JP2572968B2 - 自律走行車の誘導方法 - Google Patents

自律走行車の誘導方法

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JP2572968B2 JP61166061A JP16606186A JP2572968B2 JP 2572968 B2 JP2572968 B2 JP 2572968B2 JP 61166061 A JP61166061 A JP 61166061A JP 16606186 A JP16606186 A JP 16606186A JP 2572968 B2 JP2572968 B2 JP 2572968B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、左右独立に回転し得る車輪を備えた自律走
行車の誘導方法に関する。
〔従来技術〕
無人搬送台車等の移動体を自律走行させる方法として
は連続的な走行経路を誘導ケーブル,光学テープ等によ
って予め設定し、この経路に沿って台車を走行させる方
法,走行経路の周囲環境を電波,光等によって移動体に
認識させて、この情報に従って走行させる方法及び推測
航法を応用して台車を誘導する方法がある。
推測航法を応用した誘導方法においては、移動体の現
在位置及び方位を推測するために移動体の両輪からその
回転に応じて発生されるパルス数から演算を行なう方法
が提案されている(特開昭51−53870)。
この方法では、台車等の移動体の左右両輪に備えたパ
ルスジェネレータから、車輪の回転に応じて発生される
パルスを微少時間毎に左右夫々にて計測し、これらの値
をもとに移動体の平均速度及び進行方位の変化量を得
て、これらの変化量から移動体の現在位置及び方位を求
める。
推測航法では、移動体は設定された走行経路へ前述の
ようにして求めた移動体の位置及び方位に基づいて誘導
されるが、推定する位置・方位と絶対位置・方位とのず
れを外部に設けた確認物によって認識し、走行経路上の
適宜の箇所にて定点補正することが知られている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
以上のように、台車はその位置及び方位の推定に基づ
き誘導され、適宜の地点にて位置及び方位のずれが補正
されるが、台車の位置及び方位を推定する基準となる車
輪の大きさまたは車輪間距離に誤差が含まれている場
合、ずれが補正されても補正以前と同様のずれを生じる
走行が繰り返され、次の補正点までの誘導精度は徐々に
低下していた。また、台車の経年使用による車輪の摩滅
等により誤差が増大してくると、固定した係数では台車
は位置及び方位の補正不可能な位置、詰まり定点補正用
のマークから遠く離れた位置へと誘導される可能性があ
る。
本発明はこのような問題点を解決するためになされた
ものであって、走行経路の所定の位置にて検知される偏
差量に基づいて車輪の大きさまたは車輪間距離にて定ま
る係数を変更する自律走行車の誘導方法を提供すること
を目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明に係る自律走行車の誘導方法は、左右独立に回
転する車輪を備えた自律走行車の誘導方法において、予
め自律走行車の走行経路を設定すると共に、該走行経路
上に定点補正用のマークを配しておく一方、自律走行車
の左右の車輪の回転数を左右夫々に検知し、検知した左
右車輪の回転数、自律走行車の左右車輪間隔にて定まる
係数及び左右車輪の1パルス当たりの進行距離より定ま
る係数から自律走行車の位置・方位を推定し、推定した
位置・方位に基づいて自律走行車を前記走行経路へ誘導
し、また前記マーク検出時に該マークと自律走行車との
相対位置関係から自律走行車の位置・方位を検出し、検
出した位置・方位と前記推定した位置・方位との偏差を
検知し、該偏差に関連する前記係数を変更し、変更した
係数を新しい係数として適用して自律走行車を誘導する
ことを特徴とする。
〔作用〕
本発明では、自律走行車は任意の地点から出発し、一
定時間毎に左右の車輪の回転数を左右夫々に検知し、こ
れらの回転数及び左右車輪の車輪間隔及び左右車輪の1
パルス当たりの進行距離より定まる係数に基づいて自律
走行車の位置・方位を推定し、推定した位置・方位に基
づき目標位置を設定し、その目標位置に向かって走行し
ながら予め設定された走行経路に沿うように走行すると
共に、走行経路の適宜の位置に配されたマークを検知す
る都度、自律走行車の位置・方位を補正し、この補正時
に位置・方位の偏差を検出し、検出した偏差が位置又は
方位のいずれの偏差であるかによって、この偏差に関連
のある係数を変更し、変更した係数を新しい係数として
適用して走行する。
〔実施例〕
以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき詳述す
る。第1図は自律走行する台車の構成を示す概略図であ
って、台車の前端及び後端の夫々にキャスタ1,2を備
え、台車の中央には左右に2個の車輪3,4を有し、この
車輪は夫々モータ5,6によって駆動される。左右の車輪
3,4にはその回転数に応じたパルスを発するパルスジェ
ネレータ7,8を設け、これらのパルスは制御回路9に読
み取られ、制御回路9はモータ5,6の回転速度と回転方
向とを制御して車輪3,4を駆動する。
以上のように構成された台車の誘導方法の概略を第2
図のフローチャートに従い説明する。
まず前提として、台車の絶対位置・方位を算出する基
準として床面にXY座標(以下、外界座標という)を設定
する。そして、台車の制御回路9には自身の制御基準と
してのxy座標(以下、内界座標という)が設定されてお
り、この内界座標は制御の開始時には外界座標と一致さ
れるものとする。
なお、外界座標に設定されている台車の走行経路は内
界座標にも設定されており、台車は基本的にはこの内界
座標に設定されている走行経路に沿うように誘導され
る。
台車の左右の車輪から、その回転に応じてパルスジェ
ネレータが発生するパルスを左右夫々に読み取り
(イ)、これらのパルス数から台車の平均速度及び方位
変化量を算出する(ロ)。算出した平均速度及び変化量
から台車を基準に設定されるxy座標(以後、内界座標と
いう)における台車の現在位置及び方位を求め(ハ)、
この位置・方位及び予め設定される走行経路に基づいて
瞬時目標位置を仮定し(ニ)、目標位置方向へ台車を誘
導する(ホ)。これを所定時間毎に繰り返し(ヘ)、台
車は走行経路に沿うように誘導される。
また路面に設定した走行経路上に所定の間隔で磁石を
設置し、磁石は2個を1組の補正点とし、この補正点を
台車が通過すると、台車のセンサにより磁石が検知され
て(ト)路面に設定されるXY座標(以後、外界座標とい
う)における台車の絶対位置・方位が算出される
(チ)。算出された絶対位置・方位を算出時の内界座標
上の位置・方位と置き換えると、これによって内界座標
が補正される(リ)。内界座標が補正されると同時に、
外界座標における台車の位置及び方位と内界座標におけ
る台車の位置及び方位との偏差量を算出し(ヌ)、これ
ら偏差量に基づいて台車係数、つまり車輪の大きさまた
は車輪間距離にて定まる係数を変更する(ル)。内界座
標の補正及び台車係数の変更が終了すると、台車は変更
された係数を適用して走行経路に沿うように走行する
(ヲ)。
以上のような誘導方法を演算式に用いて以下に詳述す
る。まず台車の位置・方位の検出方法について説明する
と、台車は任意の地点から出発することとし、パルスジ
ェネレータからの信号のサンプル周期をτ,サンプル周
期の序列をiとする。更にiについて詳述すれば、以下
に説明する台車位置・方位の算出,瞬時目標位置設定,
定点補正等を含む一連の台車誘導の制御の序列を表す。
時刻iτよりτ時間に発生する左右車輪のパルス数を夫
々PLi・PRi,左右車輪の1パルス当たりの進行距離を夫
々HL.HRとすると、左右車輪の速度vLi・vRi及び左右車
輪の中点(台車の代表点という)における平均速度vCi
は、 vLi=HL・PLi/τ …(1) vRi=HR・PRi/τ …(2) vCi=(vLi+vRi)/2 …(3) と表わされる。また、左右の車輪間隔をTとすると台車
の方位変化量ΔθCiは ΔθCi=(vLi+vRi)τ/T …(4) となる。左右車輪の1パルス当たりの進行距離HL,HR
び車輪間隔Tは、台車仕様にて定まる係数であって、
PL,PRは正転をプラス,逆転をマイナスとする。
更に内界座標における時刻(i−1)τの台車代表点
の位置をci-1(xCi-1,yCi-1),進行方位をθCi-1とす
ると、時刻iτにおける台車の位置ci(xCi,yCi),進
行方位θCiは近似的に xCi=xCi-1+vCi・τ sin(θCi-1+ΔθCi/2) …
(5) yCi=yCi-1+vCi・τ cos(θCi-1+ΔθCi/2) …
(6) θCi=θCi-1+ΔθCi …(7) と表わし得る。(1)〜(3)式では車輪は路面に対し
ある面積にて接地するが、その中の1点を代表点として
考え、走行中の速度は定常的であると仮定する。また
(4)〜(7)式においては、台車の軌跡を直線とみな
して算出したがτが非常に短い時間であるため大きな誤
差は生じない。また(1)〜(7)式においてPLi,PRi
がどちらも負の場合は後退走行、一方が正もう一方が負
の場合はスピンターン走行を表わす。
次に台車を走行経路へ誘導する方法を説明する。走行
経路は直線経路を設定し、更にY軸に一致することとす
る。台車は外界座標原点から出発し走行を続けて経路を
それ、内界座標における現在位置ci(xCi,yCi)に達し
たと仮定し、この時の方位をθCiとする。従って台車の
位置偏差量はxCi,進行方位偏差量はθCiとして表わされ
る。これらの偏差量と位置ciにおける台車の速度vCi
もとに第3図に示すような瞬時目標位置di(xdi,ydi
を仮定して誘導を行なう。この目標位置diは、 xdi=K1xCi−K2θCi …(8) ydi=yCi+K2|θCi|−K3vCi+K4 …(9) 〔0≦K1<,0≦K2,0<K3,K4〕 と表わされる。ここでK1〜K4は各偏差量の重みを調節す
る係数又は定数であって、K1は位置係数,K2は方位係数,
K3は速度計数,K4は位置定数である。
本実施例では台車はCiとdiとの2点間を円弧を描いて
走行する方法を採るが、その方法は第4図に示すように
ci及びdiを通り、しかもy軸と角θCiをなす台車進行方
向延長線に接する円弧を想定してこの円弧を時刻iτよ
りτ時間で走行する場合の左右車輪の指定速度vLi,cmd
Ri,cmdを求める。
ciよりdiを臨む角度θcdiは、第4図から幾何学的に θcdi=tan-4{(xdi−xci)/(ydi−yci)}…(10) と表わされる。次に台車がこの円弧上を走行しdiに到達
した場合の走行方位θdi,台車の旋回半径riを第4図か
ら幾何学的に求めると、 θdi=2θcdi−θCI …(11) ri=|(ydi−yci)/(sinθdi−sinθci)|…(12) となる。時刻iτからτ時間の平均指令速度をviとして
このriの値をもとに左右車輪の指令速度を算出すると第
4図に示すようなθci>θdiである左旋回では、 またθci<θdiである右旋回では、 となる。
以上(1)〜(14)式の演算をτ時間毎に繰り返せば
台車は半径の異なる微小な円弧がなめらかにつながった
経路上を走行経路であるy軸に収束するように誘導され
る。
この誘導をなめらかに行なうために内界座標内目標位
置diと台車の現在位置ci(xci,yci)との相対的位置関
係よりその2点間の距離を3段階に分け台車の指令速度
viを加速から定速そして減速の3段階にて制御する。
加速時 vi=αiτ〔0≦yci<Lacc〕 …(15) 定速時 vi=vconst〔Lacc≦ydi,Lri>Lacc〕 …(16) α :加速度(mm/s2) vconst:指定速度(mm/s) ydi :瞬時目標位置y軸座標(mm) Lri :対目標位置残距離(mm)=ydi−yci Lacc :vconst 2/2α 以上(15),(16),(17)式よりviを求める。
次に、(13),(14)式により求められる左右車輪の
指令速度vLi,cmd,vRi,cmdについてPID制御で速度制御
を行なう。
EvLi=vLi,cmd−vci …(18) vciはciにおける左右車輪の平均速度,vLi,outはPID制
御に基づく左車輪指令速度出力値であり、G1,G2,G3は制
御係数である。(18),(19)式は左車輪の速度制御を
表わしているが、右車輪についても同様の制御式とな
る。以上の制御によってなめらかな走行を行ない、スリ
ップによる外乱を避ける。
ところが、内界座標における台車の位置・方位に基づ
いて台車の誘導を行なううちに、路面に想定されるXY座
標における台車の位置・方位と内界座標における台車の
位置・方位との間にずれが生じてくる。即ち、台車の位
置・方位は微少な変化量を累積演算を行なって割り出す
ために路面の凹凸・車輪のスリップ等のノイズによる誤
差、また(1),(2),(4)式に係る台車係数が不
適切であるために生ずる誤差等も累積される結果、演算
の結果にずれが生じてくる。
そこでこれらの誤差を除去するために走行中の適宜の
位置で台車の絶対位置に対する内界座標位置のずれを補
正する必要がある。
補正の手段としては走行経路上に設置された基準物体
またはコース側方に設置された基準物体を用いる方法が
開発されているが、路上に所定の間隔で設置された複数
の磁石を用いて定点補正を行なう手順を第5図に従い説
明する。設定された走行経路、ここではY軸上にLの間
隔で磁石M1,M2が設置されており、台車出発点側の磁石M
1を前置ノード、進行方向前方のM2を補正ノード(O,
YN)とする。台車中央下部には第1図に示すように磁気
を検知する素子を横方向に複数個並設した磁石センサ10
が取り付けられている。
台車が内界座標の走行経路に従って走行しながら、路
上に設置された磁石M1,M2を通過すると第1図に図示す
る磁石センサ10によりM1,M2夫々によって台車中央から
の横ずれ長L1,L2が検出される。これらの検出後、補正
の演算が行われる間に台車はLOVの距離を進むとして点X
R,YRを補正の開始位置とする。
補正開始位置(XR,YR)及び方位Θは第5図から幾
何学的に下記式にて求められる。
Θ=tan-1{(L1−L2)/L} …(20) XR=−L2・cosΘ+LOV・sinΘ …(21) YR=YN−|L2|・sin|ΘR|+LOV・cosΘ …(22) 以上のようにして求められる外界座標上の台車の絶対
位置及び方位の値XR,YR及びΘを内界座標上における
累積誤差を含んだ台車の位置(xci,yci)及び方位θci
の値と置き換えることによって内界座標は外界座標に一
致して初期状態となり補正が完了する。
以上の補正には2つの磁石が必要であり、2つの磁石
を1組の補正点としてこの補正点を通過する度に内界座
標を初期化し外界座標に対する内界座標のずれを補正す
ることにより、台車は路上に設定された走行経路を誘導
される。
ところで、前述の台車係数HL,HR及びTは内界座標内
の台車位置・方位を算出する前記(1)〜(7)式にお
いて、式の値を決定する要素であるため、これらの係数
に誤差が含まれている場合、算出した内界座標内の台車
位置・方位と台車の絶対位置・方位との偏差を生ずる要
因となる。ところが、台車係数が固定係数である場合、
生じた偏差は前述の定点補正によって偏差発生の原因に
係らず補正はされるが、補正後も同様の偏差を繰り返す
結果となって、誘導精度を低下させ、また台車の経年使
用によって車輪が摩滅する等して誤差が増大した場合
は、定点補正行ない得る領域へ台車を誘導することが不
可能となる。
そこでこのような誘導精度の低下を防ぎ、定点補正を
行ない得る領域へ台車を誘導するために本発明では走行
中の適宜の位置にて台車係数を変更することとする。以
下に、その方法を詳述する。下記の(23)〜(25)式に
おいては、内界座標内の台車の位置・方位を検出する前
記(1)〜(7)式にて台車係数HL,HR及びTは誤差を
含まない台車係数とし、これらに夫々δHL,δHR,δTの
誤差が生じていると仮定すると、サンプリング周期毎の
(1)〜(7)式において誤差が累積した場合のn周期
経過後の台車の位置・方位は以下HL,HRをパルス係数、
またTを1/T=A,1/(T+δT)=(A+δA)と便宜
上置き換えてAをトレッド係数ということとして、
(5)〜(7)式を用いて表わすと、 となる。但し、(23)〜(25)式の成立する条件として
直進時においては、 A) 左右駆動輪の1パルス当たりの進行距離は等しい
(HL=HR=H) B) 定常走行である(PLi=PL,PRi=PR) C) 台車は路面に対し直進する(PL=PR=P、従って
進行距離LdS=iHP) D) 内界座標内、台車スタート位置は任意に設定でき
る(本実施例ではx0=y0=θ=0) E) (23),(24)式中の円弧を線形近似することが
可能である程度の短い距離をサンプリング周期毎に走行
する と仮定する。
また、スピンターン時には直進時におけるA),B),
D)の仮定の他に、 F) 台車は路面上の定点にて旋回する(|PL|=|PR|=
P,PL=−PR) と仮定する。
また、前述の定点補正時に、式(20)〜(22)から算
出した台車の絶対位置XR,YR及び絶対方位Θ夫々の偏
差量δXci,δYci,δΘciは以下のように表わされる。即
ち、 δXci=XR−xci …(32) δYci=YR−yci …(33) δΘci=Θ−θci …(34) 以上の仮定及び算式に基づいて(23)〜(25)式から
位置・方位の偏差を求める簡略な式を導くと、(δHL
δHR)/2=δHとすれば、直進時には と表わされ、またスピンターン時には、 δXci=iδHP sin(2iAHP) …(29) δYci=iδHP cos(2iAHP) …(30) と表わされる。
以上(26)〜(31)式から、位置・方位の偏差と係数
誤差との間の因果関係を見ると、(26)式の左右パルス
係数誤差の差(δHL−δHR)は主に横方向位置ずれδX
ciに、(27)式の左右パルス係数の平均誤差δHは進行
方向位置ずれδYciに、(31)式からトレッド係数誤差
δAは方位ずれδΘciに夫々影響を与えている。
(26)〜(31)式は台車の位置・方位偏差と台車係数
誤差との間の数値的関連を導き出すものではないが、偏
差の要因を導き出している。即ち、Xciに偏差が生じる
場合は左右パルス係数誤差の差(δHL−δHR)が、Yci
に偏差が生じる場合は左右パルス係数の平均誤差δH
が、またΘciに偏差が生じる場合はトレッド係数誤差δ
Aが夫々要因であるので、これらの誤差を修正して台車
係数を変更すればよい。
なお、(δHL−δHR)は方位ずれδΘciにも影響を与
えてはいるが、計算式(26)式からδXciは、Ldsの2乗
に比例するために、係数誤差の差(δHL−δHR)は増幅
されてδΘciよりもδXciに大きな影響を与える。従っ
て、相対的に大きな影響を受けているδXciを検知し
て、これに関する係数を変更することにより、δXci
りも相対的に(δHL−δHR)の影響が小さい方位Θの偏
差も改善されるので、δΘciの検知によって(δHL−δ
HR)を修正することとはしない。
また、トレッド係数Aの変更に関しては、(31)式の
偏差と誤差との関係よりスピンターン時の台車の方位偏
差δΘciを検知する必要があるが、本実施例の磁石セン
サによる定点補正ではスピンターン時の偏差の検知は不
可能であるので、次に述べる仮定に基づき、トレッド係
数Aを変更することとする。即ち、台車がスピンターン
の後に直進走行を行なった場合、補正点にて検知される
偏差量δXciは、トレッド係数誤差δAに起因するもの
であると仮定する。従って、台車が補正点通過後にスピ
ンターンを行ない、次の補正点を直進走行にて通過し、
δXciの偏差を生じる場合は、トレッド係数Aを変更す
る。一方、補正点から補正点の全工程が直進走行である
場合の変化δXciの検知時には、前述のように(δHL
δHR)を修正してHL,HRを変更する。
以上に述べた係数の変更にはノイズに強い固定増量法
を用いて一定値を増減し、定点補正の都度、徐々に台車
の位置・方位の偏差を修正する。
第6図及び第7図は台車が本実施例による台車係数の
変更を行ないながら走行した場合の台車の位置・方位偏
差量の変化を表わした図である。これと比較のために、
係数を固定した場合の台車の位置・方位偏差量の変化を
第8図,第9図に示した。これらの図から明らかなよう
に、台車係数の変更を行なった第6図,第7図では偏差
量は補正を重ねていくことにより減少し、微量の偏差量
領域に収束し、一方係数を固定した第8図,第9図で
は、偏差量の改善が見られない。
第6図〜第9図の実験では、周回コースを設定し、台
車係数を修正しながら台車を周回走行させ、補正点での
δXci,δΘciを測定する。補正点は1周8箇所とし、従
って係数の変更も8箇所にてなされ、トレッド係数の変
更は4箇所,パルス係数の変更は他の4箇所にて行なっ
た。第6図〜第9図の横軸は周回回数,縦軸は偏差量を
示している。第6図,第7図から明らかなように、偏差
量は回を追って低減し、8〜9周以後はδXciは約±15m
m以内に、δΘciは0.01rad(≒0.57゜)以内に収まって
いる。
なお、以上に述べた係数変更による誘導精度の向上方
法は、推測航法にジャイロを用いる場合のジャイロの偏
差の修正にも適用が可能である。
即ち、ジャイロは、ドリフト等によって必ず偏差を生
じ、この偏差によって演算誤差が生じる。このようなド
リフト等による偏差を修正し、演算誤差を減ずるために
本発明を適用してジャイロの出力を調整することも可能
である。
また、本実施例では定点補正に磁石と磁石センサとを
用いることとしたが、補正用マーク光学的に視認する方
法を採ってもよいことは勿論である。
また、本実施例では係数の変更に固定増量法を用いた
が、この方法に限るものではない。
〔効果〕
以上の如く本発明方法では、自律走行車の左,右の車
輪の回転数を夫々検知し、検知した回転数、自律走行車
の左右車輪の車輪間隔にて定まる係数及び左右車輪の1
パルス当たりの進行距離より定まる係数から自律走行車
の位置・方位を推定し、推定した位置・方位に基づいて
自律走行車を走行経路へ誘導し、また位置・方位の推定
誤差を補正用マークを用いて検出し、補正する誘導制御
システムにおいて、位置・方位の推定誤差と自律走行車
の左右車輪の車輪間隔にて定まる係数及び車輪径,回転
パルス発生数にて定まる係数との因果関係を明示し、こ
れに基づいて位置・方位の推定誤差より車輪間隔にて定
まる係数及び左右車輪の1パルス当たりの進行距離より
定まる係数を真値に近づけるべく変更している。
従って、補正用マークを用いて位置・方位誤差を検出
する毎に、位置・方位誤差を低減するべく車輪間隔にて
定まる係数及び左右車輪の1パルス当たりの進行距離よ
り定まる係数が更新され、マーク間を走行する際の誤差
を低減出来ることとなって、マークを全く外れてしまう
如き大きな誤差の発生がなく、それだけマーク間の距離
を大きく出来、設備コストの低減が図れ、しかもマーク
通過の際には検出した位置・方位と、推定した位置・方
位との偏差を検知して、偏差に関連する係数を変更する
から、蓄積誤差も解消されることとなり、より正確な走
行が可能となる等本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は台車の構成を示す概略図、第2図は本発明方法
の手順を示すフローチャート、第3図,第4図は本発明
に係る誘導状態の概念図、第5図は磁石による補正原理
の説明図、第6図,第7図は本発明方法による偏差量の
変化を示すグラフ、第8図,第9図は台車係数固定によ
る偏差量の変化を示すグラフである。 3,4……車輪、7,8……パルスジェネレータ 9……制御回路、10……磁石センサ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】左右独立に回転する車輪を備えた自律走行
    車の誘導方法において、予め自律走行車の走行経路を設
    定すると共に、該走行経路上に定点補正用のマークを配
    しておく一方、自律走行車の左右の車輪の回転数を左右
    夫々に検知し、検知した左右車輪の回転数、自律走行車
    の左右車輪間隔にて定まる係数及び左右車輪の1パルス
    当たりの進行距離より定まる係数から自律走行車の位置
    ・方位を推定し、推定した位置・方位に基づいて自律走
    行車を前記走行経路へ誘導し、また前記マーク検出時に
    該マークと自律走行車との相対位置関係から自律走行車
    の位置・方位を検出し、検出した位置・方位と前記推定
    した位置・方位との偏差を検知し、該偏差に関連する前
    記係数を変更し、変更した係数を新しい係数として適用
    して自律走行車を誘導することを特徴とする自律走行車
    の誘導方法。
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