CN113436522A - 一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学演示技术领域，具体涉及一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置及其控制方法。本发明包括中间交汇台、导槽及回流槽；以一组尾端衔接的导槽与回流槽共同配合形成一组导向组件，导向组件为两组且相对中间交汇台的轴线轴对称布置；以两组轴对称布置的导向组件为一套直线演示单元，两套以上的直线演示单元环绕中间交汇台的轴线依序布置；沿中间交汇台的周向，每套直线演示单元处直行程动力源的击打速度存在速度差或击打时间存在时间差。本发明具备代入性强、直观度高以及参与性强的优点，能使得参观者对无人驾驶技术了解的更为全面和深刻。本发明的控制方法还能够进一步提升无人驾驶演示装置的工作可靠性和稳定性。

Description

一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置及其控制方法

技术领域

本发明属于教学演示技术领域，具体涉及一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置及其控制方法。

背景技术

无人驾驶汽车是智能汽车的一种，也称为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶的目，首要要求就是其安全性和稳定性。无人驾驶汽车的应用前景非常广泛，然而现阶段用于研究无人驾驶汽车的演示教具相对匮乏，当前学校的教学方式还是以书本和理论为主的教学方式，以老师为中心的教学方式。随着科技的发展，对无人驾驶汽车的教育要求越来越全面，传统的仅限于在黑板上进行的二维平面教学方式，其演示效果差的缺陷已经越来越明显；课程代入性差，参与度低，随之带来学生的学习积极性降低，最终给实际教学质量带来诸多不利影响。

发明内容

本发明的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其能直观的演示出无人驾驶汽车在交叉道路处的安全行驶现象，具备了代入性强、直观度高以及参与性强的优点，能使得参观者对无人驾驶技术了解的更为全面和深刻。本发明的另一个目的在于提出一种基于该装置的控制方法，从而进一步提升无人驾驶演示装置的工作可靠性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：包括水平安装在底座上的中间交汇台、以及布置在中间交汇台旁侧的沿中间交汇台径向延伸的可供球体行进的导槽；以导槽的与中间交汇台连接的一端为首端，导槽的尾端布置有用于击打导槽内球体的直行程动力源，且直行程动力源相对球体的击打方向平行导槽的槽长方向；导槽的旁侧布置槽长方向平行导槽槽长方向的回流槽，回流槽尾端与导槽的尾端通过过渡段衔接彼此，从而使球体能够由回流槽滑入导槽处的击打点处；以一组尾端衔接的导槽与回流槽共同配合形成一组导向组件，所述导向组件为两组且相对中间交汇台的轴线轴对称布置；以两组轴对称布置的导向组件为一套直线演示单元，两套以上的直线演示单元环绕中间交汇台的轴线依序布置；沿中间交汇台的周向，每套直线演示单元处直行程动力源的击打速度存在速度差或击打时间存在时间差。

所述过渡段包括用于同时封闭导槽尾端和回流槽尾端的封板，且导槽尾端和回流槽尾端的相邻槽壁贯通从而形成可供球体通行的通道；位于导槽槽腔处的一段封板上开设有缺口或贯穿孔，从而可供击打气缸的活塞杆穿过，该活塞杆的杆端构成击打球体的击打端，该击打气缸构成所述直行程动力源。

位于回流槽槽腔处的一段封板上布置有用于减速球体的缓冲垫；且该段封板与回流槽的外侧槽壁之间圆滑过渡。

所述导槽和回流槽的槽底均为由尾端至首端高度渐高的斜面，导槽和回流槽的首端高度与中心交汇台的台面高度一致。

所述导槽和回流槽的斜坡状槽底与水平面之间夹角为1.5°。

在回流槽首端的槽底处铅垂贯穿布置限位孔，限位气缸布置在回流槽下方，限位气缸的活塞杆端铅垂向上的贯穿限位孔且能够伸至回流槽槽腔内。

导槽首端处同样布置限位孔和与限位孔配合的限位气缸。

一种应用权利要求1所述无人驾驶演示装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、受力分析可知，球体沿斜面运动所受的阻力f为：

f＝F+μF’＝Gsinα+μGcosα＝mg(sinα+cosα)；

其中：

F为：球体重力在水平方向的分力；

F’为：球体重力在垂直于斜面方向的分力；

m为球体的质量；

g为重力加速度；

α为导向组件的槽底倾角；

2)、则球体在导向组件的槽底上运动的加速度a为：

a＝f/m＝g(sinα+μcosα)；

其中：

μ为球体与导向组件槽底的摩擦系数；

3)、以直行程动力源击球后球体的初速度为V₀，则球体沿相应槽的槽底从尾端移动到首端的时间为t₁，则：

V₁＝V₀-at₁ ² (公式2)；

其中：

S_AD为导槽或回流槽的槽长；

V₀为球体的初速度；

t₁为球体沿槽底从尾端移动到首端的时间；

a为球体在导向组件的槽底上运动的加速度；

V₁为球体运动至导向组件与中间交汇台的结合处时的瞬时速度；

4)、将V₁视为水平速度，则球体从导向组件与中间交汇台的结合处运动到相邻导向组件处两球体移动路径的交点处的距离为S_DE，时间为t₂，则:

而

将公式3代入则：

其中：

S_BC为中间交汇台的直径；

L为当前导槽处球体偏离中心交汇台轴线的距离；

β为相邻两条导向组件之间的夹角；

5)、球体从导槽尾端也即击打点运动到相邻导向组件处两球体移动路径的交点处所用的时间T₁：

T₁＝t₁+t₂ (公式5)；

从式中可以看出T₁只与球体与导向组件的摩擦系数μ、导向组件的槽底倾角α、相邻两条导向组件之间的夹角β、球体初速度V₀、导槽或回流槽的槽长S_AD、中间交汇台的直径S_BC，当前导槽处球体偏离中心交汇台轴线的距离L以及球体的质量m有关，且上述参数均为已知参数；

6)、由于直行程动力源相对球体的击打速度等于球体的初速度，通过控制球体从导槽尾端运动到相邻导向组件处两球体移动路径的交点所用的时间T₁，即能够实现全部直线演示单元处球体在行进时彼此互不干涉。

在5)步骤后，还需设定相邻两组导向组件击打球体的时间差ΔT：

ΔT＝(T₁-T₂)+Δt；

其中：

以相邻两组导向组件内，其中一组导向组件中球体为一号球，而另一组导向组件内球体为二号球，则：

T₁为一号球体从击打点运动到两球体移动路径的交点处所用的时间；

T₂为二号球从击打点运动至贴靠位于所述交点处一号球时所用的时间；

Δt为安全系数时间，Δt＞0，改变此值用于拉开一号球和二号球的间距。

本发明的有益效果在于：

1)、通过上述方案，一方面，依靠两组直线布置的导向组件彼此配合，形成球体循环通道；每个球体在被第一组导向组件处直线动力源击打后，会经由中间交汇台进入对向组的导向组件处的回流槽内，并回流至对向组的导向组件处的导槽中，再被该处的直行程动力源以一定的初速度击打回来；如此往复，形成了球体的闭环式的击打循环。另一方面，当上述球体循环通道为多组时，通过控制击打速度或击打力度，使得相邻的球体循环通道，也即相邻两套直线演示单元内的球体在经过中间交汇台时产生时间差，从而互不碰撞。当不断提升击打力度或缩短击打的时间差至一定值时，球体会高速行进并产生“川流不息”的效果，有效的模拟了常见的无人驾驶汽车在交叉道路处的非碰撞式的安全行驶现象，参观者的参与度极强，视觉冲击巨大，能使得参观者对无人驾驶技术了解的更为全面和深刻。

当然，实际使用时，本发明也可以用于其他的球体不碰撞演示场合，从而实现相应领域的教学目的，甚至也可以应用至馆内展示等场合中，此处就不再赘述。

2)、对于直行程动力源而言，可以是曲柄滑块机构，也可以是任何能够实现直行程动力驱动的动力源；本发明优选采用击打气缸，从而在确保击打效果的同时，使得整体构造更为简洁合理，也能保证外观上的整洁性，一举多得。

3)、缓冲垫的布置，目的在于缓冲由回流槽处高速行进来的球体，从而将球体的球速尽可能的降低，直至使得球体经由过渡段移动至导槽尾端处的击打点时球速趋向于零。这样，每次直行程动力源相对球体的击打速度就刚好等于球体的初速度，而不会产生不可控的偏差，整个装置的工作可靠性及稳定性能得到有效提升。

4)、在进行导槽、过渡段及回流槽的设计时，需注意：其一，导槽和回流槽的槽底均为斜面结构，也即当球体被击打出时，其是需要克服重力的，而球体在回巢时则自然滚落，目的在于不仅合适的上坡面，能始终保证球体在击打点始终“压”在击打气缸的活塞杆端处，使得击打气缸的击打动作的有效性更高。同时，合适的下坡面，也使得在移速末程的球体能始终滚落到过渡段内，为后续的球体引导至导槽内做好先期准备。其二，过渡段为一侧圆倒角一侧直角的布局，靠近回流槽的圆倒角结构使得球体的回巢动作更为顺畅，而靠近导槽处的直角构造使得球体在击发时，不会与导槽槽体产生过多摩擦，降低了无用功的支出，进一步提升了击球的稳定性和可靠性。

5)、回流槽处限位孔和限位气缸的设计，目的在于可实现本发明的无人演示功能。在本发明处于初始状态时，限位气缸处于升程状态，限位气缸的活塞杆端伸出限位孔并进入回流槽的槽腔，球体放置在回流槽的首端并被该活塞杆端限位。工作时，限位气缸回程，活塞杆端缩回限位孔，在槽底的斜面作用下，球体沿回流槽自动下滚并进入导槽的尾端，再被击打出去，随后实现无人状态下的无线循环击发操作。当需要停止本发明时，限位气缸升程，所有球体会在碰撞到限位气缸的伸出限位孔的活塞杆端后停止，回复至初始状态，留待下次再用。

显然，上述结构提升了本发明的使用效率，操作极为简便快捷。导槽处同样可布置上述限位气缸及相应的限位孔，从而实现单组导向组件处复数球体的依序击发需求，提升其视觉冲击力，并可有效提升其教学效果。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的剖视图；

图4为一套直线演示单元处槽底与中间交汇台台面的配合状态图；

图5为图2所示结构上的各球体的行进路径简图；

图6为球体的受力分析图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

10-底座 20-中间交汇台

31-导槽 32-回流槽 33-击打气缸

34-过渡段 34a-缺口 34b-缓冲垫 35-限位气缸

40-球体

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-6，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体结构如图1-3所示，其主要结构包括底座10、位于底座10上的中间交汇台20以及径向发散状的布置在中间交汇台20外周的各组导向组件。从图1-2中可看出，每两组沿中间交汇台20轴线轴对称布置的两组导向组件形成了可供球体40往复通行的循环通道，也即形成一套直线演示单元；球体40沿一套直线演示单元不断的产生由导槽31至回流槽32再至导槽31的击打和行进动作，且动作路径均经过中间交汇台20的台面。

实际设计时，球体40的击打动作由直行程动力源来完成，本发明优选采用击打气缸33。工作时，击打气缸33位于导槽31尾端，且击打方向平行导槽31的槽长方向，从而将球体40击打至对向组的导向组件处，从而实现球体40的直线行进动作；该直线行进动作也就构成了无人驾驶汽车的正常直线行进动作。通过控制击打气缸33的击打速度或击打力度，使得相邻的球体循环通道也即相邻两套直线演示单元内的球体40在经过中间交汇台20时产生时间差，从而互不碰撞。当不断提升击打力度或缩短击打的时间差至一定值时，球体40会高速行进并产生“川流不息”的效果，有效的模拟了常见的无人驾驶汽车在交叉道路处的非碰撞式的安全行驶现象。

为保证球体40的回流循环效果，本发明一方面依靠如图1-2所示的回流槽32与导槽31的并列排布方式，使得当前组导向组件的导向槽的首端必然笔直指向对向组导向组件的回流槽32的首端，以确保球体40由导槽31顺畅行进至回流槽32内；另一方面，在当前组导向组件的回流槽32与导槽31的尾端布置衔接两者的U型槽状的过渡段34，从而将球体40从回流槽32顺畅引导至导槽31处。显然，球体40由导槽31越过中间交汇台20台面行进至对向组导向组件的回流槽32，再由回流槽32经过过渡段34回流至导槽31，随后再由导槽31越过中间交汇台20台面行进至对向组导向组件回流槽32，依次循环往复，即形成了目不暇接的视觉冲击效果，参观者的参与度和代入感能得到显著提升。

对于过渡段34而言，其可以看成是现在整组导向组件的尾端布置同时封闭导槽31尾端和回流槽32尾端的封板，且导槽31尾端和回流槽32尾端的相邻槽壁贯通从而形成可供球体40通行的通道。此时，再在封板上布置缺口34a或贯穿孔，从而便于如图1-3所示的击打气缸33产生既定的击打动作。同时，在封板上还相应如图2所示的布置有缓冲垫34b，且该段封板与回流槽32的外侧槽壁之间圆滑过渡，以实现球体40的减速和顺畅移动目的。缓冲垫34b的布置和该段封板的圆滑过渡方式极为重要，其直接影响到球体40在进入击打点后的位置精准性和速度归零性，从而保证了球体40的击打可靠性和稳定性，尽可能的降低了球体40沿导槽31行进时产生的诸多意外，成效显著。

在图1和3中可看出，回流槽32甚至是导槽31的首端处实际上是布置有限位孔的，配合限位气缸35，以起到对球体40初始或最终位置的限定目的，以提升本发明的操作便捷性。导槽31及回流槽32的槽底可以做成与中间交汇台20台面等高的水平状，本发明优选做出带倾角的斜面构造，从而用于增加演示功能要求。当然，直线演示单元的数目、单条导槽31或单条回流槽32内球体40的对数都可以变动。

为便于理解，此处给出本发明的实际控制方式如下：

1)、按照如图6所示的受力分析可知，球体沿斜面运动所受的阻力f为：

f＝F+μF’＝Gsinα+μGcosα＝mg(sinα+cosα)；

其中：

F为：球体重力在水平方向的分力；

F’为：球体重力在垂直于斜面方向的分力；

m为球体的质量；

g为重力加速度；

α为导向组件的槽底倾角；

2)、则球体在导向组件的槽底上运动的加速度a为：

a＝f/m＝g(sinα+μcosα)；

其中：

μ为球体与导向组件槽底的摩擦系数；

3)、以击打气缸击球后球体的初速度为V₀，则球体沿相应槽的槽底从尾端A移动到首端D的时间为t₁，则：

V₁＝V₀-at₁ ² (公式2)；

其中：

S_AD为导槽或回流槽的槽长；

V₀为球体的初速度；

t₁为球体沿槽底从尾端A移动到首端D的时间；

a为球体在导向组件的槽底上运动的加速度；

V₁为球体运动至导向组件与中间交汇台的结合处D时的瞬时速度；

4)、将V₁视为水平速度，则球体从导向组件与中间交汇台的结合处D运动到相邻导向组件处两球体移动路径的交点E处的距离为S_DE，时间为t₂，则:

而

将公式3代入则：

其中：

S_BC为中间交汇台的直径；

L为当前导槽处球体偏离中心交汇台轴线的距离；

β为相邻两条导向组件之间的夹角；

5)、球体从导槽尾端A也即击打点运动到相邻导向组件处两球体移动路径的交点E处所用的时间T₁：

T₁＝t₁+t₂ (公式5)；

从式中可以看出T₁只与球体与导向组件的摩擦系数μ、导向组件的槽底倾角α、相邻两条导向组件之间的夹角β、球体初速度V₀、导槽或回流槽的槽长S_AD、中间交汇台的直径S_BC，当前导槽处球体偏离中心交汇台轴线的距离L以及球体的质量m有关，且上述参数均为已知参数；

以两套相邻的直线演示单元为一号轨道和二号轨道，其上球体对应命名为一号球和二号球，当采用上述控制方式时，则如图4-5所示的：当一号轨道处一号球运动到两轨道交点E处，此时二号轨道的二号球运动至G点，也即紧挨一号球；此时，其实并非为错球最短时间，故此我们加上一个Δt，即安全系数时间或者说是相邻两组导向组件击打球体的时间差；也即：

设定相邻两组导向组件击打球体的时间差ΔT：

ΔT＝(T₁-T₂)+Δt；

其中：

以相邻两组导向组件内，其中一组导向组件中球体为一号球，而另一组导向组件内球体为二号球，则：

T₁为一号球体从击打点运动到两球体移动路径的交点处所用的时间；

T₂为二号球从击打点运动至贴靠位于所述交点处一号球时所用的时间；

Δt为安全系数时间，Δt＞0，改变此值用于拉开一号球和二号球的间距；

6)、由于直行程动力源相对球体的击打速度等于球体的初速度，通过控制球体从导槽尾端A运动到相邻导向组件处两球体移动路径的交点E所用的时间T₁，即能够实现全部直线演示单元处球体在行进时彼此互不干涉。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：包括水平安装在底座(10)上的中间交汇台(20)、以及布置在中间交汇台(20)旁侧的沿中间交汇台(20)径向延伸的可供球体(40)行进的导槽(31)；以导槽(31)的与中间交汇台(20)连接的一端为首端，导槽(31)的尾端布置有用于击打导槽(31)内球体(40)的直行程动力源，且直行程动力源相对球体(40)的击打方向平行导槽(31)的槽长方向；导槽(31)的旁侧布置槽长方向平行导槽(31)槽长方向的回流槽(32)，回流槽(32)尾端与导槽(31)的尾端通过过渡段(34)衔接彼此，从而使球体(40)能够由回流槽(32)滑入导槽(31)处的击打点处；以一组尾端衔接的导槽(31)与回流槽(32)共同配合形成一组导向组件，所述导向组件为两组且相对中间交汇台(20)的轴线轴对称布置；以两组轴对称布置的导向组件为一套直线演示单元，两套以上的直线演示单元环绕中间交汇台(20)的轴线依序布置；沿中间交汇台(20)的周向，每套直线演示单元处直行程动力源的击打速度存在速度差或击打时间存在时间差。

2.根据权利要求1所述的一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：所述过渡段(34)包括用于同时封闭导槽(31)尾端和回流槽(32)尾端的封板，且导槽(31)尾端和回流槽(32)尾端的相邻槽壁贯通从而形成可供球体(40)通行的通道；位于导槽(31)槽腔处的一段封板上开设有缺口(34a)或贯穿孔，从而可供击打气缸(33)的活塞杆穿过，该活塞杆的杆端构成击打球体(40)的击打端，该击打气缸(33)构成所述直行程动力源。

3.根据权利要求2所述的一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：位于回流槽(32)槽腔处的一段封板上布置有用于减速球体(40)的缓冲垫(34b)；且该段封板与回流槽(32)的外侧槽壁之间圆滑过渡。

4.根据权利要求3所述的一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：所述导槽(31)和回流槽(32)的槽底均为由尾端至首端高度渐高的斜面，导槽(31)和回流槽(32)的首端高度与中心交汇台(20)的台面高度一致。

5.根据权利要求4所述的一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：所述导槽(31)和回流槽(32)的斜坡状槽底与水平面之间夹角为1.5°。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：在回流槽(32)首端的槽底处铅垂贯穿布置限位孔，限位气缸(35)布置在回流槽(32)下方，限位气缸(35)的活塞杆端铅垂向上的贯穿限位孔且能够伸至回流槽(32)槽腔内。

7.根据权利要求6所述的一种基于交叉道路的无人驾驶演示装置，其特征在于：导槽(31)首端处同样布置限位孔和与限位孔配合的限位气缸(35)。

8.一种应用权利要求1或2或3或4或5所述无人驾驶演示装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、受力分析可知，球体(40)沿斜面运动所受的阻力f为：

f＝F+μF’＝Gsinα+μGcosα＝mg(sinα+cosα)；

其中：

F为：球体重力在水平方向的分力；

F’为：球体重力在垂直于斜面方向的分力；

m为球体的质量；

g为重力加速度；

α为导向组件的槽底倾角；

2)、则球体(40)在导向组件的槽底上运动的加速度a为：

a＝f/m＝g(sinα+μcosα)；

其中：

μ为球体(40)与导向组件槽底的摩擦系数；

3)、以直行程动力源击球后球体(40)的初速度为V₀，则球体(40)沿相应槽的槽底从尾端移动到首端的时间为t₁，则：

V₁＝V₀-at₁ ² (公式2)；

其中：

S_AD为导槽(31)或回流槽(32)的槽长；

V₀为球体(40)的初速度；

t₁为球体(40)沿槽底从尾端移动到首端的时间；

a为球体(40)在导向组件的槽底上运动的加速度；

V₁为球体(40)运动至导向组件与中间交汇台(20)的结合处时的瞬时速度；

4)、将V₁视为水平速度，则球体(40)从导向组件与中间交汇台(20)的结合处运动到相邻导向组件处两球体(40)移动路径的交点处的距离为S_DE，时间为t₂，则:

而

将公式3代入则：

其中：

S_BC为中间交汇台(20)的直径；

L为当前导槽(31)处球体(40)偏离中心交汇台(20)轴线的距离；

β为相邻两条导向组件之间的夹角；

5)、球体(40)从导槽(31)尾端也即击打点运动到相邻导向组件处两球体(40)移动路径的交点处所用的时间T₁：

T₁＝t₁+t₂ (公式5)；

从式中可以看出T₁只与球体(40)与导向组件的摩擦系数μ、导向组件的槽底倾角α、相邻两条导向组件之间的夹角β、球体(40)初速度V₀、导槽(31)或回流槽(32)的槽长S_AD、中间交汇台(20)的直径S_BC，当前导槽(31)处球体(40)偏离中心交汇台(20)轴线的距离L以及球体(40)的质量m有关，且上述参数均为已知参数；

6)、由于直行程动力源相对球体(40)的击打速度等于球体(40)的初速度，通过控制球体(40)从导槽(31)尾端运动到相邻导向组件处两球体(40)移动路径的交点所用的时间T₁，即能够实现全部直线演示单元处球体(40)在行进时彼此互不干涉。

9.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于：在5)步骤后，还需设定相邻两组导向组件击打球体(40)的时间差ΔT：

ΔT＝(T₁-T₂)+Δt；

其中：

以相邻两组导向组件内，其中一组导向组件中球体(40)为一号球，而另一组导向组件内球体(40)为二号球，则：

T₁为一号球体(40)从击打点运动到两球体(40)移动路径的交点处所用的时间；

T₂为二号球从击打点运动至贴靠位于所述交点处一号球时所用的时间；

Δt为安全系数时间，Δt＞0，改变此值用于拉开一号球和二号球的间距。

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