DE102016201205A1 - Driver assistance system for a motor vehicle for regulating the longitudinal dynamics - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Regler zur Regelung der Längsdynamik (Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Längsbeschleunigung), dessen Stellgröße die Sollbeschleunigung ist und der einen Störgrößenbeobachter dergestalt aufweist, dass das Summenradmoment oder eine dem gemessenen Summenradmoment zumindest proportionale Größe als Eingangsgröße des Störgrößenbeobachters erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung vergleichbar ist (sogenannter „kooperativer” Störgrößenbeobachter).The invention relates to a driver assistance system for a motor vehicle having a controller for regulating the longitudinal dynamics (vehicle speed and / or longitudinal acceleration) whose manipulated variable is the target acceleration and which has a disturbance observer in such a way that the sum wheel torque or a magnitude proportional to the measured sum wheel torque is the input variable of the disturbance observer detectable and comparable with the measured actual longitudinal acceleration (so-called "cooperative" Störgrößenbeobachter).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug zur Regelung der Längsdynamik, insbesondere der Fahrzeuggeschwindigkeit.The invention relates to a driver assistance system for a motor vehicle for regulating the longitudinal dynamics, in particular the vehicle speed.
Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs sind bereits seit langem bekannt. Ein typisches Beispiel ist ein sogenanntes ACC-System (Adaptive Cruise Control). Bei einem solchen Fahrerassistenzsystem wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs automatisch auf eine vom Fahrer vorgebbare Wunschgeschwindigkeit geregelt. Weiterhin umfasst ein derartiges System eine Abstands-Sensorik, mit der vorausfahrende Fahrzeuge ermittelt werden können. Droht der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug zu gering zu werden, wird die Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs derart reduziert, dass ein sicherer oder vorgegebener Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug eingehalten wird.Methods and apparatus for controlling the speed of a vehicle have been known for a long time. A typical example is a so-called ACC system (Adaptive Cruise Control). In such a driver assistance system, the speed of the vehicle is automatically regulated to a desired speed which can be predetermined by the driver. Furthermore, such a system includes a distance sensor system, with the preceding vehicles can be determined. If the distance to a preceding vehicle threatens to become too low, the speed of the own vehicle is reduced in such a way that a safe or predefined distance to the vehicle ahead is maintained.
Bei derartigen Längsführungssystemen wird auf der Basis der Differenz zwischen Soll- und Ist-Geschwindigkeit grundsätzlich eine Sollbeschleunigung des Fahrzeugs vorgegeben, die durch Steuerung des Antriebs (Motor und/oder Getriebe) und/oder durch Betätigung der Radbremse des Fahrzeugs eingeregelt wird. Im Rahmen eines derartigen Soll-Beschleunigungsreglers ist weiterhin ein Störgrößenbeobachter bekannt, durch den die Regelgüte des Beschleunigungsreglers verbessert wird.In such longitudinal guidance systems, a target acceleration of the vehicle is basically predetermined on the basis of the difference between the setpoint and actual speeds, which is regulated by controlling the drive (engine and / or transmission) and / or by actuating the wheel brake of the vehicle. In the context of such a desired acceleration regulator, a disturbance observer is furthermore known, by means of which the control quality of the acceleration regulator is improved.
Ein Störgrößenbeobachter ist beispielsweise bei einem in der
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Störgrößenbeobachter im Rahmen einer Längsführungsregelung weiter zu verbessern.It is the object of the invention to further improve a disturbance observer in the context of a longitudinal guidance control.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.This object is solved by the features of
Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Regler zur Regelung der Längsdynamik (Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Längsbeschleunigung), dessen Stellgröße die Sollbeschleunigung ist und der einen Störgrößenbeobachter dergestalt aufweist, dass das Summenradmoment, gebildet aus dem vom Fahrer und/oder von einem Fahrdynamikregelsystem (z. B. ABS, ASC, DSC, DXC) und/oder von einem Fahrerassistenzsystem vorgegebenen Antriebsmoment und/oder Bremsmoment, oder eine dem Summenradmoment zumindest proportionale Größe (wie z. B. die entsprechend umgerechnete gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit) als Eingangsgröße des Störgrößenbeobachters erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung vergleichbar ist (sogenannter „kooperativer” Störgrößenbeobachter).The invention relates to a driver assistance system for a motor vehicle with a controller for regulating the longitudinal dynamics (vehicle speed and / or longitudinal acceleration) whose manipulated variable is the target acceleration and which has a disturbance observer in such a way that the summation wheel, formed from the driver and / or by a vehicle dynamics control system (eg ABS, ASC, DSC, DXC) and / or drive torque and / or braking torque given by a driver assistance system, or a variable at least proportional to the sum wheel torque (such as, for example, the corresponding converted vehicle speed) can be detected as the input variable of the disturbance observer and with the measured actual longitudinal acceleration is comparable (so-called "cooperative" Störgrößenbeobachter).
Vorzugsweise ist dieser kooperative Störgrößenbeobachter abhängig von mindestens einer vorgegebenen Bedingung in einen sogenannten „nicht-kooperativen” Störgrößenbeobachter umschaltbar, der dadurch gekennzeichnet ist, dass anstelle des Summenradmoments die Sollbeschleunigung als Eingangsgröße des Störgrößenbeobachters erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung vergleichbar ist. Dabei ist eine mögliche vorgegebene Bedingung für die Umschaltung, wenn weder ein Fahrereingriff noch ein Fahrdynamikregeleingriff stattfindet und sich damit das Summenradmoment nur durch die gestellte Vorgabe des Fahrerassistenzsystems ergibt.Preferably, this cooperative disturbance observer is switchable depending on at least one predetermined condition in a so-called "non-cooperative" Störgrößenbeobachter, which is characterized in that instead of Summenradmoments the target acceleration as the input variable of disturbance observer detectable and is comparable to the measured actual longitudinal acceleration. In this case, a possible predetermined condition for the switching, if neither a driver intervention nor a vehicle dynamics control intervention takes place and thus results in the summation wheel only by the stated specification of the driver assistance system.
Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
Die Fahrgeschwindigkeitsregelung oder das ACC-System ermöglichen es in der Regel, dass der Fahrer die Wunschgeschwindigkeit mittels eines Bedienelements, zum Beispiel mittels eines Lenkstockhebels oder mittels Tasten am Lenkrad, setzt oder verändert und dass das System dann die vorgegebene Geschwindigkeit gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug mittels eines Beschleunigungsreglers regelt.The invention is based on the following findings:
The cruise control or the ACC system usually allow the driver sets or changes the desired speed by means of a control element, for example by means of a steering column lever or buttons on the steering wheel and that the system then the predetermined speed, depending on a given time interval to the vehicle ahead by means of an accelerator controls.
Diese Fahrereingaben in Form von Fahrerbremsmomenten oder Fahrerantriebsmomenten führen zu einer veränderten Soll-Vorgabe im Regelkreis des Beschleunigungsreglers, ebenso wie Störgrößen, die beispielsweise aufgrund von Veränderungen des Fahrwiderstands, auftreten. Erfindungsgemäß wird ein Störgrößenbeobachter derart ausgestaltet, dass zur Verbesserung der Regelgüte (robuste Regelung gegen Störeinflüsse) die Einflüsse der Störgrößen von den Einflüssen durch die Fahrervorgaben unterscheidbar sind.These driver inputs in the form of driver braking torques or driving torque lead to a modified target specification in the control loop of the acceleration controller, as well as disturbances, for example, due to Changes in the driving resistance, occur. According to the invention, a disturbance observer is designed in such a way that, in order to improve the control quality (robust control against interference influences), the influences of the disturbance variables can be distinguished from the influences by the driver specifications.
Im Folgenden wird näher auf den Störgrößenbeobachter im Zusammenhang mit der Anforderung an eine robuste Regelung (insbesondere Längstrajektorienfolgeregelung) eingegangen:
Um die Regelungsstruktur in einem breiten Betriebsbereich anwenden zu können, wird ein robuster Regelungsentwurf angestrebt. Ziel ist es dabei, möglichst wenig Modellwissen zu benötigen. Ein robuster Regelungsentwurf kommt mit den Modell-Unsicherheiten zurecht. Dabei spielt der Störgrößenbeobachter eine wichtige Rolle. Es kann bei der Erfindung beispielsweise von dem bekannten Störgrößenbeobachtern nach Ohnishi (1987) ausgegangen werden, der erfindungsgemäß abgewandelt wird.In the following, the disturbance observer will be discussed in more detail in connection with the requirement for a robust control (in particular longitudinal trajectory control):
In order to apply the control structure in a wide operating range, a robust regulatory design is sought. The goal is to use as little model knowledge as possible. A robust design scheme copes with the model uncertainties. The disturbance observer plays an important role. It can be assumed in the invention, for example, from the known disturbance observers according to Ohnishi (1987), which is modified according to the invention.
Dem Regelungsentwurf wird meist ein Modell des dynamischen Verhaltens der Strecke zugrunde gelegt. Dieses Modell gibt das wahre Verhalten mehr oder weniger gut wieder. Vor allem bei linearen Modellen, die um einen Arbeitspunkt linearisiert worden sind, kann das Verhalten stark abweichen, sofern der Arbeitspunkt verlassen wird. Des Weiteren können aufgrund von Modellierungsunsicherheiten oder Parameterschwankungen erhebliche Abweichungen vom zugrunde gelegten nominellen Modell auftreten. Letztere können durch variierende Betriebszustände wie beispielsweise die schwankende Masse eines Fahrzeugs aufgrund unterschiedlicher Beladung auftreten.The draft regulation is usually based on a model of the dynamic behavior of the route. This model reflects the true behavior more or less well. Especially with linear models, which have been linearized by one operating point, the behavior can deviate strongly, as long as the operating point is left. Furthermore, due to modeling uncertainties or parameter variations, significant deviations from the underlying nominal model may occur. The latter can occur due to varying operating conditions, such as the fluctuating mass of a vehicle due to different loading.
Aufgabe der robusten Regelung ist es daher einen Regler zu finden, der bestimmte Mindestanforderungen an den Regelkreis erfüllt, ganz gleich welchen Wert die variierenden Parameter annehmen.The task of the robust control is therefore to find a controller that meets certain minimum requirements for the control loop, no matter what value the varying parameters assume.
Mathematische Modelle können physikalische Systeme nicht exakt abbilden und stellen immer eine Näherung dar. Oft ist eine sehr genaue Modellierung auch gar nicht erwünscht, da so die Modellordnung ansteigt und ein einfaches Modell sich besser für Entwurf und Analyse der Regelung eignet. In der Regelungstechnik ist es üblich, Unsicherheiten in Modelle einzufügen, um Aussagen über Modellabweichungen machen zu können.Mathematical models can not accurately map physical systems and are always an approximation. Often, very accurate modeling is not desirable because it increases the model order and makes a simple model better suited for design and analysis of the control. In control engineering, it is customary to insert uncertainties into models in order to be able to make statements about model deviations.
Dynamischen Unsicherheiten entstehen dagegen durch nicht berücksichtigte oder nicht abgebildete Dynamiken und sind frequenzabhängig. Beispiele hierfür stellen nicht abgebildete Aktuatoren dar. Mathematisch beschreiben lassen sich unstrukturierte Unsicherheiten durch multiplikative Eingangs- oder Ausgangsunsicherheiten.By contrast, dynamic uncertainties arise from unaccounted for or unrepresented dynamics and are frequency-dependent. Examples of these are not shown actuators. Mathematically, unstructured uncertainties can be described by multiplicative input or output uncertainties.
Die grundlegende Fragestellung der robusten Regelung besteht darin, für welchen Bereich der geschlossene Regelkreis stabil ist.The basic question of the robust regulation is for which area the closed loop is stable.
Robuste Längstrajektorienfolgeregelung:Robust longitudinal trajectory control:
Die Hauptaufgabe der Längstrajektorienfolgeregelung ist die Unterdrückung von Störungen durch Fahrwiderstände. Weiterhin müssen die Unzulänglichkeiten der Vorsteuerung kompensiert werden. Die Stellgröße ist eine Sollbeschleunigung. Diese wird durch die Aktuatorkoordinierung auf die beiden Aktuatoren Antrieb und Bremse aufgeteilt. Als Hilfsgröße wird das Summenradmoment verwendet. Im Folgenden wird die Umsetzung des Störgrößenbeobachters des Folgereglers erläutert:
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine nicht-kooperative und eine kooperative Ausführung des Störgrößenbeobachters umgesetzt werden kann. Letztere bietet den Vorteil, dass Fahrereingaben über das Fahrpedal und/oder das Bremspedal nicht als Störungen unterdrückt werden. In beiden Umsetzungen wird als Eingang die gemessene Fahrzeuglängsbeschleunigung verwendet, da mittels diesem Signal alle wesentlichen Störungen erfassbar sind.The main task of the longitudinal trajectory following regulation is the suppression of disturbances by driving resistances. Furthermore, the shortcomings of the feedforward control must be compensated. The manipulated variable is a nominal acceleration. This is divided by the actuator coordination on the two actuators drive and brake. The auxiliary quantity used is the sum wheel torque. The implementation of the disturbance observer of the slave controller is explained below:
According to the invention, it has been recognized that a non-cooperative and a cooperative embodiment of the Störgrößenbeobachter can be implemented. The latter offers the advantage that driver inputs via the accelerator pedal and / or the brake pedal are not suppressed as disturbances. In both implementations, the measured vehicle longitudinal acceleration is used as the input, since all significant disturbances can be detected by means of this signal.
Klassische, nicht-kooperative Umsetzung des Störgrößenbeobachters:Classic, non-cooperative implementation of the disturbance observer:
Bei der klassischen, nicht-kooperativen Umsetzung wird der Systemeingang, im vorliegenden Fall die Sollbeschleunigung, mit der gemessenen Ist-Beschleunigung verglichen. Da die Längsaktuatorik erhebliche Totzeiten aufweist, wird im Vorwärtszweig des Störgrößenbeobachters vorzugsweise der angenommene (z. B. empirisch ermittelte) Wert der Totzeit berücksichtigt.In the classical, non-cooperative implementation, the system input, in this case the target acceleration, is compared with the measured actual acceleration. Since the Längsaktuatorik has significant dead times, preferably the assumed (eg empirically determined) value of the dead time is taken into account in the forward branch of the Störgrößenbeobters.
Diese Umsetzung prägt dem Regelkreis das nominelle Verhalten der Dynamik der Aktuatorik und der Raddynamik (Einlaufdynamik) auf und unterdrückt Störungen auf Beschleunigungsebene stationär genau. Neben den insbesondere durch Fahrwiderstände verursachten Störungen kompensiert diese Umsetzung allerdings auch Fahrereingaben über das Fahrpedal und/oder das Bremspedal. Aus diesem Grund wird im Folgenden die erfindungsgemäß bevorzugte kooperative Umsetzung erläutert.This conversion imposes on the control loop the nominal behavior of the dynamics of the actuators and the wheel dynamics (running-in dynamics) and suppresses disturbances on the acceleration plane stationary exactly. In addition to the disturbances caused in particular by driving resistances, however, this conversion also compensates for driver inputs via the accelerator pedal and / or the brake pedal. For this reason, the cooperative implementation preferred according to the invention is explained below.
Bei der kooperativen Ausführung des Störgrößenbeobachters wird als Zwischengröße das Summenradmoment aus Antriebs- und/oder Bremsmoment als Eingang des Störgrößenbeobachters verwendet. Dieses wird ebenfalls mit der gemessenen Längsbeschleunigung verglichen. Dies bietet im Vergleich mit der nicht-kooperativen Umsetzung folgende Vorteile:
Aktuator-Begrenzungen werden so direkt im Störgrößenbeobachter berücksichtigt (beispielsweise das begrenzte Beschleunigungspotenzial des Antriebs). Weiterhin werden Fahrereingaben durch Gas- oder Bremspedal oder der Eingriff von unterlagerten Fahrdynamikreglern (wie z. B. ABS, DSC, ASR), welche das Antriebsmoment begrenzen, um eine maximale Traktion des Fahrzeugs zu erreichen, nicht als Störungen wahrgenommen. Vielmehr wird versucht, die tatsächlich vorliegenden Störungen zu unterdrücken. Abweichungen, die durch Sättigungen oder Fahrer- oder Fahrdynamikregelsystemeingriffe erfolgen, werden im kooperativen Störgrößenbeobachter erkannt. Es wird daraufhin nicht versucht, gegen diese „anzukämpfen”.. Der Störgrößenbeobachter arbeitet so nicht gegen diese Effekte. Im Gegensatz zur üblichen Umsetzung muss hier keine Totzeit im Störgrößenbeobachter berücksichtigt werden, da diese im Signal des Summenradmoments bereits enthalten ist. Dabei wird die angenommene Fahrzeugmasse und der angenommene dynamische Rollradius, die Zeitkonstante und Dämpfung der Aktuatorik sowie die Zeitkonstante der Reifendynamik berücksichtigt. Die Zeitkonstante hängt von der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Schlupf ab. Die Zeitkonstante des Aktuators sollte möglichst exakt bekannt sein, da durch die kooperative Umsetzung hier kein Aufprägen des Wunschverhaltens möglich ist.In the cooperative execution of the Störgrößenbeobachter is used as an intermediate size Summenradmoment from drive and / or braking torque as the input of disturbance observer. This is also compared with the measured longitudinal acceleration. This offers the following advantages compared to the non-cooperative implementation:
Actuator limits are thus taken into account directly in the disturbance observer (for example, the limited acceleration potential of the drive). Furthermore, driver inputs by accelerator or brake pedal or the intervention of subordinate vehicle dynamics controllers (such as ABS, DSC, ASR), which limit the drive torque in order to achieve maximum traction of the vehicle, are not perceived as failures. Rather, an attempt is made to suppress the actual interference present. Deviations caused by saturation or driver or vehicle dynamics control system interventions are detected in the cooperative disturbance observer. There will then be no attempt to "fight" them .. The disturbance observer does not work against these effects. In contrast to the usual implementation, no dead time has to be taken into account in the disturbance observer since this is already contained in the signal of the summation wheel torque. In this case, the assumed vehicle mass and the assumed dynamic rolling radius, the time constant and attenuation of the actuator and the time constant of the tire dynamics are taken into account. The time constant depends on the respective vehicle speed and the slip. The time constant of the actuator should be known as accurately as possible, since the cooperative implementation here no imprinting of the desired behavior is possible.
Zusammenfassend werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Störgrößenbeobachters Störungen auf Beschleunigungsebene, die insbesondere durch Fahrwiderstände verursacht werden, unterdrückt. Dabei werden aber bevorzugt durch die kooperative Ausgestaltung des Störgrößenbeobachters die beschleunigungsrelevanten Fahrer- und/oder Fahrdynamikregelsystemeingriffe nicht unterdrückt. Weiterhin werden Begrenzungen und die Robustheit des Reglers berücksichtigt.In summary, due to the configuration of the disturbance variable observer according to the invention, disturbances on the acceleration plane, which are caused in particular by driving resistances, are suppressed. In this case, however, the acceleration-relevant driver and / or vehicle dynamics control system interventions are preferably not suppressed by the cooperative embodiment of the disturbance variable observer. Furthermore, limitations and the robustness of the controller are considered.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es zeigenIn the drawings, embodiments of the present invention are shown. Show it
- – Dynamische Vorsteuerung
- – Trajektorienfolgeregelung:
- • Folgeregler
- • Störgrößenbeobachter
- - Dynamic feedforward control
- - Trajectory Succession Control:
- • slave controller
- • disturbance observer
Dabei ist a* die geplante Sollbeschleunigung, v* die geplante Sollgeschwindigkeit und x* die geplante Sollposition der Trajektorienplanung. Der Störgrößenbeobachter
In
In
- – Vergleich des Summenradmoments Msum (in Beschleunigung umgerechnet) mit der gemessenen Ist-Beschleunigung a.
- –
Berücksichtigung von Totzeiten 2 im Vorwärtszweig. - –
Aufprägen eines Wunschverhaltens 3 .
- - Comparison of the sum wheel torque M sum (converted into acceleration) with the measured actual acceleration a.
- - consideration of
dead times 2 in the forward branch. - - imprinting a
desire behavior 3 ,
In
- – Vergleich von Sollbeschleunigung asoll und gemessener Ist-Beschleunigung a.
- –
Berücksichtigung von Totzeiten 2 im Vorwärtszweig. - –
Aufprägen eines Wunschverhaltens 3 .
- - Comparison of target acceleration a soll and measured actual acceleration a.
- - consideration of
dead times 2 in the forward branch. - - imprinting a
desire behavior 3 ,
Die nicht-kooperative Ausgestaltung des Störgrößenbeobachters ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Summenradmoments Msum sich nur die Anforderung des jeweils aktiven Fahrerassistenzsystems ergibt und damit keine Fahrervorgaben oder Fahrdynamikregelsystemeingriffe stattfinden.The non-cooperative design of the Störgrößenbeobachter is particularly advantageous if the Summenradmoments M sum results only the requirement of the respective active driver assistance system and thus no driver default or vehicle dynamics control system interventions take place.
Daher wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere in Form von entsprechenden Programmmodulen im elektronischen Fahrerassistenz-Steuergerät, ein erster kooperativer Störgrößenbeobachter
Beispielsweise kann der erste Störgrößenbeobachter
Eine Umschaltung findet abhängig von jeweils aktuell gewünschten Vorteilen statt.Switching takes place depending on the currently desired advantages.
Vorteil der kooperativen Ausgestaltung:Advantage of cooperative design:
- – Fahrervorgaben werden nicht als Störung wahrgenommen, für kooperative Funktionen geeignet.- Driver specifications are not perceived as a fault, suitable for cooperative functions.
- – Begrenzungen und Totzeiten werden vom Störgrößenbeobachter direkt gesehen und damit nicht kompensiert.- Limits and dead times are directly seen by the disturbance observer and thus not compensated.
- – Entwurf und Stabilitätsbeweis des Reglers erheblich erleichtert.- Design and proof of stability of the controller considerably facilitated.
Nachteil der kooperativen Ausgestaltung:Disadvantage of cooperative design:
- – Aufprägen des Wunschverhaltens nur noch für hinteren Teil der Strecke möglich (Raddynamik).- Imprinting the desired behavior only possible for the rear part of the route (wheel dynamics).
Vorteil der nicht-kooperativen Ausgestaltung:Advantage of non-cooperative design:
- – Aufprägen eines dynamischen Wunschverhaltens auf die unterlagerte Strecke (Antriebsaktuatorik und Raddynamik).- Imprint a dynamic desire behavior on the subordinate track (drive actuator and wheel dynamics).
- – Robustheit, für hohe Regelanforderungen geeignet.- Robustness, suitable for high control requirements.
Nachteil der nicht-kooperativen Ausgestaltung:Disadvantage of non-cooperative design:
- – Fahrervorgaben werden genauso wie Störungen kompensiert.- Driver presets are compensated in the same way as faults.
- – Begrenzungen und Fahrdynamikeingriffe werden im Beobachter nicht gesehen – Anti-Windup notwendig.- Limitations and driving dynamics interventions are not seen in the observer - anti-windup necessary.
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