飞思卡尔智能车竞赛参赛报告.docx
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飞思卡尔智能车竞赛参赛报告
第一章引言
1.1智能车的现状及发展
汽车工业发展已有100多年的历史。
自20世纪80年代以来，智能控制理论与技术在交通运输工程中越来越多的被应用，在这一背景下，智能汽车的概念应运而生。
所谓智能汽车，就是在网络环境下用信息技术和智能控制技术武装的汽车。
智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，研究人员正从智能汽车的信息系统、控制系统、网络环境及智能结构等几个方面进行研究。
智能汽车的设计和开发，将从根本上改变现有汽车的信息采集处理、数据交换、行车导航与定位、车辆控制的技术方案与体系结构。
随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。
目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等，其在军事上的应用更加广泛和重要。
车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高未来汽车的发展方向。
随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。
智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。
智能车有着极为广泛的应用前景。
结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。
在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。
1.2飞思卡尔智能车竞赛的背景及发展
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。
因而该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。
参赛队伍在车模平台基础上,制作一个能够自主识别路线的智能车,在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。
按照车模识别路线方案中是否通过采集道路图像信息进行路径检测分成光电与摄像头两个赛题组别,两个赛题组分别进行比赛.通过采集道路图像信息检测路径方案的模型车属于摄像头组,其余都属于光电组.每一参赛队只能参加一个组别比赛。
智能汽车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，有大赛组委会统一提供。
参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。
在保证模型车运行稳定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。
该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，成功举办了三届，得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区170余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。
2008年第三届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一，2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目。
1.3本文的概况及结构安排
技术报告共七章，包括小车的框架结构、智能车模型的调整、小车的硬件和软件的设计和控制算法的研究等。
其中，第一章为引言，主要介绍了智能车大赛的背景和发展现状；第二章为智能车系统方案的设计，主要包括智能车系统模板设计的基本要求、方案选择和车模参数；第三章为智能车的硬件系统设计，介绍了电源管理模块、传感器分布模块、转向舵机控制模块和直流电机驱动模块；第四章为智能车模型的机械结构调整，分别介绍了智能车模型前轮定位、后轮差速机构调整及车盘底座的调整；第五章为智能车软件系统设计，包括小车软件设计的整体流程，各个模块初始化，以及控制策略的实现等；第六章介绍了硬件软件辅助软件；第七章是总结和鸣谢。
第二章智能车方案设计
2.1智能车设计的基本要求
比赛跑到表面为白色，中心又连续黑线作为引导线，黑线宽2.5cm。
比赛规则先顶了赛道的宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。
车模自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。
在保证模型车运行稳定既不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。
在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同上应坚持充分发挥创新原则，一键解但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。
2.2方案的对比与选择（光电与摄像头的选择）
1）使用CCD摄像头进行图像采集和识别。
我们认为此种方案不适用于小体积系统，具体识别过程还涉及图像采集、图像处理及识别等步骤。
此种方法虽然有分辨率比较高，对路面的信息处理准确等优点，但对硬件处理速度和软件算法的要求都比较严格，实时性欠佳，且成本较大。
2）使用反射式光电传感器进行路径识别。
这种传感器在智能识别技术中有着广泛的应用。
它可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。
这种光电传感器的基本原理是，自带一个光源和一个光接收装置，光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，再经过相关电路的处理得到所需要的信息（如灰度值）。
采用这种方法易于实现，响应速度较快，算法相对于CCD较简单，实时性比较好，成本较低。
缺点也是显而易见的，分辨率不高，易受外界环境光线影响，同时占用单片机端口比较多。
采用了红外光电传感器对赛道检测，可以预测较远距离的赛道情况，并采用可靠的算法对检测所得的数据进行处理，并做出决策，由此对舵机、电机进行控制，实现了较精确的转向控制和快速的行驶。
经过分析选择，最终选定了第二种识别方案，即采用反射式传感器进行路径识别。
2.3整体框架及车模参数
此次比赛选用的赛车车模采用1/10的仿真车模。
赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。
控制采用前轮转向，后轮驱动方案。
具体车模数据如下：
改造前车模基本尺寸参数基本参数尺寸
轴距
197cm
前轮距
124cm
后轮距
136cm
车轮直径
5cm
车长
316mm
车宽
172m
传动比
18/76
如图2.1所示：
其中虚线部分为轮胎，A点为右轮的转动轴点，同理，对
应左侧相应位置。
图2.1模型车尺寸
改造后车模主要参数：
车模长39cm,宽20cm，高20cm，探出15cm。
车模长（cm）
39
车模宽（cm）
20
车模高（cm）
20
探出距离（cm）
15
传感器个数
共15个（14个用于道路信息采集，1个用于速度检测）
车模重量（kg）
1.6
增加电机个数
0
赛道检测精度
赛道检测频率（次/S）
20
车模部件
作用
端口使用
驱动电机
速度控制
PWM5,6
舵机
转向控制
PWM01
红外管传感器
道路信息采集
ATD0~13
测速传感器
检测光电脉冲
PT2
第三章硬件设计
硬件电路设计是自动控制器的基础。
本次大赛自行设计制作了单片机的硬件电路，同时集成了外围接口驱动电路、调试电路等，形成功能完备，体积小的控制电路。
下面就硬件设计各个模块做详细介绍。
3.1mc9sdg128b的最小系统及接口设计
单片机的最小系统及功能如下：
①时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振；
②串口的RS-232驱动电路可实现TTL电平RS-232电平的转换；
③BDM口让用户可以通过BDM调试工具向单片机下载和调试程序；
④供电电路主要是由单片机提供+5V电源；
⑤复位电路是通过一个复位按键给单片机一个复位信号，调试过程中非常有用；
⑥调式按键和单片机的PORTA口相连，调试小灯和PORTB口相连，供程序调试使用。
单片机的外部接口：
MC9S12单片机控制核心
路径识别模块
测速模块
直流电机驱动模块
舵机驱动模块
车速信号
舵机控制信号
后轮驱动
PWM方波信号
3.2电源管理及分布
电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。
设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还有在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电你个蓄电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
15V电压。
主要为单片机、红外管以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。
26V电压。
主要是为舵机提供工作电压。
实际工作室，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。
③7.2V电压。
这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。
3.3传感器布局
3.3.1红外布局
径向探出距离是指光电传感器与车头的径向距离。
它主要影响智能车的前瞻性能。
前瞻性大的智能车将拥有更多的反应时间和赛道信息。
理论上传感器的探出距离是越大越好，但是如果距离过大，智能车会发生重心偏移，造成形式不稳、振动等一系列问题，而且大赛规则对小车的长度也有所限制。
因此，为了能够既增加径向探出距离，又尽量见笑重心偏移，可以采用带倾角的传感器的安装方式。
具体倾角的大小需根据红外收发光电管的功率、光电管的类型、小车重心等因数来确定。
相对于单排的光电管，双排的可以获取道路的中心位置，同时还可以得到方向信息，本系统采用双排分布来进行道路信息采集。
红外管的供电电压为5V,由LM2940供电，供电电路如下图：
由于红外发射管是基于漫反射院里的，其发射的红外光可能影响到安装在附近的红外接收管。
消除这种干扰可以采取以下几种措施：
（1）选择发射与接收方向性好的红外传感器；
（2）选择发射与接收一体化的红外传感器，它的外壳可以抑制相邻干扰；
（3）在红外接收管上安装黑色套管，使其只接收前方一定角度内的红外光线，这种减小互扰动的措施效果较好。
（4）使相邻的红外发射/接收管交替工作。
这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰，同时也降低了整体传感器的功耗。
本系统采用双排结构，上面一排采用发射与接收方向性好的红外传感器，并且在接收管安装热缩管，减小相互之间的干扰。
对下面一排的红外传感器采用TCRT5000即发射与接收一体化的红外传感器。
实验得到较好的效果。
3.3.2测速模块
光电式编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。
光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。
光电编码器采用光电的方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲，在发光元件和光电接收元件中间，有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光的码盘上时，转动码盘，再码盘的另一侧就形成光脉冲，脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。
小车后轮旋转带动光码盘旋转，当红外发射管发射出的红外光遇到法兰盘的齿的时候，红外光被遮挡，至红外接收管接收不到发射管发射的红外光，光电开关处于断开状态；而当红外光遇到间隙的时候，接收管便可接受到红外光线，红外光线处于导通状态。
这样，红外接受管输出间隔的高低电平。
将此信号再通过CD40106进行整形，送入单片机中，便可实现对车速的检测。
3.4电机驱动模块
电机型号为RS-380，工作电压7.2V空载电流0.5A，转速16200r/min
在工作电流为3.3A，转速为14060r/min时，工作效率最大。
模型车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路产生电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现象。
为了客服启动冲击电流的影响可以再电源中增加电容值较大的电解电容，在启动时驱动电路输出电压有一个渐变的过程，使得电机启动速度略为降低从而减小启动冲击电流的幅度。
电机驱动系统由信号输入电路、TD340和H桥电路组成。
其中TD340用于构成PWM发生器,功率放大电路是由4个MOSFET管组成的H桥电路。
mosfet的优点是开关速度快,通路电阻低和电压门信号低,适合于大电流和低电压运行。
当加上一个足够的门信号电压时,功率MOSFET的通路电阻小于常规二极管;而在没有门信号电压的情况下,它具有常规二极管的反向特性电阻R1～R4用于控制MOS门的升降时间,也有利于避免门电压的振荡,门电压的振荡通常是与门电容处的连接线的平行电感所引起的。
R27、R31、R32、R33的值通常为10～100Ω。
电容C50用于存储能量并对通过电桥的电压进行滤波。
在电压上升和下降期间,为了保证系统的可靠性,可在两个低端MOS管的门极各接一个下拉电阻以确保电桥保持关断。
3.5舵机驱动模块
舵机型号：
FutabaS3010
舵机本身是一个位置随动系统。
它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。
通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因此对于它的控制可以使用开环控制。
在负载力矩小于其最大输出力矩的情况下，它的输出转角正比于给定的脉冲宽度。
舵机接口一般采用三线连接方法，黑线为地线，红线为电源线，另外一根为控制信号线。
控制信号是周期在20ms左右的脉冲信号，脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘的角度。
舵机供电电压为6V，也可以由电池电压直接供电。
经实验发现由电池直接供电舵机响应速度较快，本系统采用电池直接供电。
第四章机械结构调整
智能车的设计制作涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电器、计算机、和机械等多个学科的知识，但是总的老说可以归纳为硬件和软件两个制作方面。
要想取得较好的成绩，模型车的地盘参数的优化和硬件设备的可靠性所占的比重要大于软件程序及其控制策略所占的比重。
其中，前轮定位参数优化、转向舵机力臂增大和底盘重心位置调整对于车模的机械性能有着较大的影响。
4.1前轮定位
调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而
增大。
为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了
调整。
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的
磨损。
前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮
前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。
主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。
角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增
大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。
主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。
它使车辆转弯时产
生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复
到原来的中间位置上。
由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。
主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。
不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速
时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。
前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安
全性和转向操纵的轻便性。
前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦
满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。
所以
事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。
所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线
与纵向中心线的夹角。
前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨
损。
前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚
动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。
4.2后轮差速机构调整
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且
还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。
当车辆在正常的过弯行进中（假设：
无转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依序为：
外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。
此次所使用车模配备的是后轮差速机构。
差速器的特性是：
阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高‧以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。
差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。
好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
4.3车盘底座的调整
模型车提供了序号EX-18的垫片调节地盘离地间隙。
在独立悬架下摆臂与地板之间可以通过增减垫片来调整地盘前半部分的离地间隙，垫片有1mm和2mm两种规格。
一片垫片不加，车前部离地间隙为9mm，故离地间隙的调整范围为9~12mm。
在固定后轮轴处可以通过变换卡圈来调整地盘后半部分的离地间隙。
有标号为1、2、3的三种规格，标号3的配件离地间隙最小，标号2的配件离地间隙最大，依次相差1mm。
模型车的标准配置使用的是标号1的配件。
模型车底盘离地间隙应尽可能的小，以提高行驶的稳定性并减小侧滑。
如果加入坡路，则应适当增大离地间隙。
第五章软件设计
主程序流程图：
主程序开始
各个模块初始化
开中断
实时中断
捕捉中断
采集道路信息
采集速度
舵机控制
电机控制
Y
Y
N
N
图5.1主程序流程图
5.1初始化模块
5.1.1时钟初始化
单片机的晶振是16MHz，MC9S12DG128在时钟初始化后可以通过锁相环将系统时钟系统时钟提高到48MHz，这里就用到了一些寄存器中的某些位，倍频公式如下：
其中，OSCCLK_VALUE——系统的外部晶振；
REFDV_VALUE——系统时钟分频系数，在初始化中，它的值为3；
SYNR_VALUE——倍频系数，它的值为3。
而SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的对应位。
voidCLK_init（void）{//锁相环24M
SYNR=2;
REFDV=1;//PLL=2*OSC*（SYNR+1）/（REFDV+1）
while（!
（CRGFLG&0x08））{}//等待锁相环稳定
CLKSEL=CLKSEL_PLLSEL_MASK;//设置锁相环为内部时钟
}
5.1.2串口初始化
可以看到，不论8位、16位还是32位单片机的最小系统都是通过异步串行口与人沟通的。
使用串行通信接口SCI（SerialCommunicationInterface）通信是计算机与人对话最传统、最基本的方法，异步通信接口也成为通用异步接受器/发送器UART（UniversalAsynchronousReceiver/Tansmitter）。
为了便于调试，本系统利用串口通信接口SCI实现数据的传输。
串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括设置波特率、数据格式、接受发送功能使能、设置接受模式等。
串口初始化函数：
SCI_Init（ucharBUS_CLK,unsignedlongBR），它有两个输入变量，其中BUS_CLK是系统的时钟频率,BR为波特率。
通过此函数可直接设置串口的时钟频率、波特率。
5.1.3AD初始化
AD的初始化主要是设置一些相关的寄存器位，以ATD0为例，相应的初始化如下。
ATD0CTL2寄存器的ADPU置1，因为ADPU是AD的电源开关，置1打开电源；把AFFC置1，这样可使ADC上电，快速清零,无等待模式,禁止外部触发,禁止中断；ATD0CTL3的S1C置1，表示每个序列1次转换,NoFIFO,Freeze模式下继续转换；ATD0CTL4的SRES8置1，这样可实现8位精度,因为ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]，其中BusClock=24MHz，PRS=1,所以分频系数为4，即AD时钟为6MHz；最后执行ATD0DIEN=0x00，实现禁止数字输入。
voidAD_Init（void）//AD初始化
{ATD0CTL2=0xC0;//控制寄存器2：
上电，标志位快速清零，关中断ATD0CTL3=0x7C;//控制寄存器3：
转换序列长度为8，FIFO模式
ATD0CTL4=0x83;//控制寄存器4：
8位转换精度，8分频
ATD0CTL5=0xB0;//控制寄存器5：
从0通道开始的多道连续无符号转换，转换结果右对齐方式
ATD0DIEN=0x00;//禁止数字输入缓冲
ATD1CTL2=0xC0;//控制寄存器2：
上电，标志位快速清零，关中断；ATD1CTL3=0x7C;//控制寄存器3：
转换序列长度为8，FIFO模式
ATD1CTL4=0x83;//控制寄存器4：
8位转换精度，8分频
ATD1CTL5=0xB0;//控制寄存器5：
从0通道开始的多道连续无符号转换，转换结果右对齐方式
ATD1DIEN=0x00；//禁止数字输出
5.1.4PWM初始化
PWM（PulseWidthModulation）即脉宽调制，脉宽调制波是一种可用程序来控制波形占空比、周期、相位的波形。
它在电动机驱动、D/A变换等场合有着广泛的应用。
PWM模块特点：
8个带周期占空比可程控的PWM独立通道
4个可程控选择的时钟源
每个PWM通道有专用的计数器
PWM每个通道脉冲极性可以选择
每个PWM通道可使能/禁止
周期和占空比双缓冲
每个通道有中心对齐和边缘对齐方式
分辨率:
8位（8通道），16位（4通道）
带中断功能的紧急切断
PWM在本系统中主要用于驱动两个伺服电机，一个是电机，另一个是舵机，而控制这两个电机的PWM信号是经过路径识别和系统决策后给出的，这样就能实现小车的循线跑。
对于控制电机的PWM信号的频率应小于10KHZ。
舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改PWM周期获得。
另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转矩余量，将角度进行放大，加快舵机的响应速度。
而舵机的脉冲范围，它对应舵机旋转角度，在设置时一方面应考虑到舵机的极限位置；另一方面还要考虑到车模转向的极限。
本设计中，我们通过测试找到了40度对应的脉冲宽度。
还有一个PWM信号用于驱动路径识别传感器，本系统设计了14对光电传感器用于路径识别，同时，为了提高检测前瞻距离，需要加大红外发射功率使得返回的红外线的强度提高，来抑制外界环境光线的干扰。
这样，不仅使得电池电能的消耗量增加，同时也会缩短红外发射管的寿命，甚至会烧毁红外发射管。
为了解决这个问题，本设计采用了脉冲发射/接收的方法。
具体来说，由于红外接收管响应速度快，而道路检测周期一般为十几毫秒，相比之下，红外接收管对于道路反射光的响应时间以及单片机通过A/D端口读取该信号的十几
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