CN118234648A - 用于重型车辆加速和减速的基于车轮滑移的控制 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制重型车辆(100)的运动的方法,其中所述车辆被布置成基于所述车辆上的至少一个从动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))来进行控制,所述方法包括:监测所述车辆(100)的带符号的加速度(v′x(k));监测所述至少一个从动轮(102)的带符号的当前纵向车轮滑移(λx(k));并且如果所述监测到的加速度和所述当前纵向车轮滑移具有相同的符号,则如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))的量值减小而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))的量值不减小,则减小所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))的量值;以及基于所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))来控制所述至少一个从动轮(102)的车轮滑移。
Description
技术领域
本公开涉及用于重型车辆的车辆运动管理,即,运动支持装置(诸如,行车制动器、推进装置和动力转向装置)的协调控制。本发明可适用于重型车辆,诸如卡车、公共汽车和施工机器。虽然本发明将主要关于诸如半挂车车辆和卡车的货物运输车辆进行描述,但是本发明不限于这种特定类型的车辆,而是也可用于诸如汽车的其他类型的车辆。
背景技术
车辆在机械、气动、液压、电子和软件方面变得越来越复杂。现代重型车辆可包括各种不同的物理装置,诸如燃烧发动机、电机、摩擦制动器、再生制动器、减震器、空气波纹管和动力转向泵。这些物理装置通常被称为运动支持装置(MSD)。MSD可以是单独可控的,举例来说,使得可在一个车轮处应用摩擦制动器,即,负扭矩,而车辆上的另一个车轮(甚至可能在同一轮轴上)同时用于借助于电机生成正扭矩。
例如在中央车辆控制单元(VCU)上执行或分布在电子控制单元(ECU)的网络上的最近提出的车辆运动和动力管理(VMPM)功能性依赖于MSD的组合来操作车辆,以便获得期望的运动效果,同时维持车辆稳定性、成本效率和安全性。WO2019072379 A1公开了一个此种示例,其中选择性地使用车轮制动器来辅助重型车辆的转弯操作。VMPM控制可有利地基于从VMPM传输到MSD控制单元的车轮转速请求或车轮滑移请求,所述MSD控制单元通过低延迟-高带宽控制环路控制各种MSD,旨在将车轮行为维持为尽可能接近所请求的车轮滑移或车轮转速值。VMPM控制还可包括从VMPM传输到MSD控制单元的更传统的基于扭矩的请求。
基于车轮滑移的控制策略通常依赖于轮胎力与车轮滑移之间关系的某种模型。获得此类模型的高精度通常是一项具有挑战性的任务。例如,模型可能依赖于路面特性,所述路面特性可能沿着路线而变化,并且通常很难根据传感器精确地推断出来。因此,基于车轮滑移的控制(诸如,施加车轮滑移极限)倾向于使用某种平均情景的模型,但在大多数情况下这是次优的。需要改进基于车轮滑移的控制方法和控制架构。
发明内容
本公开的目标是提供用于改进车辆控制的方法和控制单元。该目标至少部分地通过一种控制重型车辆运动的方法来获得,所述重型车辆被布置成基于与车辆上的至少一个从动轮的车速相关的目标纵向车轮滑移或车轮转速来进行控制。该方法包括监测车辆的带符号的加速度以及至少一个从动轮的带符号的当前纵向车轮滑移,即加速度值和车轮滑移值可取正值和负值两者,其中符号约定是相对于车辆的参考方向限定的。在监测到的加速度和当前纵向车轮滑移具有相同符号的情况下,该方法包括:如果监测到的车辆加速度的量值减小而监测到的当前纵向车轮滑移不减小或者增大,则减小至少一个从动轮的目标纵向车轮滑移的量值;以及基于目标纵向车轮滑移来控制至少一个从动轮的车轮滑移。
所公开的方法适用于在前进方向上行驶以及倒退的车辆的推进(正加速)和减速(制动)。举例来说,可在以下情况下执行该方法:当车辆的带符号的加速度为正加速度并且带符号的当前纵向车轮滑移为正车轮滑移时,这对应于车辆推进操作(在前进方向或倒退方向上)。然后,该方法规定,如果监测到的车辆加速度减小而监测到的当前纵向车轮滑移不减小或增加,则减小至少一个从动轮的目标纵向车轮滑移。
减小目标纵向车轮滑移可作为一种干预措施,旨在作为基本目标滑移计算之上的安全网,以应对其中涉及的不确定性(例如,根据轮胎模型计算)。换句话说,所公开的方法可将特定情形下是次优的基本滑移目标调整为更合适的车辆控制值。本公开可动态地更新车轮滑移目标。例如,这增加了避免由于次优基本目标滑移而导致车辆失速的机会。在所公开的方法中,目标滑移可纯粹基于测量结果,并且它不需要了解路面、车辆、轮胎或任何其他与摩擦相关的环境条件,而这些知识在其他基于车轮滑移的控制方法中通常是必需的,这是一个优点。
通常不期望出现以下场景:加速度在减小,而纵向车轮滑移却在增加或维持不变,因为这可能表明轮胎力在纵向车轮滑移与轮胎力之间的关系中进入了非线性区域。因此,所公开的方法使用一种算法来控制车轮滑移,该算法一旦意识到车辆正在失去加速度而滑移保持稳定或增加时,就会通过减少目标滑移来进行干预。这为车辆提供了一个简单而有效的控制方案。例如,如果要在上坡碎石路上驾驶或启动车辆,则基本目标滑移可能设置得太高,并且致使车辆过度滑移,从而失去加速度。因为监测到的车辆加速度由于车轮滑移过大而减小,而监测到的当前纵向车轮滑移不减小,所以目标车轮滑移将减小至更适合在碎石路上行驶的值。
也可在以下情况下执行本文公开的方法:当车辆的带符号的加速度为负加速度并且带符号的当前纵向车轮滑移为负车轮滑移时,这对应于车辆制动操作(在前进方向上或当倒退时)。在这种情况下,该方法规定,如果监测到的车辆加速度增加(变得不那么负)而监测到的当前纵向车轮滑移不增加或减小(变得更负),则增加至少一个从动轮的目标纵向车轮滑移。车辆的这种行为改善制动性能,就像正加速期间改善推进性能一样。如果期望对重型车辆进行制动,并且确定车轮滑移变得更负(量值增大),同时加速度变得不那么负(量值减小),则增加制动操作的目标纵向车轮滑移,以便提高制动车轮力。这减轻了与不正确的逆(inverse)轮胎模型(在制动期间将轮胎力映射到车轮滑移)相关的问题,从而使得制动操作对建模误差更具弹性,这是一个优势。
如上面所提及的,相对于参考车速方向来限定监测到的加速度的符号和当前纵向车轮滑移的符号。因此,如果车辆在前进方向上行进,则正车轮滑移是在前进方向上提供正车轮力的车轮滑移,而负车轮力则是对车辆进行制动的车轮力。对于倒车而言,情况也是如此,即正车轮滑移会在倒退方向上生成正车轮力,而负车轮滑移会使车辆在倒退操纵期间减慢。
如果监测到的加速度和当前纵向车轮滑移具有不同的符号,则可能发生了不期望的事件,并且该方法任选地包括在发生这种情况时触发紧急例程。举例来说,重型车辆可能会在车轮在倒退方向上自旋时在前进方向下滑下山坡,或者重型车辆可能会在车轮在前进方向上自旋时向后滑下斜坡。紧急例程可包括例如触发牵引力控制系统和紧急停止系统,或某种其他情形避免操纵。此类紧急例程超出了本公开的范围。
可以不同的方式确定量值减小之后的目标纵向车轮滑移,举例来说,基于当前纵向车轮滑移或者基于先前的目标纵向车轮滑移,如下文将详细解释的。
该方法还可包括:如果监测到的车辆加速度的量值没有减小而监测到的当前纵向车轮滑移的量值不减小,则增加至少一个从动轮的目标纵向车轮滑移的量值。这种机制可提高重型车辆在困难情形下生成车轮力的能力,因为当认为这会导致车轮力能力增加时,允许增加可允许的车轮滑移量值。总体而言,这提供了一种自适应车辆控制系统,所述自适应车辆控制系统能够以有利的方式针对当前工况调整其操作。
此外,该方法可包括:如果监测到的车辆加速度的量值增加而监测到的当前纵向车轮滑移的量值减小,则减小至少一个从动轮的目标纵向车轮滑移的量值。同样,重型车辆的这种行为可以增加重型车辆的车轮力生成能力,这是一个优势。该特征还提供了能够针对重型车辆的各种工况进行调整的更具适应性的控制系统。
根据各方面,目标车轮滑移是基于车辆加速度的变化和/或基于当前纵向车轮滑移的变化而确定的。使目标车轮滑移基于加速度和/或当前车轮滑移的变化量值可能是更快地达到期望和最佳当前车轮滑移的好方法。
根据各方面,目标车轮滑移是基于加速度的变化和当前纵向车轮滑移的变化的加权组合而确定的。这样,可选择加权/归一化因子来调整加速度变化和车轮滑移变化对目标车轮滑移的相对重要性。所述因子可包括加权和/或归一化,并且可根据当前运输任务、当前操作环境和/或当前车辆类型或载荷来设置。
根据各方面,目标车轮滑移是基于加速度的变化和当前纵向车轮滑移的变化以及环路增益因子而确定的。这样,可更有效地控制目标车轮滑移的变化率,如下文将更详细地解释的那样。如果监测到的车辆加速度减小或不减小,而监测到的当前纵向车轮滑移不减小,则可不同地配置环路增益系数。这样,目标车轮滑移就可稳定在某个值附近,这意味着,在不太可能的稳定状态情形下,滑移目标变得渐近稳定。
根据各方面,环路增益因子和/或加权组合中的因子是基于驾驶场景而动态更新的。与车轮滑移变化相比,加速度变化的相对重要性在不同场景(诸如,具有不同摩擦力的不同地面条件)下可能不同。类似地,可能期望针对不同场景调整变化率(即,环路增益)。
根据各方面,根据从动轮与非从动轮之间的速度差来确定当前纵向车轮滑移。这是一种获得车轮滑移的简单而又精确的方式。
根据各方面,从加速度计获得所述加速度。这提供了一种获得精确加速度值的经济有效的方式。替代地,或者组合地,从车辆的速度获得加速度。当然,也可使用诸如雷达或激光雷达传感器的传感器来以精确方式确定车辆加速度。
根据各方面,加速度是从动轮的纵向加速度。这样,加速度就可经由轮胎模型与车轮滑移相关。
本文还公开了与上文讨论的优点相关联的计算机程序、计算机可读介质、计算机程序产品、控制单元和车辆。
通常,权利要求中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义进行解释,除非本文另有明确定义。所有对“一种/一个/所述元件、设备、部件、构件、步骤等”的引用将开放性地解释为是指元件、设备、部件、构件、步骤等的至少一个实例,除非另有明确声明。本文公开的任何方法的步骤不必按所公开的确切顺序执行,除非进行明确声明。当研究所附权利要求和以下描述时,本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。技术人员认识到,在不背离本发明的范围的情况下,可组合本发明的不同特征以创建下文描述的实施方案之外的实施方案。
附图说明
下文将参考附图更详细地描述作为示例引用的本发明的实施方案。在附图中:
图1是示出示例重型车辆的横向侧视图;
图2示出了示例运动支持装置控制装置;
图3A至图3B是示出示例轮胎力与车轮滑移的曲线图;
图4A至图4B示意性地示出了车轮滑移控制规则;
图5示出了示例车辆控制功能架构;
图6示意性地示出了控制单元;
图7示出了示例计算机程序产品;并且
图8是示出方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文参考附图更完整地描述本发明,在附图中示出了本发明的某些方面。然而,本发明可以许多不同形式体现并且不应被解释为限于本文阐述的实施方案和方面;而是,以举例方式提供这些实施方案,使得本公开将是透彻并且完整的,并且将本发明的范围全面传达给本领域技术人员。贯穿本说明书,相同的附图标记指代相同的元件。
应当理解,本发明不限于本文描述和附图中所示的实施方案;而是,本领域技术人员将认识到可在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。
参考图1,描绘了呈卡车形式的车辆100。车辆包括多个车轮102,其中车轮102中的每一者包括相应的运动支持装置(MSD) 104。虽然图1中描绘的实施方案示出了用于车轮102中的每一者的MSD,但是应当容易理解,例如一对车轮102可被布置为没有此种MSD 104。而且,MSD可被布置为例如经由差动装置连接到一个以上的车轮。此外,MSD 104优选地是用于在车辆的相应车轮上生成扭矩或用于车桥的两个车轮的MSD。MSD可以是推进装置,诸如被布置为例如向车辆100的车轮提供纵向车轮力的电机106。因此,这样的电机可适于生成推进扭矩以及被布置在再生制动模式中以用于为车辆100的电池(未示出)或其他能量存储系统充电。电机也可在不存储能量的情况下生成制动扭矩。举例来说,制动电阻器等可用于在制动期间耗散来自电机的多余能量。
车辆具有相关联的前进方向,所述车辆可在该方向上以速度vx移动。然而,车辆100在倒退时也可以在相反的方向上移动。车辆的运动方向可作为运动的参考方向。下面讨论纵向车轮滑移时将更详细地讨论该参考方向。
MSD 104的至少一个子集连接到相应的MSD控制系统230,所述MSD控制系统被布置成用于控制MSD 104的操作。虽然MSD控制系统230优选地是分散式运动支持系统230,但是集中式实现方式也是可能的。此外,应当理解,MSD控制系统的一些部分可在远离车辆的处理电路系统上实现,诸如在能够经由无线链路从车辆访问的远程服务器120上实现。而且,每个MSD控制系统230经由数据总线通信装置114连接到车辆100的车辆运动管理(VMM)系统或功能260,所述数据总线通信装置可以是有线的、无线的或兼具有线和无线的。因此,可在车辆运动管理系统260与MSD控制系统230之间传输控制信号。车辆运动管理系统260和MSD控制系统230将在下面参考图2和图5进一步详细描述。
通常,车辆100上的MSD也可被实现为例如摩擦制动器、动力转向装置、主动悬架等。值得注意的是,这些MSD通常会进行协调以便获得车辆的期望运动。例如,可以联合使用两个或更多个MSD来生成期望的推进扭矩或制动扭矩。
应当理解,本文公开的方法和控制单元也可以有利地应用于其他类型的重型车辆,诸如具有牵引杆连接的卡车、施工设备、公共汽车等。车辆100还可包括多于两个车辆单元,即,拖台车辆单元可用于牵引多于一个挂车。
VMM功能260以及MSD控制系统230可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程装置。该系统还可或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或数字信号处理器。在该系统包括可编程装置(诸如上文提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下,处理器还可包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。下文将结合图6更详细地讨论不同车辆单元处理电路的实现方式方面。
图2示出了用于例如重型车辆100的示例MSD控制装置。控制架构是一种分层的功能架构,其中一些功能性包括在较高层的交通情形管理(TSM)功能270中,而其他一些功能性包括在驻留于较低功能层中的VMM功能260中。图2示意性地示出了用于通过一些示例MSD来控制车辆100上的示例车轮210的功能性200,在此,所述MSD包括摩擦制动器220 (诸如盘式制动器或鼓式制动器)、推进装置240和转向装置280。摩擦制动器220和推进装置是车轮扭矩生成装置的示例,其可由一个或多个运动支持装置控制单元230控制。该控制是基于例如从车轮转速传感器250和从其他车辆状态传感器(诸如雷达传感器、激光雷达传感器,以及基于视觉的传感器(诸如相机传感器和红外检测器))获得的测量数据。MSD控制功能230可被布置为控制一个或多个致动器。举例来说,MSD控制系统330被布置为控制车桥上的两个车轮并不少见。
TSM功能270计划以10秒左右的时间范围进行驾驶操作。该时间范围对应于例如车辆100通过弯道等花费的时间。由TSM功能计划和执行的车辆操纵可以与加速度曲线和曲率曲线相关联,所述曲线描述在车辆前进方向上的期望目标车辆速度以及对于给定操纵要维持的转向。TSM功能不断地从VMM功能260请求期望加速度曲线areq和转向角(或曲率曲线creq),所述VMM功能执行力分配来以安全稳健的方式满足来自TSM功能的请求。VMM功能260在低于一秒左右的时间尺度上操作并且将在下面更详细地讨论。
车轮210 (例如,车辆100的车轮102中的一者)具有纵向速度分量vx和横向速度分量vy。纵向车轮力Fx和横向车轮力Fy以及法向力Fz作用在车轮上(图2中未示出)。除非另有明确说明,否则车轮力在车轮的坐标系中限定,即,纵向力指向车轮的滚动平面,而横向车轮力指向垂直于车轮的滚动平面。车轮的转速为wx,并且半径为R。
图3A是示出可实现的轮胎力随纵向车轮滑移而变的示例300的曲线图。根据SAEJ670 (SAE车辆动力学标准委员会,2008年1月24日),纵向车轮滑移λx可被定义为
其中R是以米为单位的有效车轮半径,ωx是车轮的角速度,并且vx是车轮在车辆100的运动方向上的纵向速度(在车轮的坐标系中)。如果车辆向前移动,则该方向可以是车辆的前进方向,如果车辆正在倒退,则该方向可以是与前进方向相对的倒退方向。车轮滑移λx是介于-1与1之间的带符号的量,并且指示车轮相对于路面的滑移程度。车轮滑移本质上是在车轮与车辆之间测量的速度差。因此,本文公开的技术可适于任何类型的车轮滑移定义。还应当理解,在车轮的坐标系中,鉴于车轮在路面上的速度,车轮滑移值相当于车轮转速值。VMM 260以及任选地还有MSD控制系统230维持关于vx的信息(在车轮的参考系中),同时车轮转速传感器等可用于确定ωx (车轮的转速)。应注意,如果车辆向前行驶,则vx指向前进方向(如图1中所示),而如果车辆在倒退,则指向相反方向。
为了使车轮(或轮胎)产生车轮力,必须发生滑移。对于较小的滑移值,滑移与生成的力之间的关系近似线性,其中比例常数通常表示为轮胎的滑移刚度。轮胎受到纵向力Fx、横向力Fy和法向力Fz的作用。法向力Fz是确定一些重要车辆性能的关键。举例来说,法向力在很大程度上确定车轮可实现的横向轮胎力Fy,因为通常Fx μFz,其中μ是与道路摩擦力条件相关联的摩擦系数。给定横向滑移的最大可用横向力可以用如“Tyre and vehicledynamics” (Elsevier Ltd. 2012, ISBN 978-0-08-097016-5, Hans Pacejka)中描述的所谓的魔术公式来描述。
纵向轮胎力Fx示出了在较小车轮滑移下几乎线性增加的部分310,接着是在较大车轮滑移下具有更加非线性行为的部分320。应注意,可实现的轮胎力会随着而下降,并且峰值330通常会根据驾驶条件而变化。
图3A还示出了可获得的横向轮胎力Fy,所述横向轮胎力即使在相对较小的纵向车轮滑移下也迅速减小。合乎需要的是将车辆运行维持在线性区域310内,因为如果需要的话,可在那里生成足够的横向轮胎力。如果当前车轮滑移超出峰值330太多,则几乎不可能生成横向力,这可能导致车辆滑出道路,或者无法执行转弯操纵。还合乎需要的是将车辆操作维持在线性区域310中,因为响应于所应用的制动命令的可获得的纵向力在该区域中更容易预测。要确保在该区域中操作,可对给定车轮施加大约为例如+0.1的车轮滑移极限λlim+。对于更大的车轮滑移,例如超过+0.1,得到更加非线性的区域320。在该区域控制车辆可能很困难,并且因此经常被避免。对于越野条件等,牵引力可能是令人感兴趣的,在这些条件下可能更喜欢对牵引力控制有较大滑移极限,但是对于道路操作则不然。
VMM与MSD之间能够向车辆的车轮递送转向并任选地递送扭矩的接口传统上一直专注于从VMM向每个MSD发出基于扭矩的请求,而不考虑车轮滑移。然而,该方法有很大的性能限制。如果出现危及安全或滑移过多的情况,则在单独的控制单元上操作的相关安全功能(牵引力控制、防抱死制动等)通常会介入并请求扭矩超驰,以便使滑移重新得到控制。该方法的问题是,由于致动器的主要控制和致动器的滑移控制被分配给不同电子控制单元(ECU),因此它们之间的通信所涉及的时延显著地限制了滑移控制性能。此外,相关致动器和在用于实现实际滑移控制的两个ECU中做出的滑移假定可能不一致,并且这进而可能导致次优性能。通过替代地在VMM 260与一个或多个MSD控制器230之间的接口上使用基于车轮转速或车轮滑移的请求,由此将困难的致动器速度控制环路转移到MSD控制器,可实现显著益处,所述MSD控制器与VMM功能的采样时间相比通常以短得多的采样时间操作。与基于扭矩的控制接口相比,此种架构可提供更好的干扰抑制且因此改善在轮胎道路接触面处生成的力的可预测性。
图3B示出了制动期间(即,当在车轮210上施加负车轮滑移时)根据车轮滑移的轮胎力的示例350。该曲线本质上是示例曲线300的逆曲线。减速轮胎模型可能不同,但该曲线是一个很好的示例,可用于解释本文提出的技术的目的。该曲线还表现出期望控制车辆的线性区域,以便避免在更负的车轮滑移时出现的非线性和横向力能力的损失。
现在转向图5,整个车辆控制系统500可在一个或多个车辆单元计算机(VUC)上实现。VUC可被配置成执行根据如上面所讨论的分层功能架构组织的车辆控制方法。
VMM功能260可使用图3A和图3B中示出的轮胎模型300、350的类型来在某个车轮处生成期望的轮胎力。代替请求对应于期望轮胎力的扭矩,VMM可将期望轮胎力转换为当量车轮滑移(或当量地,相对于对地速度的车轮转速)并替代地请求该滑移或转速。主要优势在于,MSD控制装置230将能够通过使用例如从车轮转速传感器250获得的车辆速度和车轮转速/>以期望的车轮滑移维持操作来以高得多的带宽递送请求的扭矩。还可根据从动轮102与非从动轮之间的速度差而确定纵向车轮滑移。在此,从动轮是受任何MSD影响的车轮,并且非从动轮是不受任何MSD影响的车轮,即车轮自由滚动。车辆速度/>可从诸如雷达、激光雷达和基于视觉的传感器的各种车辆传感器结合全球定位系统(GPS)接收器等获得。因此,应当理解,车轮滑移可通过若干不同的方式来确定,并且车辆可在冗余系统中实现这些方式中的几种方式以提高安全性。
TSM功能270生成车辆运动请求275,所述车辆运动请求可包括车辆要遵循的期望转向角δ或当量曲率creq,并且还可包括期望的车辆单元加速度areq以及其他类型的车辆运动请求,它们一起描述车辆以期望速度曲线沿期望路径的期望运动。应理解,运动请求可用作用于确定或预测需要生成以便成功地完成操纵的所需量的纵向力和横向力的基础。
VMM功能260以约1秒左右的时间范围操作,不断地将来自TSM功能的加速度曲线areq和曲率曲线creq转换为用于控制由车辆100的不同MSD致动的车辆运动功能的控制命令,所述MSD向VMM回报能力,所述能力进而用作车辆控制中的约束。VMM功能260执行车辆状态或运动估计510,即,VMM功能260通过使用布置在车辆100上通常但不总是与MSD相关的各种传感器监测操作来不断地确定包括车辆组合中的不同单元的位置、速度、加速度和铰接角的车辆状态s。
运动估计510的结果(即,所估计的车辆状态s)输入到力生成模块520,所述力生成模块确定不同车辆单元所需的全局力V=[V1, V2]以使车辆100根据所请求的加速度曲线areq和曲率曲线creq移动,以及根据期望车辆行为进行表现。所需的全局力矢量V被输入到MSD协调功能530,所述MSD协调功能分配车轮力并协调其他MSD,诸如转向装置和悬架。MSD协调功能输出对第i个车轮的MSD控制分配,其可以包括扭矩Ti、纵向车轮滑移λi、车轮转速ωi和/或车轮转向角δi中的任一者。然后,所协调的MSD一起在车辆单元上提供期望的横向力Fy和纵向力Fx,以及所需的力矩Mz,以获得车辆组合100的期望运动。
通过使用例如全球定位系统、基于视觉的传感器、车轮转速传感器、雷达传感器、转向角传感器和/或激光雷达传感器确定车辆单元运动并将该车辆单元运动转换到给定车轮210的局部坐标系(在例如纵向速度分量方面和横向速度分量方面),可通过将车轮参考坐标系中的车辆单元运动与从结合车轮210布置的车轮转速传感器350获得的数据进行比较来准确地实时估计车轮滑移,如上所讨论的。上面结合图3A和图3B讨论的轮胎模型可用于在给定车轮i的期望纵向轮胎力Fxi与该车轮的当量纵向车轮滑移λi之间转换。
因此,根据本公开的一些方面,VMM功能260管理力生成和MSD协调两者,即,它确定车辆单元需要什么力来满足来自TSM功能270的请求,以例如根据TSM请求的请求加速度曲线使车辆加速和/或生成也由TSM请求的车辆的特定曲率运动,或者使车辆制动。力可包括例如横摆力矩Mz、纵向力Fx和横向力Fy,以及施加在不同车轮处的不同类型的扭矩。力被确定为诸如生成车辆行为,所述车辆行为响应于由TSM功能270生成的控制输入而由TSM功能所预期。
如上面所提及的,获得精确的轮胎模型通常很困难,而且为车辆控制系统提供精确的数据(诸如,路面特性)通常也很有挑战性。这在施加车轮滑移极限的情况下,或在速度控制操作模式或车轮滑移控制操作模式下直接从MSD请求特定车轮滑移的情况下,都会导致次优控制。
因此,本公开提出了动态更新滑移目标。这增加了避免由于次优基本目标滑移而导致车辆失速的机会。目标滑移可纯粹基于测量结果,并且不需要了解路面、车辆、轮胎或任何其他与摩擦相关的环境条件。应当理解,滑移目标在许多方面等同于车轮转速目标,因为如上面所讨论的,车轮滑移和车轮转速经由车辆速度直接彼此相关。
再次参考图3A和图3B,期望位于线性区域310、360 (通常带有一些裕度),而不期望位于非线性区域320、370。人们已经意识到,尤其不期望出现以下场景:加速度的量值(大约与轮胎力成比例)正在减小,而同时纵向车轮滑移的量值却在增加或维持不变。即使不知道确切形状的轮胎模型曲线,情况也是如此。该场景对应于沿曲线Fx向下向右(即,图3A中的方向d1)移动,以及沿曲线Fx向上向左(即,图3B中的方向d2)移动。因此,所公开的方法使用一种算法来控制车轮滑移,该算法一旦意识到车辆正在失去加速度量值而滑移量值保持稳定或增加时,就会通过减少目标滑移(迫使滑移更接近零)来进行干预。从某种意义上说,本文公开的方法试图通过这种方式调整目标车轮滑移来检测轮胎力曲线的峰值位置330、380在哪里。以某种方式,一旦控制单元检测到车辆表现出指示方向d1或d2的行为,控制单元就会采取措施将车轮滑移朝向自由滚动车轮状态(零量值纵向车轮滑移)恢复。
本文讨论的方法主要适用于纵向车轮滑移的符号与加速度的符号相同的情况,即,如果车辆具有正加速度(在前进方向或倒退方向上),并且车轮滑移具有与加速度相同的正符号,或者如果车辆正在制动(负加速度)并且车轮滑移也为负。本文公开的方法可包括:如果监测到的加速度和当前纵向车轮滑移具有不同的符号,则触发紧急例程。举例来说,如果车辆滑下斜坡并且车轮在倒退方向上自旋时,就会发生这种情况。此类紧急例程超出了本公开的范围。
参考图8中的流程图,本文公开了一种用于控制重型车辆100的运动的方法,其中所述车辆被布置成基于车辆上的至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)来进行控制。该方法包括:监测S1车辆100的带符号的加速度v′x(k);以及监测S2至少一个从动轮102的带符号的当前纵向车轮滑移λx(k)。如果监测到的加速度和当前纵向车轮滑移具有相同符号,该方法涉及:如果车辆100的监测到的加速度v′x(k)的量值减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)的量值不减小,则减小S3至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值;以及基于目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)来控制S4至少一个从动轮102的车轮滑移,其中k为时间索引。
如果使车辆在前进方向或倒退方向上加速,即在纵向车轮滑移与加速度具有与加速度相同的符号的情况下的车辆推进期间,该方法包括:监测车辆100的加速度v′x(k);监测至少一个从动轮102的当前纵向车轮滑移λx(k);在车辆100的监测到的加速度v′x(k)减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不减小的情况下,减小S311至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1);以及基于目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)来控制至少一个从动轮102的车轮滑移。
该方法还可在制动期间执行,即当车辆100的带符号的加速度v′x(k)为负加速度并且带符号的当前纵向车轮滑移λx(k)为负车轮滑移时执行,对应于车辆制动操作(前进或倒退时)。然后,该方法包括:如果车辆100的监测到的加速度v′x(k)增加(变得不那么负)而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不增加或减小(变得更负),则增加S312至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1) (使变得不那么负)。
因此,当观察到当前车轮滑移和当前加速度均以非期望的方式变化时,即车辆100的监测到的加速度v′x(k)的量值减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)的量值维持不变或增加时,该方法设置新的目标车轮滑移,即量值减小的目标车轮滑移。
目标车轮滑移可以是车轮滑移极限,其中控制车轮滑移意味着施加车轮滑移上限。替代地,目标车轮滑移可以是直接车轮滑移请求的值,也可以是车轮转速请求的值(然后根据车速进行配置)。在任何情况下,在当前车轮滑移和当前加速度两者以非期望的方式变化时,期望减少目标车轮滑移。
车轮滑移的监测和控制可应用于车辆的单个车轮。替代地,可将监测和控制应用于多个车轮。在这种情况下,每个从动轮的监测和控制可以是单独的。替代地,或者组合地,监测和控制可对多个车轮利用某种平均。例如,可监测平均车轮滑移,然后基于单个目标车轮滑移来控制多个车轮。
图4A和图4B是曲线400、450,示出了推进场景(曲线400)和制动场景(曲线450)中的加速度与滑移的关系。在此,b(k)是表示加速度的变化和滑移的变化的向量,其中k表示时间(单个时间实例或某个时间段)。更具体地,
矢量b(k)可指向任何方向。应注意,原点410并不表示加速度和滑移的零值;它仅仅是一个起点(在前一时间实例)。该向量指向当前加速度和滑移。在图4A和图4B的特定示例中,向量从原点开始并指向东北(右上)。这对应于加速度和滑移两者的增加。根据所公开的方法,如果加速度v′x(k)的量值减小而车轮滑移λx(k)的量值不减小,则目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值减小。这对应于图4A 420 (对于正加速度和车轮滑移)中指向东南或正南以及图4B 430 (对于制动场景)中指向西北或北的向量b(k)。
随时间监测加速度v′x(k)和当前纵向车轮滑移λx(k),从而使得能够观察随时间的变化。要确定变化Δλx(k),Δv′x(k)可意味着将当前值与前一值进行比较。当前值和/或前一值可以是单个时间实例的单个值或一段时间内的某个平均值。可过滤当前值、前一值和/或差异,以例如消除噪音。
在道路上的弯道中,地面加速度可能与从动轮的纵向方向上的纵向加速度略有不同。地面加速度可以是在卡车的、车辆组合的一部分的延伸方向上,或者是车辆组合的某个平均值。优选地,所公开的方法使用从动轮的纵向方向上的纵向加速度,所述纵向加速度可与轮胎模型相关。然而,替代地使用地面加速度也能提供改善车辆控制的相同技术效果。此外,不同加速度之间通常没有显著差异。换句话说,加速度v′x(k)优选为从动轮102的纵向加速度。如果监测和控制多个车轮,则可观察到每个车轮的单独加速度值,因为不同的车轮可能朝不同的方向转动。
可从加速度计获得加速度v′x(k),所述加速度可包括俯仰(倾斜)和车辆地面加速度。加速度也可通过其他方式获得,诸如从车辆100的速度获得。任何此种数据可由诸如雷达、激光雷达和基于视觉的传感器的各种车辆传感器结合全球定位系统(GPS)接收器等获得。
通常,如果车轮滑移由直接车轮滑移请求控制,则测量的当前车轮滑移几乎与请求值完全相同。此外,如果车轮滑移由车轮滑移极限控制,则当前值通常总是等于或小于目标值。因此,无论如何控制车轮滑移,通常λx(k)λ目标(k)。
根据各方面,即将到来的车轮滑移目标基于当前测量值或前一目标值。换句话说,可基于当前纵向车轮滑移λx(k)来确定S32目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)。例如,目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值减小S3可以是当前纵向车轮滑移λx(k)的减小,即λ目标(k+1) = λx(k)-偏移量。下面讨论了如何选择偏移量的不同示例。当前纵向车轮滑移可以是在某一时间实例的单个值,或者是一段时间内的平均值。也可过滤该值,以例如消除噪音。
可基于前一目标纵向车轮滑移λ目标(k)来确定S33目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)。例如,目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值减小S3可以是前一目标纵向车轮滑移λ目标(k)的减小,即λ目标(k+1) = λ目标(k)-偏移量。下面讨论了如何选择偏移量的不同示例。前一目标车轮滑移可意味着在前一时间实例的先前值或一段时间内的某个平均值。也可过滤该值,以例如消除噪音。
如上面所提及的,不期望移入逆轮胎模型300、350中的非线性区域320、370。然而,可能合乎需要的是增加车轮滑移而不是减小车轮滑移。这样,就有可能达到曲线的峰值,即在某一路面条件下可能达到的最大加速度。如果轮胎模型不准确或次优,则这尤其有利。换句话说,该方法可包括:如果车辆100的监测到的车辆加速度v′x(k)的量值没有减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)的量值不减小,则增加S34至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值。
可基于加速度的变化Δv′x(k)来确定S36目标车轮滑移λ目标(k+1)。例如,目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的减小S3可以是当前纵向车轮滑移λx(k)的减小达加速度的变化Δv′x(k),即λ目标(k+1) = λx(k) – Δv′x(k)。上面讨论了获得这种变化的各种方式。为了实现归一化和/或加权目的,可为加速度的变化分配某个因子,即w2Δv′x(k)。优选将该变化归一化以获得无单位值。例如,它可用当前值v′x(k)或前一值Δv′x(k-1)进行归一化。因子w2可替代地或者组合地包括用于调整加速度变化对新的目标车轮滑移λ目标(k+1)的影响的权重。
也可基于当前纵向车轮滑移的变化Δλx(k)来确定S37目标车轮滑移λ目标(k+1)。例如,目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的减小S3可以是当前纵向车轮滑移λx(k)的减小达车轮滑移的变化Δλx(k),即λ目标(k+1) = λx(k)-Δλx(k)。上面讨论了获得这种变化的各种方式。为了实现归一化和/或加权目的,可为车轮滑移的变化分配某个因子,即w1Δλx(k)。因子w1可以是用于调整车轮滑移变化对新的目标车轮滑移的影响的权重。
此外,可基于加速度的变化Δv′x(k)和当前纵向车轮滑移的变化Δλx(k)的加权组合w1、w2来确定S38目标车轮滑移λ目标(k+1)。例如,目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的减小S3可以是当前纵向车轮滑移λx(k)的减小达加速度的变化Δv′x(k)和车轮滑移的变化Δλx(k)两者,并且,即λ目标(k+1) = λx(k) - |b(k)|,其中b(k) = [w1Δλx(k), w2Δv′x(k)]。这样,可选择因子w1、w2来调整加速度变化和车轮滑移变化对新目标车轮滑移的相对重要性。如上面所提及的,因子w1、w2可包括加权和/或归一化。
可基于加速度的变化Δv′x(k)和当前纵向车轮滑移的变化Δλx(k)以及环路增益因子kr、kd来确定S39目标车轮滑移λ目标(k+1)。例如,目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的减小S3可以是λ目标(k+1)=λx(k)-kr|b(k)|。环路增益因子可能因向量b(k)的方向而不同。例如,当监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不减小时,无论车辆100的监测到的加速度v′x(k)是否减小,环路增益因子kr、kd可不同。换句话说,如果向量b(k)指向东南或南,则它可能具有值kr,并且如果向量b(k)指向任何其他方向,则它可能具有另一个值kd。
当然,也可使用上述确定目标车轮滑移的机制的任何组合,可能以加权的方式使用。
加权组合中的环路增益因子kr、kd和/或因子w1、w2可基于当前驾驶场景而动态地更新。与车轮滑移变化相比,加速度变化的相对重要性在不同场景(诸如,具有不同摩擦力的不同地面条件)下可能不同。类似地,可能期望针对不同场景调整变化率(即,环路增益)。
根据所公开方法的示例实施方案,推进情况的目标纵向车轮滑移被确定为
在此,w1、w2是归一化和/或加权因子,kd是下降环路增益因子,kr是上升环路增益因子。另外,kd >> kr,例如增大10倍。因此,目标车轮滑移是基于向量b(k)的取向和长度而确定的。如果方向为东南或南(即,在当前车轮滑移维持不变或增加时,加速度减小),则新的目标车轮滑移与|b(k)|成比例地减小;否则,与|b(k)|成比例地增加。当然,同样的机制也可应用于制动场景,即直接适应。
当目标车轮滑移的量值减小时,新的目标基于当前测量的滑移而计算,而当目标车轮滑移的量值增加时,所述新的目标基于前一目标车轮滑移而计算。通过立即减少和逐步增加的迭代来迭代该方法,往往会稳定在某个值附近,这意味着,在不太可能的稳定状态情形下,滑移目标变得渐近稳定。
根据各方面,在图4A的示例中,当向量b(k)指向南/东南以及当指向西北时,目标车轮滑移都会减小。换句话说,该方法可包括:如果车辆100的监测到的加速度v′x(k)的量值增加而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)的量值减小,则减小S35至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值。在一些场景中,这会导致车辆更快地达到峰值加速度。在示例实施方案中,对于推进情况,可描述为
图6在若干功能单元方面示意性地示出了根据本文讨论的实施方案的控制单元230、260、270、600的部件。使用能够执行存储在例如呈存储介质630形式的计算机程序产品中的软件指令的合适的中央处理单元CPU、多处理器、微控制器、数字信号处理器DSP等中的一者或多者的任何组合来提供处理电路系统610。处理电路系统610还可被提供为至少一个专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。
特别地,处理电路系统610被配置成致使控制单元230、260、270、600执行一组操作或步骤,诸如结合图8所讨论的方法。例如,存储介质630可存储所述一组操作,并且处理电路系统610可被配置成从存储介质630中检索所述一组操作以致使控制单元230、260、270、600执行所述一组操作。所述一组操作可作为一组可执行指令来提供。因此,处理电路系统610由此被布置成执行如本文所公开的方法。
存储介质630还可包括持久性存储装置,所述持久性存储装置例如可以是磁存储器、光学存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任何一种或其组合。
控制单元230、260、270、600还可包括用于与至少一个外部装置通信的接口620。为此,接口620可包括一个或多个发射器和接收器,包括模拟和数字部件以及用于有线或无线通信的合适数量的端口。
处理电路系统610例如通过向接口620和存储介质630发送数据和控制信号、通过从接口620接收数据和报告以及通过从存储介质630检索数据和指令来控制控制单元230、260、270、600的一般操作。控制节点的其他部件以及相关功能性被省略以免使本文呈现的概念变得模糊。
换句话说,本文公开了一种用于控制重型车辆100的运动的控制单元230、260、270、600,其中所述车辆被布置成基于车辆上的至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)来进行控制,其中所述控制单元包括:处理电路系统610;联接到处理电路系统610的网络接口620;以及联接到处理电路系统610的存储器630,其中所述存储器包括机器可读计算机程序指令,所述指令在由处理电路系统执行时致使控制单元230、260、270、600:
监测车辆100的带符号的加速度v′x(k),
监测至少一个从动轮102的带符号的当前纵向车轮滑移λx(k),
如果车辆100的监测到的加速度v′x(k)的量值减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)的量值不减小,则减小至少一个从动轮102的目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)的量值,以及
基于目标纵向车轮滑移λ目标(k+1)来控制至少一个从动轮102的车轮滑移。
图7示意性地示出了计算机程序产品700,其包括可由控制单元230、260、270、600执行的一组操作720。所述一组操作720可被加载到控制单元中的存储介质630中。所述一组操作可对应于上面结合图8讨论的方法。
在图7的示例中,计算机程序产品700被示出为光盘710,诸如CD (光盘)或DVD (数字多功能光盘)或蓝光盘。计算机程序产品还可体现为存储器,诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM),并且更具体地体现为装置的外部存储器中的非易失性存储介质,诸如USB (通用串行总线)存储器或快闪存储器,诸如紧凑型快闪存储器。因此,虽然计算机程序在此处被示意性地示出为所描绘的光盘上的磁道,但是计算机程序可以适合于计算机程序产品的任何方式存储。
Claims (20)
1.一种用于控制重型车辆(100)的运动的方法,其中所述车辆被布置成基于所述车辆上的至少一个从动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))来进行控制,所述方法包括
监测(S1)所述车辆(100)的带符号的加速度(v′x(k)),
监测(S2)所述至少一个从动轮(102)的带符号的当前纵向车轮滑移(λx(k)),并且
如果所述监测到的加速度和所述当前纵向车轮滑移具有相同的符号,则
如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))的量值减小而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))的量值不减小,则减小(S3)所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))的量值,以及
基于所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))来控制(S4)所述至少一个从动轮(102)的车轮滑移。
2.根据权利要求1所述的方法,在以下情况下执行所述方法:当所述车辆(100)的所述带符号的加速度(v′x(k))为正加速度并且所述带符号的当前纵向车轮滑移(λx(k))为正车轮滑移时,这对应于车辆推进操作,所述方法包括
如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))减小而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不减小,则减小(S311)所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))。
3.根据权利要求1所述的方法,在以下情况下执行所述方法:当所述车辆(100)的所述带符号的加速度(v′x(k))为负加速度并且所述带符号的当前纵向车轮滑移(λx(k))为负车轮滑移时,这对应于车辆制动操作,所述方法包括
如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))增加而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不增加,则增加(S312)所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))。
4.根据任一前述权利要求所述的方法,其中相对于参考车速方向限定所述监测到的加速度的所述符号和所述当前纵向车轮滑移的所述符号。
5.根据任一前述权利要求所述的方法,其中基于所述当前纵向车轮滑移(λx(k))来确定(S32)减小之后的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))。
6.根据任一前述权利要求所述的方法,其中基于前一目标纵向车轮滑移(λ目标(k))来确定(S33)减小之后的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))。
7.根据任一前述权利要求所述的方法,其包括:如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))的所述量值没有减小而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))的所述量值不减小,则增加(S34)所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))的所述量值。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法,其包括:如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))的所述量值增加而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))的所述量值减小,则减小(S35)所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))的所述量值。
9.根据任一前述权利要求所述的方法,其中基于加速度的变化(Δv′x(k))来确定(S36)所述目标车轮滑移(λ目标(k+1))。
10.根据任一前述权利要求所述的方法,其中基于当前纵向车轮滑移的变化(Δλx(k))来确定(S37)所述目标车轮滑移(λ目标(k+1))。
11.根据权利要求9和权利要求10所述的方法,其中基于所述加速度的变化(Δv′x(k))和所述当前纵向车轮滑移的变化(Δλx(k))的加权组合(w1、w2)来确定(S38)所述目标车轮滑移(λ目标(k+1))。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法,其中基于所述加速度的变化(Δv′x(k))和所述当前纵向车轮滑移的变化(Δλx(k))以及环路增益因子(kr、kd)来确定(S39)所述目标车轮滑移(λ目标(k+1))。
13.根据权利要求12所述的方法,其中当所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))的所述量值不减小时,无论所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))的所述量值是否减小,所述环路增益因子(kr、kd)不同。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法,其中所述环路增益因子(kr、kd)和/或所述加权组合中的因子(w1、w2)是基于驾驶场景而动态更新的。
15.根据任一前述权利要求所述的方法,其中根据从动轮(102)与非从动轮之间的速度差来确定所述当前纵向车轮滑移(λx(k))。
16.根据任一前述权利要求所述的方法,其中从加速度计获得所述加速度(v′x(k))。
17.根据任一前述权利要求所述的方法,其中从所述车辆(100)的速度获得所述加速度(v′x(k))。
18.根据任一前述权利要求所述的方法,其中所述加速度(v′x(k))是所述从动轮(102)的纵向加速度。
19.根据任一前述权利要求所述的方法,其包括:如果所述监测到的加速度和所述当前纵向车轮滑移具有不同的符号,则触发紧急例程。
20.一种用于控制重型车辆(100)的运动的控制单元(230、260、270、600),其中所述车辆被布置成基于所述车辆上的至少一个从动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))来进行控制,其中所述控制单元包括:处理电路系统(610);联接到所述处理电路系统(610)的网络接口(620);以及联接到所述处理电路系统(610)的存储器(630),其中所述存储器包括机器可读计算机程序指令,所述指令在由所述处理电路系统执行时致使所述控制单元(230、260、400)
监测所述车辆(100)的带符号的加速度(v′x(k)),
监测所述至少一个从动轮(102)的带符号的当前纵向车轮滑移(λx(k)),
如果所述车辆(100)的所述监测到的加速度(v′x(k))的量值减小而所述监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))的量值不减小,则减小所述至少一个从动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))的量值,以及
基于所述目标纵向车轮滑移(λ目标(k+1))来控制所述至少一个从动轮(102)的车轮滑移。
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