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文檔簡介
1、<p><b> 智能汽車巡線系統(tǒng)</b></p><p> 摘要:本文介紹了如何制作智能車巡線系統(tǒng),智能車能實現巡線主要是通過傳感器采集跑道信息,CPU接收到跑道信息后通過CPU進行數據處理然后控制電機和舵機從而實現智能車巡線系統(tǒng)</p><p> 關鍵字:智能車,CPU,傳感器,巡線</p><p><b> 背
2、景</b></p><p> 1953年,世界上第一臺無人駕駛牽引車誕生,這是一部采用埋線電磁感應方式跟蹤徑的自動導向車。如今,隨著傳感器技術的不斷進步以及各種智能算法的改進,無人駕駛車發(fā)展也越來越快。根據不同的應用,其速度、安全性、運行時間也大相近庭。正是由于設計的高難度性,智能車設計變得越來越復雜,集成度越來越高功能越來越大,也就吸引了更多的人的關注。其中目前最受關注的是全國大學生飛思卡爾智能汽
3、車大賽,“飛思卡爾杯”智能車大賽源于韓國,是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCSI2單片機為核心的大學生課外科技競賽。該競賽內容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械、能源等多個學科的知識。</p><p> 1.1 國內研究現狀</p><p> 受教育部高等教育司委托,高等學校自動化專業(yè)教學指導委員會負責主辦全國大學生智能車競賽。
4、該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一。首屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車邀請賽于2006年在清華大學成功舉辦。此項賽事,在韓國已舉辦過多屆,其專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械等諸多學科,對學生的知識融合和動手能力的培養(yǎng),對高等學??刂萍捌囯娮訉W科學術水平的提高,具有良好的推動作用。在第一、二屆的比賽中參賽選手必須使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模,以Freescale公司生產的16位微控制器MC9
5、S12DG128作為核心控制單元。第三屆則要求參賽隊伍除了X系列的微處理器不用以外,其他8位和16位微控制器可由參賽對自己選擇(8位的單片機最多可選兩塊),這無疑給大家一個更位大的選擇余地,此屆比賽則準許使用官方推薦的MC9S12XS128雙核芯片及以往的8位極16位單核微控核心2007年,中國大學生制作的智能車的速度已經打破了韓國智能車比賽連續(xù)七屆的冠軍速度。該項賽事現已在我國是成功舉辦七次,大賽小車分為三個組別:電磁組、攝像頭組、光
6、電組。其中電磁組是在第五屆大賽上才</p><p> 1.2 國外研究現狀</p><p> 韓國大學生智能模型車競賽是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCS12單片機為核心的大學生課外科技競賽。組委會將提供一個標準的汽車模型、直流電機和可充電式電池,參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車,在專門設計的跑道上自動識別道路行駛,跑完整個賽程用時最短,而且技
7、術報告評分較高的參賽隊就是獲勝者。制作智能車,需要參賽隊伍學習和應用嵌入式軟件開發(fā)工具軟件Codewarrior和在線開發(fā)手段,自行設計和制作可以自動識別路徑的方案、電機的驅動電路、模型車的車速傳感電路、模型車轉向伺服電機的驅動以及微控制器MC685912DP256控制軟件的編程等等。隨著賽事的逐年開展,將不僅有助于大學生自主創(chuàng)新能力的提高,對于高校相關學科領域學術水平的提升也有一定幫助,最終將有助于汽車企業(yè)的自主創(chuàng)新,得到企業(yè)的認可。
8、這項賽事在韓國的成功可以證明這一點。2000年智能車比賽首先由韓國漢陽大學承辦開展起來,每年全韓國大約有100余支大學生隊伍報名并準予參賽,至今已舉辦5屆,得到了眾多高校和大學生的歡迎,也逐漸得到了企業(yè)界的極大關注。近年來,飛思卡爾半導體公司參與舉辦的智能車大賽有了</p><p> 工程學院舉辦了首屆飛思卡爾智能車大賽。共有26組,涉及約52工科學生來自10個地方大學參加智能汽車競賽。該國競賽由馬來西亞科協舉
9、辦。</p><p><b> 硬件電路的設計</b></p><p> 要實現智能車的自動巡線,首先最重要的是硬件電路的設計,沒有硬件的車就相當于沒有四肢的人,肯定是無法實現自動巡線的,所以要實現智能車的智能車巡線做好硬件也是很關鍵的,以下是硬件總體方案設計用流程圖表示如下:</p><p> 2.1傳感器電路設計</p>
10、<p> 2.1.1電磁傳感器的原理</p><p> 根據電磁學,我們知道在導線中通入變化的電流(如按正弦規(guī)律變化的電流),則導線周圍會產生變化的磁場,且磁場與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場中置一由線圈組成的電感,則該電感上會產生感應電動勢,且該感應電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導線周圍不同位置,磁感應強度的大小和方向不同,所以不同位置上的電感產生的感應電動勢也
11、應該是不同。據此,則可以確定電感的大致位置。</p><p> 2.1.2電磁傳感器信號處理電路</p><p> 智能車要實現自動巡線,首先是要有所識別的路徑,該路徑是一根導線里面通有頻率為20KHZ,占空比為50%,電流強度為100MA的電流,由于其信號比較弱,所以要通過信號的濾波、信號的放大和信號的處理來實現傳感器的信號的提取。</p><p><b
12、> ?。?)信號的濾波</b></p><p> 要檢測到信號,然后對信號進行放大,首先要濾去其他頻率的雜波,所以通過一個LC震蕩回路來進行濾波,實現選頻(帶通濾波),濾波電路如圖2.1所示</p><p><b> 圖2.1 濾波電路</b></p><p><b> ?。?)信號的放大</b>&l
13、t;/p><p> 經過信號的濾波之后電壓的波形已經是較為完整的20KHZ的正弦波,但是由于該信號的幅值比較小,不利于電壓采樣,所以要通過放大電路進行幅值的放大。由于共射電路輸出電阻小,很適合電路的要求,采用選用共射三極管放大電路,其原理圖如圖2.2所示</p><p> 圖2.2共射放大電路</p><p><b> ?。?)信號的處理</b>
14、;</p><p> 由于放大過來的信號根據信號幅值的不同可以處理信號,當處理信號時有兩種方案,一種是將信號模擬化,直接通過檢波電路然后通過單片機的AD來處理信號,另外一種是直接通過硬件處理成數字信號,由于第一種方案處理起來軟件比較麻煩,所以我選擇了第二種方案,LM 567的基本工作狀況有如一個低壓電源開關,當其接收到一個位于所選定的窄頻帶內的輸入音調時,其開關就接通。而且通用的LM567還可以用做可變形發(fā)生器
15、或通用鎖相環(huán)電路。當其用作音調控制開關時,所檢測的中心頻率可以設定于0.1至500KHZ之間的任意值,檢測帶寬可以設定在中心頻率14%內的任意值。而且,輸出開關延遲可以通過選擇外電阻和電容在一個寬時間范圍內任意改變。所以選定LM567進行信號的處理,當檢測到該頻率的信號時輸出口將會輸出一個固定的電平,這樣就代表傳感器檢測到信號,其原理圖如圖2.3所示</p><p> 圖2.3 LM567信號處理電路<
16、/p><p><b> 信號放大電路PCB</b></p><p><b> 信號處理電路PCB</b></p><p> 2.2 電機驅動電路的設計</p><p> 電機驅動電路設計有很多方案,通過查閱文檔可知,目前用的比較多的是是用一些集成芯片做的電機驅動,像MC33886、BTS7970
17、等集成芯片,但是用這些芯片有一個很不好的特征就是發(fā)熱嚴重,當電機速度提高到一定程度的時候管子會發(fā)熱從而導致芯片自保護功能啟動,車子會突然停轉,所以最終我們采用了電機驅動電路為一個由分立元件制作的直流電動機可逆雙極型橋式驅動器,其功率元件由兩只N溝道增強型場效應管和兩只P溝道增強型場效應管構成,額定工作電流可以輕易達到 100A 以上,大大提高了電動機的工作轉矩和轉速。該驅動器主要由以下部分組成:電源電路、PWM 信號輸入接口、邏輯換向電
18、路、H橋等幾部分構成,其原理圖和PCB如下圖2.4和圖2.5所示</p><p> 圖2.4(a) 電源電路</p><p> 圖2.4(b)信號輸入接口及邏輯換向電路</p><p><b> 圖2.4(c)H橋</b></p><p><b> 圖2.5</b></p>&
19、lt;p> 2.3主控電路板的設計</p><p> 系統(tǒng)要穩(wěn)定工作,首先電源要穩(wěn)定,系統(tǒng)中有多路電源,7.2V,5V7.2V 電池電壓直接接到電機啟動模塊,其中7.2V可以直接由電池供電,5V可以給單片機、舵機和編碼器供電,由于做各個模塊是分開做的,所以如果要把這些模塊都整合起來必須通過一個主控板連接起來才能相互通信,該主控板上集成了傳感器返回數據端口、電機控制端口、舵機控制端口、編碼器測速端口以及一
20、些輔助端口來共同完成的,其原理圖和PCB以及3D封裝圖見圖2.6、圖2.7、圖2.8所示</p><p> 圖2.6(a)單片機、編碼器、傳感器供電電源</p><p> 圖2.6(b)舵機供電電源</p><p> 圖2.6(c)接口電路</p><p> 圖2.6(d)單片機最小系統(tǒng)電路</p><p>
21、 圖2.7 主控電路板PCB</p><p> 圖2.8主控電路板效果圖</p><p><b> 系統(tǒng)軟件的設計</b></p><p> 程序及算法設計是該智能車系統(tǒng)的核心之一,程序設計的理念保持簡潔、高效、穩(wěn)定、適應性強,切不可僅僅追求某一特殊彎道而忽略整體,同時要考慮實驗室賽道類型不足,不可只針對某一賽道類型而設計程序。程序的設
22、計、調試、修改都需綜觀全局,仔細考慮每一行代碼是否有副作用,整體邏輯是否有矛盾、漏洞以及欠妥之處??偟膩碚f即控制車模在符合大賽規(guī)則前提下,以最短的時間跑完整個賽道, 該智能車系統(tǒng)首先需要對XS128芯片中的PWM模塊, 定時器模塊,I/O模塊等必備的模塊進行初始化。PWM模塊主要是用來控制轉向舵機以及電機的運行;定時器模塊主要是用在速度脈沖采集和傳感器信息采集上,捕捉中斷并計算處理;I/O模塊主要是用于控制激光的發(fā)射和數據的接收,以及各
23、種控制信號。下面是程序設計的流程圖:</p><p><b> 系統(tǒng)流程圖</b></p><p> 3.1 傳感器信號采集</p><p> 結合上面?zhèn)鞲衅鞯挠布娐房芍覀円呀泴鞲衅魈幚沓蓴底中盘?,最終返回出來的信號有以下幾種情況 </p><p> 所以目前賽道信息總共是15種情況,提取位置信息程序如
24、下所示</p><p> void Sampling() </p><p><b> { </b></p><p> if((SensorInfo[0]==0)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&
25、;&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1)) </p><p> SensorFlag=1; </p><p> else if((SensorInfo[0]==0)&&(SensorInfo[1]
26、==0)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1)) </p><p> SensorFlag=2; &
27、lt;/p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==0)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&
28、;&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=3;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==0)&&(SensorInfo[2]==0)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==
29、1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=4;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInf
30、o[2]==0)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=5;</p><p> else if((Sen
31、sorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==0)&&(SensorInfo[3]==0)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p>
32、;<p> SensorFlag=6;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==0)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&
33、;&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=7;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==
34、0)&&(SensorInfo[4]==0)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=8;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInf
35、o[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==0)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=9;</p&
36、gt;<p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==0)&&(SensorInfo[5]==0)&&(SensorInfo[6]==1)&&
37、(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=10;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&am
38、p;&(SensorInfo[5]==0)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=11;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]
39、==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==0)&&(SensorInfo[6]==0)&&(SensorInfo[7]==1))</p><p> SensorFlag=12;</p><p> else if((Sensor
40、Info[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==0)&&(SensorInfo[7]==1))</p>
41、<p> SensorFlag=13;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&
42、amp;(SensorInfo[6]==0)&&(SensorInfo[7]==0))</p><p> SensorFlag=14;</p><p> else if((SensorInfo[0]==1)&&(SensorInfo[1]==1)&&(SensorInfo[2]==1)&&(SensorInfo[3]==1
43、)&&(SensorInfo[4]==1)&&(SensorInfo[5]==1)&&(SensorInfo[6]==1)&&(SensorInfo[7]==0))</p><p> SensorFlag=15; </p><p> else return;</p><p><b>
44、}</b></p><p><b> 3.2舵機控制程序</b></p><p> 舵機控制是通過調節(jié)舵機的占空比從而調整舵機的速度的,當給舵機一個固定的占空比時舵機會偏轉一個固定的角度,所以根據返回的位置信息來調節(jié)舵機的轉向,其舵機處理程序如下所示:</p><p> void ServoControl() </p&g
45、t;<p><b> {</b></p><p> switch(SensorFlag)</p><p><b> {</b></p><p><b> case 1:</b></p><p><b> {</b></p>
46、;<p> ServoPWM=13698;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 2:</b></p><p><b> {</b></p&g
47、t;<p> ServoPWM=13434;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 3:</b></p><p><b> {</b></p&
48、gt;<p> ServoPWM=13170;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 4:</b></p><p><b> {</b></p
49、><p> ServoPWM=12906;</p><p><b> break;</b></p><p><b> } </b></p><p><b> case 5:</b></p><p><b> {</b><
50、/p><p> ServoPWM=12642;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 6:</b></p><p><b> {</b><
51、;/p><p> ServoPWM=12378;</p><p><b> break;</b></p><p><b> } </b></p><p><b> case 7:</b></p><p><b> {</b>&
52、lt;/p><p> ServoPWM=12114;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 8:</b></p><p><b> {</b>
53、</p><p> ServoPWM=11850;</p><p><b> break;</b></p><p><b> } </b></p><p><b> case 9:</b></p><p><b> {</b&g
54、t;</p><p> ServoPWM=11586;</p><p><b> break;</b></p><p><b> } </b></p><p><b> case 10:</b></p><p><b> {</
55、b></p><p> ServoPWM=11832;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 11:</b></p><p><b> {<
56、;/b></p><p> ServoPWM=11058;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 12:</b></p><p><b> {&
57、lt;/b></p><p> ServoPWM=10794;</p><p><b> break;</b></p><p><b> } </b></p><p><b> case 13:</b></p><p><b>
58、 {</b></p><p> ServoPWM=10530;</p><p><b> break;</b></p><p><b> } </b></p><p><b> case 14:</b></p><p><b&g
59、t; {</b></p><p> ServoPWM=10266;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> case 15:</b></p><p><b
60、> {</b></p><p> ServoPWM=10002;</p><p><b> break;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> default: </b></p><p>&l
61、t;b> {</b></p><p> break; </p><p><b> } </b></p><p><b> }</b></p><p> 3.3 PID控制算法</p><p> 比例、
62、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握,或得不到精確的數學模型時,控制理論的其它技術難以采用時,系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定,這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象,或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時,最適合用PID控制技術。
63、PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是</p><p> 根據系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。比例(P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(I)控制 在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控</p>
64、<p> 制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直</p><p> 到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)控制 在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤
65、差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時,抑制誤差的作用就應該是零。這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨勢,這
66、樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。在本智能車的實際控制,由于檢測的離散特性,需要PID參數的選擇需要進行大量的實驗來確定。</p><p><b> 總結</b></p><p> 對于硬件電路部分,一
67、定要用料扎實,穩(wěn)定第一,抗干擾性能一定要高。單片機電壓一定要穩(wěn)定,防止舵機和電機啟動的時候拉低電壓導致復位。解決這個問題最實用的辦法就是加上儲能器件,加上適當大小的電容是必要的。儀表放大器的供電也要減少紋波。供給儀表放大器的電壓紋波越大,處理出來的傳感器信號越不穩(wěn)定。車在運行的過程中,電機的強電流干擾時十分巨大的,會嚴重影響信號檢測電路,所以要單獨把這部分電路隔離開。 </p><p> 軟件部分是整個控制系
68、統(tǒng)的核心。軟件上主要有以下幾個難點: </p><p> ?。?) 怎樣判斷采樣回來的賽道信息的有效性; </p><p> ?。?) 怎樣根據傳感器信息判斷車身狀態(tài); </p><p> (3) 怎樣根據車身狀態(tài)打角。 </p><p> 對于車模來說,軟件控制是核心,而對于軟件來說,舵機打角和速度控制都不算是核心,
69、真正的核心應該是舵機打角和速度控制的相互配合!</p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1] 阮毅,陳伯時 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)第四版,機械工業(yè)出版社,2012年7月</p><p> [2] 邵貝貝 單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法. 北京-清華大學出版社 2004 </p><
70、;p> 年10 月第1 版 </p><p> [3] 卓晴,黃開勝,邵貝貝 學做智能車 北京-北京航空航天大學出版社 2007 </p><p> [4] 譚浩強 C語言程序設計 北京-清華大學出版社 2004 </p><p> [5] 童詩白,華成英 模擬電子技術基礎.北京.-高等教育出版社.2000 </p><p&g
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