CN111284287A - 主动式悬架控制单元及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种主动式悬架控制单元及方法,所述主动式悬架控制单元可以包括:致动器,其具有主动式侧倾稳定(ARS)结构,以可变地调节悬架的响应特性;以及控制器,其用于通过从传感器输入的信息确定车辆的行驶情况,基于根据行驶情况预先设置的期望的相对悬架垂直力值以及由左车轮和右车轮相对悬架垂直速度之间的差异产生的差值,确定致动器的最终期望控制值。

Description

主动式悬架控制单元及方法
技术领域
本发明涉及一种主动式悬架控制单元及方法,更具体地,涉及一种适用于主动式侧倾稳定(ARS)型悬架的主动式悬架控制单元及方法。
背景技术
传统的稳定杆型悬架配置为连接车辆的左车轮和右车轮以增强侧倾刚度。例如,在崎岖道路上行驶或转弯期间,当使用这种稳定杆来改变左车轮与右车轮之间的高度时,车辆的侧倾得到抑制。
然而,由于稳定杆具有固定的结构,因此为使乘客舒适需要将稳定杆设置为较软,而为改善行驶稳定性需要将稳定杆设置为较硬。因此,需要通过对二者进行折中来调节稳定杆以具有适度的刚度,并且根据车辆的用途改变稳定杆的刚度。
同时,主动式侧倾稳定(ARS)型悬架可以通过电子控制单独控制车辆的左车轮和右车轮,从而改善在崎岖道路上行驶或转弯期间车辆的行为稳定性。
由于ARS悬架能够根据行驶情况对侧倾刚度进行软调节或硬调节,因此,能够响应于复杂的行驶情况来改善乘客舒适性和行驶稳定性。
传统的ARS通过反馈方法来执行控制,该反馈方法利用根据行驶情况而产生的相对悬架垂直速度来确定期望的相对悬架垂直力,并且由此确定期望的致动器控制值。然而,目前的反馈方法所存在的问题是导致延迟现象,在该延迟现象中,在行驶情况实时变化的条件下,需要时间来进行稳定,并且目前的反馈方法不能适当地处理左车轮与右车轮之间的高度变化的扰动情况。
因此,需要一种新的主动式悬架控制单元,其配置为使延迟最小并且能够应对变化的道路状况,并且需要一种使用该主动式悬架控制单元的控制方法。
在本背景技术部分中包括的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供一种主动式悬架控制单元及方法,其通过将通过期望的相对悬架垂直力确定的致动器的第一期望控制值与通过扰动确定的致动器的第二期望控制值求和来控制致动器。
根据本发明的一个方面,一种主动式悬架控制单元可以包括:致动器,其具有主动式侧倾稳定(ARS)结构,以可变地调节悬架的响应特性;第一控制器,其用于通过从传感器输入的信息确定车辆的行驶情况,并且输出根据行驶情况而预先设置的期望的相对悬架垂直力值;以及第二控制器,其用于基于从第一控制器发送的期望的相对悬架垂直力值以及由左车轮与右车轮的相对悬架垂直速度之间的差异产生的差值来确定致动器的最终期望控制值。
第二控制器可以从第一控制器接收右车轮的期望的相对悬架垂直力值,并且利用以下等式1或等式1-A确定用于右车轮的致动器的第一期望控制值:
等式1:τGc=GcFR,d,等式1-A:τGc=GcFL,d
其中,τGc是第二控制器的第一期望控制值,Gc是第二控制器的控制函数,FR,d是右车轮的期望的相对悬架垂直力值,FL,d是左车轮的期望的相对悬架垂直力值。
第二控制器可以接收右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度,以确定差值VR-VL,并且利用以下等式2确定致动器的第二期望控制值:
等式2:τY2=Y2(VR-VL),
其中,τY2是第二控制器的第二期望控制值,Y2是第二控制器的控制函数,VR是右车轮的相对悬架垂直速度,VL是左车轮的相对悬架垂直速度。
第二控制器可以从垂直速度估算模块接收右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度。
所述垂直速度估算模块可以基于由车身加速度传感器和车轮加速度传感器所测量的加速度之间的差来估算相对悬架垂直速度。
第二控制器可以配置为通过将基于期望的相对悬架垂直力值确定的致动器的第一期望控制值与基于差值VR-VL确定的致动器的第二期望控制值求和来确定最终期望控制值。
根据本发明的另一方面,一种主动式悬架控制方法可以包括:根据行驶情况确定期望的相对悬架垂直力值;通过估算右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度确定差值;通过基于期望的相对悬架垂直力值确定致动器的第一期望控制值、基于第一车轮的相对悬架垂直速度与第二车轮的相对悬架垂直速度的差值确定致动器的第二期望控制值,并且对第一期望控制值和第二期望控制值求和,确定致动器的最终期望控制值;基于所确定的致动器的最终期望控制值来操作致动器。
在确定致动器的最终期望控制值的步骤中,可以利用以下等式1、根据期望的相对悬架垂直力值确定致动器的第一期望控制值,并且可以利用以下等式2、根据所述差值确定致动器的第二期望控制值:
等式1:τGc=GcFR,d
等式2:τY2=Y2(VR-VL),
其中,τGc是第二控制器的第一期望控制值,Gc是第二控制器的控制函数,FR,d是右车轮的期望的相对悬架垂直力值,τY2是第二控制器的第二期望控制值,Y2是第二控制器的控制函数,VR是右车轮的相对悬架垂直速度,VL是左车轮的相对悬架垂直速度。
在确定期望的相对悬架垂直力值的步骤中,可以输出根据行驶情况而预先设置的期望的相对悬架垂直力值。
在确定差值的步骤中,可以通过确定右车轮的相对悬架垂直速度与左车轮的相对悬架垂直速度之间的差来输出差值。
在确定差值的步骤中,可以利用车身加速度与第一车轮和第二车轮加速度之间的差来估算右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度。
通过以上描述显而易见的是,根据本发明示例性实施方案的主动式悬架控制单元及方法具有以下效果:
第一,能够以对扰动的快速响应来提高乘客的舒适性和行驶稳定性;
第二,能够通过使响应延迟最小来快速地抑制车辆的侧倾/横摆运动;
第三,因为第二控制器对扰动进行响应,所以可以单独设计第一控制器(ECU)而不考虑扰动;
第四,通过简化控制的传递函数,能够提高设计和应用控制器的便利性。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点,这些特性和优点通过并入本文中的附图和随后的具体实施方式将是显而易见的,或者将在附图和具体实施方式中进行详细陈述,这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元的概念性示意图。
图2为示例性地示出根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元的结构的示意图。
图3为示出根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制方法的流程图。
图4为示出当使用根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元及方法时,垂直力流减小的状态的曲线图。
应当理解,附图不一定是按照比例绘制,而是显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。如本文所包括的,本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图中,贯穿附图的多幅图,相同的附图标记指代本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个具体实施方案,这些具体实施方案的示例呈现在附图中并描述如下。尽管本发明将与本发明的示例性实施方案相结合进行描述,但是应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。另一方面,本发明旨在不但覆盖本发明的示例性实施方案,而且还覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
本文中所使用的术语仅用于描述各种示例性实施方案,并不旨在限制本申请。如在本发明的示例性实施方案和所附权利要求中所使用的,单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式,除非上下文另有明确说明。还将理解,当在示例性实施方案中使用术语“包含”和/或“包括”时,指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群组,但是不排除存在或添加一种或多种其他的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
除非另外定义,否则本文中使用的包括技术和科学术语的所有术语具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应当进一步理解,例如在常用词典中定义的那些术语应理解为具有与其在相关领域和本发明的上下文中的含义一致的含义,并且不理解为理想化或过于正式的意义,除非在本文中明确如此定义。
下面将参考附图描述根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元及方法。
首先,将描述主动式悬架控制单元。图1为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元的概念性示意图。图2为示例性地示出根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元的结构的示意图。
如图1和图2所示,根据本发明示例性实施方案的控制单元主要包括第一控制器100、第二控制器200以及由它们两者控制的致动器300。
本发明的控制单元布置于主动式侧倾稳定(ARS)型悬架以对ARS型悬架进行控制。第一控制器100可以是车辆的中央控制单元(例如,电子控制单元(ECU))。第一控制器100从安装于车辆的各种传感器接收信息,并生成控制信号。例如,车辆状态估算模块可以估算相对悬架垂直速度并将其发送到第一控制器100,并且第一控制器100可以基于估算的相对悬架垂直速度将控制信号发送到致动器300。
在本例中,例如,车辆状态估算模块可以通过对通过分别设置于车身和车轮的加速度传感器所测量的车身垂直加速度和车轮垂直加速度进行积分来估算相对悬架垂直速度。
尽管在本发明的以下描述中将致动器300设置为包括电机、减速器和衬套的硬件,但是本发明不限于此。例如,致动器300也可以是液压装置或电机-涡轮结构。
在检查车辆是向前直行还是转弯、道路状况是平坦还是崎岖以及车辆速度有多快之后,第一控制器100根据预设的数据库确定期望的相对悬架垂直力值。将在稍后描述的第二控制器200中使用确定出的期望的相对悬架垂直力值。
当致动器300仅由第一控制器100控制时,在确定由车辆的行为所生成的信号并发送控制信号之后,致动器300操作以改变车辆的行为。因此,在再次确定改变的车辆的行为信号、并且改变并发送致动器300的控制信号的周期中发生延迟。因此,应当应用第二控制器200以通过更即时的响应来使延迟最小。
第二控制器200基于期望的垂直力值和差值VR-VL来确定致动器300的期望控制值。
第二控制器200基于从第一控制器100接收的期望的相对悬架垂直力值以及差值来确定致动器300的最终期望控制值,该差值是由车辆状态估算模块确定的左车轮与右车轮之间的相对悬架垂直速度的差。在本例中,通过将期望的相对悬架垂直力值所确定的第一期望控制值与差值VR-VL所确定的第二期望控制值求和来确定最终的期望控制值。
第二控制器200从第一控制器100接收车辆右车轮的期望的相对悬架垂直力值,并利用以下等式1或等式1-A确定用于右车轮的致动器300的第一期望控制值:
等式1:τGc=GcFR,d,等式1-A:τGc=GcFL,d
其中,τGc是第二控制器的第一期望控制值,Gc是第二控制器的反馈控制函数,FR,d是右车轮的期望的相对悬架垂直力值,FL,d是左车轮的期望的相对悬架垂直力值。在本例中,由等式1-1定义Gc,并且FR,d作为来自第一控制器100的固定值而被接收。
等式1-1:Gc=Y1/S,
其中,Y1是第二控制器的开环控制函数,S是由等式1-2至等式1-4定义的灵敏度函数。
等式1-2:S=1-T,
等式1-3:T=1/(τs+1)2,
等式1-4:τ=1/2πf,
其中,T是期望的传递函数,τ是时间常数,s是拉普拉斯算子,f是截止频率。
在本例中,T也可以表示为Y1H4。H4是ARS致动器硬件的传递函数之一,ARS致动器硬件的传递函数如下:
H1=FLmotor
H2=FL/VL
H3=FL/VR
H4=FRmotor
H5=FR/VL
H6=FR/VR
其中,FL是左车轮的相对悬架垂直力,FR是右车轮的相对悬架垂直力,VL是左车轮的相对悬架垂直速度,VR是右车轮的相对悬架垂直速度,τmotor是致动器的最终期望控制值(τGcY2)。在本例中,将在后面描述τY2
因此,右车轮的相对悬架垂直力和第二控制器200所确定的最终期望控制值如下:
FR=H4τmotor+H5VL+H6VR
τmotor=H4-1(FR-H5VL-H6VR)。
如上所述,尽管将第一期望控制值称为是基于右车轮的期望的相对悬架垂直力值而确定的,但是本发明不限于此。例如,还可以基于左车轮的期望的相对悬架垂直力值来确定第一期望控制值。
在本例中,可以通过用等式H1替换等式H4、用等式H2替换等式H5、并且用等式H3替换等式H6来如下确定FL
FL=H1τmotor+H2VL+H3VR
同时,第二控制器200可以从垂直速度估算模块接收右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度。在本例中,垂直速度估算模块可以通过对通过车身加速度传感器和车轮加速度传感器测量的加速度进行积分来估算相对悬架垂直速度。
第二控制器200接收右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度,以确定差值VR-VL,该差值是右车轮的相对悬架垂直速度与左车轮的相对悬架垂直速度之间的差,并且第二控制器200利用以下等式2确定致动器300的第二期望控制值:
等式2:τY2=Y2(VR-VL),
其中,τY2是第二控制器的第二期望控制值,Y2是第二控制器的控制函数,VR是右车轮的相对悬架垂直速度,VL是左车轮的相对悬架垂直速度。此外,由以下等式2-1确定Y2,并且由以下等式2-2和等式2-3确定VR和VL
等式2-1:Y2=-H4-1H6/(τs+1)2;
等式2-2:VR=Vus,R-Vs,R
等式2-3:VL=Vus,L-Vs,L
其中Vus,R是右车轮的非簧载质量垂直速度,Vs,R是右车轮的簧载质量垂直速度,Vus,L是左车轮的非簧载质量垂直速度,Vs,L是左车轮的簧载质量垂直速度。
也就是说,将相对悬架垂直速度确定为非簧载质量(例如,车轮)垂直速度与簧载质量(例如,车身)垂直速度之间的差值,并且根据左车轮和右车轮的相对悬架垂直速度之间的差来确定该差值。即,由于扰动是由左车轮与右车轮之间的高度以及上升速度与下降速度之间的差引起的,因此,例如当车辆在崎岖道路上行驶或经过凸起点时,可能会引起扰动。
总之,通过对第二控制器200所确定的第一期望控制值和第二期望控制值按以下等式3进行求和来确定致动器300的最终输出(电机转矩):
等式3:τmotor=τGcY2
如上所述配置的主动式悬架控制单元可以应用于车辆的前车轮或后车轮,或者可以应用于前车轮和后车轮两者。也就是说,前车轮第二控制器210可以布置于前车轮致动器310,后车轮第二控制器220可以布置于后车轮致动器320。
同时,第二控制器200可以使用一个控制器来确定第一期望控制值和第二期望控制值,但是也可以使用两个单独的控制器分别确定第一期望控制值和第二期望控制值。
图3为示出根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制方法的流程图。图4为示出当使用根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制单元及方法时,垂直力流减小的状态的曲线图。
如图1至图4所示,根据本发明的示例性实施方案的主动式悬架控制方法包括以下步骤:根据行驶情况确定期望的相对悬架垂直力值;通过估算右车轮的相对悬架垂直速度和左车轮的相对悬架垂直速度来确定差值;通过基于期望的相对悬架垂直力值确定致动器的第一期望控制值来确定致动器的最终期望控制值;基于第一车轮的相对悬架垂直速度与第二车轮的相对悬架垂直速度的差值来确定致动器的第二期望控制值;对致动器的第一期望控制值和第二期望控制值进行求和;基于所确定的致动器的最终期望控制值来操作致动器。
在确定期望的相对悬架垂直力值的步骤中,第一控制器100通常考虑到车辆速度、转向角度、路面状况等,通过预先存储的配置文件(profile)确定左车轮和右车轮的期望的相对悬架垂直力值。
在确定差值的步骤中,车辆状态估算模块通过对相对悬架垂直加速度进行积分来估算相对悬架垂直速度,并且基于左车轮与右车轮的相对悬架垂直速度之间的差来确定所述差值。
在确定致动器的最终期望控制值的步骤中,基于在确定期望的相对悬架垂直力值的步骤中生成的信息以及在确定差值VR-VL的步骤中生成的信息来确定致动器的最终期望控制值。
通过确定致动器300的第一期望控制值和致动器300的第二期望控制值并且对第一期望值与第二期望控制值进行求和来确定致动器300的最终期望控制值,其中,该第一期望控制值对应于从第一控制器100发送的期望的相对悬架垂直力值,该第二期望控制值对应于从第二控制器200中的车辆状态估算模块发送的差值。
如果没有第二控制器200,那么由于惯性和阻尼元件所引起的延迟时间而会发生约0.2秒的控制延迟。当乘客识别出当前的延迟时,乘客会感受到例如晃动或振动之类的不便。因此,在相关技术中已使用在初始响应期间过度地增加致动器的输出或增加单独的控制策略的方法。
如图4所示,当不使用第二控制器200时,由于致动器300的硬件特性,呈现出与传统的稳定杆的期望响应的差异,这可能不仅导致差异感而且会造成乘客的过度振动。
因此,本发明控制致动器300的输出以呈现类似于传统的稳定杆的响应,同时通过第二控制器200使延迟最小。因此,即使当车辆在崎岖道路上行驶或经过凸起点时,也能够改善乘客的舒适性并且呈现出稳定的驾驶性能。
在操作致动器的步骤中,通过将上述确定的最终致动器输出施加到致动器300并且操作致动器300,使传递到车辆的内部空间的晃动或振动最小。
此外,在确定差值和确定致动器的最终期望控制值的步骤中的详细的控制方法由上述主动式悬架控制单元的描述所替代。
尽管出于说明性目的而包括了本发明的示例性实施方案,但是本领域技术人员将理解,在不脱离本申请的精神和范围或本质特征的情况下可以进行各种修改。
为了方便解释和在所附权利要求中精确限定,术语“上”、“下”、“内”、“外”、“上面”、“下面”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背部”、“内”、“外”、“内部”、“外部”、“内部的”、“外部的”、“内侧”、“外侧”、“向前”、“向后”用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性具体实施方案的特征。
应进一步理解,术语“连接”或其衍生词指的是直接连接和间接连接。
前面对本发明具体示例性具体实施方案的描述是出于说明和描述的目的而呈现。前面的描述并不旨在成为穷举的,也并不旨在把本发明限制为所公开的精确形式,显然,根据上述教导,很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围由所附权利要求及其等价形式所限定。

Claims (13)

1.一种主动式悬架控制单元,其包括:
致动器,其具有主动式侧倾稳定结构,以可变地调节悬架的响应特性;以及
控制器,其连接到传感器,并且配置为:通过从传感器输入的信息确定车辆的行驶情况;基于根据行驶情况预先设置的目标相对悬架垂直力值、以及由第一车轮和第二车轮的相对悬架垂直速度之间的差异产生的差值来确定所述致动器的最终目标控制值。
2.根据权利要求1所述的主动式悬架控制单元,其中,所述控制器包括:
第一控制器,其配置为输出目标相对悬架垂直力值;以及
第二控制器,其配置为通过对基于从第一控制器发送的目标相对悬架垂直力值确定的第一目标控制值与基于所述差值确定的第二目标控制值求和来确定最终目标控制值。
3.根据权利要求2所述的主动式悬架控制单元,其中,
所述第二控制器配置为从第一控制器接收第一车轮和第二车轮的其中一个的目标相对悬架垂直力值,并且配置为利用以下等式1或等式1-A确定第二控制器的第一目标控制值:
等式1:τGc=GcFR,d,等式1-A:τGc=GcFL,d
其中,τGc为第二控制器的第一目标控制值,Gc为第二控制器的控制函数,FR,d为第一车轮的目标相对悬架垂直力值,FL,d为第二车轮的目标相对悬架垂直力值。
4.根据权利要求2所述的主动式悬架控制单元,其中,
所述第二控制器配置为接收第一车轮的相对悬架垂直速度和第二车轮的相对悬架垂直速度,以确定第一车轮的相对悬架垂直速度与第二车轮的相对悬架垂直速度的差值,并且配置为利用以下等式2确定第二控制器的第二目标控制值:
等式2:τY2=Y2(VR-VL),
其中,τY2为第二控制器的第二目标控制值,Y2为第二控制器的控制函数,VR为第一车轮的相对悬架垂直速度,VL为第二车轮的相对悬架垂直速度。
5.根据权利要求4所述的主动式悬架控制单元,其中,
所述第二控制器配置为从垂直速度估算模块接收第一车轮的相对悬架垂直速度和第二车轮的相对悬架垂直速度。
6.根据权利要求5所述的主动式悬架控制单元,其中,
所述传感器包括车身加速度传感器和车轮加速度传感器;
所述垂直速度估算模块基于由所述车身加速度传感器和所述车轮加速度传感器所测量的加速度之间的差来估算相对悬架垂直速度。
7.根据权利要求2所述的主动式悬架控制单元,其中,
所述第二控制器配置为通过将基于目标相对悬架垂直力值确定的第二控制器的第一目标控制值与基于所述差值确定的第二控制器的第二目标控制值求和来确定最终目标控制值。
8.一种主动式悬架控制方法,其包括:
根据车辆的行驶情况确定目标相对悬架垂直力值;
通过估算第一车轮的相对悬架垂直速度和第二车轮的相对悬架垂直速度来确定差值;
通过基于目标相对悬架垂直力值确定致动器的第一目标控制值、基于第一车轮的相对悬架垂直速度与第二车轮的相对悬架垂直速度的差值确定致动器的第二目标控制值并且对所述第一目标控制值和所述第二目标控制值求和,确定致动器的最终目标控制值;
基于所确定的致动器的最终目标控制值操作所述致动器。
9.根据权利要求8所述的主动式悬架控制方法,其中,
第一控制器配置为输出目标相对悬架垂直力值。
10.根据权利要求8所述的主动式悬架控制方法,其中,
在确定致动器的最终目标控制值的步骤中,利用以下等式1、根据目标相对悬架垂直力值确定第二控制器的第一目标控制值,并且利用以下等式2、根据所述差值确定第二控制器的第二目标控制值:
等式1:τGc=GcFR,d
等式2:τY2=Y2(VR-VL),
其中,τGc为第二控制器的第一目标控制值,Gc为第二控制器的控制函数,FR,d为第一车轮的目标相对悬架垂直力值,τY2为第二控制器的第二目标控制值,Y2为第二控制器的控制函数,VR为第一车轮的相对悬架垂直速度,VL为第二轮的相对悬架垂直速度。
11.根据权利要求8所述的主动式悬架控制方法,其中,
在确定目标相对悬架垂直力值的步骤中,输出根据行驶情况而预先设置的目标相对悬架垂直力值。
12.根据权利要求8所述的主动式悬架控制方法,其中,
在确定差值的步骤中,通过确定第一车轮的相对悬架垂直速度与第二车轮的相对悬架垂直速度之间的差来输出所述差值。
13.根据权利要求12所述的主动式悬架控制方法,其中,
在确定差值的步骤中,利用车身的加速度与第一车轮和第二车轮的加速度之间的差来估算第一车轮的相对悬架垂直速度和第二车轮的相对悬架垂直速度。
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