CN111731379A - 用于提供轮胎力累积补偿的线控转向系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于车辆的线控转向系统(100)和方法，包括和利用：方向盘系统(12)，方向盘系统(12)包括方向盘；联接或应用到方向盘并且用于确定方向盘的角度量值和提供对应的控制信号的角度传感器或机构(14)；和联接或应用到方向盘并且用于确定方向盘的角速率和提供对应的控制信号偏移的角速率传感器或机构(26)；转向致动器系统(22)，其包括联接到车辆的一个或多个车轮(50)并且用于接收集合控制信号和控制信号偏移和作为响应转动车轮(50)的车轮角度致动器(24)。方向盘系统(12)还包括用于接收来自角速率传感器或机构(26)的角速率输入(32)并且导出对应于控制信号偏移的角度偏移输出(34)的角速率滤波器/调谐器(30)。

Description

用于提供轮胎力累积补偿的线控转向系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及汽车领域。更具体地，本公开涉及提供轮胎力累积补偿的线控转向系统(steer-by-wire systems，SBW)和方法。这些线控转向系统和方法发现尤其适用于驾驶员辅助(DA)情境。

背景技术

随着驾驶员辅助(DA)和自主驾驶(AD)系统变得越来越普遍和被接受，线控转向系统在车辆中变得越来越流行。这种线控转向系统消除了将车辆的方向盘联接到其转向的车轮的常规机械联动装置，用多个电子传感器、控制器和致动器替换这些机械联动装置。例如，飞行器已经使用线控转向系统一段时间来克服存在于各种控制表面上的较大的力，并且使得飞行器更容易飞行且对飞行更敏感。机械方向盘输入被转换为电信号，该电信号又被转换为机械轮输出。这可以被认为是对其逻辑结论采取的动力辅助转向。

图1示出了用于车辆的常规线控转向系统和方法10。方向盘系统12包括方向盘，驾驶员通过方向盘使车辆转向；和角度传感器14，其感测方向盘的旋转程度。对应于方向盘的旋转程度或方向盘角度的控制信号被传输到转向致动器系统22，转向致动器系统22包括车轮角度致动器24，该车轮角度致动器24最终负责将车辆的一个或多个车轮50转动到与方向盘的旋转程度相对应的控制信号所指示的程度。角度传感器14和车轮角度致动器24联接到与集合车辆处理单元5相关联的各种处理和控制系统。当然，不同的比例因子可以应用于控制信号，以将一个或多个车轮50的响应微调到驾驶员的转向请求。还应当注意，这可以应用于两轮转向和四轮转向配置中。

然而，一个问题是轮胎力累积不是瞬时的。这可导致在某些运行情况下车辆的处理和灵活性劣化。驾驶员的转向请求不作为精确的车轮响应而被干脆利落地(crisply)执行。该问题通过本文提供的线控转向系统和方法来解决，所述线控转向系统和方法利用轮胎的滑移动力学(slip dynamics)，通过过冲(overshooting)提供更快的响应。

发明内容

在各示例性实施例中，本公开提供了线控转向系统和方法，所述线控转向系统和方法将偏移施加到上述常规控制信号，使得在车辆的精确车轮响应和处理与敏捷度得到改善时，驾驶员的转向请求被更干脆利落地执行。在方向盘系统中，除了使用感测方向盘的旋转程度的角度传感器之外，还使用角速率传感器来感测方向盘旋转的速率。该角速率输入由角速率滤波器/调谐器处理以生成角度偏移输出，所述角度偏移输出被前馈到控制回路以修改控制信号。所述控制信号是角度请求(AngleRequest)，其结合了角度加滤波器(即，速率)。然后，该修改的控制信号被提供给转向致动器系统的车轮角度致动器，并且用于控制一个或多个车轮，前轮和/或后轮的响应。因此，考虑到方向盘的旋转的程度和速率，一个或多个车轮的响应被更精确地微调到驾驶员的转向请求。

此外，该修改的控制信号可以被提供给转向致动器系统的车轮外倾致动器，以使一个或多个车轮外倾(camber)，如果期望，在某些状况下提供甚至更大的车辆响应性。

在一个示例性实施例中，本公开提供了一种用于车辆的线控转向系统，包括：方向盘系统，其包括方向盘、角度传感器或机构以及角速率传感器或机构，所述角度传感器或机构联接或应用到所述方向盘并适于确定所述方向盘的有向角度量值(directed angularmagnitude)并且提供相应的控制信号，所述角速率传感器或机构联接或应用到所述方向盘并适于确定所述方向盘的有向角速率(directed angular rate)并且提供相应的控制信号偏移；以及转向致动器系统，所述转向致动器系统包括车轮角度致动器，所述车轮角度致动器联接到所述车辆的一个或多个车轮并适于接收来自所述方向盘系统的集合控制信号和控制信号偏移，并且响应于所述集合控制信号和控制信号偏移来转动所述一个或多个车轮。所述方向盘系统还包括角速率滤波器/调谐器，其适于接收来自所述角速率传感器或机构的角速率输入，并且从所述角速率输入导出对应于所述控制信号偏移的角度偏移输出。例如，所述角速率滤波器/调谐器包括具有响应时间和增益的一阶或二阶滤波器等，如车辆速度相关滤波器(vehicle speed-dependent filter)。可选地，所述转向致动器系统还包括车辆外倾致动器，其联接到车辆的一个或多个车轮并适于接收来自所述方向盘系统的集合控制信号和控制信号偏移，并且响应于所述集合控制信号和控制信号偏移而使一个或多个车轮外倾。可选地，所述角速率滤波器/调谐器还适于基于车辆的选定驾驶模式来修改所述控制信号偏移。

在另一示例性实施例中，本公开提供一种其上存储有指令的计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时致使所述处理器执行以下步骤：接收使用被联接或应用到车辆方向盘的角度传感器或机构所确定的方向盘的有向角度量值并提供相应的控制信号；接收使用被联接或应用到所述方向盘的角速率传感器或机构所确定的所述方向盘的有向角速率并提供相应控制信号偏移；以及响应于集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述车辆的一个或多个车轮的车轮角度致动器，以转动所述一个或多个车轮。所述指令包括角速率滤波器/调谐器算法，其适于接收来自所述角速率传感器或机构的角速率输入，并且从所述角速率输入导出对应于所述控制信号偏移的角度偏移输出。例如，所述角速率滤波器/调谐器算法包括具有响应时间和增益的一阶或二阶滤波器等，诸如车辆速度相关的滤波器。可选地，所述步骤还包括：响应于所述集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述一个或多个车轮的车辆外倾致动器，以使所述一个或多个车轮外倾。可选地，所述角速率滤波器/调谐器算法还适于基于车辆的选定驾驶模式来修改所述控制信号偏移。

在又一示例性实施例中，本公开提供了一种用于车辆的线控转向方法，包括：接收使用被联接或应用到车辆的转向控制装置的量值参数传感器或机构所确定的所述转向控制装置的有向量值参数并提供相应的控制信号；接收使用被联接或应用到所述转向控制装置的速率参数传感器或机构所确定的所述转向控制装置的有向速率参数并提供相应的控制信号偏移；以及响应于集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述车辆的一个或多个车轮的车轮角度致动器，以转动所述一个或多个车轮。所述方法还包括使用速率参数滤波器/调谐器算法，接收来自所述速率参数传感器或机构的速率参数输入，并且从所述速率参数输入导出对应于所述控制信号偏移的速率参数偏移输出。例如，所述速率参数滤波器/调谐器算法包括具有响应时间和增益的一阶或二阶滤波器等，诸如车辆速度相关的滤波器。可选地，所述方法还包括：响应于所述集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述一个或多个车轮的车辆外倾致动器，以使所述一个或多个车轮外倾。可选地，所述速率参数滤波器/调谐器算法还适于基于车辆的选定驾驶模式来修改所述控制信号偏移。可选地，所述量值(magnitude)参数是角度量值参数和线性量值参数中的一个。可选地，所述速率参数是角速率参数和线性速率参数中的一个。

附图说明

本文参照各个附图来说明和描述本公开，其中相同的附图标记用于表示相同的系统部件/方法步骤，视情况而定，并且其中：

图1是示出传统的线控转向系统和方法的示意图，所述系统和方法仅利用方向盘输入角度来控制车辆的车轮角度响应；

图2是示出本公开的线控转向系统和方法的示意图，所述线控转向系统和方法利用方向盘输入角度和速率两者来控制车辆的车轮角度和外倾响应(camber response)；和

图3是示出图1的常规线控转向系统和方法与图2的本公开的线控转向系统和方法的阶跃控制响应之间差异的曲线图。

具体实施方式

再次，本公开提供了将偏移施加于上述常规控制信号的线控转向系统和方法，使得由于精确车轮响应和车辆的处理与敏捷度得到改善，而使驾驶员的转向请求更干脆利落地执行。在方向盘系统中，除了使用感测方向盘的旋转程度的角度传感器之外，还使用角速率传感器来感测方向盘旋转的速率。该角速率输入由角速率滤波器/调谐器处理以生成被反馈到控制回路以修改控制信号的角度偏移输出。然后，该修改的控制信号被提供给转向致动器系统的车轮角度致动器，并且用于控制一个或多个车轮，前轮和/或后轮的响应。因此，考虑到方向盘的旋转的程度和速率，一个或多个车轮的响应被更精确地微调到驾驶员的转向请求。当转动时，相位超前转向角(Phase lead steering angle)被前馈，导致更快的车辆响应。

此外，该修改的控制信号能够被提供给转向致动器系统的车轮外倾致动器，以使一个或多个车轮外倾，如果期望，在某些状况下提供甚至更大的车辆响应性。

图2示出了本公开的线控转向系统和方法100的一个示例性实施例。如常规的，方向盘系统12包括：方向盘，驾驶员通过方向盘使车辆转向；和角度传感器14，角度传感器14感测方向盘的旋转程度。对应于方向盘的旋转程度或方向盘角度的控制信号被传输到转向致动器系统22，转向致动器系统22包括车轮角度致动器24，车轮角度致动器24最终负责将车辆的一个或多个车轮50转动到与方向盘的旋转程度相对应的控制信号所指示的程度。角度传感器14和车轮角度致动器24联接到与集合车辆处理单元(collective vehicleprocessing unit)5相关联的各种处理和控制系统。当然，不同的比例因子仍然可以施加到控制信号，以将一个或多个车轮50的响应微调到驾驶员的转向请求。还应当注意，这可以应用在两轮转向和四轮转向配置中。

仅作为示例，角度传感器14可包括直接或间接地联接到方向盘轴的任何常规或新颖的转向角传感器(steering angle sensor，简称SAS)。转向角传感器本身可以使用不同的技术，但是作为示例，其可以使用一对感应传感器并且利用具有对于正被测量的角度不同的比率的智能传动装置来进行。以这种方式，可以提供绝对传感器，因为该对感应传感器的组合将能够限定精确的回转。此外，对于线控转向系统100，转向致动器系统22应当包括绝对传感器以确定车轮/车轮的确切位置/角度。如果包括请求被从方向盘系统12发送到转向致动器系统22的原因-角度/位置，则这变得相关。转向致动器系统22应具有角度/位置控制器以实际致动所发送的请求。车轮角度致动器24可以包括车轴模块(axle module)或单个车轮模块。来自常规转向系统的物理接口是连接到车轮轮毂的转向杆，其通过位置转动车轮。线控转向系统100通常使用电动马达来移动齿条(其是连接左/右杆的机械结构)。马达通过经由网络接收通信命令的电子控制单元(ECU)控制。电子控制单元的主要责任是将车轮50移动到由外部系统请求的位置中，并且为此目的，实现位置控制器。此外，具有考虑公差和干扰的附加功能，例如不完美的车轮对准。电子控制单元通常还处理车轮角度致动器24的控制。线控转向系统100中的外部请求是一些位置或角度，并且控制所述车轮50的车轮角度致动器24包括适当的位置/角度控制器。

在方向盘系统12中，除了使用感测方向盘的旋转程度的角度传感器14之外，还使用角速率传感器26来感测方向盘旋转的速率。该角速率输入32由角速率滤波器/调谐器30处理以生成被反馈到控制回路的角度偏移输出34以修改控制信号。该修改的控制信号然后被提供给转向致动器系统22的车轮角度致动器24并且用于控制一个或多个车轮50，前轮和/或后轮的响应。因此，考虑到方向盘的旋转的程度和速率，一个或多个车轮50的响应被更精确地微调到驾驶员的转向请求。

仅作为示例，角速率传感器26可包括获取方向盘的角度并通过获取多个角度样本上的差异来确定或估计导数(即，角速率)以及对该数据进行滤波以提供期望的分辨率和准确度的任何机构(无论是物理的还是数学的)。角速率滤波器/调谐器30通过例如将方向盘的角度与角速率的二阶传递函数组合来从角速率输入32导出角度偏移输出34，如下：

二阶系统：

角度+经滤波的角速率＝请求

式中，k是前馈角速度的增益，ξ是二阶传递函数的阻尼，ω_n是二阶传递函数的固有频率。传递函数应当与角度请求相乘。角度偏移输出34也可以独立地前馈到车轮角度致动器24，而不是作为组合控制信号的一部分。当车轮角度致动器24利用位置控制器时，这是有意义的。外部控制信号可以被添加在该位置控制器和车轮角度致动器24本身之间。主要构思是使车辆感觉更灵活，又不会影响车辆的轨迹太严重。在这个意义上，所使用的滤波器优选地使转向角“超前(leads)”。

因此，本文提供的线控转向系统和方法100抵消了轮胎力累积，其对于较大的滑移角更快，例如具有不同的轮胎构造和在高速时。这改善了在某些运行状态下车辆的处理和灵活性。作为结果，驾驶员的转向请求作为精确的车轮响应被干脆利落地执行。应当注意，除了结合方向盘的那些转向系统之外，还可以将这种多变量方法应用于其它转向系统，只要输入量值和输入速率信息二者都被利用以提供修改的控制信号，并且最终提供增强的车轮响应。

如上面提到的，该修改的控制信号也可以被提供给转向致动器系统22的车轮外倾致动器36，以使一个或多个车轮50外倾，如果期望，在某些条件下提供甚至更大的车辆响应性。这尤其适用于目前正在开发的半自主驾驶车辆，其利用车轮旋转、转动和枢转以实现期望的操纵。

图3显示了图1的常规线控转向系统和方法10的阶跃控制响应102和图2的本公开的线控转向系统和方法100的阶跃控制响应104之间的差异。可以看出，实现了更陡峭的车轮控制曲线，表明增强的车辆响应性和敏捷度。该响应性可以通过角速率滤波器/调谐器30(图2)选择性地修改角度偏移输出34(图2)的计算，根据不同的驾驶条件和/或针对不同的驾驶模式设置来修改，和/或被选择性地修改被并入到控制信号中的程度。

应认识到，依据示例，本文中所描述技术中的任意技术的某些动作或事项可按不同次序执行，可以一起被添加、合并或省略(例如，并非所有所描述的动作或事项对于所述技术的实践是必要的)。此外，在某些示例中，可例如通过多线程处理、中断处理或多个处理器同时而不是依序执行动作或事项。

在一个或多个示例中，所描述的功能可以以硬件、软件、固件或其任何组合来实施。如果以软件来实施，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或经由其进行传送，并由基于硬件的处理单元来执行。计算机可读介质可包括计算机可读存储介质，其对应于例如数据存储介质的有形介质，或包含促进将计算机程序例如根据通信协议从一处传送到另一处的任何媒介的通信介质。以此方式，计算机可读介质通常可对应于(1)非暂时性的有形的计算机可读存储介质，或(2)例如信号或载波的通信介质。数据存储介质可以为可由一台或多台计算机或者一个或多个处理器存取以检索用于实施本公开中所描述的技术的指令、代码及/或数据结构的任何可用介质。计算机程序产品可包括计算机可读介质。

作为示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、光盘只读存储器(CD-ROM)或其它光盘存储器、磁盘存储器、或其它磁性存储装置、闪存、或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任意其它介质。任意连接也被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或诸如红外(IR)、射频(RF)和微波的无线技术从网站、服务器或其他远程源传输指令，则同轴电缆、光缆、双绞线、数字用户线路或诸如红外、射频和微波的无线技术被包括在介质的定义中。然而，应理解，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其它暂时性媒介，而是针对非暂时性的有形存储介质。如本文所使用的，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据，而光盘用激光以光学方式复制数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

指令可以由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂的可编程逻辑器件(CPLD)或其他等同的集成或分立逻辑电路。因此，如本文中所使用的术语“处理器”可以指任意前述结构或适于实施本文中所描述技术的任意其它结构。另外，在一些方面中，本文中所描述的功能可设置在专用硬件和/或软件模块内。而且，所述技术可完全实施在一个或多个电路或逻辑元件中。

本公开的技术可以实施在多种多样的装置或设备中，包含集成电路(IC)或一组集成电路(例如，芯片组)。本公开中描述了各种部件、模块、或单元以强调被配置为执行所披露技术的装置的功能方面，但不是必须由不同的硬件单元实现。实际上，如上文所描述，各种单元可结合在硬件中，或者由包含上文所描述的一个或多个处理器的互操作硬件单元组合合适的软件和/或固件的集合提供。

作为概述，存在涉及施加到驾驶员/驾驶员的手的力的不同部件。轮胎摩擦元件涉及极高频(kHz到MHz)。可通过应用若干不同理论来对轮胎接触片(tire contact patch)动态特性进行建模。例如，画笔模型(Brush model)描述了轮胎接触片的变形和对应的力累积。变形速度直接取决于车辆的滑移角(slip angle)和速度(y方向上，当转动时也是如此)。这意味着，在较高的速度下，由于偏转速度已经相当高，人们希望较少补偿。在较低的速度下，可以对此效果进行一些补偿。轮胎侧壁偏转(tire sidewall deflection)是指当施加横向力时轮胎的侧壁变形。这种变形显著大于轮胎接触片变形，并且还给予了额外的响应时间。由于侧壁更快速地达到预期转向角的偏转“位置”，因此这种效应可以通过过冲(overshooting)转向角/使转向角相位超前来补偿。最后，车辆动力学和悬架涉及慢速动态(至多最大值5Hz，通常低于2Hz)。当试图补偿该级别上的车辆动态行为时，难以做到这一点，因为过冲需要相对较大并且将提供许多不希望的效果。因此，在该情境中，本公开不考虑对车身的动态行为(滚动(roll)和质量转移，例如)进行补偿。相反，本公开理想地补偿了轮胎接触片动态和轮胎侧壁偏转。

虽然本文参照优选实施例和其具体示例说明和描述了本公开，但是对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，其他实施例和示例可以执行类似的功能和/或实现类似的结果。所有这样的等同实施例和示例都在本发明的精神和范围内，因此被预期，并且对于所有目的，旨在被所附的非限制性权利要求覆盖。

Claims (15)

1.一种用于车辆的线控转向系统(100)，包括：

方向盘系统(12)，所述方向盘系统包括：方向盘；角度传感器或机构(14)，其联接或应用到所述方向盘并适于确定所述方向盘的有向角度量值和提供相应的控制信号；以及角速率传感器或机构(26)，其联接或应用到所述方向盘并适于确定所述方向盘的有向角速率和提供相应的控制信号偏移；和

转向致动器系统(22)，所述转向致动器系统包括车轮角度致动器(24)，所述车轮角度致动器联接到所述车辆的一个或多个车轮(50)并适于接收来自所述方向盘系统(12)的集合控制信号和控制信号偏移，并且响应于所述集合控制信号和控制信号偏移来转动所述一个或多个车轮(50)。

2.根据权利要求1所述的线控转向系统(100)，其中所述方向盘系统(12)还包括角速率滤波器/调谐器(30)，所述角速率滤波器/调谐器(30)适于接收来自所述角速率传感器或机构(26)的角速率输入(32)并且从所述角速率输入(32)导出对应于所述控制信号偏移的角度偏移输出(34)。

3.根据权利要求2所述的线控转向系统(100)，其中所述角速率滤波器/调谐器(30)包括可调谐前馈滤波器。

4.根据权利要求1所述的线控转向系统(100)，其中所述转向致动器系统(22)还包括车轮外倾致动器(36)，所述车轮外倾致动器(36)联接到所述车辆的一个或多个车轮(50)并适于接收来自所述方向盘系统(12)的集合控制信号和控制信号偏移，并且响应于所述集合控制信号和控制信号偏移而使所述一个或多个车轮(50)外倾。

5.根据权利要求2所述的线控转向系统(100)，其中所述角速率滤波器/调谐器(30)还适于基于所述车辆的选定驾驶模式来修改所述控制信号偏移。

6.一种其上存储有指令的计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行以下步骤：

接收使用被联接或应用到车辆的方向盘的角度传感器或机构(14)所确定的所述方向盘的有向角度量值并提供相应控制信号；

接收使用被联接或应用到所述方向盘的角速率器或机构(26)所确定的所述方向盘的有向角速率并提供相应控制信号偏移；和

响应于集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述车辆的一个或多个车轮(50)的车轮角度致动器(24)以转动所述一个或多个车轮(50)。

7.根据权利要求6所述的计算机可读介质，其中所述指令包括角速率滤波器/调谐器算法(30)，其适于接收来自所述角速率传感器或机构(26)的角速率输入(32)并从所述角速率输入(32)导出对应于所述控制信号偏移的角度偏移输出(34)。

8.根据权利要求7所述的计算机可读介质，其中所述角速率滤波器/调谐器算法(30)包括可调谐前馈滤波器算法。

9.根据权利要求6所述的计算机可读介质，其中所述步骤还包括：

响应于所述集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述一个或多个车轮(50)的车轮外倾致动器(36)以使所述一个或多个车轮(50)外倾。

10.根据权利要求7所述的计算机可读介质，其中所述角速率滤波器/调谐器算法(30)还适于基于所述车辆的选定驾驶模式来修改所述控制信号偏移。

11.一种用于车辆的线控转向方法，包括：

接收使用被联接或应用到所述车辆的转向控制装置(12)的量值参数传感器或机构(14)所确定的有向量值参数并提供相应的控制信号；

接收使用被联接或应用到所述转向控制装置(12)的速率参数传感器或机构(26)所确定的有向速率参数并提供相应控制信号偏移；和

响应于集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述车辆的一个或多个车轮(50)的车轮角度致动器(24)以转动所述一个或多个车轮(50)。

12.根据权利要求11所述的线控转向方法，还包括：使用速率参数滤波器/调谐器算法(30)，接收来自所述速率参数传感器或机构(26)的速率参数输入(32)，并从所述速率参数输入(32)导出对应于所述控制信号偏移的速率参数偏移输出(34)。

13.根据权利要求11所述的线控转向方法，还包括：

响应于所述集合控制信号和控制信号偏移，使用所述集合控制信号和控制信号偏移来致动被联接到所述一个或多个车轮(50)的车轮外倾致动器(36)以使所述一个或多个车轮(50)外倾。

14.根据权利要求11所述的线控转向方法，其中所述量值参数是角度量值参数和线性量值参数中的一个。

15.根据权利要求11所述的线控转向方法，其中所述速率参数是角速率参数和线性速率参数中的一个。

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