DE20311636U1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Objekten im Umfeld eines Fahrzeuges - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Objekten im Umfeld eines Fahrzeuges Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Erfassung von Objekten im Umfeld von Fahrzeugen mit mehreren Sensoren und einer Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Klassifikationseinrichtung aufweist, die geeignet ist, Positionsinformationen zu den Objekten anhand eines Vergleiches von aus durch die Sensoren gemessenen Werten gewonnenen Informationen mit in einer Speichereinheit hinterlegten Daten abzuleiten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Objekten im Umfeld eines Fahrzeuges.
  • Aufgrund der in den letzten Jahrzehnten stark angestiegenen Verkehrsdichte und der damit verbundenen erhöhten Unfallgefahr haben Systeme zur Verbesserung der Sicherheit in Fahrzeugen gesteigerte Bedeutung erlangt.
  • Insbesondere im Bereich der Sicherheitssysteme, die im Fall eines Zusammenstoßes mit einem Hindernis bzw. einem anderen Fahrzeug aktiviert werden, lag ein Schwerpunkt der Entwicklungsaktivitäten. So gehören zwischenzeitlich Airbags und Gurtstraffer zur Standard-Sicherheitsausstattung fast jedes Serienfahrzeugs. Für eine optimale Wirkung um dieser Komponenten ist es vorteilhaft, nicht erst im oder kurz nach dem Zeitpunkt des Aufpralls, sondern bereits vorher erste Maßnahmen auszulösen wie beispielsweise die elektronische Steuerung eines Gurtstraffers oder Airbags in einen Zustand erhöhter Bereitschaft zu versetzen.
  • Hierzu ist es jedoch erforderlich, bereits vor dem Zeitpunkt des Aufpralls eine zuverlässige Aussage über das bevorstehende Unfallereignis zu treffen.
  • Damit ist es notwendig, Informationen über Positionen und Relativgeschwindigkeiten von Objekten im näheren Fahrzeugumfeld zu gewinnen.
  • Diese Informationen können darüber hinaus dazu verwendet werden, zusätzliche Funktionalitäten wie beispielsweise eine Einparkhilfe, eine Überwachung des Toten Winkels sowie einen Stop-and-Go Assistenten in Ergänzung zu einer elektronischen Abstandsregelung wie zum Beispiel Adaptive Cruise Control (ACC) im Fahrzeug zu realisieren.
  • Ein möglicher Ansatz zur Überwachung des Fahrzeugumfeldes besteht in der Verwendung von Radarsensoren.
  • So wird beispielsweise in dem SAE-Paper 1999-01-1239 „Radar based near distance sensing device for automotive application", eine Umfeldsensorik auf Radarbasis beschrieben. Das in der genannten Veröffentlichung beschriebene System verwendet zwei Radarsensoren, mit einer Trägerfrequenz von 24,125 GHz arbeiten und den Bereich vor der Fahrzeugfront beziehungsweise vor der Heckpartie abdecken. Da die in der beschriebenen Publikation verwendeten Radarmodule breite Richtcharakteristik zeigen, wird die genaue Positionsbestimmung eines erfassten Objektes mittels Triangulation aus den gemessenen Abständen durchgeführt. Hierzu ist es erforderlich, dass ein Objekt, dessen genaue Position bestimmt werden soll, im Überlappungsbereich mindestens zweier Radarsensoren liegt. Dabei hängt der Bereich, in dem ein Objekt von einem Radarsensor erfasst werden kann, von der sogenannten „Radar Cross Section" (RCS) ab, die anschaulich als die Reflektivität eines Objektes für Radarwellen betrachtet werden kann.
  • Die Verwendung von Triangulation zur genauen Positionsbestimmung weist jedoch einige Nachteile auf:
  • Ungenauigkeiten in der Bestimmung der Abstände wirken sich in hohem Maße auf die ermittelten Werte für den Winkel und damit für die Position aus. Um diesen Fehler zu minimieren, wäre es notwendig, die Radarsensoren in einem Abstand von einander anzuordnen, der in der Größenordnung des Abstandes des erfassten Objektes vom Fahrzeug liegt. Dies ist in einer automobilen Anwendung jedoch nicht realisierbar, da der maximale Abstand der Radarsensoren durch die Breite des Fahrzeuges begrenzt ist.
  • Ferner ist die für die Anwendung der Triangulation notwendige Annahme kleiner bzw. punktförmiger Objekte im typischen automobilen Umfeld nicht mehr gerechtfertigt; die betrachteten Objekte weisen vielmehr eine erhebliche Ausdehnung auf (andere Fahrzeuge, LKWs, Fußgänger).
  • Bei der Verwendung eines Triangulationsverfahrens besteht darüber hinaus die Gefahr, dass zwei Objekte, die sich jeweils im gleichen Abstand von einem Radarsensor befinden, als ein einziges Objekt interpretiert werden, das dann fälschlicherweise zwischen den beiden realen Objekten lokalisiert wird (sogenanntes Geisterziel).
  • In der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 49 409 A1 wird zur Überwindung einiger der obengenannten Nachteile eine Betrachtung des zeitlichen Verlaufes der Positionen der erfassten Objekte (sogenanntes Tracking) vorgeschlagen. Das in der genannten Schrift vorgeschlagene Verfahren erfordert jedoch einen erheblichen Rechenaufwand und damit eine nicht akzeptable Verarbeitungszeit insbesondere für zeitkritische Anwendungen wie beispielsweise Pre-Crash-Sensorik.
  • Darüber hinaus liefert ein Trackingverfahren nur bei einer näherungsweise stetigen Bewegung der getrackten Objekte ohne zu große dynamische Änderungen verwertbare Ergebnisse. Gerade in kritischen Fahrsituationen, wo eine zuverlässige Erkennung von Objekten im näheren Umfeld des Fahrzeuges von entscheidender Bedeutung ist, ist mit einem hochgradig dynamischen Verhalten und damit mit qualitativ minderwertigen Ergebnissen eines Trackingverfahrens zu rechnen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die eine zuverlässige und schnelle Detektion von Objekten im Fahrzeugumfeld gewährleistet.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Objekten im Umfeld von Fahrzeugen zeigt Mittel, Positionsinformationen zu den Objekten im Fahrzeugumfeld anhand eines Vergleiches von Eingangswerten, die von Sensoren geliefert werden, mit in einer Speichereinheit hinterlegten Datensätzen abzuleiten. Die Eingangswerte enthalten beispielsweise Abstandsdaten und Dopplergeschwindigkeiten. Dopplergeschwindigkeiten sind die Geschwindigkeiten eines Objekts relativ zu einem Sensor, die der Sensor selbst aus einer Dopplermessung ermittelt und ausgibt. Bei den in der Speichereinheit hinterlegten Daten handelt es sich um Referenzdatensätze, die Objekte in einem definierten Raumbereich im Umfeld des Fahrzeuges mit ihren genauen Positionen repräsentieren. Zur exakten Bestimmung der Position eines von den Sensoren erfassten Objektes wird im Rahmen einer Klassifikation ein Vergleich der von den Sensoren gelieferten Eingangswerten mit den Referenzdatensätzen vorgenommen. Anhand der so bestimmten Position des Objektes relativ zum Fahrzeug kann entschieden werden, ob ein erfasstes Objekt sich in einem Bereich befindet, für den eine Kollision mit dem Objekt zu erwarten ist; insbesondere ergibt sich die Möglichkeit, zu unterscheiden, ob ein Hindernis voraussichtlich passiert oder gerammt wird.
  • Die Vorrichtung ist dabei geeignet, dieses Verfahren mit einstellbaren Intervallen ständig in aufeinanderfolgenden Meßzyklen zu wiederholen.
  • Durch die Klassifikation ergeben sich verschiedene Vorteile wie beispielsweise eine hohe Erkennungsrate, d. h. die zuverlässige Detektion realer Objekte im Fahrzeugumfeld. Dabei werden auch seitlich sich schnell nähernde Objekte zuverlässig erkannt.
  • Darüber hinaus bewirkt der Verzicht auf Tracking-Algorithmen, dass die Positionsbestimmung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich schneller erfolgen kann, als es unter Verwendung eines Trackingverfahrens möglich wäre.
  • Der mit den herkömmlichen Verfahren wie beispielsweise Triangulation oder Tracking verbundene Rechenaufwand steigt mit der Anzahl der verwendeten Sensoren stark an. Im Unterschied hierzu bewirkt die Verwendung mehrerer Sensoren in Verbindung mit einer Klassifikation nur einen geringfügig erhöhten Rechenaufwand, da eine Klassifikation im wesentlichen aus einem Vergleich von Datensätzen besteht, der schnell vorgenommen werden kann.
  • Ferner gestattet es die erfindungsgemäße Vorrichtung, sowohl punktförmige als auch ausgedehnte sowie schwach reflektierende Objekte wie beispielsweise Fußgänger mit genügender Sicherheit zu detektieren.
  • Typischerweise liefern die von den Sensoren gelieferten Eingangswerte lediglich erkannte Ziele mit ihren jeweiligen Entfernungen und Geschwindigkeiten ohne eine Zuordnung von erkannten Zielen zu realen Objekten. In einer ersten vorteilhaften Variante der Erfindung werden aus diesen Eingangswerten reale Objekte im Fahrzeugumfeld ermittelt und deren Entfernungsdaten bestimmt. Dabei ist es von Vorteil, auch die von den Sensoren gelieferten Geschwindigkeitswerte der erkannten Ziele zu berücksichtigen; hierdurch kann zum einen die Erkennung relevanter Objekte verbessert werden und zum anderen können Fehler unterdrückt werden, die bspw. daraus resultieren, dass Entfernungsmessungen verschiedener Sensoren zu verschiedenen Objekten fälschlicherweise als Messungen zu einem einzigen Objekt interpretiert werden (sogenannte Geisterziele).
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, eventuelle Aussetzer in den gemessenen Werten durch eine Mittelung über vorangehende und nachfolgende Werte zu korrigieren. Dabei kann die Anzahl der zu berücksichtigenden Werte (die sogenannte Filtermaske) variabel gewählt werden. Auf diese Weise wird die Qualität der zu verarbeitenden Daten und damit die Erkennungsrate relevanter Objekte deutlich verbessert.
  • Eine weitere vorteilhafte Erweiterung der Erfindung besteht darin, die Relativgeschwindigkeiten zwischen erfassten Objekten und dem Fahrzeug zu bestimmen. Die so gewonnenen Relativgeschwindigkeiten können beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Eingangsinformationen für ein Pre-Crash-Sensorsystem herangezogen werden, um eine eventuell bevorstehende Kollision mit einem Objekt vorherzusagen und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten.
  • Die Bestimmung der Relativgeschwindigkeiten kann dabei auf zwei Arten erfolgen.
  • Eine erste Möglichkeit zur Errechnung der Relativgeschwindigkeit besteht darin, die aufeinanderfolgend gemessenen Abstandsdaten zu einem Objekt auszuwerten. Hierzu werden beispielsweise die im FIFO (First in – first out – Speicher) eines Sensors zu einem bestimmten Zeitpunkt gespeicherten Abstandsdaten ausgewertet und die so für diesen Zeitpunkt erhaltenen Relativgeschwindigkeiten werden gemittelt. In einem nachfolgenden Schritt wird für einen bestimmten festgelegten Zeitraum der Mittelwert der so erhaltenen gemittelten Relativgeschwindigkeiten gebildet. Die auf diese Weise erhaltenen Relativgeschwindigkeiten werden in einem weiteren FIFO gespeichert.
  • Eine Alternative zu dieser Art der Ermittlung der Relativgeschwindigkeit besteht darin, zunächst die von den Sensoren gemessenen Dopplergeschwindigkeiten für ein Objekt auszulesen. Diese Dopplergeschwindigkeiten werden für einen bestimmten Zeitraum gemittelt und die so erhaltenen Mittelwerte für die betrachteten Zeiträume werden in einem FIFO-Speicher abgelegt.
  • Eine vorteilhafte Ergänzung der Erfindung besteht darin, auf Basis der mit den Sensoren ermittelten Größen ein abgegrenztes Gebiet im Fahrzeugumfeld festzulegen, in dem die zu betrachtenden Objekte liegen.
  • Hierzu wird zunächst die sogenannte „Kritische Distanz" festgelegt. Sie hängt von der berechneten Relativgeschwindigkeit zwischen einem Objekt und dem Fahrzeug, der Vorwarnzeit für die sicherheitsrelevanten Komponenten des Fahrzeuges sowie der Update-Rate der Eingangswerte ab und dient als Grundlage für die Berechnung des zu betrachtenden Gebietes.
  • Für die Berechnung des zu betrachtenden Gebietes bspw. vor einem Fahrzeug werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
    • – Wenn der kleinste gemessene Abstand min(rji)kleiner als die Kritische Distanz ist, dann wird die obere Schwelle des zu betrachtenden Gebietes zu min(rji) bestimmt, ansonsten bricht das Verfahren ab – es befindet sich kein Objekt innerhalb der Kritischen Distanz. Dabei ist rji der Abstand des Sensors j vom Objekt i.
    • – Die untere Schwelle des zu betrachtenden Gebietes ergibt sich aus den Schnittpunkten der Kreise der Radien rji mit den festgelegten, seitlichen Grenzen des zu betrachtenden Bereiches. Falls es sich bei dem betrachteten Bereich um einen Bereich vor einem Fahrzeug handelt, entsprechen die seitlichen Grenzen im Wesentlichen den Linien, die die Breite des Fahrzeuges bestimmen.
    • – Wenn die so ermittelte untere Schwelle unter einer bestimmten Mindestschwelle liegt, wird diese Mindestschwelle als untere Schwelle festgelegt. Die Mindestschwelle kann beispielsweise der kleinsten messbaren Distanz der Sensoren entsprechen.
  • Die Bestimmung des zu betrachtenden Gebietes hat den Vorteil, dass es möglich wird, zwischen von den Sensoren erfassten relevanten und irrelevanten Objekten zu unterscheiden. Somit wird sichergestellt, dass auf die Berechnung der genauen Position von irrelevanten Objekten keine Rechenzeit verwendet wird und die volle Kapazität eines verwendeten Prozessors für die Bestimmung der exakten Position relevanter Objekte verwendet werden kann.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, Vorkehrungen für die Fälle zu treffen, in denen durch die Klassifikation keine Positionsdaten ermittelt werden können. In diesem Fall lautet das Ergebnis der Klassifikation „NULL". Sollte die Klassifikation mehrmals hintereinander das Ergebnis „NULL" liefern, so wird das letzte gültige Ergebnis für eine einstellbare Anzahl von Meßzyklen aufrechterhalten. Dieses Ergebnis wird jedoch nur ausgegeben, falls die Anzahl gleicher oder ähnlicher Ergebnisse der vorangegangenen Meßzyklen eine vorab einstellbare Anzahl übersteigt. Damit wird sichergestellt, dass ein korrektes Ergebnis ausgegeben wird und nicht etwa das Ergebnis einer bereits fehlerbehafteten letzten Messung verwendet wird.
  • In vorteilhafter Weise wird die beschriebene Erfindung durch eine Vorrichtung implementiert, die als Erstausstattung in Fahrzeugen eingebaut bzw. als Nachrüstsatz angeboten werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt mehrere Sensoren sowie eine Auswerteeinrichtung, beispielsweise einen im Fahrzeug integrierten Prozessor mit Ein- und Ausgängen sowie eine Speichereinheit. Die Klassifikation und damit die genaue Positionsbestimmung der relevanten Objekte wird durch den Prozessor anhand eines Vergleiches mit in der Speichereinheit hinterlegten Referenzdatensätze vorgenommen. Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sowohl im Front- als auch im Heckbereich eines Fahrzeuges denkbar.
  • Eine vorteilhafte Wahl für die Sensoren stellen dabei beispielsweise Radarsensoren dar. Diese Klasse von Sensoren liefert auch bei unterschiedlichsten Witterungs- und Beleuchtungsbedingungen Daten von hoher Qualität. Geeignete Radarsensoren sind mittlerweile im Handel zu günstigen Preisen erhältlich; sie werden beispielsweise von der Firma M/A-COM angeboten. Alternativ zur Verwendung von Radarsensoren oder zu deren Ergänzung ist die Verwendung optischer Sensoren denkbar. Hier bietet der Einsatz sogenannter Closing Velocity Sensoren (CV) einige Vorteile.
  • Ein CV Sensor sendet codiertes Laserlicht aus, das von Objekten im Erfassungsbereich reflektiert wird. Aus dem reflektierten Signal lassen sich in ähnlicher Weise wie aus dem Radarsignal Informationen zu Abstand und Bewegungszustand eines Objektes ableiten. Neben diesen primären Funktionen ergeben sich aus dem Leistungsspektrum des Sensors weitere Nutzungsmöglichkeiten. So ist beispielsweise der Einsatz des CV-Sensors als Regen- oder Straßenzustandssensor denkbar.
  • Zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Vorrichtung ist es vorteilhaft, zusätzliche Mittel vorzusehen, die die Funktionsfähigkeit der Sensoren überwachen bzw. den etwaigen Ausfalls eines Sensors detektieren und den Fahrer warnen bzw. die Vorrichtung in diesem Fall deaktivieren, um eventuelle Fehlauslösungen zu vermeiden.
  • Im folgenden wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 Eine Übersichtsdarstellung des durch die erfindungsgemäße Vorrichtung implementierten Verfahrens
  • 2 Eine detaillierte Darstellung der geometrischen Verhältnisse in dem für eine Klassifikation betrachteten Bereich
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild, anhand dessen eine Vorrichtung, in der die Erfindung realisiert ist, erläutert werden soll. Durch die Sensoren 1 werden Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten von Objekten im Erfassungsbereich der Sensoren bestimmt und an den Eingangsfilter 2 übermittelt. Der Eingangsfilter 2 dient dabei einerseits dazu, durch eine Mittelung über mehrere Messzyklen evtl. Aussetzer der Sensordaten zu egalisieren, andererseits dazu, anhand der von den Sensoren gemessenen Entfernungen und Geschwindigkeiten Ziellisten zu generieren, die die einzelnen im Erfassungsbereich des Sensors identifizierten Zielobjekte enthalten und eine Unterscheidung verschiedener Objekte ermöglichen. Die im Eingangsfilter 2 gewonnenen Informationen werden im folgenden der Einheit zur Berechnung der Relativgeschwindigkeit 3 zugeleitet. Dort werden auf Basis der aus dem Eingangsfilter 2 gewonnenen Informationen die Relativgeschwindigkeiten zwischen den erkannten Objekten und dem Fahrzeug ermittelt. Zusammen mit den Entfernungswerten, die für die einzelnen Objekte durch den Eingangsfilter 2 bestimmt werden, werden diese Informationen dazu verwendet, um in der nachfolgenden Einheit zur Bestimmung des relevanten Bereichs 4 weiter verarbeitet zu werden. Hier wird gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren festgelegt, welche Objekte als relevant zu betrachten sind und somit Gegenstand der nachfolgenden Klassifikation 5 werden sollen. Wesentliches Ergebnis der Klassifikation 5 ist die Bestimmung der genauen Positionen von relevanten Objekten vor dem Fahrzeug. Dies erfolgt anhand eines Vergleichs der gemessenen Werte mit in einer Datenbank gespeicherten Referenzwerte und Auswahl des Datensatzes, für den sich die geringsten Abweichungen zu dem anhand der Messungen ermittelten Datensatz ergeben.
  • Im letzten Schritt des Verfahrens werden etwaige Fehlmessungen durch den Ausgangsfilter 6 dadurch korrigiert bzw. unterdrückt, dass der Ausgangsfilter 6 plausible Ergebnisse aus vorangegangenen Meßzyklen aufrecht erhält.
  • Die in dem vorgestellten Ausführungsbeispiel gewählte Unterteilung in einzelne Komponenten ist als beispielhafte Realisation zu sehen; selbstverständlich ist es ebenso möglich, Teile des Verfahrens beispielsweise in einer Implementation in Software zur funktionalen Einheiten zusammenzufassen.
  • Anhand der nachfolgenden 2 wird die Klassifikation 5 näher erläutert. Der Abstand eines Objektes vor dem Fahrzeug sj, sein seitlicher Versatz zum Sensor bi sowie die Entfernung ri des Objektes zum Sensor i bilden ein rechtwinkliges Dreieck. Somit gilt: bij 2 = ri 2 – Sj 2
  • Im folgenden wird die Bestimmung der genauen Position eines einzelnen Objektes 10 betrachtet: Für das Objekt 10 mit bekannter Entfernung ri zum Sensor i werden nacheinander für unterschiedliche Sj, die innerhalb des abgegrenzten Gebietes im Fahrzeugumfeld liegen, die einzelnen bij ermittelt. Dabei wird Sj innerhalb der aus der Bestimmung des zu betrachtenden Bereiches erhaltenen Grenzen schrittweise in J Schritten variiert, d. h. j läuft in der obigen Gleichung von 1 bis J. Die so erhaltenen J bij für den Sensor i können als Komponenten eines Vektors betrachtet werden. Dieser Vorgang wird für alle I Sensoren wiederholt, d. h. i läuft in obiger Gleichung von i bis I. Selbstverständlich können in analoger Weise auch zunächst für ein sj alle bij bestimmt werden. Die so erhaltenen Vektoren werden nun in einem nachfolgenden Schritt mit in der Datenbank hinterlegten Referenzvektoren verglichen. Zur Bestimmung des seitlichen Versatzes b des Objektes 10 vor dem Fahrzeug wird aus der Datenbank derjenige Vektor ausgewählt, der die geringste Abweichung zu dem aus den gemessenen Daten bestimmten Vektor aufweist. Auf diese Weise kann schnell der seitliche Versatz b des Objektes 10 vor dem Fahrzeug bestimmt werden. Die Geschwindigkeit der Klassifikation kann dabei durch eine geeignete Wahl der Schrittweite für die Sj optimiert werden.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Erfassung von Objekten im Umfeld von Fahrzeugen mit mehreren Sensoren und einer Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Klassifikationseinrichtung aufweist, die geeignet ist, Positionsinformationen zu den Objekten anhand eines Vergleiches von aus durch die Sensoren gemessenen Werten gewonnenen Informationen mit in einer Speichereinheit hinterlegten Daten abzuleiten.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenneichnet, dass es sich bei den Sensoren um Radarsensoren, optische Sensoren oder um eine Kombination aus Radarsensoren und optischen Sensoren handelt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung geeignet ist, Aussetzer in den gemessenen Werten durch eine Mittelung über vorangehende und nachfolgende Werte zu korrigieren.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von erfassten Objekten zum Fahrzeug aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Erkennung von Ausfällen einzelner Sensoren aufweist.
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