CN111323045A - 一种光电稳定平台通用测试平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光电稳定平台通用测试平台及方法，该测试平台包括：光学平台、器件测试平台、高性能电机驱动器、电源、宿主机、目标机、数据采集卡和串口卡；所述器件测试平台包括系统底座、惯量块、电机及其安装轴、陀螺及其支撑机构、导电滑环、编码器及其支撑机构。本发明的测试平台能够分别对光电稳定平台中陀螺、编码器、电机、控制算法等进行测试，也可以对多个器件和算法进行综合测试，具有良好的通用性，可以快速的实现器件和算法测试及功能验证，易于调试，缩短了开发时间，节省了成本。

Description

一种光电稳定平台通用测试平台及方法

技术领域

本发明属于测试平台领域，尤其涉及一种光电稳定平台通用测试平台及方法。

背景技术

光电稳定平台是导引头的主要组成部分，其主要功能是利用惯性传感器的空间稳定功能，隔离导弹的扰动，使得光电探测器的光轴指向稳定,其性能直接影响导引头的制导精度。在进行导引头光电稳定平台样机实际调试之前，通过理论设计和选型，已经确定了光电稳定平台的主要器件：电机、陀螺、编码器，其中电机用来提供稳定平台的俯仰偏航力矩，陀螺作为惯性传感器用来反馈系统速度信息，编码器用来反馈系统位置信息。

以往的系统测试，通常是将各种器件和结构装配完后进行整体调试，由于系统非线性严重，且涉及到器件多，对单个器件和算法没有一定测试经验积累的情况下，该整体调试法延长了系统研发的周期；并且如果单个器件不匹配，导致系统出现问题，不能进行及时排查问题所在，降低了开发效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种线性度好的通用的光电稳定平台器件测试通用平台及方法，解决了现有测试平台只能对装配完后的器件整体进行测试而导致非线性严重、不能对控制器算法进行验证、不能通用于各种器件测试的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种光电稳定平台通用测试平台，包括光学平台，光学平台上安装有器件测试平台，器件测试平台连接有目标机，目标机内安装有数据采集卡和串口卡，目标机通过数据线连接有宿主机，目标机的输出端连接有电机驱动器，电机驱动器与器件测试平台连接。

作为本发明的优选方案，所述器件测试平台包括底座，底座安装于光学平台上，底座上安装有支撑架，支撑架上分别安装有导电滑环、陀螺、电机和编码器，陀螺上连接有惯量块，导电滑环与陀螺电连接；导电滑环、电机、编码器均与目标机电连接。

本发明还提供一种光电稳定平台通用测试方法，包括以下步骤：

a)装配：将目标器件安装到器件测试平台上，将器件测试平台安装在光学平台上，将器件测试平台与目标机连接，目标机与宿主机连接；目标器件连接目标机内的串口卡，目标器件两端加上电源；

b)待测性能测试：在宿主机上搭建用于生成XPC实时内核的Simulink模型，根据所用的串口卡的类型选择对应的Simulink模块，并进行配置，根据数据传输协议搭建解码模型；采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到特定目标器件的动静态特性或输出信息；在MATLAB中进行分析得到待测性能的具体特性，对待测性能的具体特性进行评价。

作为本发明的优选方案，在步骤a)中根据所采用的目标器件的通讯协议选择串口卡。

作为本发明的优选方案，待测性能为编码器性能时：

在步骤a)中，目标器件为编码器；

在步骤b)中，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器的动静态特性；在MATLAB中进行分析得到编码器动静态数据，对编码器性能进行评价。

作为本发明的优选方案，待测性能为陀螺性能时：

在步骤a)中，目标器件为陀螺和导电滑环，陀螺和导电滑环均安装于器件测试平台上，陀螺与导电滑环电连接，导电滑环连接目标机内的串口卡，陀螺两端加上电源；

在步骤b)中，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺的动静态特性；在MATLAB中进行分析得到陀螺动静态数据，对陀螺性能进行评价。

作为本发明的优选方案，待测性能为电机性能时：

在步骤a)中，目标器件包括编码器、陀螺、导电滑环和电机，陀螺和导电滑环均安装于器件测试平台上，陀螺与导电滑环电连接，编码器和导电滑环均连接目标机内的串口卡，编码器和陀螺两端均加上电源；目标机的输出端连接电机驱动器，电机驱动器与电机连接；

步骤b)包括如下步骤：

b1)电机速度开环性能测试：在宿主机上搭建用于生成XPC实时内核Simulink模型，分别根据编码器对应串口卡的类型和陀螺对应串口卡的类型选择对应的Simulink模块，根据所用的数据采集卡的类型选择对应的Simulink模块；给定正弦控制输入，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺的输出信息；在MATLAB中进行分析得到电机的开环特性，并进行评价；

b2)电机速度闭环性能测试：在宿主机上搭建用于生成XPC实时内核Simulink模型，分别根据编码器对应串口卡的类型和陀螺对应串口卡的类型选择对应的Simulink模块，根据所用的数据采集卡的类型选择对应的Simulink模块；利用反馈信息进行闭环控制，选择合适的控制算法，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺的输出信息；在MATLAB中进行分析得到电机的闭环特性，并进行评价；

b3)电机位置环性能测试：依据步骤b2)中设计好的电机速度闭环系统，接入编码器作为位置反馈传感器，在宿主机上搭建用于生成XPC实时内核的电机位置环性能测试Simulink模型，设计位置环控制算法进行控制，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器和陀螺的输出信息；在MATLAB中进行分析得到电机的双闭环特性，并进行评价。

作为本发明的优选方案，待测性能为控制算法性能时，控制算法性能为速度环控制算法测试或位置环控制算法测试。

作为本发明的优选方案，速度环控制算法测试：依照步骤b2)中电机速度闭环测试方法，改变宿主机中Simulink模块中速度环控制器算法，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺的输出信息，对系统指标进行调试，对比改变前后的控制器算法。

作为本发明的优选方案，位置环控制算法测试：依照步骤b3)中电机位置闭环测试方法，改变宿主机中Simulink模块中位置环控制器算法，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器和陀螺的输出信息，对系统指标进行调试，对比改变前后的控制器算法。

本发明所述的测试平台的安装基体采用光电平台，保证了后续光电稳定平台测试性能的一致性。

本发明所述的通用性主要体现在可以测试光电稳定平台所需要的器件(编码器、陀螺、电机)，也可以分别改变电机、编码器、陀螺的型号，进行组合测试，而不用改变整个支撑结构，只需改变连接轴和配重即可，对于实际选型阶段的器件测试，提供了通用平台。

本发明所述的通用性还在于，由于MATLAB中Simulink建模方便，其电机的闭环控制中，可以搭建各种控制器模型，如PID控制器、超前滞后控制器、滑模控制器等，验证控制算法的性能，体现了该平台可以作为验证控制器性能对比的通用平台。

本发明所述的通用性还在于，对于光电稳定平台器件和算法的验证，既可以采用单因素测试方法，单独进行测试设计者关心的器件和算法。也可以进行组合测试，例如为了单独验证传感器的性能；如果需要验证电机性能，编码器和陀螺性能已知不要验证，就可以直接进行电机验证；如果系统所有都需要验证，测试伺服系统的整体性能，首先对编码器进行测试，其次对陀螺进行测试，再次对电机进行测试。以此类推，本发明着重强调的是通用测试平台的通用功能。

本发明所述的组合调试过程需要建立5个Simulink模型文件，分别为：编码器测试模型、陀螺测试模型、电机速度开环测试模型(包含编码器和陀螺的测试模型)、电机速度闭环测试模型、电机位置闭环测试模型，系统设计调试进行到不同的步骤时，采用不同的Simulink模型文件进行设计。

本发明所述的传感器器件的数据通讯过程不同，因为编码器和陀螺的不同，其通讯协议不同。所以根据不同的通讯协议需求，工控机中接入不同的串口卡，以实现多种协议的通讯。同时该种通讯板卡，可以以进行扩展，如果某种传感器采用CAN通讯协议，此处就应该采用CAN卡进行通讯。

本发明所述的电机测试阶段，宿主机中Simulink生成的实时内核，生成的电机控制量，通过TCP/IP协议传到目标机数据采集卡，该数据采集卡的模拟输出值通过PCI总线的通用接线板将电机控制量输入到高性能电机驱动器中，驱动电机转动，然后编码器采集电机的位置信息，陀螺采集电机的速度信息，通过对应的串口卡实现信息反馈，实现系统闭环。

本发明所述的电机测试阶段，为了对电机的负载性能进行验证，设计成可调负载系统，通过改变惯量块的大小实现，这里的惯量块设计成为固定惯量值惯量块的方式(类似于称重砝码)，可以进行多种组合。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

1.本发明所述的系统优点在于采用结构简单的稳定平台，该平台不存在常规光电稳定平台的俯仰偏航两轴结构，仅仅采用电机、传感器、编码器及XPC快速原型技术进行电机、传感器、控制算法的测试，与复杂的光电稳定平台进行对比，结构简单、非线性因素小，更能够判断复杂光电稳定平台存在的问题，诸如质量不平衡力矩、导线扰动力矩、摩擦力矩等，能够对复杂系统进行对比，提出系统机电改进策略。

2.本发明可以测试光电稳定平台所需要的器件，包括编码器、陀螺、电机，也可以分别改变电机、编码器、陀螺的型号，进行组合测试，而不需要改变整个支撑结构，只需改变连接轴和配重即可，对于实际选型阶段的器件测试，提供了通用平台。该通用测试平台还可对算法测试及功能验证。

3.由于MATLAB中Simulink建模方便，其电机的闭环控制中，可以搭建各种控制器模型，如PID控制器、超前滞后控制器、滑模控制器等，验证控制算法的性能，体现了该平台可以作为验证控制器性能对比的通用平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台结构示意图；

图2是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的器件测试平台；

图3是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的测试方法流程图；

图4是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的编码器测试输出数据；

图5是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的陀螺测试输出数据；

图6是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的电机速度开环正弦输出；

图7是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的电机速度闭环阶跃输出；

图8是本发明一种光电稳定平台器件和算法的通用测试平台的电机位置闭环阶跃输出。

图中，1-光学平台，2-器件测试平台，3-目标机，4-数据采集卡，5-串口卡，6-宿主机，7-电机驱动器，21-底座，22-支撑架，23-导电滑环，24-陀螺，25-电机，26-编码器，27-惯量块。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，一种光电稳定平台通用测试平台包括光学平台1，光学平台1上安装有器件测试平台2，器件测试平台2连接有目标机3，目标机3内安装有数据采集卡4和串口卡5，目标机3通过数据线连接有宿主机6，目标机3的输出端连接有电机驱动器7，电机驱动器7与器件测试平台2连接。

如图2所示，所述器件测试平台2包括底座21，底座21安装于光学平台1上，底座21上安装有支撑架22，支撑架22上分别安装有导电滑环23、陀螺24、电机25和编码器26，陀螺24上连接有惯量块27，导电滑环23与陀螺24电连接；导电滑环23、电机25、编码器26均与目标机3电连接。

本实施例的目的是对某型光电稳定平台的编码器26、陀螺24、电机25、控制算法均进行测试。主要的目的是验证一个光电稳定平台的选型是否满足要求，实际要求系统指标如表1所示。

表1

整个测试过程需要建立5个Simulink模型，分别为：编码器测试模型、陀螺测试模型、电机速度开环测试模型(包含编码器26和陀螺24的测试模型)、电机速度闭环测试模型、电机位置闭环测试模型，系统设计调试进行到不同的步骤时，采用不同的Simulink模型文件进行设计。

该实施例调试方法依照图3所示的流程图进行，所选用的光学平台1为程方仪器光学平台1，所选用的编码器26为14位高精度绝对角位置编码器，所选的陀螺24为MEMS陀螺，所采用的电机25为力矩电机，所采用的电源为安捷伦电源，所采用的数据采集卡4为PCI-6229，所采用的速度环控制器为积分分离PID控制器，所采用的位置环控制器为比例控制器。

一种光电稳定平台通用测试方法如下：

1)编码器26测试

(1)装配编码器26：首先，将编码器26安装在器件测试平台2上，设计工装的相应公差，保证编码器26的安装精度；其次，将器件测试平台2安装在光学平台1上；最后，完成硬件连线，编码器26连接串口卡5(串口卡5依据所采用的编码器26的通讯协议进行选择)，编码器26两端加上所需电源。此处的编码器26采用的是RS422串口协议，在工控机中添加此对应的板卡。

(2)编码器26性能测试：首先，在宿主机6上搭建Simulink模型用于生成XPC实时内核，Simulink中模型根据所用的串口卡5的类型选择对应的Simulink模块，并进行配置，根据编码器26的数据传输协议搭建解码模型。其次，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器26的动静态特性；最后，在MATLAB中进行分析得到编码器26动静态数据如图4所示，可以看出编码器26的静态最大误差为0.02°，该精度满足系统要求。

2)陀螺24测试

(1)装配陀螺24：首先，将陀螺24安装在器件测试平台2上，设计工装的相应公差，保证陀螺24的安装精度；其次，将器件测试平台2安装在光学平台1上；最后，完成硬件连线，陀螺24输出信号通过与导电滑环23进行连接实现了数据传递，避免了线绕，导电滑环23输出线与工控机串口卡5连接(串口卡5的选择依据所采用的陀螺24的通讯协议)，陀螺24两端加上所需电源。

(2)陀螺24性能测试：首先，在宿主机6上搭建Simulink模型用于生成XPC实时内核，Simulink中模型根据所用的串口卡5的类型选择对应的Simulink模块，并进行配置，根据陀螺24的数据传输协议搭建建模模型。其次，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺24的动静态特性；最后，在MATLAB中进行分析得到陀螺24的动静态数据，如图5所示，其零偏和稳态标准差值分别为0.0823°/s和0.054°/s，零偏值需要在电机25性能测试时进行补偿，标准差值表明该陀螺24不需要进行滤波就可以满足系统要求(通常情况下通过测定标准差值来检验滤波器效果)。

3)电机25测试

(1)装配器件测试平台2：装配器件测试平台2。首先，将电机25、编码器26和陀螺24均装在测试平台上，设计工装的相应公差，保证编码器26的安装精度。其次，将器件测试平台2安装在光学平台1上。最后，依照步骤1).(1)和步骤2).(1)中描述完成编码器26和陀螺24硬件连线操作，并且将高性能电机驱动器7和电源连接在系统内，为了用此器件测试平台2描述稳定平台特性，设计配重块的惯量为1100kgmm²模拟稳定平台负载。

(2)电机25速度环性能测试

a.电机25速度开环性能测试：首先，在宿主机6上搭建Simulink模型用于生成XPC实时内核，Simulink中模型根据所用的串口卡5的类型选择对应的Simulink模块(分别包括编码器26和陀螺24对应的串口卡5)，根据所用的数据采集卡4的类型选择对应的Simulink模块；其次，给定幅值为0.6频率为3.5Hz的正弦输入量，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺24的输出信息。最后，在MATLAB中进行分析如图6所示，可以看出因为高性能电机25驱动是电流闭环系统，速度开环正弦曲线平滑，表明该系统摩擦较小(此处的输出可以作为光电稳定平台测试速度开环时候的对比数据，看光电稳定平台的摩擦非线性情况)，该速度开环性能满足要求。

b.电机25速度闭环性能测试：与a搭建Simulink模型相似，区别在于利用反馈信息进行闭环控制，在Simulink模型中搭建系统控制模型，分别给定PI控制器、不完全微分PID控制、积分分离PI控制器进行调试，积分分离PI控制器控制效果最佳，得到的阶跃响应曲线如图7所示，其视线角速度稳定输出误差绝对值0.18°/s，上升时间为22ms，满足要求。

(3)电机25位置环性能测试：依据步骤3).(1)中装配方法，依据步骤3).(2)中设计好的电机25速度闭环系统，接入编码器26作为位置反馈传感器，在宿主机6上搭建电机25位置环性能测试Simulink模型用于生成XPC实时内核，分别设计PI控制器和P控制器对系统位置环进行控制，最后通过调试最终采用P控制器，所得到的的系统双闭环的位置阶跃响应曲线如图8所示。稳定跟踪精度为0.05°，满足系统要求。

4)控制算法测试

本实施例步骤3)中电机25性能测试阶段，根据性能指标要求，就已经进行了舵机控制算法的改进，速度环分别尝试了PI控制器、不完全微分PID控制、积分分离PI控制，位置环分别采用了PI控制器和P控制器对系统进行控制，所以该种调节方式间接验证了该通用测试平台的控制算法测试功能，这里不再赘余通用测试平台的控制算法测试功能。系统最终的指标测试结果如表1所示。

表2

总之，以上仅为本发明的较佳实施例，而非用于限制本发明，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种光电稳定平台通用测试平台，其特征在于，包括光学平台(1)，光学平台(1)上安装有器件测试平台(2)，器件测试平台(2)连接有目标机(3)，目标机(3)内安装有数据采集卡(4)和串口卡(5)，目标机(3)通过数据线连接有宿主机(6)。

2.根据权利要求1所述的光电稳定平台通用测试平台，其特征在于，所述目标机(3)的输出端连接有电机驱动器(7)，电机驱动器(7)与器件测试平台(2)连接。

3.根据权利要求1所述的光电稳定平台通用测试平台，其特征在于，所述器件测试平台(2)包括底座(21)，底座(21)安装于光学平台(1)上，底座(21)上安装有支撑架(22)，支撑架(22)上分别安装有导电滑环(23)、陀螺(24)、电机(25)和编码器(26)，陀螺(24)上连接有惯量块(27)，导电滑环(23)与陀螺(24)电连接；导电滑环(23)、电机(25)、编码器(26)均与目标机(3)电连接。

4.一种光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)装配：将目标器件安装到器件测试平台(2)上，将器件测试平台(2)安装在光学平台(1)上，将器件测试平台(2)与目标机(3)连接，目标机(3)与宿主机(6)连接；目标器件连接目标机(3)内的串口卡(5)，目标器件两端加上电源；

b)待测性能测试：在宿主机(6)上搭建用于生成XPC实时内核的Simulink模型，根据所用的串口卡(5)的类型选择对应的Simulink模块，并进行配置，根据数据传输协议搭建解码模型；采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到特定目标器件的动静态特性或输出信息；在MATLAB中进行分析得到待测性能的具体特性，对待测性能的具体特性进行评价。

5.根据权利要求4所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，在步骤a)中根据所采用的目标器件的通讯协议选择串口卡(5)。

6.根据权利要求4或5所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，待测性能为编码器(26)性能时：

在步骤a)中，目标器件为编码器(26)；

在步骤b)中，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器(26)的动静态特性；在MATLAB中进行分析得到编码器(26)动静态数据，对编码器(26)性能进行评价。

7.根据权利要求4或5所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，待测性能为陀螺(24)性能时：

在步骤a)中，目标器件为陀螺(24)和导电滑环(23)，陀螺(24)和导电滑环(23)均安装于器件测试平台(2)上，陀螺(24)与导电滑环(23)电连接，导电滑环(23)连接目标机(3)内的串口卡(5)，陀螺(24)两端加上电源；

在步骤b)中，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺(24)的动静态特性；在MATLAB中进行分析得到陀螺(24)动静态数据，对陀螺(24)性能进行评价。

8.根据权利要求4或5所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，待测性能为电机(25)性能时：

在步骤a)中，目标器件包括编码器(26)、陀螺(24)、导电滑环(23)和电机(25)，陀螺(24)和导电滑环(23)均安装于器件测试平台(2)上，陀螺(24)与导电滑环(23)电连接，编码器(26)和导电滑环(23)均连接目标机(3)内的串口卡(5)，编码器(26)和陀螺(24)两端均加上电源；目标机(3)的输出端连接电机驱动器(7)，电机驱动器(7)与电机(25)连接；

步骤b)包括如下步骤：

b1)电机(25)速度开环性能测试：在宿主机(6)上搭建用于生成XPC实时内核Simulink模型，分别根据编码器(26)对应串口卡(5)的类型和陀螺(24)对应串口卡(5)的类型选择对应的Simulink模块，根据所用的数据采集卡(4)的类型选择对应的Simulink模块；给定正弦控制输入，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺(24)的输出信息；在MATLAB中进行分析得到电机(25)的开环特性，并进行评价；

b2)电机(25)速度闭环性能测试：在宿主机(6)上搭建用于生成XPC实时内核Simulink模型，分别根据编码器(26)对应串口卡(5)的类型和陀螺(24)对应串口卡(5)的类型选择对应的Simulink模块，根据所用的数据采集卡(4)的类型选择对应的Simulink模块；利用反馈信息进行闭环控制，选择合适的控制算法，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺(24)的输出信息；在MATLAB中进行分析得到电机(25)的闭环特性，并进行评价；

b3)电机(25)位置环性能测试：依据步骤b2)中设计好的电机(25)速度闭环系统，接入编码器(26)作为位置反馈传感器，在宿主机(6)上搭建用于生成XPC实时内核的电机(25)位置环性能测试Simulink模型，设计位置环控制算法进行控制，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器(26)和陀螺(24)的输出信息；在MATLAB中进行分析得到电机(25)的双闭环特性，并进行评价。

9.根据权利要求8所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，待测性能为控制算法性能时，控制算法性能为速度环控制算法测试或位置环控制算法测试。

10.根据权利要求9所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，速度环控制算法测试具体为：依照步骤b2)中电机(25)速度闭环测试方法，改变宿主机(6)中Simulink模块中速度环控制器算法，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到陀螺(24)的输出信息，对系统指标进行调试，对比改变前后的控制器算法。

11.根据权利要求9所述的光电稳定平台通用测试方法，其特征在于，位置环控制算法测试具体为：依照步骤b3)中电机(25)位置闭环测试方法，改变宿主机(6)中Simulink模块中位置环控制器算法，采用XPCTarget技术生成实时内核，运行得到编码器(26)和陀螺(24)的输出信息，对系统指标进行调试，对比改变前后的控制器算法。

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