JP6589428B2 - Center of gravity height estimation device - Google Patents
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Description
本発明は、車両の走行中の重心高を推定する重心高推定装置に関する。 The present invention relates to a center-of-gravity height estimation device that estimates the center-of-gravity height during travel of a vehicle.
従来、車両の走行中の重心高を推定し、推定した重心高に基づいて各種警報や、車両の制御等を行っていた。車両の重心高を推定する方法としては、例えば、車両のピッチ方向の運動を利用して推定する方法、ロール方向の静的なつり合いを用いて推定する方法等が知られている。 Conventionally, the height of the center of gravity during travel of the vehicle is estimated, and various alarms, control of the vehicle, and the like are performed based on the estimated height of the center of gravity. As a method for estimating the height of the center of gravity of the vehicle, for example, a method of estimating using the motion of the vehicle in the pitch direction, a method of estimating using a static balance in the roll direction, and the like are known.
ピッチ方向の運動を利用して推定する方法としては、例えば、ピッチ角の最大値から、ピッチ中心と重心との距離を推定する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a method of estimating using the motion in the pitch direction, for example, a method of estimating the distance between the pitch center and the center of gravity from the maximum value of the pitch angle is known (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に開示された技術では、ピッチ角の最大値を特定する必要があり、このため、ピッチ角及びピッチ角速度を把握する必要がある。例えば、ジャイロセンサによりピッチ角速度を得られる場合には、ピッチ角速度を積分してピッチ角を得ることができるが、ノイズが重畳されてピッチ角の精度がよくない場合がある。また、車両のサスペンションのハイトセンサ等によってピッチ角が算出できる場合には、ピッチ角を微分してピッチ角速度を得ることができるが、ノイズの影響によってピッチ角速度の精度がよくない場合がある。
In the technique disclosed in
一方、ロール方向の静的なつり合いを用いる場合においては、車両が旋回しなければ重心高を推定できない問題がある。 On the other hand, when using a static balance in the roll direction, there is a problem that the height of the center of gravity cannot be estimated unless the vehicle turns.
本発明は、車両の走行中の重心高を容易且つ適切に推定することのできる技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which can estimate the gravity center height during driving | running | working of a vehicle easily and appropriately.
上述の目的を達成するため、本発明の一観点に係る重心高推定装置は、車両の前後方向の加速度を検出する前後方向加速度検出手段と、車両のピッチ角又はピッチ角速度を検出するピッチ情報検出手段と、車両のピッチ運動モデルに対応する状態方程式について、前後方向の加速度と、ピッチ角又はピッチ角速度とを入力し、非線形カルマンフィルタを適用することにより、状態方程式のパラメータの値を推定するパラメータ推定手段と、パラメータの値と、車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数と、車両のばね上質量とに基づいて、車両の重心高を推定する重心高推定手段と、を有する。 In order to achieve the above-described object, a center-of-gravity height estimation device according to an aspect of the present invention includes a longitudinal acceleration detection unit that detects acceleration in the longitudinal direction of a vehicle, and pitch information detection that detects a pitch angle or a pitch angular velocity of the vehicle. Parameter estimation that estimates the values of the parameters of the state equation by inputting the longitudinal acceleration and pitch angle or pitch angular velocity and applying a nonlinear Kalman filter to the state equation corresponding to the means and the pitch motion model of the vehicle And means for estimating the height of the center of gravity of the vehicle on the basis of the value of the parameter, the rigidity or viscosity damping coefficient in the pitch direction of the vehicle, and the sprung mass of the vehicle.
上記重心高推定装置において、状態方程式は、車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第1パラメータと、車両のばね上質量、重心高、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第2パラメータとを有し、パラメータ推定手段は、第1パラメータと、第2パラメータの値を推定し、重心高推定手段は、第1パラメータの値と、既知のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数とに基づいて、ピッチ方向の慣性モーメントの値を特定し、第2パラメータの値と、ピッチ方向の慣性モーメントの値と、車両のばね上質量とに基づいて、重心高を推定するようにしてもよい。 In the center-of-gravity height estimation apparatus, the state equation includes the first parameter including the rigidity or viscous damping coefficient in the pitch direction of the vehicle and the inertia moment in the pitch direction, the sprung mass of the vehicle, the height of the center of gravity, and the inertia moment in the pitch direction. The parameter estimation means estimates the value of the first parameter and the second parameter, and the center of gravity height estimation means determines the value of the first parameter and the known stiffness or viscosity in the pitch direction. Based on the damping coefficient, the value of the moment of inertia in the pitch direction is specified, and the height of the center of gravity is estimated based on the value of the second parameter, the value of the moment of inertia in the pitch direction, and the sprung mass of the vehicle. It may be.
また、上記重心高推定装置において、車両のばね上質量を測定する質量検出手段をさらに備え、重心高推定手段は、測定されたばね上質量に基づいて、重心高を推定するようにしてもよい。 The center-of-gravity height estimation device may further include mass detection means for measuring the sprung mass of the vehicle, and the center-of-gravity height estimation means may estimate the center of gravity height based on the measured sprung mass.
また、上記重心高推定装置において、質量検出手段は、車両に積載された積載物を含む車両のばね上質量を検出するようにしてもよい。 In the center-of-gravity height estimation apparatus, the mass detection means may detect a sprung mass of a vehicle including a load loaded on the vehicle.
また、上記重心高推定装置において、質量検出手段は、車両の走行前に、車両のばね上質量を検出するようにしてもよい。 In the center-of-gravity height estimation device, the mass detection means may detect the sprung mass of the vehicle before the vehicle travels.
本発明によれば、車両の走行中の重心高を容易且つ適切に推定することができる。 According to the present invention, the height of the center of gravity while the vehicle is traveling can be estimated easily and appropriately.
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る重心高推定装置が搭載される車両を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 Hereinafter, based on an accompanying drawing, a vehicle in which a center-of-gravity height estimation device according to an embodiment of the present invention is mounted will be described. The same parts are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図1は、本発明の一実施形態に係る車両を示す模式的な全体構成図である。エンジン10の図示しないクランクシャフトには、変速機12の図示しないインプットシャフトがクラッチ11を介して断接可能に接続されている。変速機12の図示しないアプトプットシャフトには、プロペラシャフト13、差動装置14、左右のドライブシャフト15L、15Rを介して駆動輪(左右後輪)16L,16Rが接続されている。車両1は、左右前輪(操舵輪)22L,22Rを有する。
FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram showing a vehicle according to an embodiment of the present invention. An input shaft (not shown) of the
また、車両1は、左右の駆動輪16L,16Rにそれぞれ対応して設けられた左右一対のエアスプリング18L,18Rと、エアスプリング18L,18Rにそれぞれ対応して設けられた左右一対の内圧センサ19L,19Rと、を有する。内圧センサ19L,19Rは、質量検出手段の一部を構成する。
The
エアスプリング18L、18Rは、ドライブシャフト15L,15Rとフレーム(不図示)との間に介設されている。これら左右のエアスプリング18L,18Rには、図示しないエア供給源からエアが供給されている。
The
内圧センサ19Lは、エアスプリング18Lよりも上流側のエア配管に設けられており、エアスプリング18Lの内圧(エアスプリング圧)を検出する。内圧センサ19Rは、エアスプリング18Rよりも上流側のエア配管に設けられており、エアスプリング18Rの内圧(エアスプリング圧)を検出する。これら内圧センサ19L,19Rで検出されるエアスプリング圧は、電気的に接続されたECU50にそれぞれ送信される。各エアスプリング圧は、車両1のばね上の本体及び車両1に積載されている積載物との質量に応じて変化するので、これらエアスプリング圧によると、車両1の本体及び積載物の質量を特定することができる。
The
また、車両1は、ピッチ情報検出手段の一例としてのジャイロセンサ21、前後方向加速度検出手段の一例としての前後加速度センサ22、車速センサ23、表示装置24、電子制御ユニット(以下、ECUと称する)50を備える。
The
ジャイロセンサ21は、車両1におけるピッチ方向の角速度(ピッチ角速度)を検出する。前後加速度センサ22は、例えば、振り子式や歪ゲージ式の加速度センサであり、自身に加わる力に基づいて車両1の前後方向の加速度(前後方向加速度ax)を検出する。車速センサ23は、プロペラシャフト13の回転速度から車両1の走行速度(車速)を検出する。表示装置24は、例えば、運転者の視認可能な位置に配置され、各種情報を表示する。これら各種センサ20〜23のセンサ値は、電気的に接続されたECU50に送信される。また、表示装置24には、電気的に接続されたECU50から送信されるデータに基づいて、情報が表示される。
The
ECU50は、エンジン10、クラッチ11、変速機12等の各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備える。
The ECU 50 performs various controls of the
図2は、本発明の一実施形態に係る重心高推定装置を構成する電子制御ユニット及び関連する構成要素を示す機能ブロック図である。 FIG. 2 is a functional block diagram showing an electronic control unit and related components constituting the center-of-gravity height estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
重心高推定装置5は、ジャイロセンサ21、前後加速度センサ22、内圧センサ19L,19R、車速センサ23、ECU50、表示装置24を有する。ECU50は、パラメータ推定手段の一例としてのパラメータ推定部51と、質量検出手段の一部を構成する質量検出部52と、記憶部53と、重心高推定手段の一例としての重心高推定部54と、速度警報部55とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるECU50に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
The center-of-gravity
記憶部53は、車両1のピッチ方向の剛性Kp(N/rad)、又は、車両1のピッチ方向における粘性減衰係数Cp(Ns/m)を記憶する。剛性Kp、粘性減衰係数Cpは、車両1の設計値であってもよく、車両1を用いて実験的に検出した値であってもよい。
The
パラメータ推定部51は、車両のピッチ方向の運動モデル(ピッチ運動モデル)の運動方程式に基づいて導出された状態空間モデル(状態方程式)に対して、非線形カルマンフィルタ(EKF(拡張カルマンフィルタ),UKF(アンセンテッドカルマンフィルタ)等)のアルゴリズムを適用することにより、状態方程式のパラメータの値を逐次推定し、重心高推定部54に渡す。
The
次に、パラメータ推定部51の処理に関する、車両1におけるピッチ運動に関する運動方程式、及びその運動方程式に基づいて導出される状態方程式について詳細に説明する。
Next, the equation of motion related to the pitch motion in the
車両1のピッチ運動は、車体姿勢変化であることから、車体(ばね上)を考慮したモデルで近似することができ、ピッチ運動モデルの運動方程式は、式(1)に示すようになる。
Since the pitch motion of the
ここで、Jpは、ピッチ方向の慣性モーメントを示し、Cpは、ピッチ方向の粘性減衰係数を示し、Kpは、ピッチ方向の剛性を示し、θpは、ピッチ角を示し、θ・ p(式(1)では、θの上にドット(・)、説明では便宜的にこのように表記する)は、ピッチ角速度を示し、θ・・ p(式(1)では、θの上に2つのドット(・・)、説明では便宜的にこのように表記する)は、ピッチ角加速度を示す。また、Wfは、静止時の車両1の前輪に作用する荷重(N)を示し、Wrは、静止時の車両1の後輪に作用する荷重(N)を示し、Lfは、静止時の重心位置から前輪までの水平方向の長さ(m)を示し、Lrは、静止時の重心位置から後輪までの水平方向の長さ(m)を示す。また、mは、車体のばね上質量(kg)を示し、axは、前後方向の加速度(m/s2)を示し、hCGは、重心高を示す。
Here, J p represents the moment of inertia in the pitch direction, C p represents the viscous damping coefficient in the pitch direction, K p represents the rigidity in the pitch direction, θ p represents the pitch angle, θ · p (in equation (1), dot (•) above θ, for convenience in the description, this is indicated for convenience) indicates the pitch angular velocity, and θ ·· p (in equation (1) above θ Two dots (...) (Denoted in this way for convenience in the description) indicate pitch angular acceleration. W f indicates a load (N) acting on the front wheel of the
このピッチ運動モデルの運動方程式における右辺の第一項及び第二項は、静止時のモーメントを表しており、静止時には釣り合っているので、ゼロである。 The first and second terms on the right side of the equation of motion of this pitch motion model represent moments at rest and are zero because they are balanced at rest.
式(1)に示すピッチ運動モデルの運動方程式から、非線形カルマンフィルタを適用するための状態方程式を導出すると、状態方程式は、式(2)に示すようになる。 When a state equation for applying the nonlinear Kalman filter is derived from the motion equation of the pitch motion model shown in Equation (1), the state equation becomes as shown in Equation (2).
ここで、式(2)に示す状態方程式における行列A、B、C、変数x、uは、式(2)の下に示したようになる。本例においては、行列Cの値は、ピッチ角速度を検出するジャイロセンサ21を用いる場合の例となっている。行列Cの値は、ピッチに関する情報(ピッチ情報)を検出するセンサの種類に応じて異なる。行列w,vは、それぞれシステム雑音及び観測雑音である。
Here, the matrices A, B, and C and the variables x and u in the state equation shown in Expression (2) are as shown below Expression (2). In this example, the value of the matrix C is an example when the
パラメータ推定部51は、u(=ax:前後加速度)と、y(式(2)の例では、θ・ p(ピッチ角速度))との入力を逐次受けて、非線形カルマンフィルタを適用して(すなわち、非線形カルマンフィルタのアルゴリズムを用いて)、状態方程式におけるパラメータを逐次推定する。なお、yとして、ピッチ角度のみを入力するようにしてもよく、ピッチ角度及びピッチ角速度を入力するようにしてもよい。
The
本実施形態では、パラメータ推定部51は、式(3)、式(4)、式(5)に示すように、−Kp/Jp(第1パラメータの一例),−Cp/Jp(第1パラメータの一例),−maxhCG(第2パラメータの一例)の値a1、a2、b1(明細書の説明においては、便宜的にこのように表記する)をそれぞれ推定する。パラメータ推定部51は、推定したパラメータの値a1、a2、b1を重心高推定部54に通知する。
In the present embodiment, the
質量検出部52は、例えば、車両1が停止している際に、内圧センサ19L,19Rにより検出されたエアスプリング圧に基づいて、車両1の本体及び車両1に積載された積載物の合計のばね上質量mを検出し、重心高推定部54に通知する。
For example, when the
重心高推定部54は、パラメータ推定部51から通知された各パラメータの値a1、a2、b1、質量検出部52から通知されたばね上質量m、記憶部53に記憶されたピッチ方向の剛性Kp(又は、ピッチ方向における粘性減衰係数Cp)に基づいて、車両1の重心高hCGを逐次推定し、その結果を速度警報部55に通知する。
The center-of-gravity
ここで、重心高推定部54の重心高hCGの推定方法を具体的に説明する。
Here, the estimation method of the center-of-gravity height hCG of the center-of-gravity
重心高hCGを含む式(5)を変形すると、式(6)に示すようになる。 When Expression (5) including the center of gravity height h CG is modified, Expression (6) is obtained.
式(6)において、ばね上質量mと、パラメータ値b1とは、すでに値が特定されているので、ピッチ方向の慣性モーメントJpが決まれば、重心高hCGを求めることができる。 In Expression (6), since the values of the sprung mass m and the parameter value b 1 are already specified, the center-of-gravity height h CG can be obtained if the moment of inertia J p in the pitch direction is determined.
ここで、慣性モーメントJpは、剛性Kpを用いると、式(7)に示すようになる。この式(7)を式(6)に代入すると、重心高hCGは、式(8)に示すように剛性Kpを用いて表される。式(8)では、ばね上質量m、パラメータ値a1,b1は、すでに値が特定されているので、記憶部53に、剛性Kpが格納されている場合には、その値を用いて重心高hCGを推定することができる。そこで、記憶部53に剛性Kpが格納されている場合には、重心高推定部54は、式(8)を用いて、重心高hCGを推定する。
Here, the moment of inertia J p is as shown in Equation (7) when the stiffness K p is used. When this equation (7) is substituted into equation (6), the center-of-gravity height h CG is expressed using the stiffness K p as shown in equation (8). In Expression (8), since the values of the sprung mass m and the parameter values a 1 and b 1 are already specified, when the stiffness K p is stored in the
一方、慣性モーメントJpは、粘性減衰係数Cpを用いると、式(9)に示すようになる。この式(9)を式(6)に代入すると、重心高hCGは、式(10)に示すように粘性減衰係数Cpを用いて表される。式(10)では、ばね上質量m、パラメータ値a2,b1は、すでに値が特定されているので、記憶部53に、粘性減衰係数Cpが格納されている場合には、その値を用いて重心高hCGを推定することができる。そこで、重心高推定部54は、記憶部53に、粘性減衰係数Cpが格納されている場合には、式(10)を用いて、重心高hCGを推定する。なお、剛性Kp又は粘性減衰係数Cpの一方により重心高hCGを推定することができるので、いずれか一方のみを記憶部53に格納させるようにしてもよいが、値の特定が容易である点では、剛性Kpを記憶部53に格納させる方が好ましい。
On the other hand, the moment of inertia J p is represented by the equation (9) when the viscous damping coefficient C p is used. When this equation (9) is substituted into equation (6), the center-of-gravity height h CG is expressed using the viscous damping coefficient C p as shown in equation (10). In Expression (10), since the values of the sprung mass m and the parameter values a 2 and b 1 have already been specified, when the viscosity damping coefficient C p is stored in the
速度警報部55は、車速センサ23からの車速と、重心高推定部54から通知される重心高hCGとに基づいて、車両1が旋回した場合に、横転等の発生の危険性が高い速度であるか否かを判定し、危険性が高い速度であると判定した場合には、表示装置24に横転等の危険性が高い速度である旨の警報を表示する。
Based on the vehicle speed from the
以上説明したように、本実施形態に係る重心高推定装置5によると、ピッチ角度又はピッチ角速度の少なくとも一方のみで、重心高を推定することができるので、それらを検出する複数のセンサを用意する必要性がなく、また、一方のみのセンサを有する場合において、ピッチ角度に基づいてピッチ角速度を算出したり、ピッチ角速度に基づいてピッチ角度を算出したりする必要がなく、算出時のノイズの混入を適切に防止することができ、重心高を高精度に推定することができる。
As described above, according to the center-of-gravity
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range which does not deviate from the meaning of this invention, it can change suitably and can implement.
例えば、上記実施形態では、推定した重心高hCGを用いて、速度警報を行う例を示していたが、本発明はこれに限られず、例えば、推定した重心高hCGに基づいて、車両1の前輪側又は後輪側の少なくとも一方のサスペンションの高さ位置を制御することにより、車両1のピッチングにおける振動を抑制するようにしてもよい。
For example, in the above-described embodiment, an example in which the speed alarm is performed using the estimated center-of-gravity height h CG has been described. However, the present invention is not limited to this, for example, the
また、上記実施形態では、ジャイロセンサ21によりピッチ角速度を測定し、そのピッチ角速度を用いてパラメータを推定するようにしていたが、例えば、前輪側及び後輪側のそれぞれのサスペンションの高さを測定するハイトセンサを備えるようにし、前輪側及び後輪側のハイトセンサによる検出値に基づいて車両1のピッチ角度を検出し、そのピッチ角度を用いてパラメータを推定するようにしてもよい。
In the above embodiment, the pitch angular velocity is measured by the
また、上記実施形態では、内圧センサ19L,19Rで検出されるエアスプリング圧に基づいて、車両1のばね上の本体及び車両1に積載されている積載物との質量を検出するようにしていたが、本発明はこれに限られず、サスペンションの変位量を検出するセンサを設け、その変位量に基づいて、車両1のばね上の本体及び車両1に積載されている積載物との質量を検出するようにしてもよい。
In the above embodiment, the mass of the main body on the spring of the
また、上記実施形態では、プロペラシャフト13の回転速度から車両1の走行速度(車速)を検出するようにしていたが、本発明はこれに限られず、例えば、変速機12のアウトプットシャフト、又は車輪等の回転速度を検出するセンサを備え、検出された回転速度から車速を検出するようにしてもよい。
Further, in the above embodiment, the traveling speed (vehicle speed) of the
1 車両
5 重心高推定装置
10 エンジン
11 クラッチ
12 変速機
13 プロペラシャフト
14 差動装置
15L,R ドライブシャフト
16L,R 駆動輪
18L,R エアスプリング
19L,R 内圧センサ
21 ジャイロセンサ
22 前後加速度センサ
23 車速センサ
24 表示装置
50 ECU
51 パラメータ推定部
52 質量検出部
53 記憶部
54 重心高推定部
DESCRIPTION OF
51
Claims (4)
前記車両のピッチ角又はピッチ角速度を検出するピッチ情報検出手段と、
前記車両のピッチ運動モデルに対応する状態方程式について、前記前後方向の加速度と、前記ピッチ角又はピッチ角速度とを入力し、非線形カルマンフィルタを適用することにより、前記状態方程式のパラメータの値を推定するパラメータ推定手段と、
前記パラメータの値と、前記車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数と、前記車両のばね上質量とに基づいて、前記車両の重心高を推定する重心高推定手段とを有し、
前記状態方程式は、前記車両のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第1パラメータと、前記車両のばね上質量、重心高、及びピッチ方向の慣性モーメントを含む第2パラメータとを有し、
前記パラメータ推定手段は、前記第1パラメータと、前記第2パラメータの値を推定し、
前記重心高推定手段は、前記第1パラメータの値と、既知のピッチ方向の剛性又は粘性減衰係数とに基づいて、ピッチ方向の慣性モーメントの値を特定し、前記第2パラメータの値と、前記ピッチ方向の慣性モーメントの値と、前記車両のばね上質量とに基づいて、 前記重心高を推定する
重心高推定装置。 Longitudinal acceleration detection means for detecting the longitudinal acceleration of the vehicle;
Pitch information detection means for detecting the pitch angle or pitch angular velocity of the vehicle;
A parameter that estimates the value of the parameter of the state equation by inputting the acceleration in the front-rear direction and the pitch angle or the pitch angular velocity and applying a nonlinear Kalman filter to the state equation corresponding to the pitch motion model of the vehicle An estimation means;
The value of the parameter, a rigid or viscous damping coefficient of the pitch direction of the vehicle, on the basis of the sprung mass of the vehicle, have a center of gravity height estimation means for estimating the height of the center of gravity of the vehicle,
The equation of state includes a first parameter including a stiffness or viscous damping coefficient in the pitch direction of the vehicle and a moment of inertia in the pitch direction, and a second parameter including a sprung mass of the vehicle, a height of the center of gravity, and a moment of inertia in the pitch direction. Parameters
The parameter estimating means estimates values of the first parameter and the second parameter;
The center-of-gravity height estimation means specifies the value of the moment of inertia in the pitch direction based on the value of the first parameter and the known stiffness or viscosity damping coefficient in the pitch direction, the value of the second parameter, The center-of-gravity height estimation device that estimates the center-of-gravity height based on the value of the moment of inertia in the pitch direction and the sprung mass of the vehicle .
前記重心高推定手段は、前記ばね上質量に基づいて、前記重心高を推定する
請求項1に記載の重心高推定装置。 Further comprising mass detection means for measuring the sprung mass of the vehicle;
The center-of-gravity height estimation device according to claim 1, wherein the center-of-gravity height estimation means estimates the center of gravity height based on the sprung mass .
請求項2に記載の重心高推定装置。 The center-of-gravity height estimation device according to claim 2 , wherein the mass detection means detects a sprung mass of the vehicle including a load loaded on the vehicle .
請求項3に記載の重心高推定装置。 The center-of-gravity height estimation device according to claim 3 , wherein the mass detection means detects a sprung mass of the vehicle before the vehicle travels .
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