雷达的无线供电系统在启动供电工况下控制的流程示意图；

图4是本发明另一个实施例提供的基于旋转激光雷达的无线供电系统在激光检测单元加载工况控制的流程示意图；

图5是本发明另一个实施例提供的基于旋转激光雷达的无线供电系统在正常工作工况下控制的流程示意图；

图6是本发明另一个实施例提供的旋转激光雷达的无线供电系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本实施例提供的激光雷达无线供电控制方法的流程示意图，参见图1，改方法包括：

101：对所述固定模块的电路结构中的电容或电感进行调节，以调节所述无线供电系统的固有频率，使得所述固有频率和所述无线供电系统的工作频率之间的差值大于预设频率差值；

102：在所述无线供电系统的固定模块向旋转模块供电过程中，所述固定模块和所述旋转模块依次通过与启动供电工况、激光检测单元加载工况和正常工作工况对应的工作模式为所述旋转激光雷达供电。

如图2所示，本实施例提供的无线供电系统一方面采用分工况反馈控制方法，另一方面采用远离谐振控制方法。分工况反馈控制方法中的工况主要为启动供电工况、激光检测单元加载工况和正常工作工况三个工况下的电流和电压反馈。输入电压输入固定模块，通过远离谐振控制方法使得工作频率和固有频率相差较远。通过分工况反馈控制方法结合旋转模块的工作电压，进行反馈调节。此外，本实施例提供的无线供电系统还用于实现前级发射功率闭环调节、后级可变负载闭环调节。

需要说明的是，本实施例提供的方法用于在旋转激光雷达工作过程中，进行供电控制。工作频率为预先设定的频率，通常由第一控制器根据工作频率控制供电线圈驱动单元工作。

预设频率差值为一较大值。本实施例中降低固有频率，使得固有频率和工作频率之间差值较大，提高整个电路工作的稳定性。具体来说，由于旋转激光雷达旋转造成初次级线圈相对位置变化引起了线圈感值变化从而导致了系统固有谐振频率偏移，如果系统工作在固有谐振频率附近，此时系统输出电压、功率受到的影响最大，这增加了系统的控制难度和稳定性。因此，本实例在应用过程中为降低这一影响采用这种远离谐振的控制方法。

本实施例提供了一种用于旋转激光雷达的无线供电反馈控制方法，该方法对电路结构中的电容或者电感的调节，使得固有频率和工作频率相差较大，提高了供电系统工作的稳定性。另一方面，该方法固定模块和旋转模块通过初级线圈和次级线圈传输电能，并通过第一通信线圈收发单元和第二通信线圈收发单元实现工作电压的反馈，通过反馈的工作电压实现旋转激光雷达工作过程中电压的实时调节，以满足三种不同工况下的用电要求。该无线供电系统有效解决了在旋转激光雷达供电系统实际应用中存在的大负载变化响应差、旋转引起的谐振频率波动、功率传递效率低等问题，增强了旋转激光雷达无线供电系统安全性、可靠性、易用性。

进一步地，在上述实施例的基础上，图3示出了与所述启动供电工况对应的工作模式包括：

S11：在启动所述旋转激光雷达时，所述固定模块的第一控制器向供电线圈驱动单元输入初始工作频率，使得供电线圈驱动单元将输入的直流电逆变为交流电，使耦合供电线圈的初级线圈获得电能，通过耦合方式传递给耦合供电线圈的次级线圈，通过次级线圈传递给供电接收单元，使所述旋转模块获得电能；

S12：所述第一控制器通过第一检测反馈单元获得耦合供电线圈的初级线圈的电流，第一控制器在监测耦合供电线圈的初级线圈电流的同时调高工作频率，使旋转模块的供电电压不断提高；

S13：旋转模块电压提高至第二控制器正常工作电压后，第二控制器通过耦合通信线圈发送给固定单元的第一控制器完成启动的信息；

S14：第一控制器获取到完成启动的信息后保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成启动供电；

S15、所述旋转激光雷达进入与所述激光检测单元加载工况对应的工作模式。

更进一步地，在上述实施例的基础上，图4示出了与所述激光检测单元加载工况对应的工作模式包括：

S21：第二控制器控制激光检测单元开始工作，并通过耦合通信线圈发送给第一控制器开启检测的信息；

S22：第一控制器接收到开启检测的信息后，提升供电线圈驱动单元工作频率以适应激光检测单元加载工作；

S23：若第二控制器检测到激光检测单元正常工作，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器所述激光检测单元正常工作的信息，执行S24；若第二控制器检测到所述激光检测单元未正常工作，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器激光检测单元未正常工作的信息，执行S22；

S24：第一控制器接收到正常工作信息后，保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成激光检测单元加载；第二控制器记录旋转模块初始电压；

S25：所述旋转激光雷达进入所述正常工作工况对应的工作模式。

更进一步地，在上述实施例的基础上，图5示出了与所述正常工作工况对应的工作模式包括：

S31：第二控制器通过第二检测反馈单元检测并记录旋转模块电压，并把旋转模块实时电压和旋转模块初始电压通过耦合通信线圈发送给第一控制器；

S32：第一控制器根据接收到的旋转模块实时电压和旋转模块初始电压，调整线圈驱动单元的工作频率；

S33：重复S31、S32完成正常工作工况对应的工作模式下的反馈控制。

更进一步地，在上述实施例的基础上，所述对所述固定模块的电路结构中的电容或电感进行调节，以调节所述无线供电系统的固有频率，使得所述固有频率和所述无线供电系统的工作频率之间的差值大于预设频率差值，包括：

获取预先设定的所述工作频率，保持所述工作频率不变，调整所述耦合供电线圈的电感或者调整所述供电线圈驱动单元的电容，得到所述固有频率；所述固有频率和所述工作频率的差值大于所述预设频率差值；

其中，所述固有频率ω满足

其中，L为耦合供电线圈的初级线圈的电感值、C为谐振电容的容值。

使谐振逆变电路工作频率远离LC谐振固有频率，以使系统对由于旋转造成的谐振状态变化不敏感，使系统易用性和稳定性增强，同时，提高电源系统的传递效率。

本实施例提供了一种无线供电系统的反馈控制方法中的远离谐振的方法。在无线供电技术中，谐振式逆变器的固有谐振频率与电路中的电容和电感相关，其三者满足下面公式：

由于旋转激光雷达旋转造成初次级线圈相对位置变化引起了线圈感值变化从而导致了系统固有谐振频率偏移，如果系统工作在固有谐振频率附近，此时系统输出电压、功率受到的影响最大，这增加了系统的控制难度和稳定性，本实例在应用过程中为降低这一影响采用远离谐振的方法。

本发明实施例设计过程中采用配置L、C值降低系统固有频率的方式实现远离，在应用过程中谐振状态的无线供电系统传递效率满足下面公式：

式中，μ₀为空间磁导率；N₁、N₂分别为初级线圈、次级线圈绕组匝数；r₁、r₂分别为初级线圈、次级线圈的半径；d为初级线圈和次级线圈绕组间的距离；R₁、R₂分别为初级线圈、次级线圈绕组电阻值；R_L为负载电阻值；ω为系统固有谐振频率。

在本实例中，由于线圈、铁氧体材料、负载、结构限制等因素造成了除系统固有谐振频率ω之外参数的确定性，在应用中降低系统固有频率使系统工作在远离谐振状态，系统的效率η在范围内可提升10％以上。

图6是本实施例提供的适用于上述方法的激光雷达装置，参见图6，包括固定模块、旋转模块、耦合供电线圈06和耦合通信线圈07；

所述固定模块，具有电机驱动单元03、第一控制器04、第一检测反馈单元02、供电线圈驱动单元01、第一通信线圈收发单元05，用于对旋转模块的结构支撑、旋转控制以及供电、通信；

旋转模块，具有供电接收单元08、第二控制器09、第二检测反馈单元11、激光检测单元12、第二通信线圈收发单元10，用于完成激光检测、无线供电接收控制、与固定模块通信；

耦合供电线圈06，具有第一初级线圈061和第一次级线圈062，第一初级线圈061与固定模块连接，第一次级线圈062与旋转模块连接，为旋转模块提供电能；

耦合通信线圈07，具有第二初级线圈071和第二次级线圈072，第二初级线圈071与固定模块连接，第二次级线圈072与旋转模块连接，实现固定模块与通信模块相互通信。

更进一步地，在上述实施例的基础上，所述固定模块中，所述供电线圈驱动单元01连接所述耦合供电线圈06的第一初级线圈061，所述第一控制器04连接所述第一通信线圈收发单元05和所述供电线圈驱动单元01；所述第一检测反馈单元02连接所述第一控制器04和所述供电线圈驱动单元01，所述第一通信线圈收发单元05连接耦合通信线圈07的第二初级线圈071；所述电机驱动单元03连接所述第一控制器04；

所述旋转模块中，所述第一次级线圈062连接所述供电接收单元08，所述供电接收单元08连接所述第二控制器09，所述第二控制器09的连接激光检测单元12，为所述旋转模块的激光检测单元13供电；

进一步地，所述第二检测反馈单元11连接所述第二控制器09和所述供电接收单元08，所述第二通信线圈收发单元10连接所述第二控制器09和所述第二次级线圈072。

本实施例提供的用于旋转激光雷达的无线供电系统和反馈控制方法中，旋转激光雷达无线供电系统的性能满足以下五点：1.无线供电系统接收端电压幅值、输出功率满足用电器需求；2.系统对于动态负载应具有良好的响应能力，且在负载变动时满足1；3.系统抗旋转扰动能力强，旋转和静止状态系统输出电压、功率无明显波动；4.无线供电系统具有良好的功率传递效率；5.无线供电系统电源噪声较小，满足用电端需求。

本实施例提供的无线供电方法中，包含了前后级反馈的控制方法和远离LC谐振的逆变方法；前后级反馈包括分工况的电流和电压反馈以及前级发射功率闭环调节、后级可变负载闭环调节；所述远离LC谐振的逆变方法使系统对由于旋转造成的谐振状态变化不敏感；所述旋转激光雷达的无线供电系统包括固定模块、旋转模块。无线供电系统性能优劣直接关系到旋转激光雷达测距系统的正常工作和测距性能，本发明可以有效解决在旋转激光雷达供电系统实际应用中存在的大负载变化响应差、旋转引起的谐振频率波动、功率传递效率低等问题，增强了旋转激光雷达无线供电系统安全性、可靠性、易用性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种激光雷达无线供电控制方法，其特征在于，包括：

对固定模块的电路结构中的电容或电感进行调节，以调节旋转激光雷达的无线供电系统的固有频率，使得所述固有频率和所述无线供电系统的工作频率之间的差值大于预设频率差值；

在所述无线供电系统的固定模块向旋转模块供电过程中，所述固定模块和所述旋转模块依次通过与启动供电工况、激光检测单元加载工况和正常工作工况对应的工作模式为所述旋转激光雷达供电；

其中，所述启动供电工况对应的工作模式为，第一控制器通过第一检测反馈单元获得耦合供电线圈的初级线圈的电流，第一控制器在监测耦合供电线圈的初级线圈电流的同时调高工作频率，使旋转模块的供电电压不断提高；旋转模块电压提高至第二控制器正常工作电压后，第二控制器通过耦合通信线圈发送给固定单元的第一控制器完成启动的信息；第一控制器获取到完成启动的信息后保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成启动供电；

所述激光检测单元加载工况对应的工作模式为，第二控制器控制激光检测单元开始工作，并通过耦合通信线圈发送给第一控制器开启检测的信息；第一控制器接收到开启检测的信息后，提升供电线圈驱动单元工作频率以适应激光检测单元加载工作；第二控制器检测到激光检测单元正常工作后，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器所述激光检测单元正常工作的信息，第一控制器接收到正常工作信息后，保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成激光检测单元加载；第二控制器记录旋转模块初始电压；旋转激光雷达进入所述正常工作工况对应的工作模式；

所述正常工作工况对应的工作模式为，第二控制器把旋转模块实时电压和旋转模块初始电压通过耦合通信线圈发送给第一控制器，第一控制器根据接收到的旋转模块实时电压和旋转模块初始电压，调整线圈驱动单元的工作频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述启动供电工况对应的工作模式包括：

S11：在启动所述旋转激光雷达时，所述固定模块的第一控制器向供电线圈驱动单元输入初始工作频率，使得供电线圈驱动单元将输入的直流电逆变为交流电，使耦合供电线圈的初级线圈获得电能，通过耦合方式传递给耦合供电线圈的次级线圈，通过次级线圈传递给供电接收单元，使所述旋转模块获得电能；

S12：所述第一控制器通过第一检测反馈单元获得耦合供电线圈的初级线圈的电流，第一控制器在监测耦合供电线圈的初级线圈电流的同时调高工作频率，使旋转模块的供电电压不断提高；

S13：旋转模块电压提高至第二控制器正常工作电压后，第二控制器通过耦合通信线圈发送给固定单元的第一控制器完成启动的信息；

S14：第一控制器获取到完成启动的信息后保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成启动供电；

S15：所述旋转激光雷达进入与所述激光检测单元加载工况对应的工作模式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，与所述激光检测单元加载工况对应的工作模式包括：

S21：第二控制器控制激光检测单元开始工作，并通过耦合通信线圈发送给第一控制器开启检测的信息；

S22：第一控制器接收到开启检测的信息后，提升供电线圈驱动单元工作频率以适应激光检测单元加载工作；

S23：若第二控制器检测到激光检测单元正常工作，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器所述激光检测单元正常工作的信息，执行S24；若第二控制器检测到所述激光检测单元未正常工作，则通过耦合通信线圈发送给第一控制器激光检测单元未正常工作的信息，执行S22；

S24：第一控制器接收到正常工作信息后，保持给供电线圈驱动单元的工作频率完成激光检测单元加载；第二控制器记录旋转模块初始电压；

S25：所述旋转激光雷达进入所述正常工作工况对应的工作模式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，与所述正常工作工况对应的工作模式包括：

S31：第二控制器通过第二检测反馈单元检测并记录旋转模块电压，并把旋转模块实时电压和旋转模块初始电压通过耦合通信线圈发送给第一控制器；

S32：第一控制器根据接收到的旋转模块实时电压和旋转模块初始电压，调整线圈驱动单元的工作频率；

S33：重复S31、S32完成正常工作工况对应的工作模式下的反馈控制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述固定模块的电路结构中的电容或电感进行调节，以调节所述无线供电系统的固有频率，使得所述固有频率和所述无线供电系统的工作频率之间的差值大于预设频率差值，包括：

获取预先设定的所述工作频率，保持所述工作频率不变，调整所述耦合供电线圈的电感或者调整所述供电线圈驱动单元的电容，得到所述固有频率；所述固有频率和所述工作频率的差值大于所述预设频率差值；

其中，所述固有频率ω满足

其中，L为耦合供电线圈的初级线圈的电感值、C为谐振电容的容值。

6.一种适用于权利要求1-5任一项所述的方法的激光雷达装置，其特征在于，包括固定模块、旋转模块、耦合供电线圈和耦合通信线圈；

所述固定模块，具有电机驱动单元、第一控制器、第一检测反馈单元、供电线圈驱动单元、第一通信线圈收发单元，用于对旋转模块的结构支撑、旋转控制以及供电、通信；

旋转模块，具有供电接收单元、第二控制器、第二检测反馈单元、激光检测单元、第二通信线圈收发单元，用于完成激光检测、无线供电接收控制、与固定模块通信；

耦合供电线圈，具有第一初级线圈和第一次级线圈，第一初级线圈与固定模块连接，第一次级线圈与旋转模块连接，为旋转模块提供电能；

耦合通信线圈，具有第二初级线圈和第二次级线圈，第二初级线圈与固定模块连接，第二次级线圈与旋转模块连接，实现固定模块与通信模块相互通信。

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