JPH0821732A - 姿勢方位位置計測装置 - Google Patents
姿勢方位位置計測装置Info
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- JPH0821732A JPH0821732A JP6175903A JP17590394A JPH0821732A JP H0821732 A JPH0821732 A JP H0821732A JP 6175903 A JP6175903 A JP 6175903A JP 17590394 A JP17590394 A JP 17590394A JP H0821732 A JPH0821732 A JP H0821732A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】小型軽量で人間に取着または携帯することがで
き、計測する空間が限定されない姿勢方位位置計測装置
を提供すること。 【構成】三次元空間で互いに直角な3軸の周りの角速度
を検出するジャイロと、上記3軸に対応して配置され加
速度を検出する加速度計とからなるセンサ部Aと、該セ
ンサ部Aからの角速度信号と加速度信号とから姿勢角、
方位角及び位置を計算する演算部Bと、計算結果を出力
する出力部Cとを備えた。
き、計測する空間が限定されない姿勢方位位置計測装置
を提供すること。 【構成】三次元空間で互いに直角な3軸の周りの角速度
を検出するジャイロと、上記3軸に対応して配置され加
速度を検出する加速度計とからなるセンサ部Aと、該セ
ンサ部Aからの角速度信号と加速度信号とから姿勢角、
方位角及び位置を計算する演算部Bと、計算結果を出力
する出力部Cとを備えた。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、姿勢、方位、位置を計
測する姿勢方位位置計測装置に関するもので、特に人体
に取着または携帯して姿勢、方位、位置を計測する姿勢
方位位置計測装置に関するものである。
測する姿勢方位位置計測装置に関するもので、特に人体
に取着または携帯して姿勢、方位、位置を計測する姿勢
方位位置計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、人体に取着または携帯して姿勢、
方位、位置を計測する計測装置の空間位置センサとして
は、磁界により発生した誘起電流を用いる磁気センサ
や、超音波発信機からの信号が受信機に到達するまでの
時間を計測し、発信機からの距離を検出する超音波セン
サが一般的であるが、前者の場合は計測範囲に金属など
の磁性体があると磁場が歪められ正確な位置が測定でき
ない、電磁波が人体に及ぼす影響が懸念される等の問題
があり、後者の場合は精度の面で磁気センサに劣る、3
次元空間では発信機と受信機とが1組必要になるためコ
ストが高くなる等の問題もある。さらに、いずれの場合
も交流磁場や超音波の発生源が必要になり、発生源から
の交流磁場、超音波の到達距離の範囲に限界があるた
め、限定された空間でしか使用できない、複数の発生源
が隣接すると検出装置が正しく作動できないため他の発
生源からの影響を受けない距離を確保しなければならな
い、発生源とセンサと信号制御装置とを接続するケーブ
ルの引き回しが煩雑になる、等の問題があった。
方位、位置を計測する計測装置の空間位置センサとして
は、磁界により発生した誘起電流を用いる磁気センサ
や、超音波発信機からの信号が受信機に到達するまでの
時間を計測し、発信機からの距離を検出する超音波セン
サが一般的であるが、前者の場合は計測範囲に金属など
の磁性体があると磁場が歪められ正確な位置が測定でき
ない、電磁波が人体に及ぼす影響が懸念される等の問題
があり、後者の場合は精度の面で磁気センサに劣る、3
次元空間では発信機と受信機とが1組必要になるためコ
ストが高くなる等の問題もある。さらに、いずれの場合
も交流磁場や超音波の発生源が必要になり、発生源から
の交流磁場、超音波の到達距離の範囲に限界があるた
め、限定された空間でしか使用できない、複数の発生源
が隣接すると検出装置が正しく作動できないため他の発
生源からの影響を受けない距離を確保しなければならな
い、発生源とセンサと信号制御装置とを接続するケーブ
ルの引き回しが煩雑になる、等の問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記事情を
鑑みて成立したものであって、小型軽量で人間に取着ま
たは携帯することができ、計測する空間が限定されない
姿勢方位位置計測装置を提供することを目的とする。
鑑みて成立したものであって、小型軽量で人間に取着ま
たは携帯することができ、計測する空間が限定されない
姿勢方位位置計測装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を達成するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の姿勢方位位置計測装置は、三次元空間で互
いに直角な3軸の周りの角速度を検出するジャイロと、
上記3軸に対応して配置され、加速度を検出する加速度
計とからなるセンサ部と、該センサ部からの角速度信号
と加速度信号とから姿勢角、方位角及び位置を計算する
演算部と、計算結果を出力する出力部とを備えたことを
特徴とする。
に、本発明の姿勢方位位置計測装置は、三次元空間で互
いに直角な3軸の周りの角速度を検出するジャイロと、
上記3軸に対応して配置され、加速度を検出する加速度
計とからなるセンサ部と、該センサ部からの角速度信号
と加速度信号とから姿勢角、方位角及び位置を計算する
演算部と、計算結果を出力する出力部とを備えたことを
特徴とする。
【0005】なお、上記ジャイロは圧電型振動ジャイロ
で構成し、上記加速度計は半導体製造装置プロセスによ
り製造されたモノリシック加速度センサで構成してもよ
い。
で構成し、上記加速度計は半導体製造装置プロセスによ
り製造されたモノリシック加速度センサで構成してもよ
い。
【0006】
【発明の作用】前記構成によれば、センサ部は三次元空
間における互いに直角な3軸方向の加速度を半導体製造
装置プロセスで製造されたモノリシック加速度センサで
検出し、上記3軸方向の周りの角速度を圧電型振動ジャ
イロで検出し、それぞれ検出した加速度信号と角速度信
号とを演算部に入力する。演算部は加速度信号と角速度
信号とから、所定のプログラムに従って姿勢、方位角及
び位置を計算し、計算結果を出力部が出力する。
間における互いに直角な3軸方向の加速度を半導体製造
装置プロセスで製造されたモノリシック加速度センサで
検出し、上記3軸方向の周りの角速度を圧電型振動ジャ
イロで検出し、それぞれ検出した加速度信号と角速度信
号とを演算部に入力する。演算部は加速度信号と角速度
信号とから、所定のプログラムに従って姿勢、方位角及
び位置を計算し、計算結果を出力部が出力する。
【0007】
【実施例】以下、図面によって本発明の実施態様につい
て説明する。
て説明する。
【0008】図1は姿勢方位位置計測装置を示し、Aは
センサ部、Bは演算部、Cは出力部を示している。
センサ部、Bは演算部、Cは出力部を示している。
【0009】センサ部Aは図2に示すように、3軸(ロ
ール(X)軸、ピッチ(Y)軸、方位(Z)軸)に対応
した第1のジャイロ1、第2のジャイロ2及び第3のジ
ャイロ3と、該3軸に対応した第1の加速度計4、第2
の加速度計5及び第3の加速度計6と、その出力にそれ
ぞれ接続された信号処理部7とから構成されている。
ール(X)軸、ピッチ(Y)軸、方位(Z)軸)に対応
した第1のジャイロ1、第2のジャイロ2及び第3のジ
ャイロ3と、該3軸に対応した第1の加速度計4、第2
の加速度計5及び第3の加速度計6と、その出力にそれ
ぞれ接続された信号処理部7とから構成されている。
【0010】上記ジャイロは、例えば、村田製作所製の
圧電型振動ジャイロ(ENC−05D)を用いればよ
い。このジャイロは構造と回路構成が簡素化された超小
型、超軽量のジャイロで量産性が高くコストも低く設定
されている。また、上記加速度計は例えば、アナログデ
バイセズ製のモノリシック加速度センサ(ADXL−5
0)を用いればよい。この加速度センサは加速度測定シ
ステムをモノリシック・チップで実現したものでセンサ
と信号調整回路を備えた超小型、超軽量の加速度計であ
る。
圧電型振動ジャイロ(ENC−05D)を用いればよ
い。このジャイロは構造と回路構成が簡素化された超小
型、超軽量のジャイロで量産性が高くコストも低く設定
されている。また、上記加速度計は例えば、アナログデ
バイセズ製のモノリシック加速度センサ(ADXL−5
0)を用いればよい。この加速度センサは加速度測定シ
ステムをモノリシック・チップで実現したものでセンサ
と信号調整回路を備えた超小型、超軽量の加速度計であ
る。
【0011】また、ジャイロは光ファイバジャイロ等、
角速度を検出するものであれば圧電型振動ジャイロに限
定されるものではない。
角速度を検出するものであれば圧電型振動ジャイロに限
定されるものではない。
【0012】上記信号処理部7はジャイロ及び加速度計
の検出信号に含まれるDC成分と、高周波のノイズ成分
とを除去するためのバンドパスフィルタと、検出信号を
増幅するアンプと、検出信号をデジタル化するADコン
バータとから構成されている。
の検出信号に含まれるDC成分と、高周波のノイズ成分
とを除去するためのバンドパスフィルタと、検出信号を
増幅するアンプと、検出信号をデジタル化するADコン
バータとから構成されている。
【0013】演算部Bは、1チップのマイクロプロセッ
サ8と、処理プログラムを収納したROM9と、演算し
た結果を記憶するRAM10とから構成され、上記信号
処理部7でデジタル信号に変換されたジャイロの角速度
信号、加速度計の加速度信号を、予めプログラムされた
とうりの順序、周期で入力し、所定のプログラムに従い
演算処理した結果を姿勢角(ピッチ角、ロール角)デー
タ、方位角データ、位置データとして出力するように設
けられている。上記マイクロプロセッサ8は例えば日立
製のCPU(HD6477034F20)を用いればよ
い。
サ8と、処理プログラムを収納したROM9と、演算し
た結果を記憶するRAM10とから構成され、上記信号
処理部7でデジタル信号に変換されたジャイロの角速度
信号、加速度計の加速度信号を、予めプログラムされた
とうりの順序、周期で入力し、所定のプログラムに従い
演算処理した結果を姿勢角(ピッチ角、ロール角)デー
タ、方位角データ、位置データとして出力するように設
けられている。上記マイクロプロセッサ8は例えば日立
製のCPU(HD6477034F20)を用いればよ
い。
【0014】出力部CはRS232Cドライバで構成さ
れ、演算部Bの出力データをRS232Cのインターフ
ェースで接続されたコネクタ15から外部の処理装置
(図示せず)からのリクエストに応じてシリアルデータ
として送信するように設けられている。
れ、演算部Bの出力データをRS232Cのインターフ
ェースで接続されたコネクタ15から外部の処理装置
(図示せず)からのリクエストに応じてシリアルデータ
として送信するように設けられている。
【0015】なお、直流電源は外部電源(図示せず)か
らコネクタ15を経由して供給すればよい。
らコネクタ15を経由して供給すればよい。
【0016】図3は上記姿勢方位位置計測装置の構成を
示す斜視図で、この姿勢方位計測装置は筐体11の内部
に垂直基板12と水平基板13とが互いに直交するよう
に固定されるとともに、演算ボード14が適宜の方法で
固定され、側面には外部機器との接続及び電源供給用コ
ネクタ15が配置されている。
示す斜視図で、この姿勢方位計測装置は筐体11の内部
に垂直基板12と水平基板13とが互いに直交するよう
に固定されるとともに、演算ボード14が適宜の方法で
固定され、側面には外部機器との接続及び電源供給用コ
ネクタ15が配置されている。
【0017】上記垂直基板12と水平基板13とはプリ
ント基板で形成され、垂直基板12には第3のジャイロ
3、第3の加速度計6とその信号処理部7とが固定さ
れ、水平基板13には第1のジャイロ1、第2のジャイ
ロ2と第1の加速度計4、第2の加速度計5とそれぞれ
の信号処理部7とが固定され、上記演算ボード14には
上記演算部Bと出力部Cとが配置されている。
ント基板で形成され、垂直基板12には第3のジャイロ
3、第3の加速度計6とその信号処理部7とが固定さ
れ、水平基板13には第1のジャイロ1、第2のジャイ
ロ2と第1の加速度計4、第2の加速度計5とそれぞれ
の信号処理部7とが固定され、上記演算ボード14には
上記演算部Bと出力部Cとが配置されている。
【0018】図4は姿勢方位位置計測装置のソフトウエ
ア構成を示すブロック図である。
ア構成を示すブロック図である。
【0019】上述のように姿勢方位位置計測装置は構成
されているので図5のフローチャートで処理の流れにつ
いて説明する。
されているので図5のフローチャートで処理の流れにつ
いて説明する。
【0020】姿勢方位位置計測装置に外部電源より電源
を供給すると、ジャイロ1、2、3及び加速度計4、
5、6はインテリジェントタイプのセンサなので角速度
信号と加速度信号とを出力する。この角速度信号と加速
度信号とは信号処理部7で高周波のノイズ成分を除去し
た後、デジタル信号に変換され演算部Bに入力されるの
で、演算部Bは所定の順序と周期で加速度信号と角速度
信号とを取り込む(ステップ1)。取り込んだ加速度信
号と角速度信号とをステップ2でフィルタ演算処理を行
い、バイアス補正とスケール補正をおこない、加速度セ
ンサの出力電圧を重力に変換し、ジャイロの出力電圧を
角速度にそれぞれ変換する。
を供給すると、ジャイロ1、2、3及び加速度計4、
5、6はインテリジェントタイプのセンサなので角速度
信号と加速度信号とを出力する。この角速度信号と加速
度信号とは信号処理部7で高周波のノイズ成分を除去し
た後、デジタル信号に変換され演算部Bに入力されるの
で、演算部Bは所定の順序と周期で加速度信号と角速度
信号とを取り込む(ステップ1)。取り込んだ加速度信
号と角速度信号とをステップ2でフィルタ演算処理を行
い、バイアス補正とスケール補正をおこない、加速度セ
ンサの出力電圧を重力に変換し、ジャイロの出力電圧を
角速度にそれぞれ変換する。
【0021】ステップ3で入力したデータが加速度デー
タか角速度データかにより、加速度データであれば、ス
テップ4で加速度計4、5、6の検出した重力から重力
場に対する角度を演算して、加速度計によって得られる
傾斜角を静的傾斜角度として算出する。
タか角速度データかにより、加速度データであれば、ス
テップ4で加速度計4、5、6の検出した重力から重力
場に対する角度を演算して、加速度計によって得られる
傾斜角を静的傾斜角度として算出する。
【0022】ステップ5ではジャイロ1、2、3の検出
した角速度を時間積分することによって、ジャイロ1、
2、3によって得られる傾斜角を動的傾斜角度として算
出する。
した角速度を時間積分することによって、ジャイロ1、
2、3によって得られる傾斜角を動的傾斜角度として算
出する。
【0023】ステップ6で傾斜角が方位角か、ピッチ
角、ロール角かにより、ピッチ角、ロール角であれば、
ステップ7で静的傾斜角度と動的傾斜角度とによりノー
マライズ処理を行う。このノーマライズ処理は動きの激
しい時はジャイロの信頼度を大きくし、動きが落ち着い
ている時は加速度計の信頼度を大きくして、ジャイロと
加速度計とを互いに補完して、実際の正確な姿勢角を算
出するためのパラメータを決定するもので、ジャイロの
角速度により、静的要素と動的要素の比率を周波数分岐
して動的周波数より判断し、求める傾斜角をθとし、加
速度計の検出した傾斜角をθ1、ジャイロの検出した傾
斜角をθ2とし、式1において θ=K1θ1+K2θ2・・・・・・・・(1) K1+K2=1になるようにジャイロの動的周波数によ
り動的比率(パラメータK2)、静的比率(パラメータ
K1)を決定する。
角、ロール角かにより、ピッチ角、ロール角であれば、
ステップ7で静的傾斜角度と動的傾斜角度とによりノー
マライズ処理を行う。このノーマライズ処理は動きの激
しい時はジャイロの信頼度を大きくし、動きが落ち着い
ている時は加速度計の信頼度を大きくして、ジャイロと
加速度計とを互いに補完して、実際の正確な姿勢角を算
出するためのパラメータを決定するもので、ジャイロの
角速度により、静的要素と動的要素の比率を周波数分岐
して動的周波数より判断し、求める傾斜角をθとし、加
速度計の検出した傾斜角をθ1、ジャイロの検出した傾
斜角をθ2とし、式1において θ=K1θ1+K2θ2・・・・・・・・(1) K1+K2=1になるようにジャイロの動的周波数によ
り動的比率(パラメータK2)、静的比率(パラメータ
K1)を決定する。
【0024】上記比率に基づいてステップ4で得られた
静的傾斜角度とステップ5で得られた動的傾斜角度とか
らステップ7のノーマライズ処理により得られたパラメ
ータに基づいてステップ8で傾斜角θを算出する。この
傾斜角はロール角及びピッチ角のことであり、ロール
角、ピッチ角それぞれについて上記演算が実施される。
静的傾斜角度とステップ5で得られた動的傾斜角度とか
らステップ7のノーマライズ処理により得られたパラメ
ータに基づいてステップ8で傾斜角θを算出する。この
傾斜角はロール角及びピッチ角のことであり、ロール
角、ピッチ角それぞれについて上記演算が実施される。
【0025】ステップ9では、第3のジャイロ3の検出
した角速度から算出された動的傾斜角度に、ステップ8
で算出した傾斜角をフィードバックして補正を行い、実
際の正確な方位角を算出する。
した角速度から算出された動的傾斜角度に、ステップ8
で算出した傾斜角をフィードバックして補正を行い、実
際の正確な方位角を算出する。
【0026】また、ステップ2でフィルタ演算した加速
度データはステップ10で速度座標変換して移動距離を
算出し(ステップ11)、移動距離から位置を算出(ス
テップ12)する。
度データはステップ10で速度座標変換して移動距離を
算出し(ステップ11)、移動距離から位置を算出(ス
テップ12)する。
【0027】以上のように算出された姿勢角(ピッチ
角、ロール角)、方位角、位置のデータはRAM10に
記憶され、外部装置からのリクエストに応じて出力部C
よりRS232Cのシリアルデータとして出力される。
角、ロール角)、方位角、位置のデータはRAM10に
記憶され、外部装置からのリクエストに応じて出力部C
よりRS232Cのシリアルデータとして出力される。
【0028】上述のように、センサ部Aを圧電型振動ジ
ャイロとモノリシック加速度計とで構成しているので、
装置全体を小型軽量にすることができ、人体に取着また
は携帯することが容易になる。また、ジャイロ1、2、
3と加速度計4、5、6とで位置、角度を計測するの
で、予め原点を設定することにより、その位置からの相
対位置と角度を計測でき、交流磁場や超音波などの信号
発生源からの相対位置、角度ではないため、センサの設
置位置や条件に制限はないので、使用できる空間に制限
を受けることがなくなるので、アミューズメントや医療
におけるリハビリテーションなど利用範囲を広げること
ができる。
ャイロとモノリシック加速度計とで構成しているので、
装置全体を小型軽量にすることができ、人体に取着また
は携帯することが容易になる。また、ジャイロ1、2、
3と加速度計4、5、6とで位置、角度を計測するの
で、予め原点を設定することにより、その位置からの相
対位置と角度を計測でき、交流磁場や超音波などの信号
発生源からの相対位置、角度ではないため、センサの設
置位置や条件に制限はないので、使用できる空間に制限
を受けることがなくなるので、アミューズメントや医療
におけるリハビリテーションなど利用範囲を広げること
ができる。
【0029】また、車のナビゲーションにおいて、衛星
を利用したGPS(グローバルポジショニングシステ
ム)と連動することで、衛星電波の届かない高層ビル街
やトンネル、山岳地帯で位置の補正をすることができ
る。さらに、地図とのマッピングにより、GPSを使用
しないナビゲーションを実現できるので、アンテナ等余
分な機材を必要とすることがない。
を利用したGPS(グローバルポジショニングシステ
ム)と連動することで、衛星電波の届かない高層ビル街
やトンネル、山岳地帯で位置の補正をすることができ
る。さらに、地図とのマッピングにより、GPSを使用
しないナビゲーションを実現できるので、アンテナ等余
分な機材を必要とすることがない。
【0030】
【効果】請求項1の本発明によれば、ジャイロセンサと
加速度計を組み合わせて位置、角度を計測するため、セ
ンサの機能を補完することができ、正確な姿勢角、方位
角を計測することができる。また、超音波や交流磁場の
信号発生源を必要とせず、計測装置の使用する位置や範
囲が制限されることがなくなり、無限の空間で使用する
ことができる。
加速度計を組み合わせて位置、角度を計測するため、セ
ンサの機能を補完することができ、正確な姿勢角、方位
角を計測することができる。また、超音波や交流磁場の
信号発生源を必要とせず、計測装置の使用する位置や範
囲が制限されることがなくなり、無限の空間で使用する
ことができる。
【0031】請求項2によれば、モノリシック加速度セ
ンサと圧電型振動ジャイロとでセンサ部を構成している
ので、小型軽量化が図れ、人体に装着したり携帯するこ
とができるので、車両等の移動体や安定台等に利用する
ことは勿論のこと、アミューズメントや医療など利用分
野は際限がない。
ンサと圧電型振動ジャイロとでセンサ部を構成している
ので、小型軽量化が図れ、人体に装着したり携帯するこ
とができるので、車両等の移動体や安定台等に利用する
ことは勿論のこと、アミューズメントや医療など利用分
野は際限がない。
【図1】姿勢方位位置計測装置のブロック図である。
【図2】ジャイロと加速度計の配置状態を示す図であ
る。
る。
【図3】姿勢方位位置計測装置の構成を示す斜視図であ
る。
る。
【図4】姿勢方位位置計測装置のソフトウエアの構成を
示すブロック図である。
示すブロック図である。
【図5】姿勢方位位置計測装置の処理を説明する流れ図
である。
である。
1 第1のジャイロ 2 第2のジャイロ 3 第3のジャイロ 4 第1の加速度計 5 第2の加速度計 6 第3の加速度計 A センサ部 B 演算部 C 出力部
Claims (2)
- 【請求項1】 三次元空間で互いに直角な3軸の周りの
角速度を検出するジャイロと、上記3軸に対応して配置
され加速度を検出する加速度計とからなるセンサ部と、
該センサ部からの角速度信号と加速度信号とから姿勢
角、方位角及び位置を計算する演算部と、計算結果を出
力する出力部とを備えたことを特徴とする姿勢方位位置
計測装置。 - 【請求項2】 前記ジャイロを圧電型振動ジャイロで構
成し、前記加速度計を半導体製造装置プロセスにより製
造されたモノリシック加速度センサで構成したことを特
徴とする請求項1記載の姿勢方位位置計測装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6175903A JPH0821732A (ja) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | 姿勢方位位置計測装置 |
DE19536588A DE19536588A1 (de) | 1994-07-05 | 1995-09-29 | Lage-, Azimut- und Positionsmessvorrichtung |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6175903A JPH0821732A (ja) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | 姿勢方位位置計測装置 |
DE19536588A DE19536588A1 (de) | 1994-07-05 | 1995-09-29 | Lage-, Azimut- und Positionsmessvorrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0821732A true JPH0821732A (ja) | 1996-01-23 |
Family
ID=26019140
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6175903A Pending JPH0821732A (ja) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | 姿勢方位位置計測装置 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0821732A (ja) |
DE (1) | DE19536588A1 (ja) |
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US11797026B2 (en) | 2020-05-28 | 2023-10-24 | Seiko Epson Corporation | Posture estimation device, sensor module, measurement system, moving object, and posture estimation method |
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1994
- 1994-07-05 JP JP6175903A patent/JPH0821732A/ja active Pending
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1995
- 1995-09-29 DE DE19536588A patent/DE19536588A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Publication date |
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