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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug, eine Einrichtung zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug.
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Teilweise aktuelle aber insbesondere zukünftige Fahrzeuge werden mit LiDAR-Sensoren ausgestattet sein, sodass hiermit präzise dreidimensionale Abbildungen einer Umgebung des Fahrzeugs erstellt werden können. Jedoch können bisher aus diesen Sensordaten keine Rückschlüsse auf eine Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche gezogen werden.
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Vielmehr ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zusätzliche Sensorsysteme zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche zu verwenden. Entsprechend ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 224 857 ein Sensorsystem zur Klassifikation von Fahrbahnoberflächen bekannt, aufweisend eine Sensormatrix mit einer Optik zur Erfassung der Fahrbahnoberfläche, wobei die Sensormatrix eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung bestimmter für den Menschen sichtbarer und nicht sichtbarer Wellenlängenbereiche zu erfassen. Eine Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, die erfassten Sensordaten zu bewerten und mit gespeicherten Signaturen zu vergleichen, wobei die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, die erfassten Sensordaten in Bezug auf ein bekanntes Spektrum elektromagnetischer Strahlung, welches auf die Fahrbahnoberfläche trifft, zu bewerten, wobei die Fahrbahnoberfläche anhand der Vergleichsergebnisse klassifiziert wird, und die Fahrbahnoberflächen-Klassifizierung an einem Ausgang des Sensorsystems ausgegeben wird.
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Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf darin ein Verfahren zu schaffen, mit welchem auf einfache Art und Weise und unter Verwendung von Sensordaten von einem in einem Fahrzeug insbesondere schon vorhandenen LiDAR-Sensors darauf geschlossen werden kann, welche Beschaffenheit eine Fahrbahnoberfläche aufweist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug, eine Einrichtung zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug geschaffen wird, wobei eine LiDAR-Vorrichtung des Fahrzeugs verwendet wird, und wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Emittieren von Laserstrahlung mittels der LiDAR-Vorrichtung des Fahrzeugs in Richtung der Fahrbahnoberfläche, auf welcher das Fahrzeug fährt,
- b) Erfassen von reflektierter Laserstrahlung der gemäß Verfahrensschritt a) emittierten Laserstrahlung mittels der LiDAR-Vorrichtung als Signale,
- c) Auswerten der gemäß Verfahrensschritt b) erfassten Signale in Bezug darauf, aus welcher Höhe - relativ zur Fahrbahnoberfläche - die erfassten Signale jeweils zur LiDAR-Vorrichtung zurück reflektiert wurden,
- d) Kategorisieren der ausgewerteten Signale in mindestens drei Kategorien, wobei die erste Kategorie Signale aufweist, welche unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Fehlergrenze von der Fahrbahnoberfläche stammen, die zweite Kategorie Signale aufweist, welche scheinbar von unterhalb der Fahrbahnoberfläche stammen und die dritte Kategorie Signale aufweist, welchen keine Höhenangabe relativ zur Fahrbahnoberfläche zuordenbar sind,
- e) Statistische Auswertung, ob mehr Signale in die erste Kategorie oder mehr Signale aufsummiert in die zweite und dritte Kategorie fallen,
- f) Bestimmen einer Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche, wobei die Fahrbahnoberfläche als trocken bestimmt wird, wenn mehr Signale in die erste Kategorie als aufsummiert in die zweite und dritte Kategorie fallen, und wobei die Fahrbahnoberfläche als nass bestimmt wird, wenn mehr Signale aufsummiert in die zweite und dritte Kategorie als in die erste Kategorie fallen.
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Mit dem Verfahren ist es auf einfache Art und Weise möglich, insbesondere unter Verwendung einer LiDAR-Vorrichtung, welche zur Erfassung einer Umgebung des Fahrzeugs eingerichtet und deshalb schon im Fahrzeug vorhanden ist, die Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche zu erfassen. Insofern ist es nicht notwendig, dass eine speziell zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche eingerichtete LiDAR-Vorrichtung im Fahrzeug vorgesehen sein muss. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass mithilfe einer LiDAR-Vorrichtung insbesondere nasse Fahrbahnoberflächen bei Anwendung spezieller Kriterien sicher erkannt werden können. Es wurde zudem festgestellt, dass insbesondere bei der Verwendung von Infrarotlaserstrahlung eine nasse Fahrbahnoberfläche - vorausgesetzt der Laserstrahl trifft auf die nasse Fahrbahnoberfläche unter einem kleinen Winkel auf, das heißt insbesondere unter 15° - die nasse Fahrbahnoberfläche wie eine Art Spiegel für die Infrarotlaserstrahlung wirkt. Aufgrund dieser Tatsache ist es hierdurch nicht mehr möglich, bei einer nassen Fahrbahnoberfläche, eine Umgebung des Fahrzeugs mittels der LiDAR-Vorrichtung präzise und sicher zu erfassen.
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Zudem ist es für Fahrassistenzsysteme genauso wie für autonom fahrende Fahrzeuge von grundlegender Bedeutung, dass eine zuverlässige aber auch redundante Bestimmung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche gewährleistet ist. Dies ist deshalb wichtig, da die Informationen insbesondere zur Regulierung der Fahrgeschwindigkeit aber auch zur Bestimmung eines den Sicherheitsanforderungen genügenden Fahrzeugabstands zum vorausfahrenden Fahrzeug notwendig sind. Beispielsweise kann zusätzlich eine Auswertung von Kamerabildern dazu verwendet werden, Vorhersagen über die Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche zu treffen. Jedoch ist es - wie bereits erwähnt - bei den Fahrassistenzsystemen wie auch bei den autonom fahrenden Fahrzeug notwendig, dass eine redundante Auslegung der Sensoren vorhanden ist, da eines der verwendeten Systeme ausfallen kann oder mittels diesem Systems nur noch eine unzureichende Bestimmungsgenauigkeit der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche möglich ist. Insofern sind verschiedene Systeme, insbesondere verschiedene Sensoren, welche auf unterschiedlichen Technologien beruhen, notwendig, dass jederzeit eine zuverlässige Bestimmung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche möglich ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche gemäß Verfahrensschritt e) mittels Heuristik und/oder einer trainierten Klassifizierung, insbesondere unter Verwendung eines trainierten Netzwerks, bevorzugt unter Verwendung von maschinellem Lernen (deep learning), bestimmt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass hierdurch eine Qualität der Bestimmung der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche einhergehend mit einer erhöhten Geschwindigkeit der Bestimmung erzielt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach dem Verfahrensschritt f) in einem Verfahrensschritt g) eine Ausgabe und/oder Bereitstellung der Information, welche Beschaffenheit gemäß Verfahrensschritt f) der Fahrbahnoberfläche bestimmt wurde, ausgeführt wird. Hierdurch wird es insbesondere möglich, dass auch einem Fahrer eines teilautonom fahrenden Fahrzeugs oder einem Passagier eines autonom fahrenden Fahrzeugs mitgeteilt wird, welche aktuelle Beschaffenheit die Fahrbahnoberfläche hat, über welche das Fahrzeug gerade fährt. Insofern ist es für den Fahrer, beziehungsweise den Passagier, besser nachvollziehbar, weswegen in Abhängigkeit der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche vom Fahrzeug ausgeführten Änderungen, wie beispielsweise Geschwindigkeitsänderungen, notwendig sind.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Einrichtung zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug geschaffen wird, aufweisend eine LiDAR-Vorrichtung sowie eine Steuergerät, wobei das Steuergerät zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung oder zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der zuvor genannten Ausführungsformen eingerichtet ist. In Zusammenhang mit der Einrichtung zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, welche schon im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die LiDAR-Vorrichtung eine Laserstrahlungsquelle aufweist, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu emittieren, wobei die Laserstrahlung einem Frequenzspektrum zugeordnet ist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus fernes Infrarot, mittleres Infrarot, nahes Infrarot, sichtbares Licht und ultraviolettes Licht. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise ein entsprechend passender Wellenlängenbereich für die Laserstrahlung ausgewählt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die LiDAR-Vorrichtung eingerichtet und angeordnet ist, zur Erfassung einer Umgebung des Fahrzeugs. Hierdurch wird insbesondere angesprochen, dass insbesondere eine LiDAR-Vorrichtung, welche zur Erfassung einer Umgebung des Fahrzeugs schon im Fahrzeug vorhanden ist, auch zur Bestimmung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Fahrzeug geschaffen wird, aufweisend eine Einrichtung gemäß der Erfindung oder aufweisend eine Einrichtung gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele. In Zusammenhang mit dem Fahrzeug werden insbesondere die Vorteile verwirklicht, welche schon in Zusammenhang mit dem Verfahren zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug, wie auch schon in Zusammenhang mit der Einrichtung zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Fahrzeug erläutert wurden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ablaufplans einer Ausführungsform des Verfahrens zur Erfassung der Beschaffenheit einer fahrbaren Oberfläche für ein Fahrzeug,
- 2 in zwei Teilbildern eine schematische Darstellung, inwieweit eine trockene (oben), beziehungsweise eine nasse (unten), Fahrbahnoberfläche mit einer LiDAR-Vorrichtung wechselwirkt.
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Der 1 ist eine schematische Darstellung eines Ablaufplans einer Ausführungsform des Verfahrens zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche 1 für ein Fahrzeug 3 zu entnehmen, wobei eine LiDAR-Vorrichtung 5 des Fahrzeugs 3 verwendet wird, und wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Emittieren von Laserstrahlung 7 mittels der LiDAR-Vorrichtung 5 des Fahrzeugs 3 in Richtung der Fahrbahnoberfläche 1, auf welcher das Fahrzeug 3 fährt,
- b) Erfassen von reflektierter Laserstrahlung 9 der gemäß Verfahrensschritt a) emittierten Laserstrahlung 7 mittels der LiDAR-Vorrichtung 5 als Signale,
- c) Auswerten der gemäß Verfahrensschritt b) erfassten Signale in Bezug darauf, aus welcher Höhe 11 - relativ zur Fahrbahnoberfläche 1 - die erfassten Signale jeweils zur LiDAR-Vorrichtung 5 zurück reflektiert wurden,
- d) Kategorisieren der ausgewerteten Signale in mindestens drei Kategorien, wobei die erste Kategorie Signale aufweist, welche unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Fehlergrenze von der Fahrbahnoberfläche 1 stammen, die zweite Kategorie Signale aufweist, welche scheinbar von unterhalb der Fahrbahnoberfläche 1 stammen und die dritte Kategorie Signale aufweist, welchen keine Höhenangabe relativ zur Fahrbahnoberfläche 1 zuordenbar sind,
- e) Statistische Auswertung, ob mehr Signale in die erste Kategorie oder mehr Signale aufsummiert in die zweite und dritte Kategorie fallen,
- f) Bestimmen einer Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche 1, wobei die Fahrbahnoberfläche 1 als trocken bestimmt wird, wenn mehr Signale in die erste Kategorie als aufsummiert in die zweite und dritte Kategorie fallen, und wobei die Fahrbahnoberfläche 1 als nass bestimmt wird, wenn mehr Signale aufsummiert in die zweite und dritte Kategorie als in die erste Kategorie fallen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bestimmung der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche 1 gemäß Verfahrensschritt e) mittels Heuristik und/oder einer trainierten Klassifizierung, insbesondere unter Verwendung eines trainierten Netzwerks, bevorzugt unter Verwendung von maschinellem Lernen (deep learning), bestimmt wird.
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Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass nach dem Verfahrensschritt f) in einem Verfahrensschritt g) eine Ausgabe und/oder Bereitstellung der Information, welche Beschaffenheit gemäß Verfahrensschritt f) der Fahrbahnoberfläche 1 bestimmt wurde, ausgeführt wird.
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Ferner ist der 2 eine Einrichtung 13 zur Erfassung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche 1 für ein Fahrzeug 3 zu entnehmen, aufweisend eine LiDAR-Vorrichtung 5 sowie ein Steuergerät 15, wobei das Steuergerät 15 zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichtet ist.
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Darüber hinaus ist der 2 zu entnehmen, dass die LiDAR-Vorrichtung 5 eine Laserstrahlungsquelle 17 aufweist, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu emittieren, wobei die Laserstrahlung einem Frequenzspektrum zugeordnet ist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus fernes Infrarot, mittleres Infrarot, nahes Infrarot, sichtbares Licht und ultraviolettes Licht.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die LiDAR-Vorrichtung 5 eingerichtet und angeordnet ist, zur Erfassung einer Umgebung des Fahrzeugs 3.
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Darüber hinaus ist der 2 ein Fahrzeug 3 zu entnehmen, aufweisend eine Einrichtung 13 gemäß der Erfindung.
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Zudem ist der oberen Teilfigur von 2 zu entnehmen, wie bei einer trockenen Fahrbahnoberfläche 1 die von der LiDAR-Vorrichtung 5 ausgesendeten Laserstrahlen 7 an verschiedenen Objekten, wie beispielsweise der Fahrbahnoberfläche 1 oder einem Hinderniss, auftreffen und entsprechend durch die reflektierten Laserstrahlen 9 eine Bestimmung einer Höhe 11 - relativ zur Fahrbahnoberfläche 1 - erzielt werden kann.
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Zudem ist in der zweiten Teilfigur von 2 eine nasse Fahrbahnoberfläche 1 gezeigt, wobei die durch die LiDAR-Vorrichtung 5 ausgesendeten Laserstrahlen 7 von der nassen Fahrbahnoberfläche 1 - vergleichbar mit einem Spiegel für sichtbares Licht - reflektiert werden. Hierdurch wird - durch die virtuellen Laserstrahlen 19 angedeutet - virtuelle Objekte erfasst.
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Bei einer trockenen Fahrbahnoberfläche 1 werden die von der LiDAR-Vorrichtung 5 ausgesendeten Laserstrahlen 7 diffus reflektiert (Lambert-Reflektor), wobei dieses Verhalten einer gewünschten Funktionsweise der LiDAR-Vorrichtung 5 entspricht. Insofern können mit den auftreffenden Laserstrahlen 7 3D-Messpunkte erfasst werden, welche auf der Fahrbahnoberfläche 1 liegen.
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Bei einer nassen Fahrbahnoberfläche 1 jedoch, verwandelt sich die Fahrbahnoberfläche 1 in eine spiegelnde Oberfläche. Hierdurch wird erreicht, wie es die zweite Teilfigur von 2 zeigt, dass die Objekte oberhalb der Fahrbahnoberfläche 1 als virtuelle Objekte unterhalb der Fahrbahnoberfläche 1 - gespiegelt an der Fahrbahnoberfläche 1 - wirken. Diese Erkenntnis kann somit insbesondere zur Entwicklung eines Klassifizierers für die Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche 1 verwendet werden. Bei einer trockenen Fahrbahnoberfläche 1 kann die LiDAR-Vorrichtung 5 entsprechende Messpunkte - welche meist mehrere Meter vor dem Fahrzeug 3 liegen - auf der Fahrbahnoberfläche 1 ermitteln. Solche Messpunkte liegen regelmäßig im Bereich der Höhe Null der Fahrbahnoberfläche 1 (Z=0).
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Insofern besteht für die Laserstrahlung 7, welche mittels der LiDAR-Vorrichtung 5 in Richtung der Fahrbahnoberfläche 1 emittiert wird, vier verschiedene Möglichkeiten und somit vier verschiedene Fallgruppen.
- • In die erste Fallgruppe fallen Messpunkte, welche ungefähr eine Höhe vergleichbar zur Fahrbahnoberfläche 1 (Z=0) haben, und werden der ersten Kategorie zugeordnet.
- • In die zweite Fallgruppe fallen Messpunkte, welche eine Höhe von oberhalb der Straßenoberfläche haben, wobei solche Messpunkte zur Bestimmung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche 1 nicht geeignet sind, weswegen diese Messpunkte auch keiner Kategorie zugeordnet sind.
- • In die dritte Fallgruppe fallen Messpunkte, welche eine scheinbare Höhe von unterhalb der Fahrbahnoberfläche 1 haben. Hierbei wurde die Laserstrahlung 7 - aller Wahrscheinlichkeit nach - von einer nassen Fahrbahnoberfläche 1 - wie ein Spiegel - reflektiert, wenn davon ausgegangen werden kann, dass es sich nicht um ein Loch in der Fahrbahnoberfläche 1 handelt. Diese Messpunkte werden der zweiten Kategorie zugeordnet und damit für die Auswertung genutzt.
- • In die dritte Fallgruppe fallen Messpunkte, welchen keine Höhe, und insbesondere auch kein Abstand, zugeordnet werden kann. Diese Laserstrahlen 7 von der LiDAR-Vorrichtung 5 wurden insbesondere von einer nassen Fahrbahnoberfläche 1 von der LiDAR-Vorrichtung 5 wegreflektiert und es stand hierbei kein Objekt im Wege, welches die Laserstrahlen 7 wieder zurück zur LiDAR-Vorrichtung 5 hätte reflektieren können.
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Zudem sind weitere Gründe möglich, weswegen Laserstrahlen von der LiDAR-Vorrichtung wegreflektiert werden. Hierzu sind insbesondere reflektierte Laserstrahlen zu nennen, welcher eine zu geringe Intensität aufweisen, um in einem Detektor der LiDAR-Vorrichtung detektiert zu werden. Eine solche Fallkonstellation tritt regelmäßig bei schlechten Wetterbedingungen, wie beispielsweise Nebel, auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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