JP3718751B2 - 無人運転車両を案内するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、路面に埋設された案内ケーブルに沿って、いわゆるドライバーレス・ビークルと称される無人運転車両を案内する装置及び方法に係り、特に、空間的電磁界の大きさとは無関係に電磁界の方向ベクトルを検出するために車両上にＸ字形に配置した２つの検出コイルを使用し、これよりの情報を用いて案内ケーブルに対する車両の横方向偏位を測定し、車両を案内ケーブルに沿うように操縦する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無人運転車両上に垂直状態で配置したコイルが取付けられ、これによって案内ケーブルを囲む電磁界を検出して無人運転車両を案内ケーブルに沿って自動的に案内する装置が知られている。この公知の装置において、１つのコイルが縦方向に、他方のコイルが水平方向に配置される。これらのコイルに誘起される電圧が比較され、案内ケーブルに対するこれらのコイルの横方向の位置を決定するのに用いられる。この位置情報は処理されて車両操縦のために用いられる。
【０００３】
これらコイルと共働する出力電圧は、案内ケーブルを流れる電流の周波数、電流の量、案内ケーブルからの距離、コイルのコア寸法、コイルのワイヤー巻数及び案内ケーブルからコイル中心までの線に対するコイルの主軸間の角度（これを「ベータ角度」と称する。）に比例して変化する。
【０００４】
各コイルが電磁界を生じさせるケーブルに直角の面内で回転する際、その出力は、コイルのコアが磁束の円形ラインに対し平行のときに最大になる。又、その出力は、コイルのコアが磁束に対して直角、すなわち、案内ケーブルに向かうか、それから離れるようなときに最小（ゼロ）になる。従って、コイルの相対的な有効性はベータ角度の「サイン（正弦）」として変化する。
【０００５】
サイン（ベータ）の値は各コイル位置で検出されるラジアル／円フィールドの比に反映し、センサの出力に影響する。従って、２つのコイル間で検出された量の相違は、ラジアル値、それぞれのコイル間距離及び案内ケーブルの電流をべースとする。これらの要因のいずれかの変化が出力信号に対して大きな影響を与える。
【０００６】
更に、ベータ角度によっては、慣用の装置と共働するラジアルないし円フィールド情報の中のいくつかは捨てなければならず、その結果、決して理想的とはいえない信号／ノイズ比が生じる。
【０００７】
更に慣用のコイル構成における欠点は、コイルによって与えられる情報が案内ケーブルからの概略の横方向偏位のみを示し、該横方向偏位の測定値や距離を示すものではない。
【０００８】
従って、車両操縦の修正は、偏位と反対方向においてのみ行われ、しかも不正確である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、路面に配置された案内ケーブルに沿って無人運転車両を案内し、該案内ケーブルからの車両の横方向の偏位を測定する装置を提供するにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、路面に配置された案内ケーブルに沿って無人車両を案内し、従来の装置以上にケーブルの検出領域が増大した装置を提供するにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、路面に配置された案内ケーブルからの検出された偏位をベースとして無人車両を案内するためにセンター位置ずれ測定情報を与える垂直配置のコイルを備え、検出された横方向偏位が電磁界の方向ベクトルからのみ決定され、全ての電磁界量コンポーネントとは無関係の構成の装置を提供するにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、路面に配置された案内ケーブル上で無人車両を案内する尺度を規定する誤差信号を与える単一の空間点で電磁界の方向ベクトルを検出する方法を提供するにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、水平な路面内に配置された案内ケーブルによって規定された通路に沿って無人運転車両を案内する本発明に係る装置においては、前記案内ケーブルが該ケーブルを囲むスペース内に電磁界を発生させる電流を担持し、当該装置が案内ケーブル周囲の電磁界の方向及び大きさを検出する検出手段を備える構成である。この検出手段は第１及び第２の互いに離間した検出コイルによって規定され、これらのコイルは主軸を有するとともにＸ字形に車両上に取付けられ、これらの主軸が電流の方向において交叉するとともに路面に対して、それぞれおおむねプラス／マイナス４５度の角度で位置付けられている。各検出コイルは所定位置で電磁界のラジアル方向及び円方向のフィールド・ベクトルを検出し、これら第１及び第２の検出コイルと接続されたプロセッサがラジアル方向のベクトル量を円方向のベクトル量と比較し、これによって、前記案内ケーブルに対する検出手段の横方向位置の寸法が決められる。
【００１４】
水平な路面内に配置された案内ケーブルによって規定された通路に沿って無人運転車両を案内する本発明に係る方向においては、該案内ケーブルがこれを囲むスペース内で電磁界を発生させる電流を担持し、
主コイル軸を有する第１のコイルを、車両上に水平に対してプラス４５度の角度で取付け、
主コイル軸を有する第２のコイルを、第１及び第２のコイルの主コイル軸が電流方向において交叉するように水平に対してマイナス４５度の角度で車両上に取付け、
各コイルで電磁界のラジアル方向及び円方向の双方のフィールド・ベクトルを検出し、
ラジアル方向のベクトル量と円方向のベクトル量を比較し、通路のセンター位置ずれ情報に対してコイルの主コイル軸の交叉点の横方向位置を確定し、
この情報を操縦アッセンブリに伝達して車両を操縦する、
ことよりなるステップを含むものである。
【００１５】
本発明のその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照して以下に述べる発明の実施の形態より容易に理解されるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において、１０は無人運転車両で、その前部側あるいは後部側より見た概略図である。１２は案内ケーブルで、水平な路面１４に埋設状態で配置されており、このケーブル１２に沿って無人車両１０が案内される。この無人車両１０上には検出手段をなすセンサ１６が設けられ、このセンサ１６は２つの検出コイル１８，２０により構成されている。そのコイルの一方のコイル１８は路面１４に対してプラス（＋）４５度の角度で、又、他方のコイル２０はマイナス（−）４５度の角度で配置されている。ここで、プラス４５度及びマイナス４５度の用語は、路面１４ないしは水平面に対するコイル軸あるいはそのコアの軸についてのものである。両コイル１６，１８の軸は電流方向において交叉している。案内ケーブル１２は交流を担持し、乱されていないときには、円形の磁界線を有し、これはコイル１８，２０内に電圧を発生させ、これが車両１０の案内ケーブル１２に対する横方向へのセンター位置ずれを測定し、次いで該車両１０を案内ケーブル１２に沿うように操縦することとなる。
【００１７】
次に、図２ないし図４につき、無人車両１０が案内ケーブル１２上で案内される態様を以下説明する。図２において点線は案内ケーブル１２のまわりの磁界の円方向ベクトルを表わすものである。これらの磁界の線は案内ケーブル１２の近傍には強磁性の対象物がなく、又、この磁界の線円断面を阻害するような他の電流担持体がない場合を示す。検出コイル１８，２０の縦方向の位置ないし高さｈは一定である。
【００１８】
前述のコイル１８，２０の各々の主軸が水平に対してプラス／マイナス（＋／−）４５度の角度位置にある取付構成のため、各コイルは案内ケーブル１２の円筒形の電磁界の水平部分及び縦部分の双方のベクトル合計である出力電圧を発生する。センサ１６が案内ケーブル１２上の中心にあるとき、各コイル１８，２０は水平方向及び縦方向の等しい信号量を検出する。しかし、各信号の符号は、各コイル１８，２０がその主軸の異なる側にソースを検出するので、反対である。センサ１６が案内ケーブル１２の左又は右に横方向に動かされると、各コイル１８，２０の出力は水平面に対するその向き（＋／−４５度）と縦方向の面内における誤差角度シータとの合計の関数として変化する。
【００１９】
コイル信号又はコイル電圧は、その主軸が案内ケーブル１２に対して直角になったときに最大となり、その主軸が案内ケーブル１２に向かう方向の時に最小となる。これらのコイル１８，２０は、その円筒形の電磁界を切りながら案内ケーブル１２に平行の面内で移動するので、出力信号のフォームはベータコイル１角度又はベータコイル２角度のサイン（正弦）に比例する。
【００２０】
従って、センサ１６の真の位置又は後述するフィードバック・ループのエラー位置情報は両コイル１８，２０によって検出された円ベクトル合計によってラジアル方向ベクトル差を割る、すなわち除算することによって見出される。実際の符号は、円ベクトルの差によって除算されたラジアル方向ベクトルの合計であることを意味する。しかし、ガイドセーフ（ｇｕｉｄｅ ｓａｆｅ）をモニターするためのハードウエア・フエーズ・コンパレータ動作を維持するために、両コイル１８，２０の極性は、センサ１６が案内ケーブル１２上のセンター位置にあるとき、これらコイルの出力がフエーズ外の角度１８０度となるように選定される。「ガイドセーフ」とは車両が案内通路の規定された安全距離内で動作することが示す電気信号である。従って、センサ１６が案内ケーブル１２上のセンター位置にあるとき、これらベクトルは等しく、反対の符号であり、ラジアル方向ベクトルは分子においてキャンセルし、一方、円方向ベクトルは分母において２重に加わる。高さｈがプラスを維持するとき、すなわち、センサ１６が案内ケーブル１２の上方にあるとき、分母は決してゼロにはならず、無効の除算動作を引起こす。
【００２１】
図２に関して、以下の式が適用される。
コイル１の信号値＝Ｋ₁×ｓｉｎ（コイル１の角度ベータ）
コイル２の信号値＝Ｋ₁×ｓｉｎ（コイル２の角度ベータ）
これより、数２の数式が与えられる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
以下が、上記直線測定式の数学的証明である。ここにおいて、各用語の定義をすれば、垂直線から時計方向（ｃｗ）の角度がプラスの角度である。「半径ｒ」はコイル１８，２０の中心と案内ケーブル１２の中心との間の線／距離として規定される。
「電流」はワイヤー中の電流として規定される。
「周波数」は該電流の周波数として規定される。
「高さｈ」は案内ケーブル１２からコイル１８，２０が移動する水平面までの縦方向距離である。
「距離ｄ（＋／−エラー）」は案内ケーブル１２からコイルの中心までの水平方向に沿う距離である。
「コイル１のアルファ角度」はコイル１（＋４５）の縦方向偏位角度である。
「コイル２のアルファ角度」はコイル２（−４５）の縦方向偏位角度である。
「シータ」は半径と高さの間のエラー角度である。
「ｋ１」は電流、周波数及びインダクタンスに比例するとともに半径に反比例する定数である。
【００２４】
コイル１の信号値＝Ｋ₁×ｓｉｎ（コイル１の角度ベータ）・・・（式１）
コイル２の信号値＝Ｋ₁×ｓｉｎ（コイル２の角度ベータ）・・・（式２）
【００２５】
図からわかるように、コイル１の角度ベータ＝角度シータ−コイル１の角度アルファであり、又、コイル２の角度ベータ＝角度シータ−コイル２の角度アルファである。これは、角度シータ＝コイル１の角度アルファのとき、コイル１の角度ベータはゼロになり、又、角度シータがコイル２の角度アルファのとき、コイル２の角度ベータはゼロになる。
【００２６】
従って、
コイル１の信号値＝Ｋ₁×ｓｉｎ（角度シータ−コイル１の角度アルファ）・・・（式３）
コイル２の信号値＝Ｋ₁×ｓｉｎ（角度シータ−コイル２の角度アルファ）・・・（式４）
【００２７】
三角関数 ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）＝ｓｉｎ（Ａ）×ｃｏｓ（Ｂ）−ｃｏｓ（Ａ）×ｓｉｎ（Ｂ）の公式より、
上記の式３，４は以下のように展開される。
【００２８】
すなわち、
コイル１の信号値＝Ｋ₁×（（ｓｉｎ（角度シータ））×ｃｏｓ（コイル１の角度アルファ）−ｃｏｓ（角度シータ）×ｓｉｎ（コイル１の角度アルファ））・・・（式５）
コイル２の信号値＝Ｋ₁×（（ｓｉｎ（角度シータ））×ｃｏｓ（コイル２の角度アルファ）−ｃｏｓ（角度シータ）×ｓｉｎ（コイル２の角度アルファ））・・・（式６）
【００２９】
コイル１の角度アルファ＝＋４５度＋コイル２の角度アルファ＝−４５度
であるから、
ｓｉｎ（コイル１の角度アルファ）＝ｃｏｓ（コイル１の角度アルファ）
＝−ｓｉｎ（コイル２の角度アルファ）＝ｃｏｓ（コイル２の角度アルファ）
ここにおいて、全ての量は２の平方根／２であり、すなわち、これはおおむね０．７０７・・・に等しい。
【００３０】
更に、図２に示された幾何学的構成より以下のことが認められる。
すなわち、ｓｉｎ（角度シータ）＝距離／半径＝ｄ／ｒ
及びｃｏｓ（角度シータ）＝高さ／半径＝ｈ／ｒ
である。
【００３１】
前記式５，６は以下の置き換えにより単純化し得る。
すなわち、
コイル１の信号値＝Ｋ₁×（（ｄ／ｒ）×０．７０７−（ｈ／ｒ）×０．７０７）コイル２の信号値＝Ｋ₁×（（ｄ／ｒ）×０．７０７＋（ｈ／ｒ）×０．７０７）ここで、Ｋ’＝（Ｋ₁×０．７０７）／ｒとすると、
コイル１の信号値＝Ｋ’×（ｄ−ｈ）
コイル２の信号値＝Ｋ’×（ｄ＋ｈ）
となる。
【００３２】
センサの高さ（ｈ）に換算して所望のエラー距離（＋／−ｄ）の値を求めるために、２つのコイル出力が以下の数３の数式のように組合わされる。
【００３３】
【数３】

【００３４】
故に数４の数式が結果として得られる。
【００３５】
【数４】

【００３６】
上記の数式の解法を用いれば、無人運転車両の操縦のための公知装置との組合せで、図３に示すブロック図のように実行される。
【００３７】
図３でわかるように、この解法の実行に必要なのは、単純に加算、減算、除算、乗算のみであり、アナログ又はデジタルの電子部品によって取扱い得る。フィルタリング、ＡＣ復調、アナログ／デジタル（Ａ／Ｃ）変換などの更なる信号処理が容易に実行される。
【００３８】
センサ１６を用いるために、コイル１８，２０の出力は同期して復調されなければならない。これは、符号情報を維持するためである。
【００３９】
図４には、ブロック図の態様で、Ｘ字形のコイルセンサ１６を無人運転車両１０の操縦システムに実施させる一方法が示されている。
【００４０】
図４において、上述したＸ字形のコイル構成例が車両１０の操縦のために設計され、ここにおいて、作動高さ（ｗｏｒｋｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ）は１００ミリアンペアの案内通路（ｇｕｉｄｅ ｐａｔｈ）のケーブル上方、３インチ（７．６２ｃｍ）であり、プラス・マイナス（＋／−）３インチ（７．６２ｃｍ）のハードウエアのガイドセーフ（ｇｕｉｄｅ ｓａｆｅ）を与える。しかし、センサ高さ（ｈ）が、より高いかより低い場合には、以下に記載のソフトウエアのガイドセーフが採用され、それによって、センサ１６が１〜６インチ（２．５４〜１５．２４ｃｍ）の高さ範囲を容易にカバーする。
【００４１】
自動ゲインコントロール（ＡＧＣ）を用いれば、デジタル操縦パッケージ（ｐａｃｋａｇｅ）は、電流範囲が２０〜４００ミリアンペア、高さ範囲が１〜６インチ（２．５４〜１５．２４ｃｍ）及び水平偏位範囲がプラス／マイナス（＋／−）１２インチ（３０．４８ｃｍ）のケーブルを取扱い得る。
【００４２】
狭い周波数レスポンスを有する、いわゆる高Ｑフィルタ（ｈｉｇｈ Ｑ ｆｉｌｔｅｒｓ）及び同期復調器を用いれば、周波数及び相が同期しない外部の全ての信号が拒絶される。しかし、拒絶されない１つの信号は、例えば通路内のリターンカット（ｒｅｔｕｒｎ ｃｕｔ）を有するような同じワイヤーの近傍にある。リターンカットは電気的導通性を与えるために設置されるが、案内通路の一部を構成しないケーブルを意味する。リターンカットは電磁界を歪め、それによってセンサによって検出される零（ｎｕｌｌ）をシフトする。この歪みによって、各ケーブルまでのセンサの距離に直接比例する零シフトを引起こす。例えば、高さが３インチ（７．６２ｃｍ）、リターンカットが２４インチ（６０．９６ｃｍ）の場合、ｎｕｌｌは単一の出力位置（３インチ（７．６２ｃｍ））高さのところで３インチ（７．６２ｃｍ）の３／２４回シフトする。すなわち、３／２４×３＝３／８（インチ）、ここにおいて、シフトの方向はリターンカットの相に依存する。
【００４３】
２つのケーブル間の距離の半分のところで、全てがその結果の円方向ベクトルとしてならず、除算がゼロになる。そして、２０フィート（約６．１ｍ）に近似するリターンカットのために１０〜１２インチ（２５．４〜５０．８ｃｍ）の範囲で直線性も又なくなる。このため、水平偏位プラス／マイナス（＋／−）８インチ（２０．３２ｃｍ）のところで、電流パッケージはセンサの出力信号をプラス／マイナス（＋／−）の最大範囲にまで比例して設定する。
【００４４】
従って、センサ１６によって確認される領域が、左舷及び右舷方向を失うことなく大幅に増大する。これによって、オフ・ワイヤー操縦（ｏｆｆ−ｗｉｒｅ ｍａｎｅｕｖｅｒ）回復手続が改善される。又、直線性及び車両センサ高さのエントリーのための電流供給の大幅な改善により、全ての出力がプラス／マイナス（＋／−）８インチ（２０．３２ｃｍ）の均等の比率となり、これによって、リターン・カットないし路面上でのセンターリングをなす、プラス／マイナス４インチ（１０．１６ｃｍ）のオフ・ワイヤー操縦調整が提供される。
【００４５】
広い検出領域と直線性とが可変のプログラム化されたガイド・セーフ（ｇｕｉｄｅ ｓａｆｅ）限界を与える。この特徴はＡＮＳＩ（アメリカン・ナショナル・スタンダード・インスティテュート）の仕様により、このような動作のためのプラス／マイナス（＋／−）６インチ（１５．２４ｃｍ）のガイド・セーフ・ウインドウが許容されるので、オフ・ワイヤー操縦のモニタリングにおいて極めて有用であることが判明した。インターナル・ハードウエア・フエーズ・コンパレータは基本となるプラス／マイナス（＋／−）ガイド・セーフ出力を提供する。しかし、このウインドウは全てのセンサ高さについてプラス／マイナス（＋／−）３インチ（７．６２ｃｍ）にはセットされない。
【００４６】
Ｘ字形のコイル構成において、プラス／マイナス（＋／−）ガイド・セーフ・ウインドウはワイヤー上方でコイル１８，２０の高さ（ｈ）に等しくなる。すなわち、センサ１６がワイヤーの中心位置で３インチ（７．６２ｃｍ）上方にある。このとき、ガイド・セーフ・ウインドウはプラス／マイナス（＋／−）３インチ（７．６２ｃｍ）となり、もし、ワイヤー深さの変化がプラス／マイナス（＋／−）１／２インチ（１．２７ｃｍ）ならばプラス／マイナス（＋／−）１／２インチ（１．２７ｃｍ）変動する。車両のマイクロプロセッサの制御の下で、デジタル・ステアリング・ソフトウエアがアクティブなガイド・セーフ信号の１つ又は双方をコントロールする。
【００４７】
以上本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されることなく、種々の変形構成を含み得るものである。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、路面に配置した案内ケーブルに沿って無人運転車両を、該案内ケーブルからの車両の横方向の偏位を測定して案内することができ、この種の従来の装置以上にケーブルの検出領域が増大し、かつ、正確な車両操縦が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】案内ケーブル上で案内される無人運転車両のフロント側又はリヤ側の概略図である。
【図２】水平に対しておおむねプラス／マイナス４５度の角度で取付けられた本発明に係る第１及び第２のコイル及び交流を担持する案内ケーブルによる電磁界内でのフィールド線及び電圧ベクトルをそれぞれ表わした概要図である。
【図３】検出コイルに生じる種々の電圧及びそれを出力オフセンター距離測定信号に変換する態様を示すブロック図である。
【図４】本発明の一つの実施の形態を具体化した概略のブロック図である。
【符号の説明】
１０ 無人運転車両
１２ 案内ケーブル
１６ センサ
１８ 検出コイル
２０ 検出コイル

Claims (11)

1. 水平な路面内に配置された案内ケーブルによって規定された通路に沿って無人運転車両を案内する装置であって、前記案内ケーブルが該ケーブルを囲むスペース内に電磁界を発生させる電流を担持するものにおいて、
   前記電磁界の方向及び大きさを検出する検出手段と、
   該検出手段が、前記車両上でＸ字形のコイル構成で長手方向に離間して設けられた第１及び第２の検出コイルを有し、これらコイルの主コイル軸が車両走行の長手方向に見て両コイルの中央で互いに交叉するとともに前記路面に対して略プラス／マイナス４５度の角度で配置されていることと、
   前記各検出コイルが前記電磁界のラジアル方向及び円方向の両方向の磁界ベクトルの検出を行うことと、
   前記第１及び第２の検出コイルと連携し、円方向ベクトル量とラジアル方向ベクトル量を比較して前記案内ケーブルに対する前記検出手段の横方向位置を決定する比較手段と、
   を備えてなる、無人運転車両を案内するための装置。
2. 前記第１及び第２のコイルはコア長及びコア径を有し、前記コイル間の前記スペースは、１つのコア長に少なくとも等しい請求項１に記載の装置。
3. 前記車両に固定された取付ボードを更に備え、該ボードの第１の側面に前記第１の検出コイルをプラス４５度の角度で取付けるとともに前記第２の検出コイルをマイナス４５度の角度で該ボードの第２の側面に取付けてなる請求項１に記載の装置。
4. 前記比較手段は、検出された電磁界のラジアル方向ベクトルを円方向ベクトルによって除算し、これによって、この比率が前記案内ケーブル上の前記検出手段の高さによって除算された前記検出手段の水平方向偏位に比例してなる請求項２に記載の装置。
5. 前記比較手段から受けた出力に応答して前記車両を操縦するために該比較手段と連携する操縦手段を更に備えてなる請求項４に記載の装置。
6. 前記操縦手段はデジタル・ステアリング・システムよりなる請求項５に記載の装置。
7. 前記操縦手段はアナログ・ステアリング・システムよりなる請求項５に記載の装置。
8. 水平な路面内に配置された案内ケーブルによって規定された通路に沿って無人運転車両を案内する方法であって、前記案内ケーブルが該ケーブルを囲むスペース内に電磁界を発生させる電流を担持するものにおいて、
   前記車両上に水平に対してプラス４５度の角度で、主コイル軸を有する第１のコイルを取付け、
   水平に対してプラス４５度の角度で、主コイル軸を有する第２のコイルを前記車両上に取付けるとともに、前記第１及び第２のコイルの主コイル軸が車両走行の長手方向に見て両コイルの中央で互いに交叉するようにし、
   各コイルで電磁界のラジアル方向及び円方向の双方のベクトルを検出し、
   前記コイルの交叉点の横方向位置が案内ケーブルに対して決められ前記通路に対する車両の横方向偏位を示すように各コイルについて、ラジアル方向ベクトル量と円方向ベクトル量を比較すること、
   よりなる運転車両を案内する方法。
9. 前記第２のコイル取付けは、前記長手方向において離れて、少なくとも１コイルコア長、前記両コイルを離間させてなる請求項８に記載の方法。
10. 前記横方向偏位の情報を車両操縦のためにコントローラに伝達することを更に含んでなる請求項９に記載の方法。
11. 前記コイルの軸の交叉点の横方向位置は、以下の数１の数式によって規定され、
    

    

    上記数１の数式において、
    「距離（＋／−エラー）」は案内ケーブルからコイル中心までの水平距離を示すとともに、「高さ」は案内ケーブルから該コイルが移動し得る水平面に対するまでの縦方向距離を示す、
    請求項８に記載方法。

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