TWI392848B - 設置方位辨識方法及其導航裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種電子裝置設置之方位判斷技術,尤其是指一種辨識導航裝置設置之方位辨識方法以及使用該方法之導航裝置。
如圖一所示,該圖係為習用之全球定位(global position system,GPS)與慣性導航(inertia navigation system)系統示意圖。該在該習用技術中,該全球定位與慣性導航系統10係固定設置於一交通工具(例如:車輛)內之儀表板11上。由於圖一之系統係固定安裝於車輛內,因此對於使用者在空間的利用上比較沒有機動性。近年來,隨著慣性原件價格的平民化,未來全球定位與慣性導航系統已經逐漸普及在PDA或手機之中。
由於PDA或手機等可攜式電子產品的體積小攜帶方便,因此使用者可以隨著自己喜好安裝於車內的任意位置。然而在縱向與橫向的使用上需要克服幾個問題,第一為判斷旋轉方位,以調整影像顯示方向。第二為當全球定位與慣性導航系統之使用方向改變時,全球定位與慣性導航系統中的慣性導航模組中的加速度及角速度偵測軸向也與原來的大地參考座標產生了一座標轉換關係,此時若不作任何座標轉換修正,慣性導航模組將無法正常工作。
判斷系統工作方位之技術,目前有被應用在手持式遊
戲機上,例如:美國專利US.Pat.NO.6,908,388專利中描述一個3D空間的遊戲環境,包含一個外殼可供使用者抓取,一個傾斜感測器在外殼之內,觀測點座標判斷機制跟隨著傾斜感測器的輸出訊號而判斷觀測座標。一個遊戲影像產生處理機制,根據所判定的座標來產生遊戲影像。而該遊戲系統以最小的處理負擔,可以提供一個使用者感覺3D遊戲空間隨遊戲裝置的傾斜而變化。另外在美國專利US.Pat.No.7,158,118專利中也描述一包括雙軸陀螺儀及加速度計以及處理單元之3D指示裝置,其係利用第一參考面(例如3D指標裝置之本體)感測到之運動資訊轉換到第二參考面(例如,使用者參考面),主要是用來消除了手持此3D指標裝置之角度傾斜效應。簡單來說,即是一種使用慣性元件姿態偵測再利用座標轉換去消除傾斜的影響。然而在前述之習用技術中,對於如何克服前述之兩個問題,並未有具體而有效之作法。
本發明提供一種設置方位辨識方法,其係應用在可攜式導航裝置中。該方法主要是根據加速度計在第一方向及第二方向量測到的加速度值來判定該導航裝置之設置方位為縱向或橫向,並進行相對應之座標轉換,使導航裝置不受工作方位影響維持正常之工作。
本發明更提供一種導航裝置,其係利用前述之設置方位辨識方法來辨識該導航裝置之設置方位以及偵測導航裝置之所在座標位置以提供使用者位置以及交通資訊。
在一實施例中,本發明提供一種設置方位辨識方法,其係包括有下列步驟:提供一導航裝置,其係具有一轉向感測模組以及感測一第一方向加速度之第一加速度計以及感測一第二方向加速度之一第二加速度計;擷取該導航裝置之第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值;以及根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位,其中該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計理論上應該感測到的加速度值。
在另一實施例中,本發明更提供一種導航裝置,包括:一慣性導航單元,其係具有一第一加速度計、一第二加速度計、一第三加速度計以及一角速度感測模組;一衛星訊號接收單元,以接收一衛星訊號;以及一訊號處理單元,其係與該慣性導航單元以及該衛星訊號接收單元相耦接,該訊號處理單元係可根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位以及根據該慣性導航單元以及該衛星訊號輸出一座標位置,其中該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計理論上應該感測到的加速度值。
在另一實施例中,本發明更提供一種導航裝置,其係可設置於一交通工具內,並根據使用需要調整其設置方位,該導航裝置包括:一慣性導航單元,其係具有一第一加速度計、一第二加速度計、一第三加速度計以及一角速
度感測模組;一衛星訊號接收單元,以接收一衛星訊號;一訊號處理單元,其係與該慣性導航單元以及該衛星訊號接收單元相耦接,該訊號處理單元係可根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位以及根據該慣性導航單元以及該衛星訊號輸出一座標位置,其中該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計理論上應該感測到的加速度值;一資料庫,其係與該訊號處理單元相耦接,該資料庫內係建立有地圖與道路交通資訊;以及一顯示裝置,其係與該訊號處理單元相連接,該顯示裝置係顯示該資料庫所提供之資訊。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解,下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明,以使得 審查委員可以了解本發明之特點,詳細說明陳述如下:
請參閱圖二所示,該圖係為本發明之導航裝置實施例方塊示意圖。該導航裝置2,其係可設置於一交通工具內(例如:輪型車輛)內,該導航裝置2主要包括有一慣性導航單元20(inertia navigation system,INS)、一衛星訊號接收單元21(global position system,GPS)以及一訊號處理單元22。該慣性導航單元20,其係可量測空間中三軸之加速度狀態以及該導航裝置的轉動狀態。在本實施
例中,該慣性導航單元20具有一第一加速度計201,其係可偵測第一軸(X軸)之加速度、一第二加速度計202,其係可偵測第三軸(Z軸)之加速度、一第三加速度計203,其係可偵測第二軸(Y軸)之加速度以及一角速度感測模組204,其係可以感測第一軸(X軸)之轉速以及第三軸(Z軸)之轉速。
雖然圖二中之實施例是利用三個加速度計201、202與203,但是由於現在半導體製程的進步,亦可選擇整合三個加速度計以感測三軸之運動狀態的單一加速度計來實施。這是熟悉此項技術之人根據本發明所揭露之技術,可以輕易置換的。其中該第二軸(Y軸)之加速度係代表交通工具之前進或後退之加速度,而第一軸轉速大小係可代表交通工具傾角之角速度大小,第三軸(Z軸)轉速大小則可代表該交通工具左右轉向之角速度大小。
如圖三A所示,該圖係為本發明角速度感測模組第一實施例方塊示意圖。在本實施例中,該角速度感測模組204係由兩個陀螺儀感測器2041與2042所構成以分別感測X軸以及Z軸之轉速。利用陀螺儀感測器感測角速度之技術係屬於習用技術,在此不做贅述。如圖三B所示,該圖係為本發明角速度感測模組第二實施例方塊示意圖。在本實施例中,該角速度感測模組204具有一陀螺儀感測器2043以感測X軸之轉速。至於Z軸之轉速係由一差分模組2044所負責,其係具有一對加速度計2051與2052,且相距一距離。藉由該對加速度計2051與2052感測同一軸向之一加速度變化,利用差分得到第一軸之轉動狀態。如圖四所
示,該圖係為本發明之角速度感測說明示意圖。在圖示中,當加速度計2051以及加速度計2052所感測之第一軸(X軸)加速度訊號積分便可得到位移(S1
,S2
),然後推算S1
,S2
之差值,由於加速度計2051以及加速度計2052相差一距離h,所以可藉由計算得到該第三軸(Z軸)之角度θ變化。
請參閱圖三C所示,該圖係為本發明之角速度感測模組第三實施例示意圖。在本實施例中,該角速度感測模組204係由兩個差分模組2045與2046所構成,每一個差分模組2045或2046具有一對加速度計2053與2054以及2055與2056,每一對加速度計2053與2054或2055與2056相距一距離。其中差分模組2045係可藉由感測同一軸向(Z軸)之加速度變化,以利用差分算出第一軸(X軸)的轉速,而另一差分模組2046係可藉由感測同一軸向(X軸)之加速度變化,以利用差分算出則可量測第三軸(Z軸)之轉速。
如圖三D所示,該圖係為本發明之角速度感測模組第四實施例示意圖。在本實施例中,該角速度感測模組204具有一第一輔助加速度計2047以及一第二輔助加速度計2048。請參閱圖三D與圖二所示,其中,該第一輔助加速度計2047,其係與該第一加速度計201相距一距離,藉由該第一加速度計201以及該第一輔助加速度計2047所感測之一加速度變化,利用差分以得到第三軸(Z軸)之轉動狀態。該第二輔助加速度計2048,其係與該第二加速度計202相距一距離,藉由該第二加速度計202以及該第二輔助加速度計2048感測之一加速度變化,利用差分以得到第一軸(X軸)之轉動狀態。
再回到圖二所示,該衛星訊號接收單元21,以接收一衛星訊號。該衛星訊號接收單元21係屬全球定位系統之習用技術元件,在此不作贅述。該訊號處理單元22,其係與該慣性導航單元20以及該衛星訊號接收單元21相耦接,該訊號處理單元22係可根據該第一加速度計201以及該第二加速度計202所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置2之設置方位以及根據該慣性導航單元20以及該衛星訊號輸出一座標位置。
接續來說明該訊號處理單元之運作方法,如圖五所示,該圖係為本發明之設置方位辨識方法流程示意圖。該方法主要包括有下列步驟:首先進行步驟40,擷取第一加速度計以及第二加速度計所輸出之加速度值。第一加速度計可以感測X軸方向之加速度,第二加速度計可以感測Z軸方向之加速度。再回到圖五所示,接著進行步驟41,根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位。如圖二所示,該辨識資訊係可儲存於一記憶單元23中,該記憶單元23係與該訊號處理單元22相耦接。一般而言,該記憶單元23係可選擇為習用之記憶體元件,其係屬於習用技術在此不作贅述。
由於導航裝置2之擺設方位會使得第一加速度計以及第二加速度計所感測到的加速度產生變化。例如圖六A所示,該圖係為導航裝置2直立狀態示意圖。圖二之方塊係設置於圖六A中之導航裝置之殼體26內,在圖六A中僅以標號來示明各個加速度計。在圖六A之狀態下,由於重力
G的作用,因此該第二加速度計202可以感測到重力加速度。反之,如圖六B所示,該圖係為導航裝置橫向設置示意圖。當導航裝置經由圖六A經由順時針翻轉至圖六B的狀態時,由於第一加速度計201與第二加速度計202之方位改變,所以此時感測到重力加速度的為第一加速度計201,其感測到的重力加速度值為正值。另外,當導航裝置經由圖六A經由逆時針翻轉至圖六C的狀態時,由於第一加速度計201與第二加速度計202之方位改變,所以此時感測到重力加速度的為第一加速度計201,其感測到的重力加速度值為負值。需強調的是,雖然前述以重力加速度為說明實施例,但這是對於車輛在平坦道路上行駛而言的情況下(亦即車輛傾角為零度)。如果當車輛有具有傾角時,例如:上下坡或者是上下交流道時,則所感測到的加速度值應該為重力加速度的三角函數關係值。這是熟悉此項技術之人,根據本發明所揭露之技術可以瞭解的。
再回到圖五所示,由於導航裝置方位改變時第一加速度計與第二加速度計所偵測到的加速度值會有變化,因此在步驟41中可以將所偵測到的值與事先存在記憶單元中的辨識資訊進行比對,進而判斷出該導航裝置所處之設置方位狀態。該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計理論上應該感測到的加速度值,例如:圖六A的直立狀態時,則感測到重力加速度為第二加速度計202,如果是圖六B之狀態時,則感測到重力加速度的為第一加速度計201,其感測到的重力加速度值為正值。如果是圖六C的狀態,則感測到重
力加速度的為第一加速度計201,其感測到的重力加速度值為負值。因此經由步驟41的比對之後,即可立即判斷出該導航裝置所設置之方位。最後,當判斷出導航裝置所設置之方位後(如圖六A、圖六B或者是圖六C的狀態),再進行步驟42,進行重新轉換慣性導航單元之座標軸方向。
當導航裝置不管是由直立設置轉成橫向設置或者是由橫向設置轉成直立設置時,其內之慣性導航單元所感測到的物理量對應到絕對座標系統時會產生改變。這是因為原先慣性導航單元中負責偵測交通工具轉向以及傾角的感測器會隨著導航裝置位置之改變而產生變化。例如在圖六A中,其第一軸x’係與絕對座標系90的第一軸X一致,而所測得關於第一軸的轉速ω x’代表車輛的傾角,另外,第三軸z’係與絕對座標系90的第三軸Z一致,而所得關於第三軸的轉速ω z’代表車輛的轉向。可是當轉至圖六B之狀態時,原先的第一軸x’則會與絕對座標系的第三軸Z一致,因此所偵測到的轉速ω x’則代表車輛的轉向而非原先的車輛傾角。同樣地,原先的第三軸z’則與絕對座標系90的第一軸X一致,所以所偵測到的轉速ω z’得代表車輛的傾角而非原先的轉向角度。
因為有上述的變化,因此為了維持導航裝置正常運作,因此需要進行步驟42,將進行重新轉換慣性導航單元之座標軸方向。亦即,系統會根據導航裝置的設置方位,而對感測到的轉動狀態給予不同的判斷。例如:以圖三A的角速度感測模組為例,當導航裝置處於圖六A之狀態時,陀螺儀感測器2041所偵測到的轉速係代表絕對座標系
90中的X軸轉速,也代表交通工具的傾角,而陀螺儀感測器2042所偵測到的轉速則代表絕對座標90的Z軸轉速,亦即代表交通工具的轉向。當藉由步驟41判斷出導航裝置的設置方位後,便透過步驟42進行座標轉換,也就是說,當導航裝置由直立改為橫向時,陀螺儀感測器2041所偵測到的訊號便會對應到絕對座標Z軸的轉速,而反映出車輛的轉向。同樣地,陀螺儀感測器2042所偵測到的訊號則對應到絕對座標X軸的轉速,反映出交通工具的傾角。由於同樣的陀螺儀感測器2041或2042所偵測到的轉速,會隨著導航裝置的設置方位改變而有不同的物理意義,因此步驟42的座標轉換極為重要。
請參閱圖二所示,該導航裝置更具有一地圖資料庫24以及一顯示裝置25。該地圖資料庫24係與該訊號處理單元22相耦接,該地圖資料庫24內係建立有地圖與道路交通資訊。該顯示裝置25,其係與該訊號處理單元22相連接,該顯示裝置25係顯示該資料庫22所提供之資訊。該顯示裝置25可以顯示出對應該座標位置的區域地圖,並於該地圖上顯示出標記,以裡使用者識別其所在的位置。另外,該訊號處理單元22根據該座標位置以及使用者輸入欲前往的目的地,規劃出行車路線,並於該顯示裝置25上顯示出來。
惟以上所述者,僅為本發明之實施例,當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾,仍將不失本發明之要義所在,亦不脫離本發明之精神和範圍,故都應視為本發明的進一步實施狀況。
綜合上述,本發明提供之設置方位辨識方法及其導航裝置,可以判斷導航裝置之設置位置並且可以根據其設置之設置方位轉換座標系統以維持導航裝置的運作。本發明之特徵已經可以提高該產業之競爭力以及帶動週遭產業之發展,誠已符合發明專利法所規定申請發明所需具備之要件,故爰依法呈提發明專利之申請,謹請 貴審查委員允撥時間惠予審視,並賜准專利為禱。
10‧‧‧全球定位與慣性導航系統
11‧‧‧儀表板
2‧‧‧導航裝置
20‧‧‧慣性導航單元
201‧‧‧第一加速度計
202‧‧‧第二加速度計
203‧‧‧第三加速度計
204‧‧‧角速度感測模組
2041、2042、2043‧‧‧陀螺儀感測器
2044、2045、2046‧‧‧差分模組
2051~2056‧‧‧加速度計
2047‧‧‧第一輔助加速度計
2048‧‧‧第二輔助加速度計
21‧‧‧衛星訊號接收單元
22‧‧‧訊號處理單元
23‧‧‧記憶單元
24‧‧‧地圖資料庫
25‧‧‧顯示裝置
4‧‧‧設置方位辨識方法
40~42‧‧‧步驟
90‧‧‧絕對座標系
圖一係為習用之全球定位(global position system,GPS)與慣性導航(inertia navigation system)系統示意圖。
圖二係為本發明之導航裝置實施例方塊示意圖。
圖三A係為本發明角速度感測模組第一實施例方塊示意圖。
圖三B係為本發明角速度感測模組第二實施例方塊示意圖。
圖三C係為本發明之角速度感測模組第三實施例示意圖。
圖三D係為本發明之角速度感測模組第四實施例示意圖。
圖四係為本發明之角速度感測說明示意圖。
圖五係為本發明之設置方位辨識方法流程示意圖。
圖六A係為導航裝置直立狀態示意圖。
圖六B與圖六C係為導航裝置橫向設置示意圖。
2‧‧‧導航裝置
20‧‧‧慣性導航單元
201‧‧‧第一加速度計
202‧‧‧第二加速度計
203‧‧‧第三加速度計
204‧‧‧角速度感測模組
21‧‧‧衛星訊號接收單元
22‧‧‧訊號處理單元
23‧‧‧記憶單元
24‧‧‧地圖資料庫
25‧‧‧顯示裝置
Claims (19)
- 一種設置方位辨識方法,其係包括有下列步驟:提供一導航裝置,其係具有一轉向感測模組以及感測一第一方向加速度之第一加速度計以及感測一第二方向加速度之一第二加速度計;擷取該導航裝置之第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值;以及根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位,其中該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計理論上應該感測到的加速度值。
- 如申請專利範圍第1項所述之設置方位辨識方法,判斷該導航裝置之設置方位更包括有下列步驟:判斷該第一加速度計所感測到之加速度值是否為一方位加速度值,如果是的話則代表該導航裝置之設置方位為直向設置;以及判斷該第二加速度計所感測到之加速度值是否為一方位加速度值,如果是的話則代表該導航裝置之設置方位為橫向設置。
- 如申請專利範圍第2項所述之設置方位辨識方法,其中該方位加速度值係為重力加速度與導航裝置傾角之函數。
- 如申請專利範圍第1項所述之設置方位辨識方法,其係 更包括有根據該辨識結果轉換該轉向感測模組之感測座標軸向之一步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述之設置方位辨識方法,其中該辨識資訊係儲存於一記憶單元內。
- 一種導航裝置,包括:一慣性導航單元,其係具有一第一加速度計、一第二加速度計、一第三加速度計以及一角速度感測模組,該第一加速度計偵測第一軸之加速度、該第二加速度計偵測第三軸之加速度、該第三加速度計偵測第二軸之加速度;一衛星訊號接收單元,以接收一衛星訊號;以及一訊號處理單元,其係與該第一加速度計、該第二加速度計、該第三加速度計、該角速度感測模組以及該衛星訊號接收單元相耦接,該訊號處理單元係可根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位以及根據該慣性導航單元以及該衛星訊號輸出一座標位置,其中該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計應該感測到的加速度值。
- 如申請專利範圍第6項所述之導航裝置,其中該角速度感測模組係為一陀螺儀感測模組,其係可輸出一第一軸之角速度以及一第三軸之角速度訊號。
- 如申請專利範圍第6項所述之導航裝置,其中該角速度 感測模組具有:一差分模組,其係具有一對加速度計,該對加速度計相距一距離,藉由該對加速度計感測之一加速度變化,利用差分得到第一軸之轉動狀態;以及一陀螺儀感測器,其係可感測第三軸之角速度。
- 如申請專利範圍第6項所述之導航裝置,其中該角速度感測模組具有:第一差分模組,其係具有一對加速度計,該對加速計間相距一距離,藉由該對加速度計感測之一加速度變化,利用差分以得到第一軸之轉動狀態;以及第二差分模組,其係具有一對加速度計,該對加速計間相距一距離,藉由該對加速度計感測之一加速度變化,利用差分以得到第三軸之轉動狀態。
- 如申請專利範圍第6項所述之導航裝置,其係更具有一記憶單元以儲存該辨識資訊。
- 如申請專利範圍第6項所述之導航裝置,其中該角速度感測模組具有:第一輔助加速度計,其係與該第一加速度計相距一距離,藉由該第一加速度計以及該第一輔助加速度計所感測之一加速度變化,利用差分以得到第三軸之轉動狀態;以及第二輔助加速度計,其係與該第二加速度計相距一距離,藉由該第二加速度計以及該第二輔助加速度計感測之一加速度變化,利用差分以得到第一軸之轉 動狀態。
- 一種導航裝置,其係可設置於一交通工具內,並根據需要調整其設置方位,該導航裝置包括:一慣性導航單元,其係具有一第一加速度計、一第二加速度計、一第三加速度計以及一角速度感測模組,該第一加速度計偵測第一軸之加速度、該第二加速度計偵測第三軸之加速度、該第三加速度計偵測第二軸之加速度,該第二軸之加速度係為該交通工具之前進或後退之加速度;一衛星訊號接收單元,以接收一衛星訊號;一訊號處理單元,其係與該第一加速度計、該第二加速度計、該第三加速度計、該角速度感測模組以及該衛星訊號接收單元相耦接,該訊號處理單元係可根據該第一加速度計以及該第二加速度計所輸出之加速度值與一辨識資訊相比較以判斷該導航裝置之設置方位以及根據該慣性導航單元以及該衛星訊號輸出一座標位置,其中該辨識資訊係為當導航裝置被轉向到特定設置方位時該第一加速度計與該第二加速度計應該感測到的加速度值;一資料庫,其係與該訊號處理單元相耦接,該資料庫內係建立有地圖與道路交通資訊;以及一顯示裝置,其係與該訊號處理單元相連接,該顯示裝置係顯示該資料庫所提供之資訊。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其中該角速 度感測模組係為一陀螺儀感測模組,其係可輸出一第一軸之角速度以及一第三軸之角速度訊號。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其中該角速度感測模組具有:一差分模組,其係具有一對加速度計,該對加速度計係相距一距離,藉由該對加速度計感測之一加速度變化,利用差分得到第一軸之轉動狀態;以及一陀螺儀感測器,其係可感測第三軸之角速度。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其中該角速度感測模組具有:第一差分模組,其係具有一對加速度計,該對加速計間相距一距離,藉由該對加速度計感測之一加速度變化,利用差分以得到第一軸之轉動狀態;以及第二差分模組,其係具有一對加速度計,該對加速計間相距一距離,藉由該對加速度計感測之一加速度變化,利用差分以得到第三軸之轉動狀態。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其係更具有一記憶單元以儲存該辨識資訊。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其中該角速度感測模組具有:第一輔助加速度計,其係與該第一加速度計相距一距離,藉由該第一加速度計以及該第一輔助加速度計所感測之一加速度變化,利用差分以得到第三軸之轉動狀態;以及 第二輔助加速度計,其係與該第二加速度計相距一距離,藉由該第二加速度計以及該第二輔助加速度計感測之一加速度變化,利用差分以得到第一軸之轉動狀態。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其係可根據該座標位置於該顯示裝置上顯示一定位標記。
- 如申請專利範圍第12項所述之導航裝置,其中該訊號處理單元根據該座標位置,在該顯示裝置上顯示一行車路線。
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