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        小粒種子電動播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

        2019-04-29 02:20:42邱兆美張巍朋姬江濤賀智濤
        關(guān)鍵詞:漏播播種機(jī)子系統(tǒng)

        邱兆美 張巍朋 趙 博 姬江濤 金 鑫 賀智濤

        (1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院, 洛陽 471003; 2.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 洛陽 471003;3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院, 北京 100083)

        0 引言

        小粒種子播種機(jī)是現(xiàn)代化蔬菜栽培常用的播種機(jī)械,播種機(jī)在田間作業(yè)時(shí)易出現(xiàn)“斷條”等漏播現(xiàn)象,從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。漏播是影響播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素,開發(fā)高精度的漏播監(jiān)測系統(tǒng)是目前播種領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)具有播種過程全封閉的特點(diǎn),僅憑人的感觀無法直接監(jiān)測其作業(yè)質(zhì)量,因此,研發(fā)播種質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

        國外的精量播種發(fā)展較早,精密播種檢測系統(tǒng)的研究比較成熟,技術(shù)相對較為完善,針對播種漏播檢測研究出了不同的檢測方式。一些學(xué)者通過在排種管內(nèi)安裝傳感器或?qū)艿纼?nèi)落種情況的檢測[1-4]實(shí)現(xiàn)播種質(zhì)量監(jiān)測。文獻(xiàn)[5-6]分別利用高速攝影技術(shù)和電容特性完成對精密播種均勻性和落種速度的檢測。約翰迪爾公司對精量播種機(jī)的研究較早,且對精量播種質(zhì)量檢測技術(shù)成熟,研制的用于播種質(zhì)量監(jiān)測的播種傳感器、Seed Star監(jiān)視儀[7]以及與其他農(nóng)機(jī)相互協(xié)調(diào)配套的監(jiān)控設(shè)備,通過光電傳感器與信號采集電路相互配合,能夠檢測漏播、斷條等現(xiàn)象,并在監(jiān)視儀上進(jìn)行各種圖形化統(tǒng)計(jì)及分析,使作業(yè)人員清晰了解播種質(zhì)量,實(shí)時(shí)掌握播種質(zhì)量信息,為作業(yè)數(shù)據(jù)分析處理后的研究提供參考依據(jù)。國外對精量排種器的漏播狀態(tài)監(jiān)測及補(bǔ)種的相關(guān)研究成果顯著,但其成本較高,適用機(jī)具對象、作業(yè)環(huán)境與國內(nèi)相距較大。

        國內(nèi)針對播種漏播檢測的研究相對較晚,但發(fā)展較快。如一些專家學(xué)者[8-12]采用光電傳感器和紅外發(fā)光二極管對漏播情況進(jìn)行監(jiān)測,光電檢測成本較低,且系統(tǒng)簡單得到廣泛使用,但傳統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)對粒徑小于4 mm的種粒難以檢測。周利明等[13-14]采用電容法根據(jù)種子介電特性對相隔種子電容脈沖峰值的間隔,設(shè)計(jì)了基于電容信號的傳感器,實(shí)現(xiàn)對種子漏播與重播現(xiàn)象的檢測。金鑫等[15]采用紅外光電檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了種子流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測,并采用變介電常數(shù)電容式傳感器監(jiān)測排肥情況,能夠?qū)π←湶シN作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測,降低了生產(chǎn)成本。張霖等[16]采用壓電原理利用陶瓷片對種粒計(jì)數(shù)與漏播進(jìn)行檢測,通過對系統(tǒng)阻尼振動頻率與阻尼比分析,將種子短暫的沖擊作用變換為單個(gè)波峰電壓信號,完成對種粒的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。高速攝影與圖像處理技術(shù)等[17-23]也被廣泛應(yīng)用在播種監(jiān)測領(lǐng)域,但所采用設(shè)備和處理系統(tǒng)較為復(fù)雜,不便于在播種機(jī)身裝配及田間應(yīng)用。黃東巖等[24-25]基于PVDF壓電薄膜特性研究了壓電薄膜的工作機(jī)理,運(yùn)用壓電薄膜檢測技術(shù)分析種子下落的運(yùn)動碰撞,實(shí)現(xiàn)了對播種質(zhì)量的檢測。丁幼春等[26]利用光纖傳感器對油菜精量排種器的性能檢測、漏播檢測與補(bǔ)種進(jìn)行了研究,由于光纖材料特殊傳感器成本高,傳感器在播種機(jī)上的裝配價(jià)格高于播種機(jī)自身價(jià)值,代價(jià)太高,不利于在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

        為了對蔬菜播種機(jī)播種質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)小粒種子精量播種,本文采用具有面檢測特性的光電傳感器,對蔬菜小粒種子排種進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,設(shè)計(jì)播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對粒徑0.5~1.5 mm小粒種子的檢測。

        1 小粒種子電動播種機(jī)

        針對小粒種子粒徑小、質(zhì)量輕、不易監(jiān)測的問題,設(shè)計(jì)了具有實(shí)時(shí)檢測功能的小粒種子電動播種機(jī),主要由播種系統(tǒng)和智能監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成,如圖1所示。

        圖1 播種機(jī)組成框圖Fig.1 Diagram of seeder block

        播種系統(tǒng)包括前鎮(zhèn)壓輪、排種器、電源箱、后鎮(zhèn)壓輪、電機(jī)、調(diào)控器、覆土器、開溝器等,結(jié)構(gòu)如圖2所示。該電動播種機(jī)由電源箱提供電力,供電機(jī)和調(diào)控器運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)安裝在后鎮(zhèn)壓輪內(nèi)部,后鎮(zhèn)壓輪經(jīng)鏈條連接帶動排種器軸轉(zhuǎn)動,排種器軸帶動排種輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)排種,種子通過排種管落入開溝器開出的種溝內(nèi),經(jīng)覆土、鎮(zhèn)壓完成播種。調(diào)控器安裝在播種機(jī)扶手一側(cè),通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)播種機(jī)前進(jìn)速度的調(diào)整。前鎮(zhèn)壓輪位于開溝器前端,主要用于將土壤平整壓實(shí)以提高開溝穩(wěn)定性。

        圖2 小粒種子電動播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of small seed electric seeder 1.前鎮(zhèn)壓輪 2.排種器 3.電源箱 4.后鎮(zhèn)壓輪 5.調(diào)控器 6.電機(jī) 7.覆土器 8.開溝器

        智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括漏播監(jiān)測子系統(tǒng)、排種監(jiān)測子系統(tǒng)和可視化子系統(tǒng)。漏播監(jiān)測子系統(tǒng)主要采用具有面檢測特性的光電傳感器實(shí)現(xiàn)對播種量和漏播情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。排種監(jiān)測子系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器對種子運(yùn)動過程進(jìn)行視頻采集,實(shí)現(xiàn)對排種器排種、種子下落的實(shí)時(shí)監(jiān)測??梢暬酉到y(tǒng)包括STM32微控制器和車載計(jì)算機(jī),可完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、顯示和報(bào)警,實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測過程和結(jié)果的可視化。

        2 智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 硬件設(shè)計(jì)

        智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件由漏播監(jiān)測子系統(tǒng)、排種監(jiān)測子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)3部分組成, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        2.1.1漏播監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        漏播監(jiān)測子系統(tǒng)包括傳感器檢測頭、屏蔽電纜線和放大器,如圖4a所示。傳感器檢測頭經(jīng)屏蔽電纜線與放大器相連,放大器配置有持續(xù)可變靈敏度調(diào)節(jié)器,可對檢測精度進(jìn)行微調(diào)。

        基于電動播種機(jī)排種器距地面較近,且排種管下端位于開溝器內(nèi)部,造成傳感器安裝位置和檢測方式等受到限制,傳感器檢測頭采用矩形紅外面檢測光電傳感器,如圖4b所示。傳感器檢測頭采用帶活門的矩形結(jié)構(gòu),固定在排種管中段,置于開溝器上端,如圖5所示。基于PMMA透鏡紅外線LED投光可實(shí)現(xiàn)對21 mm×21 mm感應(yīng)區(qū)內(nèi)0.5 mm以上不透明物體的面檢測,且針對紅外線檢測時(shí)對感應(yīng)區(qū)域透光度的需求,排種管采用直徑20 mm的透明PVC軟管。

        圖4 光電傳感器實(shí)物圖Fig.4 Diagrams of photoelectric sensor 1.傳感器檢測頭 2.屏蔽電纜線 3.放大器

        圖5 傳感器安裝示意圖Fig.5 Installation schematic diagram of sensor 1.開溝器 2.光電傳感器

        漏播監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測排種管內(nèi)通過的種子數(shù)量,反饋播種信息,并對漏播實(shí)時(shí)報(bào)警。排種管中下落的種粒通過傳感器檢測區(qū)域時(shí),由于不透明種粒對光線的遮擋產(chǎn)生遮光量,當(dāng)遮光量小于設(shè)定的閾值時(shí)認(rèn)定為漏播,并輸出報(bào)警信號。

        在實(shí)際應(yīng)用中,傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)微控制器進(jìn)行相關(guān)處理并判斷是否出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象,再由報(bào)警單元實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的漏播或重播報(bào)警。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[27],具體判斷依據(jù)為0.5d≤vΔt≤1.5d(正常);vΔt>1.5d(漏播);vΔt<0.5d(重播)。其中d為理論株距,m;Δt為相鄰兩粒種子下落時(shí)間間隔,s;v為播種機(jī)前進(jìn)速度,m/s,該速度可由播種機(jī)速度傳感器獲得,本設(shè)計(jì)使用霍爾傳感器作為播種機(jī)速度傳感器。

        播種過程中漏播檢測精度易受透光率、振動等影響而降低。本系統(tǒng)采用微分檢測脈沖輸出模式,不影響因長時(shí)間積塵等透光率偏低時(shí)的檢測效果,能夠滿足播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的精度。

        2.1.2排種監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        排種監(jiān)測子系統(tǒng)包括SDK開發(fā)模組和CMOS圖像傳感器,如圖6所示。圖像傳感器通過數(shù)據(jù)線與SDK開發(fā)模組相連,主要用于監(jiān)測排種器排種情況。CMOS圖像傳感器采用可彎曲數(shù)據(jù)線內(nèi)置在排種器排種口處,不影響排種器正常排種軌跡,如圖7所示。SDK開發(fā)模組固定在排種座上,通過逆變器與車載電源轉(zhuǎn)換完成供電,配備專門的影像信號處理IPS硬核,控制指令A(yù)RM核,可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行二次開發(fā)。排種監(jiān)測子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)影像采集,具備存儲、回放功能,性能穩(wěn)定,滿足監(jiān)測系統(tǒng)影像采集需要,解決了由于種粒過小和播種機(jī)配備部件安裝緊密導(dǎo)致的不便于觀察落種情況的問題。

        圖6 CMOS圖像傳感器實(shí)物圖Fig.6 Image of CMOS image sensor

        圖7 CMOS圖像傳感器安裝圖Fig.7 Installation diagram of CMOS image sensor 1.排種器 2.排種器軸 3.CMOS攝像頭

        2.1.3可視化子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        可視化子系統(tǒng)包括微控制器和上位機(jī),微控制器選用單片機(jī)STM32,主要用于接收、處理各傳感器采集的數(shù)據(jù),并將處理后數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果的可視化。

        上位機(jī)采用多功能一體機(jī),小粒種子電動播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)平臺如圖8所示,可執(zhí)行播種機(jī)的啟、停操作,并實(shí)現(xiàn)作業(yè)情況、報(bào)警信息和影像監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、聲光報(bào)警和存儲。

        圖8 上位機(jī)軟件操作界面Fig.8 Interface of software operation on upper computer

        2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        軟件系統(tǒng)程序由Visual Basic 6.0語言編寫,主要實(shí)現(xiàn)播種機(jī)啟動與停止、漏播管道顯示和報(bào)警、落種過程實(shí)時(shí)顯示,操作界面如圖8所示。

        通過操作界面上設(shè)置的啟動和停止按鈕控制電動播種機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的啟停。通過對監(jiān)測系統(tǒng)播種作物和株距的選擇,可改變微控制器內(nèi)部對播種監(jiān)測閾值的設(shè)定,實(shí)現(xiàn)傳感器對0.5~1.5 mm不同粒徑種子的監(jiān)測,且保證監(jiān)測精度滿足監(jiān)測要求。

        主系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示,首先微控制器上電系統(tǒng)進(jìn)行初始化,然后設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),參數(shù)輸入完畢,按啟動鍵啟動電機(jī),同時(shí)啟動智能監(jiān)測系統(tǒng)。微控制器進(jìn)行傳感器檢測信號的接收、處理,并計(jì)算實(shí)時(shí)播種間距;通過實(shí)時(shí)株距與閾值對比判斷是否發(fā)生漏播,實(shí)現(xiàn)漏播實(shí)時(shí)報(bào)警??梢暬酉到y(tǒng)接收并顯示來自微控制器處理后數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)落種過程、實(shí)際播種量、播種速度、報(bào)警信息等的可視化監(jiān)測。

        圖9 主系統(tǒng)軟件流程圖Fig.9 Flow chart of main system software

        漏播監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測流程如圖10所示,系統(tǒng)上電初始化后,當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)出的智能檢測系統(tǒng)啟動信號,啟動子系統(tǒng)所有傳感器,并循環(huán)檢查各傳感器工作情況。依據(jù)傳感器實(shí)時(shí)檢測信息計(jì)算相鄰兩粒落種的時(shí)間間隔Δt和播種機(jī)前進(jìn)速度v,獲得實(shí)時(shí)播種間距,并結(jié)合理論播種株距判斷是否發(fā)生漏播現(xiàn)象。若發(fā)生漏播現(xiàn)象,則上傳可視化子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)相關(guān)的作業(yè)情況和漏播信息顯示和報(bào)警。

        圖10 漏播監(jiān)測工作流程圖Fig.10 Flow chart of operation of leak detection

        圖11 室內(nèi)試驗(yàn)Fig.11 Indoor test

        3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

        3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

        如圖11所示,室內(nèi)試驗(yàn)主要檢測小粒種子電動播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)檢測精度,通過選用不同孔徑的排種輪,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)對不同粒徑種子檢測適應(yīng)性的測試,驗(yàn)證該播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果。各檢測傳感器與播種機(jī)合理配置安裝,不存在擋種、影響播種機(jī)作業(yè)等問題,保證了播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)安裝前的作業(yè)性能。試驗(yàn)過程中分別針對播種計(jì)數(shù)、漏播精度檢測、落種影像實(shí)時(shí)顯示等系統(tǒng)性能進(jìn)行測試,并將系統(tǒng)檢測結(jié)果與人工檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

        3.2 播種計(jì)數(shù)監(jiān)測試驗(yàn)

        為獲取實(shí)際的落種數(shù)量,將光電傳感器安裝在排種器出種口處,并在排種管下方安裝接料袋。為測試監(jiān)測系統(tǒng)對不同粒徑、形狀、顏色種子的播種檢測精度和系統(tǒng)本身的適應(yīng)性,選用粒徑0.5~0.9 mm的胡蘿卜、辣椒種子和1.0~1.5 mm的番茄、菠菜種子。為保證播種量計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性,播種監(jiān)測系統(tǒng)每次啟動時(shí),播種量自動清零。每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)平臺顯示的播種量為測量值,接料袋中人工統(tǒng)計(jì)的種數(shù)為實(shí)際值。重復(fù)5次試驗(yàn),各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 播種計(jì)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of seeding counting

        從表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,監(jiān)測系統(tǒng)對粒徑0.5~0.9 mm的胡蘿卜/辣椒種子的播種量檢測精度相對誤差不大于4%;對粒徑1.0~1.5 mm的菠菜/番茄種子的播種量檢測精度相對誤差不大于3.6%。因此可得出,物種和粒徑變化對播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)的檢測精度影響不顯著,系統(tǒng)適應(yīng)性好;本播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的播種量檢測,且播種量檢測準(zhǔn)確率達(dá)96%,檢測精度相對誤差不大于4%。

        3.3 漏播率監(jiān)測精度試驗(yàn)

        通過人為制造漏播故障的方式進(jìn)行漏播精度檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)種床帶采用無縫精密橡膠帶,其防靜電和耐壓特點(diǎn)確保了落種的穩(wěn)定性。為了測試種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監(jiān)測精度的影響,選粒徑范圍在0.5~0.9 mm和1.0~1.5 mm的4種小粒種子,并采用與種子粒徑相應(yīng)的不同孔徑的排種輪進(jìn)行漏播測試。監(jiān)測系統(tǒng)檢測、記錄、顯示漏播信息,將系統(tǒng)顯示的漏播報(bào)警次數(shù)與人工查看種床帶的漏播統(tǒng)計(jì)次數(shù)相對比,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)漏播率測試。同類種子重復(fù)試驗(yàn)5次,各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

        從表2中可以看出,種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監(jiān)測精度的影響不顯著,系統(tǒng)適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的漏播監(jiān)測。漏播監(jiān)測子系統(tǒng)準(zhǔn)確率達(dá)92.3%,漏播率相對誤差均不大于7.7%,滿足監(jiān)測精度要求。通過試驗(yàn)過程和結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),漏播未報(bào)警是由于報(bào)警持續(xù)時(shí)間小于設(shè)置的報(bào)警延遲時(shí)間,可通過調(diào)節(jié)傳感器響應(yīng)靈敏度,多次檢測調(diào)節(jié)確定合適延時(shí)設(shè)置。

        表2 種子漏播率試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of seed missing sowing rate

        3.4 影像監(jiān)測落種過程精度試驗(yàn)

        當(dāng)種子下落時(shí),通過影像監(jiān)測子系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取種子下落信息并傳到可視化子系統(tǒng),在檢測系統(tǒng)平臺中實(shí)時(shí)顯示、記錄落種過程。通過實(shí)時(shí)播放和回放觀察不同管道排種、落種情況,將實(shí)際播種粒數(shù)與影像傳輸顯示的種粒數(shù)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的精度標(biāo)定和影像顯示精度的試驗(yàn),其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

        從表3中可以看出,在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下,該播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)影像顯示的落種粒數(shù)與人工檢測實(shí)際播種數(shù)量相比,相對誤差不大于5%,監(jiān)測精度達(dá)95%。其誤差產(chǎn)生原因主要是在種子下落過程中,由于CMOS圖像傳感器焦距標(biāo)定不合理,對較小粒徑的種子拍攝不清晰而沒有計(jì)入落種數(shù)量中,造成誤差,使檢測精度降低??梢酝ㄟ^精度微調(diào)和攝像頭焦距多次標(biāo)定,提升圖像傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測精度。

        表3 落種圖像顯示試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of seeding image display

        4 結(jié)論

        (1)采用具有面檢測特性的光電傳感器和CMOS圖像傳感器,設(shè)計(jì)了播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對粒徑0.5~1.5 mm蔬菜小粒種子的播種效果監(jiān)測,該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測播種機(jī)的播種質(zhì)量,受種子粒徑、形狀、株距等影響小,系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

        (2)軟件系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0語言編寫,開發(fā)的監(jiān)測平臺可實(shí)現(xiàn)對播種量、漏播情況和落種過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示和漏播報(bào)警等功能。

        (3)試驗(yàn)表明:播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對播種量監(jiān)測精度達(dá)96%,漏播監(jiān)測精度達(dá)92.3%,能夠有效地監(jiān)測小粒種子播種情況,在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下,落種監(jiān)測精度達(dá)95%。本監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對小粒種子電動播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示和報(bào)警,提高了監(jiān)測效率。

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