CN111273708A - 一种作业机械加速运动控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种作业机械加速运动控制装置和方法,该装置包括运动部件、驱动部件、功率放大元件、加速控制部件和操作机构,操作机构用于发出加速操控指令给加速控制部件;加速控制部件用于接收加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给功率放大元件;功率放大元件用于对加速控制部件发送过来的加速控制信号进行功率放大后,输出给驱动部件;驱动部件用于接收功率放大元件的输出信号,并根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。本发明通过对作业机械做加速运动过程进行控制,从而改善作业机械的运动平顺性;提高作业机械的作业质量、作业安全和作业效率。
Description
技术领域
本发明属于作业机械运动控制领域,尤其公开了一种作业机械加速运动控制装置和方法。
背景技术
作业机械包括工程机械、农业机械、矿山机械、建筑施工机械、港口机械、工厂加工和运输设备等,用途十分广泛。
作业机械是通过整机或部件的运动来完成作业的,其运动部件分为直线运动和旋转运动两类。目前作业机械的运动部件的主要驱动方式包括机械驱动、液压驱动、电气驱动等。三种驱动方式各有优势,其中,机械驱动具有较大的功率输出和力输出,液压驱动和电气驱动方式具有良好的可控性和控制柔性,因此,不同的驱动方式相互融合,取长补短。从功率量级看,整个动力传动系统可以划分为操作机构、控制部分、功率放大部分和运动部分。
作业机械的运动部件的运动平顺性是一种重要的作业性能,对作业机械的作业质量、作业安全、作业效率产生影响。作业机械的运动平顺性包括启动过程平顺性、制动过程平顺性和运动过程平顺性。由于驾驶员的操作经验不足、控制元件的输入输出特性、执行元件的变形等干扰因素,导致作业机械做加速运动时的平顺性不好,进而对作业机械的作业质量、作业安全、作业效率产生影响。
发明内容
本发明提供一种作业机械加速运动控制装置和方法,旨在解决现有作业机械做加速运动时的平顺性不好的技术问题。
根据本发明的一个方面,提供一种作业机械加速运动控制装置,包括运动部件、驱动部件、功率放大元件、加速控制部件和操作机构,
操作机构与加速控制部件相连接,用于发出加速操控指令给加速控制部件;
加速控制部件分别与操作机构和功率放大元件相连接,用于接收操作机构输送过来的加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给功率放大元件;
功率放大元件分别与加速控制部件和驱动部件相连接,用于对加速控制部件发送过来的加速控制信号进行功率放大后,输出给驱动部件;
驱动部件,分别与功率放大元件和运动部件相连接,用于接收功率放大元件的输出信号,并根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。
进一步地,加速控制部件包括控制器,控制器分别与操作机构、驱动部件、运动部件和功率放大元件相连接,
控制器包括接收模块、修正处理模块、计算模块和发送模块,
接收模块,用于接收操作机构发送过来的目标信号、以及驱动部件或运动部件上的传感器采集的运行信号;
修正处理模块,用于对操作机构发出的目标信号进行修正处理;
计算模块,用于对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的运行信号进行计算,得出加速度控制信号;
发送模块,用于将得出的加速度控制信号发送给功率放大元件。
进一步地,操作机构包括操作部件和目标速度构建模块,
操作部件,用于发出位移量信号;
目标速度构建模块与操作部件相连接,用于根据操作部件发出的位移量信号,构建目标速度。
进一步地,修正处理模块包括:
加速度获取单元,用于根据目标速度,获取作业机械的目标加速度;
比较单元,用于将获取的作业机械的目标加速度与预设的加速度阈值进行比较;
输出单元,用于根据比较的结果,输出运行加速度,运行加速度用于限制作业机械加速时的加速度。
进一步地,驱动部件为液压驱动部件、气动驱动部件、机械驱动部件或电子驱动部件。
进一步地,操作机构为操纵手柄或脚踏板。
进一步地,功率放大元件为功率放大器;运动部件为动臂、斗杆或铲斗。
根据本发明的另一个方面,还提供一种应用于上述作业机械加速运动控制装置的控制方法,包括以下步骤:
接收操作机构发送过来的目标信号、以及驱动部件或运动部件上的传感器采集的运行信号;
对操作机构发出的目标信号进行修正处理;
对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的运行信号进行计算,得出加速度控制信号;
将得出的加速度控制信号发送给功率放大元件,以使驱动部件根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。
进一步地,目标信号为目标速度,对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的运行信号进行计算,得出加速度控制信号的步骤包括:
根据操作机构发出的目标速度,获取作业机械的目标加速度;
将获取的作业机械的目标加速度与预设的加速度阈值进行比较;
根据比较的结果,输出运行加速度,运行加速度用于限制作业机械加速时的加速度。
本发明所取得的有益效果为:
本发明提供一种作业机械加速运动控制装置和方法,控制装置采用运动部件、驱动部件、功率放大元件、加速控制部件和操作机构,加速控制部件接收操作机构输送过来的加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给功率放大元件,经功率放大元件进行功率放大后,驱动部件根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。本发明提供的作业机械加速运动控制装置和方法,通过对作业机械做加速运动过程进行控制,从而改善作业机械的运动平顺性,进而提高作业机械的作业质量、作业安全和作业效率。
附图说明
图1为本发明提供的作业机械加速运动控制装置一实施例的功能框图;
图2为图1中所述操作机构与所述加速控制部件相互连接时一实施例的的连接示意图;
图3为图2中所述控制器一实施例的功能模块示意图;
图4为本发明提供的作业机械加速运动控制方法一实施例的流程示意图;
图5为图4中所述对操作机构发出的目标信号进行修正处理步骤一实施例的细化流程示意图;
图6为图4中作业机械加速运动控制方法中的限制最大加速度的控制方法一实施例的流程示意图;
图7为图4中作业机械加速运动控制方法中的分段限制最大加速度的控制方法一实施例的流程示意图;
图8为图4中作业机械加速运动控制方法中的加速度平顺增加的控制方法一实施例的流程示意图;
图9为图4中作业机械加速运动控制方法中的正弦加速的控制方法一实施例的流程示意图。
附图标号说明:
10、运动部件;20、驱动部件;30、功率放大元件;40、加速控制部件;50、操作机构;41、控制器;411、接收模块;412、修正处理模块;413、计算模块;414、发送模块;51、操作部件;52、目标速度构建模块;4121、加速度获取单元;4122、比较单元;4123、输出单元。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
如图1所示,图1为本发明提供的作业机械加速运动控制装置一实施例的功能框图,该作业机械加速运动控制装置包括运动部件10、驱动部件20、功率放大元件30、加速控制部件40和操作机构50,其中,操作机构50与加速控制部件40相连接,用于发出加速操控指令给加速控制部件40;加速控制部件40分别与操作机构50和功率放大元件30相连接,用于接收操作机构50发出的加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给功率放大元件30;功率放大元件30分别与加速控制部件40和驱动部件20相连接,用于对加速控制部件40发送过来的加速控制信号进行功率放大后,输出给驱动部件20;驱动部件20,分别与功率放大元件30和运动部件10相连接,用于接收功率放大元件30的输出信号,并根据输出信号驱动运动部件10动作,完成预期的作业机械加速控制作业。其中,作业机械可采用机械驱动、液压驱动或电气驱动。操作机构50用于驾驶员操控作业机械进行作业。操作机构50接收操控指令并输出到控制部件;例如,挖掘机的操纵手柄和脚踏板就是作业机械的操作机构50。常见的驱动部件20包括液压油缸、液压马达、电机、电机驱动器等。为了测量驱动部件20的运动情况,在驱动部件20上安装有传感器,用于测量驱动部件20的速度(包括直线速度和旋转速度)和位置(包括直线位移和角位移)。功率放大元件30可以为功率放大器。运动部件10一般为机械装置,例如可以采用动臂、斗杆或铲斗等。为了测量运动部件的运动情况在运动部件10上安装有传感器,用于测量运动部件的速度(包括直线速度和旋转速度)和位置(包括直线位移和角位移)。
在本实施例中,为了改善运动部件的运动平顺性,加速控制部件40需要对操作机构50发出的信号进行修正处理,加速控制部件根据操作机构50发出的目标信号、预设的加速信息和驱动部件20或运动部件10采集的运行信号进行计算,得出输出信号发送给功率放大元件30。
请见图2,图2为图1中所述操作机构与所述加速控制部件一实施例的的连接示意图,在本实施例中,加速控制部件40包括控制器41,控制器41分别与操作机构50、驱动部件20、运动部件10和功率放大元件30相连接,其中,控制器41包括接收模块411、修正处理模块412、计算模块413和发送模块414,接收模块411,用于接收操作机构50发送过来的目标信号、以及驱动部件20或运动部件10上的传感器采集的运行信号;修正处理模块412,用于对操作机构50发出的目标信号进行修正处理;计算模块413,用于对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的运行信号进行计算,得出加速度控制信号;发送模块414,用于将得出的加速度控制信号发送给功率放大元件30。操作机构50包括操作部件51和目标速度构建模块52,操作部件51,用于发出位移量信号;目标速度构建模块52与操作部件51相连接,用于根据操作部件51发出的位移量信号,构建目标速度。操作机构50的位移量代表了驾驶员的速度预期,是目标速度V0。
进一步地,参见图3,图3为图2中所述控制器一实施例的功能模块示意图,在本实施例中,修正处理模块412包括加速度获取单元4121、比较单元4122和输出单元4123,其中,加速度获取单元4121,用于根据目标速度,获取作业机械的目标加速度;比较单元4122,用于将获取的作业机械的目标加速度与预设的加速度阈值进行比较;输出单元4123,用于根据比较的结果,输出运行加速度,运行加速度用于限制作业机械加速时的加速度。
具体地,本实施例的作业机械加速运动控制装置,修正处理模块412包括限制最大加速度的控制、分段限制最大加速度的控制、加速度平顺增加的控制、正弦加速的控制和预设数组的速度控制等。
一、限制最大加速度的控制
位移量代表了驾驶员的速度预期,是目标速度V0。加速度获取单元4121用于对目标速度V0求导,得到驾驶员操作的加速度a0。比较单元4122用于预设一个允许的最大加速度amax>0,并比较|a0|和|amax|的大小。输出单元4123用于当|a0|<|amax|时,说明驾驶员操作的加速度在允许的最大加速度以下,则输出此加速度;当|a0|≥|amax|时,则说明驾驶员操作的加速度超过了最大加速度,则按照最大加速度输出。
二、分段限制最大加速度的控制
加速度获取单元4121用于对目标速度V0求导,得到驾驶员操作的加速度a0。比较单元4122用于预设两个或两个以上个允许的最大加速度a1max>0,a2max>0,…可以在实测速度的不同区间分别使用不同的最大加速度限制。例如,在低速区、中速区和高速区分别使用较小、中等、较大的加速度限制,这样控制速度的效果是:低速运动时可以实现微动,中速运动时可以线性加速、高速运动时可以获得较大的提速能力。也可以在时间的不同区间分别使用不同的最大加速度限制。例如,运动初期、中期、后期分别使用较小、中等、较大的加速度限制,这样控制速度的效果是:低速运动时可以实现微动,中速运动时可以线性加速、高速运动时可以获得较大的提速能力。
比较单元4122用于在不同的区间,选用不同的最大加速度,比较|a0|和|amax|的大小。输出单元4123用于当|a0|<|amax|时,说明驾驶员操作的加速度在允许的最大加速度以下,则输出此加速度;当|a0|≥|amax|时,则说明驾驶员操作的加速度超过了最大加速度,则按照最大加速度输出。其中,|a0|<|amax|包含两种情况,一种是0<a0<amax,另一种是-amax<a0<0。进一步,也可以预设两个最大加速度amax>0和a’max<0,分别作为正向最大加速度和负向最小加速度。
三、加速度平顺增加的控制
有些作业机械的运动部件对平顺性的要求特别高,此时,不但需要对速度进行平顺性控制,还需要对加速度的平顺性进行控制,使加速度缓慢增加到最大加速度。
操作机构50给定的目标速度v0,此时,投入的加速度a0不是根据v0计算得出,而是根据预定参数累加得出。
加速度获取单元4121用于根据预定参数累加得出加速度a0。
a0=kΣia’+b (1)
在公式(1)中,a0为加速度;k、b为预设的系数;i为循环次数;a’为预设的加速度增量。
随着循环次数的增加,计算得出的a0也逐渐增加。
比较单元4122用于预设一个允许的最大加速度amax>0,并比较|a0|和|amax|的大小。
输出单元4123用于当|a0|<|amax|时,说明驾驶员操作的加速度在允许的最大加速度以下,则输出此加速度;否则,说明驾驶员操作的加速度超过了最大加速度,则按照最大加速度输出。其中,|a0|<|amax|包含两种情况,一种是0<a0<amax,另一种是-amax<a0<0。进一步,也可以预设两个最大加速度amax>0和a’max<0,分别作为正向最大加速度和负向最小加速度。
四、正弦加速的控制
输出单元4123用于按照v1进行速度投入,v1通过以下公式得出:
公式(2)中,T为预设的时间系数,代表达到目标速度需要的时间。
五、预设数组的速度控制
操作机构50给定的目标速度v0,加速度获取单元4121用于对v1进行求导;比较单元4122用于预设一个允许的最大加速度amax>0,并与允许的最大加速度amax进行比较。输出单元4123用于如果v1的导数小于amax,则直接投入v1;否则,按照amax往原投入速度v1上累加产生新的v1。
本实施例的作业机械加速运动控制装置,采用运动部件、驱动部件、功率放大元件、加速控制部件和操作机构,加速控制部件接收操作机构输送过来的加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给功率放大元件,经功率放大元件进行功率放大后,驱动部件根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。本发明提供的作业机械加速运动控制装置,通过对作业机械做加速运动过程进行控制,从而改善作业机械的运动平顺性,进而提高作业机械的作业质量、作业安全和作业效率。
如图4所示,本发明还提供一种应用于上述作业机械加速运动控制装置的控制方法,包括以下步骤:
步骤S100、接收操作机构发送过来的目标信号、以及驱动部件或运动部件上的传感器采集的运行信号。
步骤S200、对操作机构发出的目标信号进行修正处理。
步骤S300、对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的运行信号进行计算,得出加速度控制信号。
步骤S400、将得出的加速度控制信号发送给功率放大元件,以使驱动部件根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。
请见图5,图5为图4中步骤S200的细化流程示意图,在本实施例中,目标信号为目标速度,步骤S200包括:
步骤S210、根据操作机构发出的目标速度,获取作业机械的目标加速度。
步骤S220、将获取的作业机械的目标加速度与预设的加速度阈值进行比较。
步骤S230、根据比较的结果,输出运行加速度,运行加速度用于限制作业机械加速时的加速度。
具体地,本实施例的作业机械加速运动控制方法,修正处理模方法包括限制最大加速度的控制方法、分段限制最大加速度的控制方法、加速度平顺增加的控制方法、正弦加速的控制和预设数组的速度控制方法等。
一、限制最大加速度的控制方法
如图6所示,位移量代表了驾驶员的速度预期,是目标速度V0。加速度获取单元对目标速度V0求导,得到驾驶员操作的加速度a0。比较单元4122预设一个允许的最大加速度amax>0,并比较|a0|和|amax|的大小。当|a0|<|amax|时,说明驾驶员操作的加速度在允许的最大加速度以下,则输出此加速度;当|a0|≥|amax|时,则说明驾驶员操作的加速度超过了最大加速度,则按照最大加速度输出。
二、分段限制最大加速度的控制方法
如图7所示,对目标速度求V0求导,得到驾驶员操作的加速度a0。预设两个或两个以上个允许的最大加速度a1max>0,a2max>0,…可以在实测速度的不同区间分别使用不同的最大加速度限制。例如,在低速区、中速区和高速区分别使用较小、中等、较大的加速度限制,这样控制速度的效果是:低速运动时可以实现微动,中速运动时可以线性加速、高速运动时可以获得较大的提速能力。也可以在时间的不同区间分别使用不同的最大加速度限制。例如,运动初期、中期、后期分别使用较小、中等、较大的加速度限制,这样控制速度的效果是:低速运动时可以实现微动,中速运动时可以线性加速、高速运动时可以获得较大的提速能力。
在不同的区间,选用不同的最大加速度,比较|a0|和|amax|的大小。输出单元4123用于当|a0|<|amax|时,说明驾驶员操作的加速度在允许的最大加速度以下,则输出此加速度;当|a0|≥|amax|时,则说明驾驶员操作的加速度超过了最大加速度,则按照最大加速度输出。其中,|a0|<|amax|包含两种情况,一种是0<a0<amax,另一种是-amax<a0<0。进一步,也可以预设两个最大加速度amax>0和a’max<0,分别作为正向最大加速度和负向最小加速度。
三、加速度平顺增加的控制方法
如图8所示,有些作业机械的运动部件对平顺性的要求特别高,此时,不但需要对速度进行平顺性控制,还需要对加速度的平顺性进行控制,使加速度缓慢增加到最大加速度。
操作机构给定的目标速度v0,此时,投入的加速度a0不是根据v0计算得出,而是根据预定参数累加得出。
a0=kΣia’+b (3)
在公式(3)中,a0为加速度;k、b为预设的系数;i为循环次数;a’为预设的加速度增量。
随着循环次数的增加,计算得出的a0也逐渐增加。
预设一个允许的最大加速度amax>0,并比较|a0|和|amax|的大小。当|a0|<|amax|时,说明驾驶员操作的加速度在允许的最大加速度以下,则输出此加速度;否则,说明驾驶员操作的加速度超过了最大加速度,则按照最大加速度输出。其中,|a0|<|amax|包含两种情况,一种是0<a0<amax,另一种是-amax<a0<0。进一步,也可以预设两个最大加速度amax>0和a’max<0,分别作为正向最大加速度和负向最小加速度。
四、正弦加速的控制方法
如图9所示,输出单元按照v1进行速度投入,v1通过以下公式得出:
公式(4)中,T为预设的时间系数,代表达到目标速度需要的时间。
五、预设数组的速度控制方法
操作机构给定的目标速度v0,对v1进行求导;预设一个允许的最大加速度amax>0,并与允许的最大加速度amax进行比较。如果v1的导数小于amax,则直接投入v1;否则,按照amax往原投入速度v1上累加产生新的v1。
本实施例的作业机械加速运动控制方法,通过加速控制部件接收操作机构输送过来的加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给功率放大元件,经功率放大元件进行功率放大后,驱动部件根据输出信号驱动运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。本发明提供的作业机械加速运动控制方法,通过对作业机械做加速运动过程进行控制,从而改善作业机械的运动平顺性,进而提高作业机械的作业质量、作业安全和作业效率。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种作业机械加速运动控制装置,其特征在于,包括运动部件(10)、驱动部件(20)、功率放大元件(30)、加速控制部件(40)和操作机构(50),其中,
所述操作机构(50)与所述加速控制部件(40)相连接,用于发出加速操控指令给所述加速控制部件(40);
所述加速控制部件(40)分别与所述操作机构(50)和所述功率放大元件(30)相连接,用于接收所述操作机构(50)发出的所述加速操控指令,对作业机械运行的加速度进行修正处理后发送加速控制信号给所述功率放大元件(30);
所述功率放大元件(30)分别与所述加速控制部件(40)和所述驱动部件(20)相连接,用于对所述加速控制部件(40)发送过来的所述加速控制信号进行功率放大后,输出给所述驱动部件(20);
所述驱动部件(20),分别与所述功率放大元件(30)和所述运动部件(10)相连接,用于接收所述功率放大元件(30)的输出信号,并根据所述输出信号驱动所述运动部件(10)动作,完成预期的作业机械加速控制作业。
2.如权利要求1所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述加速操控指令包括目标信号,所述加速控制部件(40)包括控制器(41),所述控制器(41)分别与所述操作机构(50)、所述驱动部件(20)、所述运动部件(10)和所述功率放大元件(30)相连接,
所述控制器(41)包括接收模块(411)、修正处理模块(412)、计算模块(413)和发送模块(414),
所述接收模块(411),用于接收所述操作机构(50)发送过来的目标信号、以及所述驱动部件(20)或所述运动部件(10)上的传感器采集的运行信号;
所述修正处理模块(412),用于对所述操作机构(50)发出的所述目标信号进行修正处理;
所述计算模块(413),用于对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的所述运行信号进行计算,得出加速度控制信号;
所述发送模块(414),用于将得出的所述加速度控制信号发送给所述功率放大元件(30)。
3.如权利要求2所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述操作机构(50)包括操作部件(51)和目标速度构建模块(52),
所述操作部件(51),用于发出位移量信号;
所述目标速度构建模块(52)与所述操作部件(51)相连接,用于根据所述操作部件(51)发出的所述位移量信号,构建目标速度。
4.如权利要求3所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述修正处理模块(412)包括:
加速度获取单元(4121),用于根据所述目标速度,获取作业机械的目标加速度;
比较单元(4122),用于将获取的所述作业机械的目标加速度与预设的加速度阈值进行比较;
输出单元(4123),用于根据比较的结果,输出运行加速度,所述运行加速度用于限制所述作业机械加速时的加速度。
5.如权利要求4所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述驱动部件(20)采用机械驱动部件、液压驱动部件、气压驱部件动或电子驱动部件中的一种或几种。
6.如权利要求4所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述操作机构(50)为操纵手柄或脚踏板。
7.如权利要求1所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述功率放大元件(30)为功率放大器。
8.如权利要求1所述的作业机械加速运动控制装置,其特征在于,
所述运动部件(10)为动臂、斗杆或铲斗。
9.一种应用于权利要求1至8中任意一项所述的作业机械加速运动控制装置中的控制方法,包括以下步骤:
接收所述操作机构发送过来的目标信号、以及所述驱动部件或所述运动部件上的传感器采集的运行信号;
对所述操作机构发出的所述目标信号进行修正处理;
对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的所述运行信号进行计算,得出加速度控制信号;
将得出的所述加速度控制信号发送给所述功率放大元件,以使所述驱动部件根据所述输出信号驱动所述运动部件动作,完成预期的作业机械加速控制作业。
10.如权利要求9所述的控制方法,其特征在于,
所述目标信号为目标速度,所述对修正处理的修正信号、预设的加速信息、以及接收的所述运行信号进行计算,得出加速度控制信号的步骤包括:
根据所述操作机构发出的目标速度,获取作业机械的目标加速度;
将获取的作业机械的目标加速度与预设的加速度阈值进行比较;
根据比较的结果,输出运行加速度,所述运行加速度用于限制所述作业机械加速时的加速度。
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