JP2006301939A - 車両誘導システム、自律移動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両誘導システムにおいて、平面内で車両を無人走行させるときに、車両の自己位置を特定する必要がある。
【解決手段】 指標装置１０は、交差するように配置された細長形状のコイル１２、１４と、コイルに電流を供給する電源１８を含む。この指標装置１０は、自律移動車両２０の無人走行開始位置に設けられる。自律移動車両２０は、コイル１２、１４から発生する磁束を検出する磁気センサ２６と、磁気センサ２６の初期位置からの回転角を検出するジャイロセンサ３０とを備える。自律移動車両２０は、走行開始前にコイル１２、１４の交点付近で一回転する。制御部２８は、この一回転の間に磁気センサ２６がコイル１２、１４の上方を通過したときの回転角を記録し、これら回転角に基づいて、自律移動車両２０の位置および方位を特定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、経路データにしたがって平面内で車両を自律移動させる車両誘導技術に関する。

無人車両を移動させる車両誘導システムには、経路上にガイドラインを引いておき無人車両がその上を追従するように走行するタイプと、無人車両にセンサを搭載しておき、センサの検出値に基づいて無人車両が自己位置を認識しながらガイドなしで走行するタイプとがある。後者では、走行の開始時に、無人車両に平面内の座標を特定させる必要がある。この特定を実現する技術として、無人車両をガイド機構に導いて機械的に位置合わせをするものや、無人車両に光学センサを搭載し、開始位置の周囲の壁などに光を投射して目標物までの距離を計測して位置を特定するものなどが知られている。特許文献１には、所定の間隔を空けた二組の平行導線を一定領域の平面を囲うように設けておき、無人走行する移動装置には平行導線により発生する磁界を検出する磁界検出手段を搭載することが開示されている。この技術によると、移動装置は、二組の平行導線に囲まれた平面内でＸ、Ｙ座標位置を知ることができる。
特開昭６３−１６３６０７号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、二組の平行導線に囲まれた領域内でしか移動装置の位置を特定することができない。また、広い平面内で移動装置を走行させようとすると、その全域に平行導線を張り巡らせなければならず、コストがかかる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両誘導システムにおいて、車両の自己位置を容易に特定する技術を提供することにある。

本発明のある態様の車両誘導システムは、二つの長尺部材を所定の角度をもって交差するように配置してなる指標装置と、前記長尺部材を基準として、予め準備されている経路データにしたがって平面内を移動可能に構成されている自律移動車両と、を含む。前記自律移動車両は、前記長尺部材の上方を通過したことを検出する指標検出手段と、前記長尺部材同士の交点付近に当該自律移動車両を停止させた際に、自律移動車両内に定められた所定の点を中心として前記指標検出手段を水平面内で回転移動させる駆動手段と、前記指標検出手段の初期位置からの回転角を検出する回転角検出手段と、前記指標検出手段の回転移動中に、該指標検出手段が前記長尺部材の上方を通過した時に前記回転角検出手段により検出された回転角を記録する記録手段と、記録された回転角に基づいて、前記長尺部材に対する当該自律移動車両の相対位置を算出する相対位置算出手段と、を備える。

この態様によると、自律移動車両に平面座標内での位置および方向を特定させる際に、ガイドなどの特別の機構や煩雑な動作が不要であり、また自律移動車両を位置決めの場所に正確に配置しなくてもよい。

前記長尺部材は細長形状に形成されたコイルであり、前記指標装置は前記コイルに電流を流す電流供給手段をさらに備えてもよい。前記指標検出手段は、前記コイルを流れる電流により発生する磁界を検出する磁気センサを含んでもよい。これによると、コイルから発生する磁気を利用して長尺部材の位置を検出するようにしたので、障害物による遮蔽や汚れなどによる影響を考慮しなくてよい。

前記電流供給手段は二つのコイルに異なる電流を流し、前記指標検出手段は、前記磁気センサにより検出される磁気量にしたがって、二つのコイルのうち通過したコイルを特定し、前記相対位置算出手段は、特定されたコイルの配置に応じて、前記自律移動車両の相対位置の算出方法を変更してもよい。これによると、それぞれのコイルに発生する磁気量を検知することによって、二つのコイルを区別することができる。

本発明の別の態様は、自律移動車両である。この自律移動車両は、平面内を移動可能に構成された自律移動車両であって、所定の角度をもって交差するように配置されている二つの長尺部材の上方を通過したことを検出する指標検出手段と、前記長尺部材同士の交点付近に当該自律移動車両を停止させた際に、自律移動車両内に定められた所定の点を中心として前記指標検出手段を水平面内で回転移動させる駆動手段と、前記指標検出手段の初期位置からの回転角を検出する回転角検出手段と、前記指標検出手段の回転移動中に、該指標検出手段が前記長尺部材の上方を通過した時に前記回転角検出手段により検出された回転角を記録する記録手段と、記録された回転角に基づいて、前記長尺部材に対する当該自律移動車両の相対位置を算出する相対位置算出手段と、を備える。そして、自律移動車両は、算出された相対位置と予め準備されている経路データにしたがって平面内を移動する。

この態様によると、自律移動車両に平面座標内での位置および方向を特定させる際に、ガイドなどの特別の機構や煩雑な動作が不要であり、また自律移動車両を位置決めの場所に正確に配置しなくてもよい。

本発明によれば、自律移動開始時の車両の初期位置および方向を容易に特定することができる。

初めに、本発明の一実施形態に係る車両誘導システムの概要について説明する。車両誘導システムは、地面に埋設されたコイルを有する指標装置と、コイルから発せられる磁束変化を検出することで自己位置を特定する自律移動車両とから構成される。
自律移動車両の自律走行開始位置に、二つのコイルを十文字に交差させて埋設しておく。地表面には、予め平面座標系が設定されており、コイルには特定の座標が与えられている。自律移動車両はコイルの近辺に停止して水平面内で一回転し、その間の磁束変化を検出する。その後、一連の計算を施すことによって、自律移動車両の平面座標内での位置および進行方向を特定する。これにより、自律移動車両は、搭載されているジャイロセンサと走行距離計を使用し、経路データにしたがったガイドなしでの走行を開始することができる。

図１は、指標装置１０を垂直上方から見たときの様子を示している。細長形状に形成されたコイル１２、１４は、交点１６において直角に交差するように配置される。コイル１２、１４は、導線の保護のため地面の浅い位置に埋設されていることが好ましいが、地表面に貼付されていてもよい。コイル１２、１４は、電源１８に接続される。電源１８は、それぞれ異なる周波数でコイル１２、１４に交流電流を供給する。これによって、それぞれのコイルに発生する交番磁界の周波数を検知することによって、コイル１２とコイル１４を区別することができる。なお、電源１８からコイル１２、１４に与える電流の最大値を異ならせたり、またはコイル１２、１４の巻き数を変えることによって、コイル１２、１４から発生する最大磁束を変えるようにしてもよい。

図１では、コイル１２、１４は一巻きで描かれているが、多重巻きのコイルであってもよい。また、図１では、コイル１２、１４が地表面と平行になるように配置されているが、地表面に対して傾斜するように埋設されていてもよい。

図２は、自律移動車両を垂直上方から見たときの概略構成を示す。自律移動車両２０は、車体２２と、車体に取り付けられ、図示しない駆動手段により駆動される四つの車輪２４を備える。車体２２には、地表面と平行の検出面を通過する磁束を検出する磁気センサ２６と、自律移動車両２０の進行方位を検出するジャイロセンサ３０が搭載される。これらセンサによる磁束および方位は、制御部２８に入力される。制御部２８は、自律移動車両２０がコイル１２、１４の周辺を回転したときに得られる方位情報に対して所定の演算を実施して、自律移動車両の平面座標内での位置および方位を特定する。制御部２８は、自律移動車両２０の進行方向を操作するための操舵手段（図示せず）と、車輪２４を駆動する駆動手段（図示せず）も制御する。走行距離計５８は、車輪２４の回転回数をカウントすることで、自律移動車両２０の走行距離を計測する。

自律移動車両２０は、四つの車輪２４を独立して駆動するので、右輪と左輪を逆方向に回転させることで、その場で回転したり、回転半径の小さい旋回をすることができる。中心３２は、自律移動車両２０が四つの車輪２４を駆動してその場で回転するときの中心を表している。この自律移動車両２０は、主に工場で使用される無人搬送車などを想定しているが、人間が乗車する構造を有していてもよい。

図３は、指標装置１０の交点１６の近傍に自律移動車両２０が停止した状態を示す。自律移動車両２０が走行する平面には、予め直交二次元座標系が設定されており、コイル１２、１４は特定の座標位置が与えられている。好ましくは、コイル１２、コイル１４が、二次元座標系のＸ軸、Ｙ軸に対応する。指標装置１０のコイル１２、１４は、自律移動車両２０の自律走行開始位置に設けられ、自律移動車両２０に平面座標内での位置を提供する役割を有する。自律移動車両２０は、自律走行を開始する前に、自動または人手によって、コイル１２、１４の交点１６付近に配置される。この状態から、自律移動車両２０は中心３２の周りに水平面内で一回転する。

図４は、自律移動車両２０が中心３２の周りに３６０度回転したときの磁気センサ２６の軌跡を示す。自律移動車両２０が右回りに回転すると仮定すると、磁気センサ２６の軌跡は、コイル１２の一辺１２ａと交点６２で交差し、コイル１４の一辺１４ａと交点６４で交差し、再びコイル１２の一辺１２ａと交点６６で交差し、コイル１４の一辺１４ａと交点６８で交差する。これら四つの交点６２〜６８における磁気センサ２６の回転角を利用して、自律移動車両２０中心３２の二次元座標および自律移動車両２０の進行方位を特定することができる。
こうして自律走行の開始位置の座標と進行方位を特定した後、自律移動車両２０は、ジャイロセンサ３０で刻々の方位変化を求め、また走行距離計５８で計測した走行距離を参照して現在位置および方向を算出することができる。なお、経路データにしたがってガイドレス走行を実施する方法については、任意の既知の技術を使用できるので、本明細書では詳細な説明を省略する。

コイル１２、１４の交点１６付近への自律移動車両２０の停止は、正確でなくてよい。具体的には、自律移動車両２０が停止したときの中心３２と交点１６との距離が、中心３２と磁気センサ２６間の距離Ｒ未満であれば、後述する計算処理によって平面内の絶対座標を特定することができる。

図５は、自律移動車両２０の制御部２８の機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

磁気センサ２６は、指標装置１０のコイル１２、１４を流れる電流により発生する磁束を検出する。なお、磁気センサ２６は、磁束密度や磁界の強さを検出してもよい。ピーク判定部４０は、磁気センサ２６により検出される磁束の変化に基づいて、磁気センサ２６がコイル１２または１４の上方を通過しているか否かを判定する。具体的には、自律移動車両２０の回転中の磁束をプロットしたグラフがピークになったとき、磁気センサ２６がコイルに最も近い位置にあると考えられるので、ピーク値を検出した時点をコイルの通過時点と判定する。

また、ピーク判定部４０は、コイルから発生している交番磁界の周波数を算出することによって、コイル１２とコイル１４のいずれの上方を通過しているかも判定する。

角度記録部８０は、自律移動車両２０の回転中に磁気センサ２６がコイル１２または１４の上方を通過した時に、ジャイロセンサ３０により検出された角度を記録する。この角度は、自律移動車両２０が交点１６付近に停止したときの初期方位（図６または図７を参照）からの角度として記録される。

相対位置算出部８２は、角度記録部８０に記録された角度に基づいて、コイル１２、１４の交点１６に対する自律移動車両２０の相対位置と方向とを算出する。この方法については、図６または図７を参照して後述する。後述するように、相対位置算出部８２は、磁気センサ２６が最初に通過したコイルの配置に応じて、相対位置の算出方法を変更する。

現在位置特定部４２は、相対位置算出部８２から得た相対位置と、予め有しているコイル１２、１４の座標情報とから、自律移動車両２０の平面座標内での位置および方向を特定する。自律移動車両２０が自律走行している間は、走行距離計５８から得られる走行距離とジャイロセンサ３０から得られる方位のログにしたがって、自律移動車両２０の平面座標内での現在位置を特定する。

目標経路データ格納部４４は、自律移動車両２０が走行すべき目標経路のデータが予め格納されている。目標値生成部４８は、目標経路データと現在位置とを突き合わせて、次に自律移動車両２０が進行すべき方向と距離を計算し、ステアリング制御部５０および駆動輪制御部５４に対して、それぞれステアリング角および車輪回転数の目標値を提供する。

ステアリング制御部５０は、自律移動車両２０の操舵手段（図示せず）を駆動するステアリング駆動モータ５２を制御して、目標値生成部４８が計算した方向に自律移動車両２０を向ける。駆動輪制御部５４は、自律移動車両２０の各車輪に設けられている駆動輪モータ５６を制御して、目標値生成部４８が計算した距離だけ自律移動車両２０を進行させる。

回転指令部８４は、コイル１２、１４の交点１６付近に自律移動車両２０を停止させた後、中心３２の周りに一回転するように、ステアリング制御部５０および駆動輪制御部５４に対して指令を出す。

次に、図６および図７を参照して、角度記録部８０に記録された角度から自律移動車両２０の平面座標内での位置および方向を特定する方法について説明する。ここでは、図６および図７中のＸ軸は、コイル１２の一辺１２ａに設定され、Ｙ軸はコイル１４の一辺１４ａに設定されているとする。コイル１２、１４の幅は、自律移動車両２０の全長に比べて十分に小さく形成されているため、コイル１２、１４の一辺をＸ軸またはＹ軸と設定しても、自律移動車両２０の平面移動の精度に与える影響はほとんどない。

図６は、磁気センサ２６が回転中にＸ軸方向のコイル１２を最初に検出したときの算出方法を示す。自律移動車両２０の中心３２が図６中に表す位置に停止した場合、角度記録部８０は、初期方位７０を基準として、磁気センサがＸ軸を横切ったとき（交点６２）の角度θ_１、磁気センサがＹ軸を横切ったとき（交点６４）の角度θ_２、磁気センサが再びＸ軸を横切ったとき（交点６６）の角度θ_３、および磁気センサが再びＹ軸を横切ったとき（交点６８）の角度θ_４を記録している。相対位置算出部８２は、中心３２のＸ軸およびＹ軸からの距離Ｙ_１、Ｘ_１を次式から算出する。なお、「Ｒ」は中心３２と磁気センサ２６間の距離である。

［数１］
Ｙ_１＝Ｒ×ｓｉｎθ_５ （１）
Ｘ_１＝Ｒ×ｓｉｎθ_６ （２）

θ_５およびθ_６は、θ_２〜θ_４を用いて、以下の式で求めることができる。
［数２］
θ_６＝（１８０°−θ_３−θ_４）／２ （３）
θ_５＝（１８０°−θ_２−θ_３）／２ （４）

また、相対位置算出部８２は、自律移動車両２０の方向αを次式から算出する。
［数３］
α＝９０°−（θ_１−θ_５） （５）

図７は、磁気センサ２６が回転中にＹ軸方向のコイル１４を最初に検出したときの算出方法を示す。自律移動車両２０の中心３２が図７中に表す位置に停止した場合、角度記録部８０は、初期方位７０を基準として、磁気センサがＹ軸を横切ったとき（交点６８）の角度θ_１、磁気センサがＸ軸を横切ったとき（交点６２）の角度θ_２、磁気センサが再びＹ軸を横切ったとき（交点６４）の角度θ_３、および磁気センサが再びＸ軸を横切ったとき（交点６６）の角度θ_４を記録している。相対位置算出部８２は、中心３２のＸ軸およびＹ軸からの距離Ｙ_１、Ｘ_１を次式から算出する。

［数４］
Ｙ_１＝Ｒ×ｓｉｎθ_５ （６）
Ｘ_１＝Ｒ×ｓｉｎθ_６ （７）

θ_５およびθ_６は、θ_２〜θ_４を用いて、以下の式で求めることができる。
［数５］
θ_６＝（１８０°−θ_２−θ_３）／２ （８）
θ_５＝（１８０°−θ_３−θ_４）／２ （９）

さらに、相対位置算出部８２は、自律移動車両２０の進行方向αを次式から算出する。
［数６］
α＝９０°−（θ_１＋θ_２−θ_５） （１０）

図８は、自律移動車両の平面座標内での位置および方向を特定する方法のフローチャートである。まず、自律移動車両２０をコイル１２と１４の交点１６付近に停止させる（Ｓ１０）。電源１８からコイル１２、１４に周波数の異なる交流電流を印加し（Ｓ１２）、これによってコイルから磁束が発生する。この状態で、回転指令部８４は、中心３２の周りで自律移動車両２０を回転させる（Ｓ１４）。回転中に、自律移動車両２０の磁気センサ２６により磁束を検出し（Ｓ１６）、ピーク判定部４０は、検出された磁束がピーク値であるか否かを判定する（Ｓ１８）。ピーク値であれば（Ｓ２０のＹ）、その時点でコイル１２または１４のいずれかを磁気センサ２６が横切っているので、ピーク判定部４０は、このときジャイロセンサ３０により検出された角度を受け取る（Ｓ２２）。続いて、ピーク判定部４０は、交番磁界の周波数を算出してコイル１２と１４のいずれを横切っているかを判定し（Ｓ２４）、この結果とともに角度を角度記録部８０に記録する（Ｓ２６）。磁束がピーク値でなければ（Ｓ２０のＮ）、Ｓ２２〜Ｓ２６をスキップする。

回転指令部８４は、自律移動車両２０が一回転したか否かを判定し（Ｓ２８）、まだ回転を終了していなければ（Ｓ２８のＮ）、Ｓ１６以降の処理を繰り返す。ピーク判定部４０によってピーク値が４回検出された時点で相対位置の算出に必要なデータはすべて得られているので、自律移動車両２０の回転を終了してもよい。

自律移動車両２０が一回転したならば（Ｓ２８のＹ）、自律移動車両２０を停止する（Ｓ３０）。相対位置算出部８２は、取得したデータを使用して、上述の方法で自律移動車両２０の相対位置と方向を算出する（Ｓ３２）。

以上説明したように、本発明によれば、自律移動車両に平面座標内での位置および方向を特定させる際に、ガイドなどの特別の機構が不要であり、また自律移動車両を位置決めの場所に正確に配置しなくてもよい。また、平面座標内での位置を特定するのに煩雑な処理を繰り返す必要がない。
また、指標装置１０を自律移動車両２０の走行開始位置にのみ配置すればよいので、設置が容易でありかつコストもかからない。コイルから発生する磁気を利用するので、光学センサを利用して位置を特定する方式と比べて、障害物による遮蔽や汚れなどによる影響を考慮しなくてよい。
さらに、適当な間隔で自律移動車両が指標装置の設置場所に戻ることによって、コイルの絶対座標に基づいてジャイロセンサや走行距離計のずれを較正することができる。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。これらの実施形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そのような変形例について述べる。

実施の形態では、自律移動車両２０が車輪２４を駆動して交点１６の近辺で一回転することを述べたが、磁気センサ２６を図示しない円盤の周縁部に取り付けておき、自律移動車両２０を停止したまま、この円盤を交点１６の近辺で一回転させるように構成してもよい。

実施の形態では、自律走行の開始位置に指標装置を設置しておくことを述べたが、指標装置は、自律走行を実施する平面内に複数設置してもよい。このとき自律移動車両は、複数の指標装置間を連絡するようにして自律走行をしてもよい。こうすることによって、自律移動車両が所定の誤差範囲内で次の指標装置に到達することができれば、その指標装置の位置において再び回転動作をすることで、再び平面座標内での位置および方向を特定できるので、累積誤差の影響を軽減することができる。また、ジャイロセンサや走行距離計による測定値と、予めデータとして保有している指標装置間の距離、角度とを比較することで、ジャイロセンサや走行距離計の較正を実施することも可能である。

実施の形態では、地面に埋設したコイルと磁気センサを使用する方法を説明したが、これ以外の組合せも使用することができる。例えば、指標として、地表面に十文字のラインを引いておいてもよい。そして、自律移動車両の回転中に、自律移動車両に搭載したカメラによって十文字のラインを撮影し、カメラがラインを横切ったときの角度を記録し、記録した角度から上述の算出方法によって自律移動車両の位置および方向を求めてもよい。または、地表面に細長く切断した反射板を十文字に貼り付けておき、自律移動車両の回転中に地表面に向けてレーザを発射し、その反射光を検出することによってラインを横切ったときを判定し、そのときに記録した角度から上述の算出方法によって自律移動車両の位置および方向を求めてもよい。

指標装置を垂直上方から見たときの構成を示す図である。 自律移動車両を垂直上方から見たときの概略構成を示す図である。 自律移動車両がコイルの上に停止した状態を示す図である。 自律移動車両が３６０度回転したときの磁気センサの軌跡を示す図である。 図２等の制御部の機能ブロック図である。 自律移動車両の平面座標内での位置および方向を特定する方法を説明する図である。 自律移動車両の平面座標内での位置および方向を特定する方法を説明する図である。 自律移動車両の平面座標内での位置および方向を特定する方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ 指標装置、 １２、１４ コイル、 １６ 交点、 １８ 電源、 ２０ 自律移動車両、 ２２ 車体、 ２４ 車輪、 ２６ 磁気センサ、 ２８ 制御部、 ３０ ジャイロセンサ、 ３２ 中心、 ４０ ピーク判定部、 ４２ 現在位置特定部、 ４４ 目標経路データ格納部、 ４８ 目標値生成部、 ５８ 走行距離計、８０ 角度記録部、 ８２ 相対位置算出部。

Claims (4)

1. 二つの長尺部材を所定の角度をもって交差するように配置してなる指標装置と、
   前記長尺部材を基準として、予め準備されている経路データにしたがって平面内を移動可能に構成されている自律移動車両と、を含み、
   前記自律移動車両は、
   前記長尺部材の上方を通過したことを検出する指標検出手段と、
   前記長尺部材同士の交点付近に当該自律移動車両を停止させた際に、自律移動車両内に定められた所定の点を中心として前記指標検出手段を水平面内で回転移動させる駆動手段と、
   前記指標検出手段の初期位置からの回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記指標検出手段の回転移動中に、該指標検出手段が前記長尺部材の上方を通過した時に前記回転角検出手段により検出された回転角を記録する記録手段と、
   記録された回転角に基づいて、前記長尺部材に対する当該自律移動車両の相対位置を算出する相対位置算出手段と、
   を備えることを特徴とする車両誘導システム。
2. 前記長尺部材は細長形状に形成されたコイルであり、
   前記指標装置は前記コイルに電流を流す電流供給手段をさらに備え、
   前記指標検出手段は、前記コイルを流れる電流により発生する磁界を検出する磁気センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の車両誘導システム。
3. 前記電流供給手段は二つのコイルに異なる電流を流し、
   前記指標検出手段は、前記磁気センサにより検出される磁気量にしたがって、二つのコイルのうち通過したコイルを特定し、
   前記相対位置算出手段は、特定されたコイルの配置に応じて、前記自律移動車両の相対位置の算出方法を変更することを特徴とする請求項２に記載の車両誘導システム。
4. 平面内を移動可能に構成された自律移動車両であって、
   所定の角度をもって交差するように配置されている二つの長尺部材の上方を通過したことを検出する指標検出手段と、
   前記長尺部材同士の交点付近に当該自律移動車両を停止させた際に、自律移動車両内に定められた所定の点を中心として前記指標検出手段を水平面内で回転移動させる駆動手段と、
   前記指標検出手段の初期位置からの回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記指標検出手段の回転移動中に、該指標検出手段が前記長尺部材の上方を通過した時に前記回転角検出手段により検出された回転角を記録する記録手段と、
   記録された回転角に基づいて、前記長尺部材に対する当該自律移動車両の相対位置を算出する相対位置算出手段と、
   を備え、
   算出された相対位置と予め準備されている経路データにしたがって平面内を移動することを特徴とする自律移動車両。

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