[11호]GPS 자동차를 만들어 보자!-1

GPS 자동차를 만들어 보자! -1

글 | 유한대 김경수(neocima3255@naver.com) 外

※ 상기 내용은 2010년에 진행된 유한대학과의 산학연 졸업 작품지원 프로젝트에 일환으로 작성되어진 원고임을 밝힙니다.

1. 서론

가. 개발동기 및 목적

최근 GPS 위성 신호가 민간에 공개된 이후 그 활용도가 사회적으로 증가하고 있고 발전 가능성이 무궁무진해서 나도 한번쯤 GPS를 활용한 작품을 만들어보고 싶었다. GPS 자동차의 개발 목적은 작품을 만들면서 마이크로프로세서와 GPS를 심도 있게 공부하고 그것을 구현해 내는 것이다.

나. 과제 해결 방안 및 과정

1) 과제해결방안

GPS 자동차를 구성하고 있는 부품들에 대해서 충분히 공부를 하고 이해를 해서 활용할 줄 알아야 한다. 작품을 만들기전 단계별로 계획을 세우고 그 계획대로 조금씩 작품을 완성해 나간다. 우선 기본적으로 우리 조가 구상하고 있는 GPS 자동차는 지그비 모듈과 지그비 조정기를 활용해서 조정기로 수동 조작을 할수 있고, GPS 모듈을 이용하여 GPS 위성데이터를 수신해서 ATMEGA128을 통해 데이터를 필터링 하고 그 필터링한 데이터값을 이용해서 지정된 좌표로 모터를 구동해서 이동한다. 1단계로는 DC모터와 모터드라이버, ATMEGA128을 통해서 DC모터를 구동하고 지그비와 지그비 조정기를 사용해서 수동 조작을 하는 RC카 만들기이다. 2단계로는 차체에 GPS 모듈을 장착해서 GPS 데이터를 GPS 자동차가 수신받고 그 수신받은 데이터를 ATMEGA128 프로세서를 통해서 필터링한 후 지그비 통신을 통해 PC로 그 값을 확인한다. 값을 확인할 때는 PC의 하이퍼 터미널을 통해서 값을 확인한다. 3단계로는 PC에서 프로그램을 통해 목표 좌표를 지정해서 지그비로 GPS 자동차에 데이터를 송신하면 GPS 자동차의 현재 좌표와 수신받은 목표 좌표로 이동거리와 방향을 설정하고 마그네틱 컴파스 센서(나침판 센서)로 방향을 잡고 목표 좌표만큼 DC모터를 구동한다. 4단계로는 GPS 자동차에 초음파 센서를 장착하여 장애물을 탐지하고 피하는 기능을 수행한다. 각 단계별로 작품을 완성하기 위해서는 단계별로 사용된 제품의 매뉴얼이나 데이터 시트를 완벽하게 숙지하고 작품을 만들기전 각 부품을 실습 구현해서 완벽하게 그 부품을 이해하고 활용해야 한다.

2) 과정

가) ATMEGA128을 활용해서 DC모터를 구동.
나) DC모터 드라이버를 활용해서 DC모터를 제어.
다) 지그비 모듈을 이용해서 무선송신.
라) 지그비와 지그비 조정기를 사용해서 통신.
마) GPS 모듈을 사용해서 어떤 데이터가 들어오는지 확인.
바) GPS 데이터를 PC의 하이퍼 터미널로 표현.
사) GPS 데이터를 지그비 통신을 통해 PC로 전송.
아) PC에서 수신받은 GPS 데이터를 확인하고 목표 좌표 데이터를 지그비로 통신.
자) 나침판 센서를 통해서 데이터를 수신받고 수신받은 데이터를 하이퍼 터미널로 구현.
차) 목표 거리만큼 프로그램을 통해 DC모터 제어를 통해 이동.
카) 프로그램 제어를 통해 목표좌표로 GPS 자동차 구동.

2. 제품 제작 과정

가. GPS 자동차의 전원 회로 구성
GPS 자동차의 차체는 디바이스마트에서 판매하는 NT-Destroyer-I 라는 제품이다.
차체에 12V DC 모터가 4개 내장되어 있다. DC모터 연결 선은 커넥터로 연결되어 있다.

1) 모터제어 하드웨어 구성

1. 자동차의 차체 모습이다. 4개의 DC모터가 연결되어 있다.	2. 자동차의 차체 내부 모습이다. 4개의 DC모터 선이 연결되어 커넥터에 연결되어 있다.
3. 차체에 드릴로 구멍을 뚫어서 서포터로 위에 기판을 고정한다.	4. 기판은 200 x 300 기판으로 기판에 구멍을 뚫어서 차체와 서포터로 고정시킨다.
5,6. 자동차의 배터리는 11.1V 2200mA의 리튬 폴리머 배터리로 ATMEGA128의 전원과 모터드라이버의 전원을 각각 하나씩 공급한다.(ATMEGA128에 한 개, 모터 드라이버에 한 개 각각 전원 공급)
7,8. 기판에 ATmega128, 모터 드라이버를 기판에 드릴로 뚫은 후 서포터와 나사로 고정시킨다. ATmega128은 [(주)뉴티씨] ATMEGA128Pro (KD-128PRO-C) 제품으로 외부전원 12V 입력, 내부동작 5V 단일 전원을 사용하고 7805가 내장되어 있어 5V출력 단자가 많다.
9,10. 모터 드라이버는 [(주)뉴티씨]DC 모터 구동모듈 Dual 2A (AM-DC2-2D)로 두 개의 모터를 제어할 수 있고 최대 전류는 2A 구동 전압은 5V∼45V이다. 컨트롤 신호에 10핀 커넥터로 ATmega128의 PORTC에 연결되고 전원 공급 핀에 리튬폴리머 배터리가 연결된다.
11,12,13,14. 차체에 기판을 고정시킨다. 차체와 기판에 드릴로 구멍을 뚫고 서포터와 나사로 고정시킨다.
15,16. 기판에 배터리를 연결시킨다. 배터리 연결 선은 연장선으로 연장하여 기판의 커넥터에 그림과 같이 연결 시킨다. 모터 커넥터 역시 그림처럼 모터 드라이브에 연결 시킨다.

2) 모터제어 소프트웨어 구성

모터 드라이브의 예제 소스를 이용하여 모터를 제어한다.
모터 드라이버의 핵심 구동 소스는 다음과 같다. 컴파일러는 avr studio를 사용하였다.

3) ATMEGA128 프로그램 입력

컴파일러 AVR STUDIO로 프로그램을 입력 후 헥사 파일을 만들어서 자동차의 ATMEGA128에 프로그램을 입력하는 과정을 나타내었다.

17. 프로그램을 시작하면 프로그램을 저장할 위치를 지정한다.	18. 컴파일러할 부품을 선택한다. GPS자동차의 경우 ATMEGA128로 선택한다.
19. 프로그램 작성 화면이다. 프로그램은 C언어로 작성하였다. 프로그램이 작성되면 F7키를 눌러서 에러가 없으면 HEX파일이 생성된다.	20. 생성된 HEX파일을 ATMEGA128모듈에 저장하는 화면이다. Flash부분에서 저장할 HEX파일을 선택하고 Program버튼을 누르면 저장된다.
21. ATMEGA128에 프로그램을 저장하기 위해 PC와 연결된 모습이다. USB를 통해서 연결된다.	22. 프로그램이 ATMEGA128로 성공적으로 저장이 되면 빨간 박스안처럼 OK가 나타나고 ATMEGA128에 프로그램이 저장된다.

나. 지그비 조정기를 이용하여 GPS 자동차를 RC카 제어

지그비 조정기는 로보블럭의 지그비 조정기를 사용하였다. GPS 자동차와 지그비 조정기가 서로 무선통신을 하기 위해 지그비 조정기에서 지원하는 지그비 모듈은 사용하지 않고 Xbee pro라는 지그비 모듈을 공통적으로 사용하였다. 지그비 조정기에는 버튼에 따라 20가지 코드값이 출력되어 ATmega128에서 코드를 분석, DC모터를 제어한다.

1) 지그비 하드웨어 구성

23. 지그비 조정기의 사진이다.24. AA전지를 두 개 연결하고 서포터를 연결하기 위한 구멍을 드릴로 뚫는다.

25. 드릴로 뚫은 구멍에 서포터를 고정한다.	26. 연결할 지그비 모듈을 PCB 변환기판에 연결하여 일반 기판에 고정시킨다.
27,28. 지그비 모듈을 지그비 조정기에 설치한 모습이다. 일반 기판에도 구멍을 뚫어 서포터로 고정한다
29,30. 지그비 모듈은 Xbee pro라는 모듈로 3.3V에서 동작을 하고 무선 통신 최대 거리 1.6km에 2mm 핀 간격을 가진 모델이다. 자동차에 설치된 기판은 2.5mm 기판이므로 2mm 핀간격을 2.5mm 기판에 부착하기 위해 간단한 PCB를 제작하여 GPS 자동차에 설치하였다.
31,32. PC에도 똑같은 지그비 모듈인 Xbee pro를 사용하는데 PC와 지그비 모듈을 연결하기 위해 역시 지그비 인터페이스 보드가 필요하다. 지그비 인터페이스 보드는 usb연결로 usb케이블을 통해 연결된다.
33. 지그비가 통신을 하기 위해서는 3.3V의 전압이 인가되어야 한다. 하지만 ATMEGA128의 출력 전압은 5V라서 레귤레이터를 통해 5V를 3.3V로 전압을 바꿔줘야 한다. 필자는 레귤레이터를 LM-1117-3.3 LS라는 레귤레이터를 사용했다. 위 그림은 LM-1117의 데이터 시트이다.LM-1117을 Vin과 Vout 단자에 병렬로 캐패시터가 하나씩 필요하다는 것을 알 수 있다.
34. 실제 자동차에서 레귤레이터 회로를 구성한 모습. 위와 같이 회로를 구성하면 자동차의 지그비에 3.3V가 인가되어 지그비 통신이 가능하다. ATmega128과 지그비 통신은 UART1로 통신을 한다.

아래 코드는 지그비 조정기의 버튼이 출력하는 코드를 나타낸 표이다.

2) 지그비 소프트웨어 구성

아래 소스를 자동차의 ATmega128에 적용하면 버튼이 눌림에 따라 코드값을 지그비로 받아서 Switch, Case문으로 각 코드마다 구별하여 모터를 구동한다.

2부에서 계속 이어집니다.

[11호]GPS 자동차를 만들어 보자!-2

GPS 자동차를 만들어 보자!-2

글 | 유한대 김경수(neocima3255@naver.com) 外

※ 상기 내용은 2010년에 진행된 유한대학과의 산학연 졸업 작품지원 프로젝트에 일환으로 작성되어진 원고임을 밝힙니다.

1부 보러가기

다. 지그비 무선 통신을 통해 PC의 하이퍼 터미널로 GPS 데이터 값을 확인

GPS 데이터를 받기위해 사용한 GPS 모듈은 유아이구즈의 UIGGUB02-ROO1이라는 모델이다. 이 GPS 모듈은 안테나 일체형으로 USB로 PC와 연결이 가능해 간단하게 PC로 GPS 데이터를 확인할 수 있고 UART을 통해 간편하게 GPS 데이터를 받아 올수 있다. 아래 그림은 GPS 데이터의 연결 핀과 자동차에 GPS 모듈을 설치한 모습이다.

GPS 모듈은 자동차의 ATMEGA128의 UART0에 연결되어 있어 전원이 켜지면 지속적으로 위성으로부터 GPS 데이터를 받아 ATMEGA128로 저장 시킨다.

1) 지그비 소프트웨어 구성
GPS 모듈을 연결 했으면 이제 UART0통신으로 GPS 데이터를 ATMEGA128에 받아와야 한다. 아래의 소스는 GPS 데이터를 이제 UART0통신으로 ATMEGA128에 저장해 GPS 데이터를 지그비로 PC에 송신해 하이퍼 터미널로 확인하는 소스이다. GPS모듈은 UART0통신을 지그비는 UART1통신을 각각 한다.
위 소스를 자동차의 ATMEGA128에 입력하면 지속적으로 GPS 데이터를 수신 받아서 지그비를 통해 PC로 GPS 데이터를 송신한다. GPS 모듈과 지그비 모듈은 모두 9600 보레이트의 통신 속도로 통신을 한다.

35. 시작 → 모든 프로그램 → 보조프로그램 → 통신 → 하이퍼 터미널 순으로 프로그램을 실행한다.	36. 하이퍼 터미널의 이름을 입력한다.
37. ATMEGA128이 연결된 포트를 지정한다.	38. 포트의 등록정보를 위와 같이 설정한다.

라. GPS 파싱

2) 실제 GPS 데이터 확인 과정

GPS 데이터를 수신했으면 수신받은 GPS 데이터에서 내가 필요한 정보만 따로 저장을 해야 한다. GPS 데이터에서 필요한 정보만 저장하는 것을 ‘GPS 파싱’이라고 한다. 아래 그림은 통신 프로그램을 통해 GPS 데이터가 파싱되어 나타내는 것을 확인할수 있다.

GPS 자동차에서 필요한 데이터는 ‘$GPRMC’라는 문장에서 나오는데 이 문장을 분석하면,
$GPRMC,155720.00.A,3729.18282,N,12649.27524,E,0.754,322.10,071010,,,A*69

155720 : 현재 시간
A : 데이터의 신용정도
3729.18282 : 위도
12649.27524 : 경도

여기에서 위도 : 3729.18282 와 경도 : 12649.27524 의 데이터를 파싱하여 따로 변수에 저장해야 하는 것이다. 또한 위 데이터는 좌표 정보가 ddmm.mmmm 형식으로 되어 있다.
여기서 dd는 경, 위도의 도(degree)단위를 말하고 크기는 0 ∼ 360도로 나타낸다. mm은 분(minute)을 말한다. 60분은 1도에 해당하며 .mmmm은 분(min)의 소수점이하 수치로서 10진법이 적용된다. 이 데이터를 GPS 항법 계산에 사용하려면 ddmm.mmmm 형식의 좌표를 dd.dddd형식의 십진법 좌표로 변환 하여야 한다. 여기서 변환법은 dd + mm.mmmm/60을 하면 dd.dddd형식의 십진법 좌표로 변환된다. 위의 좌표를 대입해 보면 위도 경도가 ddmm.mmmm 형식 3729.18282 , 12649.27524 이면 이것을 dd.dddd형식으로 변환하기 위해 위도 : 37+29.18282/60 , 경도 126+49.27524/60을 해주면 된다. 위의 식을 적용하면 위도 : 37.48638033 , 경도 : 126.821254 값이 된다. 이 값을 구글 어스에 넣어 보면 현재 위치를 지도상으로 표시할 수 있다.
다음 그림은 구글 어스를 통해 dd.dddd형식 좌표를 지도상으로 확인한 그림이다.

1) GPS 파싱 소프트웨어 구성
다음 소스에서는 GPS 데이터를 파싱하여 위도, 경도를 따로 추출하고 추출된 위도 경도 값을 dd.dddd 형식으로 변환하여 그 값을 지그비를 통해 PC의 하이퍼 터미널로 확인하는 소스 중 일부이다.

마. 추출된 위도, 경도값을 이용하여 수식을 통해 목표 좌표까지 거리, 방향각 값을 계산
GPS 데이터에서 추출된 위도, 경도값으로 목표 위도, 경도값까지의 이동거리, 방향각을 구하려면 우선 위도, 경도 값을 라디안 각도로 변환해야 한다. 위도나 경도는 지구 중심을 기반으로 하는 각도이기 때문에 라디안 각도로 변환할 수가 있는 것이다. 위도와 경도를 라디안 값으로 변환하는 식은 dd.dddd형식의 좌표를 57.2957795(1라디안에 해당하는 각도; 180/π)으로 나누거나 (π/180)을 곱하면 라디안 각도로 변환할 수 있다.

1) 위도와 경도의 라디안 값을 구하는 식
가) 위도 * (3.141592/180) = 라디안 위도값
나) 경도 * (3.141592/180) = 라디안 경도값

2) 목표까지의 라디안 거리 값을 구하는 공식
가) 라디안 거리값 = acos(sin(현재 라디안 위도)*sin(목표 라디안 위도)+cos(현재 라디안 위도)*cos(목표 라디안 위도)*cos(현재 라디안 경도-목표 라디안 경도));

3) 실제 M단위로 된 거리값을 구하는 계산식
가) 실제 거리값(M) = 라디안 거리값 * 3437.7387 * 1852

4) 목표 방위각을 구하는 계산식
가) 라디안 방위각 = acos((sin(목표 라디안 위도) – sin(현재 라디안 위도) x cos(라디안 거리)) / (cos(현재 라디안 위도) x sin(라디안 거리)))

5) 라디안 방위각 값을 항법에 적용할 방위각 값을 변환하는 공식
가) 실제 방위각 = 라디안 방위각 * (180 / 3.141592)

6) 만약 현재 경도가 목표 경도보다 값이 크다면 실제 방위각 값을 구하는 공식
가) 실제 방위각 = 360 – (라디안 방위각 * (180 /3.141592))

위의 공식들을 사용하여 GPS 자동차는 목표 좌표까지 이동할 거리, 방위각을 계산하여 목표 방위각만큼 방향을 틀고 이동할 거리만큼 모터를 움직이면 원하는 좌표로 GPS 자동차를 무인 조정할 수 있는 것이다. 다음은 실제 좌표를 위의 공식들에 대입해서 목표 좌표로 이동할 거리와 방위각이 정확히 나오는지 구글 어스를 통해 확인한다. 현재 좌표를 현재위도 : 37.48638033 현재경도 : 126.821254 으로 설정하고 목표 좌표를‘목표위도 : 37.48738033 목표경도 : 126.822254’으로 설정하고 구글 어스를 통해 이동할 거리와 방위각을 구하면 아래 그림과 같다.

이동할 거리는 141.85미터 , 방위각은 38.43도이다. 이제 위의 공식을 통해 계산하면,

현재 라디안 위도 = 37.48638033*(3.141592/180)
= 0.6542606253
현재 라디안 경도 = 126.821254*(3.141592/180)
= 2.213447983
목표 라디안 위도 = 37.48738033*(3.141592/180)
= 0.6542780786
목표 라디안 경도 = 126.822254*(3.141592/180)
= 2.213465437
라디안 거리 = acos(sin(0.6542606253) * sin(0.6542780786)
+ cos(0.6542606253) * cos(0.6542780786) *
cos(2.213447983 – 2.213465437))
= 0.00002228070345
실제 거리 = 0.00002228070345 * 3437.7387 * 1852
= 141.854378(M)
라디안 방위각=acos((sin(0.6542780786) – sin(0.6542606253)
* cos(0.00002228070345)) / (cos(0.6542606253)
* sin(0.00002228070345))) = 0.6707747395
실제 방위각 = (0.6707747395 * (180 / 3.141592))
= 38.43256957

7) 지그비를 통해 PC의 하이퍼 터미널로 표현하는 소스 중 일부이다.

※ 전체 소스는 www.devicezine.co.kr에서 확인할 수 있다.

8) 실제 이동할 거리, 방위각을 하이퍼 터미널로 나타낸 그림

바. 마그네틱 컴파스 센서(나침판 센서)를 사용하여 GPS 자동차의 현재 방위각을 구한다.

마그네틱 컴파스센서(나침판 센서)는 모델명이 CMPS03이며 진북 방향을 기준으로 현재 방위각 값을 지속적으로 출력한다. CMPS03의 그림과 핀번호는 다음과 같다.

GPS 자동차의 ATMEGA128과 연결해야 될 핀은 1,2,3,9번 핀이다. 1,9번핀은 전원 핀이고 2,3번 핀은 TWI통신 핀(I2C 통신)으로 CMPS03은 I2C통신을 통해 ATMEGA128과 통신을 하면서 현재 방위각 값을 출력한다. GPS 자동차와 CPMS03의 설치는 아래 그림과 같다.

TWI통신을 할때는 통신하는 핀 SCL과 SDA핀에 각각 풀업 저항을 해줘야 한다.

1) 지그비를 통해 방위각을 하이퍼 터미널로 확인하는 소스 중 일부이다.

위 소스를 실제 GPS 자동차에 적용하여 방위각을 하이퍼 터미널로 확인하면 다음과 같다. 끝의 한자리는 소수점 자리를 나타낸다(ex : 3565 : 356.5도)

사. 방위각의 비교와 모터를 구동하여 목표 좌표로 GPS 자동차를 이동
마지막 단계로 CMPS03에서 추출된 현재 방위각과 GPS 거리계산 공식으로 나온 방위각이 일치하도록 모터를 돌려주고 GPS 거리 계산 공식으로 나온 이동거리가 1보다 작을때까지 모터를 직진하면 GPS 자동차는 목표 좌표로 이동하게 된다.
GPS 자동차는 좌회전 하면 현재 방위각이 작아지고 우회전을 하면 현재 방위각 값이 커진다. 따라서 현재 방위각이 목표 방위각 보다 크면 좌회전, 현재 방위각이 목표 방위각보다 작으면 우회전을 시키고 현재 방위각과 목표 방위각이 일치하면 이동거리만큼 직진해서 목표 좌표로 이동하면 된다.

1) 목표 좌표를 입력하면 목표 좌표로 GPS 자동차가 무인제어하는 소스
다음 소스는 CMPS03의 방위각을 TWI통신을 통해 수신, GPS 데이터를 통해 이동 거리와 방위각을 구하고 현재 방위각과 목표 방위각을 비교하여 방향을 잡은 후 목표 이동 거리만큼 모터를 직진하고 목표 이동거리로 이동하면 멈추는 소스이다.

마지막 소스에서 보면 GPS 거리 계산 공식이 전에 설명한 소스와 약간 다를 것이다. 이유는 전의 GPS 거리 계산 소스는 현재 AVR STUDIO 컴파일러에서는 정밀한 계산이 불가능하여 현재 좌표와 목표 좌표가 가까울때 계산을 정확히 하지 못하기 때문이다. 그 이유는 AVR STUDIO는 실수형 변수 double이 4 바이트로 C 컴파일러는 비주얼 C++보다 성능이 떨어진다.(비주얼 C++ 컴파일러는 실수형 변수 double이 8 바이트로 GPS 거리계산 공식을 정확하게 계산한다.) 전의 GPS 거리 계산 공식은 정밀한 계산이 필요한데(예를 들어 0.999999994 를 AVR STUDIO는 실수형 변수를 최대 4 바이트밖에 인식하지 못해 1로 인식) AVR STUDIO 컴파일러는 그 계산을 정확히 하지 못한다.

후에 필자는 마지막 소스에서와 같이 다른 공식을 찾았고 AVR STUDIO 컴파일러에서도 정상적으로 목표이동거리와 방위각을 계산할 수 있었다. 또 목표 방위각으로 모터를 돌릴때 IF문에 true_bea(목표 방위각)에 +-100을 해준 이유는 +-100의 오차를 주지 않으면 모터가 정밀하게 움직이지 못하여 방향을 못잡아서이다. 위의 소스처럼 오차범위를 주면 자동차는 목표 방위각으로 방향을 틀때 헤매지 않고 바로 방향을 잡을 수 있을 것이다.(방위각의 오차는 조금 있을 것이다.)

3. 제작 후기

이번 GPS 자동차를 제작하면서 정말 많은 것을 배울 수 있었다. 사실 이번 졸업 프로젝트를 하기 전까지는 GPS라는게 뭔지도 몰랐지만 이번 프로젝트를 통해서 GPS의 원리, 응용, 항법에 대해서 자세히 알 수 있었고 혼자서는 감히 엄두도 못낼 가격의 자동차를 만들 수 있게 되었다.
디바이스마트에서 아낌없이 부품을 지원해준 덕분에 많은 소자와 센서, 부품들을 다뤄볼 수 있었고 많은 것을 공부할 수 있었다. 아직 GPS 자동차는 완성된 것이 아니다. 시간이 조금 더 주어 진다면 LAB VIEW로 프로그램 작성을 해서 노트북으로 실시간 GPS 자동차의 모든 상태를 지그비를 통해서 볼 수 있고 노트북에서 목표 좌표를 지정해서 실시간으로 GPS 자동차를 무인제어할 수 있도록 할 것이다. 또 초음파 센서를 장착해서 4방위의 장애물을 감지하고 GPS 자동차 무인 제어시 초음파 센서를 통해 장애물을 회피할 수 있도록 하는것이 최종 목표이다.
아낌없는 지원을 해 줘서 이런 좋은 기회를 갖게 해준 디바이스마트에 감사하고 이번 프로젝트를 하는 동안 많은 도움을 주신 유한대 김진선 교수님께 감사의 뜻을 전하고 싶습니다. 지금까지 보고서를 읽어주셔서 감사합니다. 만약 이 보고서에 틀린 점이 있다면 많은 지적 부탁드립니다.

가. 최종 완성 작품

나. GPS자동차 동영상

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