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Dise�o e implementaci�n de un control de velocidad para los autobuses de transporte de pasajeros

 

Design and implementation of a speed control for passenger transport buses

 

Projeto e implementa��o de um controle de velocidade para �nibus de transporte de passageiros

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ronate@stanford.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de agosto de 2022 *Aceptado: 12 de septiembre de 2022 * Publicado: 24 de octubre de 2022

 

1. Mag�ster en Sistemas de Control y Automatizaci�n Industrial Docente de la Carrera de Redes y Telecomunicaciones, Instituto Superior Tecnol�gico Stanford, Riobamba, Ecuador
2. �M�ster en Ingenier�a de las Telecomunicaciones Docente de la Carrera de Redes y Telecomunicaciones, Instituto Superior Tecnol�gico Stanford, Riobamba, Ecuador
3. Estudiante de la Carrera de Redes y Telecomunicaciones, Instituto Superior Tecnol�gico Stanford, Riobamba, Ecuador
4. Estudiante de la Carrera de Redes y Telecomunicaciones, Instituto Superior Tecnol�gico Stanford, Riobamba, Ecuador.

Resumen

Se dise�� e implement� un sistema de control de velocidad para los autobuses de transporte de pasajeros. Mediante el m�todo deductivo se pudo partir de un an�lisis general de sistemas de automatizaci�n vehicular y se lleg� a un modelo particular que puede ser implementado en cualquier automotor a di�sel, utilizando una tarjeta de adquisici�n de datos, un sensor de velocidad, circuito de potencia, cilindr� el�ctrico, computador entre otros elementos electr�nicos. Bas�ndonos en reglamentos de tr�nsito de circulaci�n vehicular programaremos nuestra tarjeta para el control de velocidad para una conducci�n segura y confiable. El control de velocidad se lo ha dise�ado bas�ndonos en sistemas ya probados, pero con un costo elevado. Se mejorar� el dise�o bajando los costos para la implementaci�n, siendo accesible en el mercado nacional. El administrador vehicular seleccionara el tipo de recorrido que realice ya sea urbano o perimetral, el sistema permitir� obtener resultados en el momento que el conductor intente sobrepasar el nivel de velocidad permitido por la Ley de tr�nsito, es decir, el sistema evitara las sanciones por exceso de velocidad y adem�s permitir� un viaje tranquilo y seguro, evitando as� en un 80% los accidentes de tr�nsito ocasionados por el exceso de velocidad.

Palabras Clave: Automatizaci�n; tarjeta de adquisici�n de datos; sensor de velocidad; el�ctrico.

 

Abstract

A speed control system for passenger transport buses was designed and implemented. Through the deductive method, it was possible to start from a general analysis of vehicle automation systems and a particular model was reached that can be implemented in any diesel vehicle, using a data acquisition card, a speed sensor, a power circuit, electric cylinder, computer among other electronic elements. Based on traffic regulations for vehicular circulation, we will program our speed control card for safe and reliable driving. Cruise control has been designed based on proven systems, but at a high cost. The design will be improved by lowering the costs for implementation, being accessible in the national market. The vehicle administrator will select the type of route to be carried out, whether urban or perimeter, the system will allow results to be obtained when the driver tries to exceed the speed level allowed by the Traffic Law, that is, the system will avoid penalties for excess of speed and will also allow a calm and safe trip, thus avoiding 80% of traffic accidents caused by excessive speed.

Keywords: Automation; data acquisition card; speed sensor; electric.

Resumo

Foi projetado e implementado um sistema de controle de velocidade para �nibus de transporte de passageiros. Atrav�s do m�todo dedutivo, foi poss�vel partir de uma an�lise geral dos sistemas de automa��o veicular e chegou-se a um modelo particular que pode ser implementado em qualquer ve�culo a diesel, utilizando uma placa de aquisi��o de dados, um sensor de velocidade, um circuito de pot�ncia, cilindro el�trico, computador entre outros elementos eletr�nicos. Com base nas regras de tr�nsito para circula��o de ve�culos, programaremos nosso cart�o de controle de velocidade para uma condu��o segura e confi�vel. O controle de cruzeiro foi projetado com base em sistemas comprovados, mas a um custo alto. O projeto ser� aprimorado diminuindo os custos de implanta��o, sendo acess�vel no mercado nacional. O administrador do ve�culo ir� selecionar o tipo de percurso a ser realizado, se urbano ou perimetral, o sistema permitir� obter resultados quando o motorista tentar ultrapassar o n�vel de velocidade permitido pela Lei de Tr�nsito, ou seja, o sistema evitar� penalidades por excesso de velocidade e tamb�m permitir� uma viagem tranquila e segura, evitando assim 80% dos acidentes de tr�nsito causados ​​por excesso de velocidade..

Palavras-chave: Automa��o; cart�o de aquisi��o de dados; sensor de velocidade; el�trico.

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Introducci�n

El principal reto que se presenta en los sistemas de automatizaci�n es obtener el control y supervisi�n de los mismos, optimizando los recursos humanos, t�cnicos y econ�micos a la vez reduciendo los costos de implementaci�n. Utilizando tecnolog�a de �ltima generaci�n, se implementar� un sistema sencillo de utilizar y programar por cualquier persona.

El dise�o e implementaci�n para el control de velocidad nos ayudar� a no sobre pasar los l�mites de velocidad establecidos por la comisi�n nacional de tr�nsito, se realizar� el dise�o de un prototipo implementado en el bus de la Facultad de Inform�tica y Electr�nica el cual actuara directamente en paralelo al sistema de frenado, a la par se enviar� un sistema visual y de audio que nos indicara que se ha excedido del l�mite de velocidad de acuerdo al tipo de transporte y lugar de circulaci�n.

El control de velocidad se lo ha dise�ado bas�ndonos en sistemas ya probados, pero con un costo elevado. Se mejorar� el dise�o bajando los costos de implementaci�n siendo accesible en el mercado nacional.

En la actualidad los accidentes de tr�nsito por exceso de velocidad no se han reducido debido a la irresponsabilidad de los conductores que infringen los l�mites de circulaci�n vehicular al no respetarla. Todo esto ha demandado en una constante b�squeda a realizar un sistema que se presenta a continuaci�n, utilizando modelos de prototipos y t�cnicas de trabajo.

Demostrando que nuestro sistema es factible realizar para controlar de forma eficiente, segura y confiable la circulaci�n vehicular, utilizando una adecuada tarjeta de adquisici�n y una programaci�n estructurada ideal.

 

Metodolog�a

El dise�o e implementaci�n de un control de velocidad para los autobuses de transporte de pasajeros, especificando las diferentes partes que la conforman. Este sistema puede ser visto por el chofer del veh�culo cuando la velocidad se va incrementando, al llegar al l�mite establecido nos dar� una se�al audible y visible denotando que el conductor ha llegado a su l�mite, este l�mite depender� del recorrido establecido que lo asignar� el administrador, para circulaci�n en zonas urbanas ser� 40 km/h o en perimetral a 90 km/h.(Piuri s. f.)

Si la velocidad del veh�culo excede los l�mites establecidos autom�ticamente se enviar� una se�al al solenoide quien activara la electrov�lvula 5/2 para que se acciones el cilindro neum�tico para que interrumpa la aceleraci�n inmediatamente, se desactivara cuando la velocidad del veh�culo sea reducida hasta un rango inferior del l�mite de velocidad.(Arelys y Calvache s. f.)

Realizaremos un modelo particular que puede ser implementado en cualquier automotor a di�sel, siendo diferente el modelo a gasolina.

 

Por qu� instalar una se�al de alerta

El cuerpo humano reacciona ante los est�mulos externos, tanto f�sicos como qu�micos o electromagn�ticos, que desencadenan reacciones funcionales en el organismo. Para recibir esos est�mulos el cuerpo se vale de los sentidos: los o�dos, la nariz, la boca, los ojos y la piel.(Arelys y Calvache s. f.)

Por tal raz�n era necesario instalar dispositivos audibles (chicharra) y visibles (luces) para alertar al usuario cuando este se est� excediendo el l�mite de velocidad, para indicar que el sistema de control de velocidad accionara el freno y el bloqueo del acelerador.(Naranjo y Mauricio s. f.)

 

Por qu� utilizar un Actuadores Neum�tico

Aunque en esencia los actuadores neum�ticos e hidr�ulicos son id�nticos, los Neum�ticos tienen un mayor rango de compresi�n y adem�s existen diferencias.

En cuanto al uso y estructura. Considerando que la presi�n necesaria para la activaci�n el cilindro neum�tico es de 65 PSI, con la que podemos f�cilmente elevar el pedal del acelerador que dando de tal manera bloqueada; Una vez localizado los tanques de aire del autob�s los cuales generan una presi�n de 220 PSI (Libras por pulgada cuadrada), decidimos utilizar una electrov�lvula con su respectivo cilindro neum�tico.(Nazif s. f.)

 

Por qu� se utiliz� la tarjeta Arduino Uno

Hay muchos otros microcontroladores y plataformas con microcontroladores disponibles para la computaci�n f�sica. Parallax Basic Stamp, BX-24 de Netmedia, Phidgets, Handyboard del MIT, y muchos otros ofrecen funcionalidades similares. Todas estas herramientas organizan el complicado trabajo de programar un microcontrolador en paquetes f�ciles de usar.(Enr�quez y Navarrete s. f.)

Arduino, adem�s de simplificar el proceso de trabajar con microcontroladores, ofrece algunas ventajas respecto a otros sistemas a profesores, estudiantes y amateurs:

Asequible - Las placas Arduino son m�s asequibles comparadas con otras plataformas de microcontroladores.

Multi-Plataforma - El software de Arduino funciona en los sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y Linux. La mayor�a de los entornos para microcontroladores est�n limitados a Windows.(Roggero et al. 2013)

Software ampliable y de c�digo abierto- El software Arduino est� publicado bajo una licencia libre y preparado para ser ampliado por programadores experimentados. El lenguaje puede ampliarse a trav�s de librer�as de C++, y si se est� interesado en profundizar en los detalles t�cnicos, se puede dar el salto a la programaci�n en el lenguaje AVR C en el que est� basado. De igual modo se puede a�adir directamente c�digo en AVR C en tus programas si as� lo deseas.

Hardware ampliable y de C�digo abierto - Arduino est� basado en los microcontroladores ATMEGA168, ATMEGA328 yATMEGA1280. Los planos de los m�dulos est�n publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que dise�adores de circuitos con experiencia pueden hacer su propia versi�n del m�dulo, ampli�ndolo u optimiz�ndolo.

Incluso usuarios relativamente inexpertos pueden construir la versi�n para placa de desarrollo para entender c�mo funciona y ahorrar algo de dinero.(Arelys y Calvache s. f.)

 

Diagrama de bloques del sistema de control

El diagrama de bloques de la figura.V.26 muestra todas las etapas que debe cumplir el sistema de control de velocidad. Cuenta con las etapas de entrada, control, actuador.

Etapas del Sistema de control de velocidad:

La entrada de datos ser� mediante un sensor digital que enviar� un tren de pulsos cuando se incremente la velocidad del veh�culo, entreg�ndome un tren de pulsos para nuestra tarjeta de adquisici�n que ejercer� en control de velocidad, la cual enviar� una se�al a nuestro circuito de potencia que realizar� el frenado del bus mediante el freno mec�nico a trav�s del circuito de potencia.

Si excede el l�mite permitido paralelo al sistema de frenado se encender� un sistema audible (pito) y una se�al visible una luz intermitente.(Morales y Germ�n s. f.)

 

Ilustraci�n 1. Diagrama de bloques del sistema

FUENTE: (Autores)

Bloque de entrada de datos

Hemos definido como entrada de datos a la se�al binaria que nos enviar� el sensor VSS colocado en el veh�culo a prueba. La generaci�n de se�ales binarias es importante en el desarrollo de cualquier dispositivo electr�nico, es as� que el generador de se�ales se utiliza para proporcionar condiciones de prueba conocidas para la evaluaci�n y verificaci�n de las se�ales faltantes en sistemas como el de control de velocidad.(Palma s. f.)

Para la generaci�n de estas se�ales existen varios tipos de generadores de se�ales, los cuales tienen diversas caracter�sticas en com�n:

>              Primero la frecuencia de la se�al debe ser estable y conocerse con exactitud.

>              Segundo se ha de controlar la amplitud, desde valores muy peque�os hasta relativamente altos. Por �ltimo, la se�al debe estar libre de distorsi�n.

La entrada de datos nos enviar� el sensor de velocidad del veh�culo (VSS), que en nuestro caso actuar� en paralelo con nuestro sistema, para modificar las funciones del motor y poner en marcha rutinas de diagn�stico.(Dami�n y Marcelo s. f.)

Tiene en su interior un im�n giratorio que genera una onda senoidal de corriente alterna directamente proporcional a la velocidad del veh�culo. Por cada vuelta del eje genera 8 ciclos, su resistencia debe ser de 190 a 240 Ohmios. Este sensor nos enviara datos en paralelo tanto para el tac�metro como para nuestro sistema. Con un volt�metro de corriente alterna se verifica la tensi�n a la salida del sensor, estando desconectado y poniendo a girar una de las ruedas motrices a una velocidad de 40 km/h.

El voltaje a la salida del sensor de velocidad deber� estar en un rango de 7.2 a 12 V.

 

Bloque de control

En el bloque de control la se�al binaria ser� decodificada por nuestra tarjeta Arduino de adquisici�n de datos, la se�al que ingresa es de 12 Vdc, por cada vuelta del eje genera 8 ciclos. Se debe conectar la entrada de la se�al del sensor Vss al pin 12 de la tarjeta Arduino. En la etapa de control se maneja se�ales de entradas y salidas, las se�ales del sensor que ingresan son decodificadas por la tarjeta Arduino. Por medio del pin 12 recibe la se�al de frecuencia (Tren de pulsos), mediante la relaci�n de la tabla. VI.3 se enviar� la se�al de control a la electrov�lvula y freno de m�quina.

Se puede utilizar los pines del Arduino a donde est�n conectados los Reles:

Tabla 1. Designaci�n de Pines de la tarjeta Arduino

FUENTE: (Autores)

 

Esta se�al es tomada para realizar la comparaci�n a los cambios de velocidad. Mediante una comparaci�n se realiza la variable a visualizar, se activa los actuadores.

Utilizamos el pin 13 para el control del freno de m�quina mediante un rel� de 12 Vdc, por medio del pin 10 controlamos luces de aviso cuando se ha excedido del l�mite de velocidad. Por medio del pin 11 controlamos el bloqueo del acelerador, el cual se desactivar� cuando la velocidad se haya reducido al l�mite permitido.

 

Bloque de actuador

En este bloque se realizar� el control de frenado para reducir la velocidad del bus, con los par�metros antes mencionados, cuando se exceda del l�mite de velocidad la etapa de potencia enviar� una se�al al rel� para active el freno de m�quina hasta llegar a una velocidad inferior del l�mite establecido. La desactivaci�n ser� inmediata cuando el sistema llegue a una velocidad inferior del 5 % del l�mite de sanci�n.(Tip�n y Ulco s. f.)

BLOQUE DEL SISTEMA DE ACELERACI�N

 

FUENTE: (Autores)

 

Se debe bloquear a la vez el sistema de aceleraci�n para que no exista interferencia con el sistema de freno y pueda desarrollarse de acuerdo a las especificaciones t�cnicas. Mediante una v�lvula neum�tica 5/2 se realizar� el control de paso del aire, esta v�lvula se activar� cuando se exceda del l�mite de velocidad, habilitando el paso de aire al cilindro neum�tico, bloqueando el acelerador de forma inmediata.

Para establecer el control de la velocidad en el sistema propuesto, se realizar� por medio del freno de m�quina, cuando se active este control el acelerador debe estar totalmente bloqueado, La se�al transmitida desde la tarjeta Arduino en el bloque de control, permitir� que la electrov�lvula se accione, entrando en funcionamiento el cilindro neum�tico, levantando el pie del conductor del acelerador y bloqueando hasta llegar a una velocidad permitida. En paralelo se activa el freno de m�quina del bus.

Ilustraci�n 3. Dise�o de Bloqueo al sistema de aceleraci�n

FUENTE: (Autores)

 

Para obtener un dise�o final del sistema de bloqueo, se realiz� diferentes pruebas de posicionamiento, debemos tomar en cuenta el grado de inclinaci�n al momento de realizar el dise�o de bloqueo del acelerador, es importante tomar las dimensiones entre la base y el acople del acelerador para seleccionar el actuador neum�tico adecuado, con esto evitaremos la alteraci�n del dise�o original en el sistema de aceleraci�n.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ilustraci�n 4. Adaptaci�n de bloqueo al acelerador

FUENTE: (Autores)

 

Bloqueo final del sistema de aceleraci�n. Es importante tener presi�n en el cilindro neum�tico para que se bloquee el acelerador

 

Ilustraci�n 5. Construcci�n del sistema de bloqueo

FUENTE: (Autores)

 

Dise�o de la Etapa de potencia en el Bloque del Actuador

Dise�o del divisor de voltaje

Para alimentar al sistema de control de velocidad, se ha tomado la alimentaci�n suministrada por el banco de bater�as del bus, el cual consta de dos bater�as de 12 VDC. Conectadas en serie dotar� un voltaje de 24 VDC. Se aplic� un divisor de voltaje en la entrada de alimentaci�n al sistema, para suministrar la tensi�n requerida del sistema. En el divisor de voltaje la salida depender� de la resistencia de la carga que alimenta.(Roggero et al. 2013)

Ilustraci�n 6. Simulaci�n divisor de voltaje

FUENTE: (Autores)

 

 

Resultados

Como resultado de la investigaci�n se obtuvo el dise�o e implementaci�n de un sistema de control de velocidad para los autobuses de transporte de pasajeros. El cual cuenta con un manual de pr�cticas y gu�a de usuario donde se detallan los pasos y procedimientos que hay que seguir para poner en operaci�n de una manera segura y correcta el sistema de control de velocidad, por lo que se debe tener una copia de este documento para la correcta operaci�n del m�dulo de proceso, ya que adem�s contiene las especificaciones t�cnicas de cada dispositivo utilizado en el sistema de control.

Una vez dise�ado el sistema e instalado en bus de la Facultad de Inform�tica y Electr�nica se procedi� a verificar que los datos entregados por el sensor de velocidad que sean reales, mediante un tac�metro colocado en la llanta trasera. Se estableci� una relaci�n velocidad vs frecuencia mediante la Tabla.2 se realiz� una relaci�n entre el tren de Bit y la velocidad. Estableciendo de manera significativa el tiempo real de recorrido. Demostrando que es factible la implementaci�n del sistema automatizando el sistema de frenado. Tomando la se�al en paralelo al sensor de velocidad tipo Vss.

Cuando se sobre pase del l�mite de circulaci�n permitida, se activar� los sistemas de alerta en un tiempo de 2 Segundos. La velocidad se reduce en menos 5 Km/h al l�mite m�ximo establecido en un tiempo de 5 a 8 Segundos. Se puede circular en zona urbana a un l�mite de 0 km/h hasta los 38 km/h. Zona Perimetral de 0kn/h hasta los 88 km/h, si se excede los l�mites el sistema se activar� inmediatamente.

Mediante un an�lisis exhaustivo se lleg� a la conclusi�n que es m�s seguro y confiable activar el frenado de aire que el frenado de tambor para controlar la velocidad al l�mite permitido.

 

ACOPLAMIENTO DE LA SE�AL DEL SENSOR VSS

 

Tabla 2. Tiempos de desarrollo de las pr�cticas

FUENTE: (Autores)

 

 

Es importante que las variables de control en el sistema dise�ado coincidan con las variables originales aplicadas al freno de m�quina del bus.

 

Conclusiones

• Con la implementaci�n del sistema se controla de forma eficiente, segura y confiable, la velocidad �ptima del bus en zonas urbana y perimetral.
• La elecci�n del sistema a utilizar se realiz� previo un an�lisis de costos y soporte t�cnico.
• El sistema est� dise�ado con una presentaci�n amigable e intuitiva para que cualquier persona pueda entender con facilidad.
• Como indicador de seguridad se coloc� un sistema audible una chicharra y en paralelo un sistema visible con una luz intermitente multicolor (rojo-azul).
• Se reforz� la seguridad de conducir mediante la incorporaci�n de un sistema de frenado autom�tico al exceder los l�mites de circulaci�n vehicular indicado.
• El sistema es administrado por una central de operaciones, acorde al lugar de circulaci�n vehicular, mediante la selecci�n por teclado del tipo de circulaci�n.
• El sistema es reprogramable y actualizado en los par�metros del l�mite de velocidad, dependiendo de la reglamentaci�n de circulaci�n vehicular vigente.
• Se obtuvo el voltaje necesario de la se�al de entrada mediante un divisor de voltaje.
• Se logr� la adaptaci�n en el bus del sistema neum�tico para el bloqueo del acelerador.
• Se observ� el correcto funcionamiento del bus con el sistema de control de

velocidad instalada.

 

 

 

Referencias

1. Arelys, Jim�nez Herrera Jenny, y Ing Enrique Calvache. s. f. �ESTUDIO, DISE�O E IMPLEMENTACI�N DE UN SISTEMA AUTOM�TICO PARA CONTROL DE PASAJEROS Y APERTURA DE PUERTAS EN UN BUS TIPO.� 96.
2. Dami�n, Guerrero Cueva Marcos, y Moreno Tobar Cristian Marcelo. s. f. �DISE�O E IMPLEMENTACI�N DE UN PROTOTIPO DEDICADO AL REGISTRO Y CONTROL DE PASAJEROS DE AUTOBUSES INTERPROVINCIALES PARA LA EMPRESA TELINEMAX EMPLEANDO LAS REDES GPRS/GPS PARA SU MONITOREO�. 190.
3. Enr�quez, Dar�o Javier Quishpe, y Marcos Andr�s Reyes Navarrete. s. f. �PLAN DE GRADO PREVIO A LA OBTENCI�N DEL T�TULO DE INGENIERO EN MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ.� 140.
4. Morales, Paredes, y Rommel Germ�n. s. f. �Dise�o y elaboraci�n de un prototipo para un sistema inteligente de prevenci�n de accidentes de tr�nsito por exceso de velocidad aplicado al transporte interprovincial�. 76.
5. Naranjo, L�pez, y Carlos Mauricio. s. f. �Dise�o, construcci�n e implementaci�n de un sistema de monitoreo de temperatura del funcionamiento de frenos y velocidad del veh�culo aplicado a autobuses interprovinciales�. 164.
6. Nazif, Jos� Ignacio. s. f. �Gu�a pr�ctica para el dise�o e implementaci�n de pol�ticas de seguridad vial integrales, considerando el rol de la infraestructura�. 54.
7. Palma, �ngel Diego Fares. s. f. �CESI�N DE DERECHOS DE AUTOR�. 91.
8. Piuri, Jeffersson Vicente Tinoco. s. f. �CARRERA DE ELECTR�NICA DIGITAL Y TELECOMUNICACIONES�. 106.
9. Roggero, R., G. Croce, P. Gattari, E. Castellana, A. Molfese, G. Marchesi, L. Atzeni, C. Buran, A. Paleari, G. Ballarin, S. Manzini, F. Alagi, y G. Pizzo. 2013. �BCD8sP: An Advanced 0.16 μm Technology Platform with State of the Art Power Devices�. Pp. 361-64 en 2013 25th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC�s (ISPSD). Kanazawa: IEEE.
10. Tip�n, Javier, y Eduardo Ulco. s. f. �DISE�O Y CONSTRUCCI�N DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD ACTIVA PARA EL CONTROL DE VELOCIDAD APLICADO A BUSES INTERPROVINCIALES CON UN SISTEMA DE REGISTRO ABORDO EN RUTA�. 7.

 

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).