Drone DIY: Leçon 4. Contrôleur de vol..

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Introduction

Maintenant que vous avez sélectionné ou conçu le châssis, les moteurs, les rotors, les contrôleurs et la batterie du drone, vous pouvez commencer à choisir votre contrôleur de vol. Le contrôleur de vol d'un véhicule aérien sans pilote multi-rotor est un circuit intégré, généralement constitué d'un microprocesseur, de capteurs et de broches d'entrée/sortie. Après le déballage, le contrôleur de vol ne sait pas quel type ou configuration spécifique de drones vous utilisez, vous devrez donc initialement définir certains paramètres dans le logiciel, après quoi la configuration donnée est chargée à bord. Plutôt que de simplement comparer les contrôleurs de vol actuellement disponibles, l'approche que nous avons adoptée ici répertorie quels éléments du PC sont responsables de quelles fonctions, ainsi que les aspects à surveiller.

Processeur principal

8051 vs AVR vs PIC vs ARM: Une famille de microcontrôleurs qui constituent la base de la plupart des contrôleurs de vol modernes. Arduino est basé sur AVR (ATmel) et la communauté semble se concentrer sur MultiWii comme code préféré. Microchip est le principal fabricant de puces PIC. Il est difficile de prétendre que l'un est meilleur que l'autre, tout dépend de ce que le logiciel peut faire. ARM (comme STM32) utilise une architecture 16/32 bits, des dizaines utilisant des AVR et des PIC 8/16 bits. À mesure que les ordinateurs monocarte deviennent de moins en moins chers, on s'attend à ce que les contrôleurs de vol de nouvelle génération puissent exécuter des systèmes d'exploitation à part entière tels que Linux ou Android.

CPU: Habituellement, leur largeur de bits est un multiple de 8 (8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits), ce qui en turn indique la taille des registres primaires dans le CPU. Les microprocesseurs ne peuvent traiter qu'un nombre (maximum) défini de bits en mémoire à la fois (horloge). Plus le microprocesseur peut gérer de bits, plus le traitement sera précis (et rapide). Par exemple, le traitement d'une variable 16 bits sur un processeur 8 bits est beaucoup plus lent que sur un processeur 32 bits. Notez que le code doit également s'exécuter avec le bon nombre de bits, et au moment d'écrire ces lignes, seuls quelques programmes utilisent un code optimisé pour 32 bits.

Fréquence de fonctionnement: La fréquence à laquelle le processeur principal fonctionne. Il est également appelé « fréquence d'horloge » par défaut. La fréquence est mesurée en hertz (cycles par seconde). Plus la fréquence de fonctionnement est élevée, plus le processeur peut traiter les données rapidement.

Programme / Flash: Flash est l'endroit où le code principal est stocké. Si le programme est complexe, il peut prendre beaucoup de place. Évidemment, plus la mémoire est grande, plus elle peut stocker d'informations. La mémoire est également utile pour stocker les données en vol telles que les coordonnées GPS, les plans de vol, le mouvement automatique de la caméra, etc. Le code chargé dans la mémoire flash reste sur la puce même après la mise hors tension.

SRAM: SRAM signifie Static Random Access Memory et est l'espace sur la puce qui est utilisé lors de l'exécution des calculs. Les données stockées dans la RAM sont perdues lors de la mise hors tension. Plus la quantité de RAM est élevée, plus les informations seront « facilement disponibles » pour les calculs à un moment donné.

EEPROM: La mémoire en lecture seule programmable effaçable électriquement (EEPROM) est généralement utilisée pour stocker des informations qui ne changent pas pendant le vol, telles que les paramètres par opposition aux données. stockées sur SRAM, qui peuvent inclure des lectures de capteurs, etc.

Ports d'E/S supplémentaires: la plupart des microcontrôleurs ont un grand nombre de ports d'entrée et de sortie numériques et analogiques, sur le contrôleur de vol, certains sont utilisés pour les capteurs, d'autres pour la communication ou pour les entrées et sorties générales. Ces ports supplémentaires peuvent être connectés à des servos RC, des cardans, des buzzers et plus encore.

Convertisseur A/N: Si les capteurs utilisent une tension analogique embarquée (généralement 0-3,3V ou 0-5V), le convertisseur analogique A numérique doit convertir ces lectures aux données numériques. Comme pour le processeur, le nombre de bits que l'ADC peut gérer détermine la précision maximale. La fréquence d'horloge à laquelle le microprocesseur peut lire les données (fois par seconde) est associée pour s'assurer que les informations ne sont pas perdues. Cependant, il est difficile de ne pas perdre certaines données lors de cette conversion, donc plus la profondeur de bits de l'ADC est élevée, plus les lectures seront précises, mais il est important que le processeur puisse gérer la vitesse à laquelle les données sont être envoyé.

Alimentation électrique

Souvent, les spécifications du contrôleur de vol décrivent deux plages de tension, la première étant la plage de tension d'entrée du contrôleur de vol lui-même (la plupart fonctionnent à une tension nominale de 5 V), et la seconde est la plage de tension d'entrée du microprocesseur principal (3,3 V ou 5 V). Étant donné que le contrôleur de vol est un appareil intégré, il vous suffit de faire attention à la plage de tension d'entrée du contrôleur. La plupart des contrôleurs de vol d'UAV multi-rotors fonctionnent à 5V, car cette tension est générée par le BEC (voir la section " Powerplant" pour plus d'informations).

Répétons-le. Idéalement, il n'est pas nécessaire d'alimenter le contrôleur de vol séparément de la batterie principale. La seule exception est si vous avez besoin d'une batterie de secours au cas où la batterie principale dégage tellement de puissance que le BEC ne peut pas générer suffisamment de courant/tension, provoquant ainsi une mise hors tension/réinitialisation. Mais, dans ce cas, des condensateurs sont souvent utilisés à la place d'une batterie de secours.

Capteurs

D'un point de vue matériel, un contrôleur de vol est essentiellement un microcontrôleur programmable ordinaire, uniquement avec des capteurs spéciaux à bord. Au minimum, le contrôleur de vol comprendra un gyroscope à 3 axes, mais pas de mise à niveau automatique. Tous les contrôleurs de vol ne sont pas équipés des capteurs suivants, mais ils peuvent également en inclure une combinaison:

  • Accéléromètre: Comme leur nom l'indique, les accéléromètres mesurent l'accélération linéaire en trois axes (appelons-les: X, Y et Z). Habituellement mesuré en "G (en russe. Idem)". La valeur standard (normale) est g = 9,80665 m / s². Pour déterminer la position, la sortie de l'accéléromètre peut être intégrée deux fois, bien qu'en raison de pertes à la sortie, l'objet puisse être sujet à une dérive. La caractéristique la plus importante des accéléromètres à 3 axes est qu'ils enregistrent la gravité, et en tant que tels, ils peuvent savoir dans quelle direction "descendre". Cela joue un rôle majeur pour assurer la stabilité du drone multi-rotor. L'accéléromètre doit être monté sur le contrôleur de vol de manière à ce que les axes linéaires coïncident avec les axes principaux du drone.

  • Gyroscope: Le gyroscope mesure le taux de variation des angles le long de trois axes angulaires appelez-les: alpha, bêta et gamma). Généralement mesuré en degrés par seconde. Notez que le gyroscope ne mesure pas directement les angles absolus, mais vous pouvez itérer pour obtenir un angle qui, comme l'accéléromètre, encourage la dérive. La sortie d'un vrai gyroscope a tendance à être analogique ou I2C, mais la plupart du temps, vous n'avez pas à vous en soucier car toutes les données entrantes sont traitées par le code du contrôleur de vol. Le gyroscope doit être installé de manière à ce que son axe de rotation coïncide avec l'axe du drone.

  • Unité de mesure inertielle (IMU): L'IMU est essentiellement une petite carte qui contient à la fois un accéléromètre et un gyroscope (généralement multi-axes). La plupart d'entre eux comprennent un accéléromètre à trois axes et un gyroscope à trois axes, d'autres peuvent inclure des capteurs supplémentaires, tels qu'un magnétomètre à trois axes, fournissant un total de 9 axes de mesure.

  • Boussole / Magnétomètre: Une boussole magnétique électronique capable de détecter le champ magnétique terrestre et d'utiliser ces données pour déterminer la direction de la boussole du drone (par rapport au pôle nord magnétique). Ce capteur est presque toujours présent si le système dispose d'une entrée GPS et est disponible sur un à trois axes.

  • Pression / Baromètre: Étant donné que la pression atmosphérique change avec la distance par rapport au niveau de la mer, vous pouvez utiliser un capteur de pression pour obtenir une lecture assez précise de l'altitude du drone. Pour calculer l'altitude la plus précise, la plupart des contrôleurs de vol reçoivent des données simultanément d'un capteur de pression et d'un système de navigation par satellite (GPS). Lors de l'assemblage, veuillez noter qu'il est préférable que le trou dans le boîtier du baromètre soit recouvert d'un morceau de caoutchouc mousse pour réduire l'effet négatif du vent sur la puce.

  • GPS: Global Positioning System (GPS) pour déterminer votre emplacement géographique spécifique, utilise des signaux envoyés par plusieurs satellites en orbite autour de la Terre. Le contrôleur de vol peut avoir à la fois un module GPS intégré et un module connecté par câble. L'antenne GPS ne doit pas être confondue avec le module GPS lui-même, qui peut ressembler à une petite boîte noire ou à une antenne "Duck" ordinaire. Pour obtenir des données de localisation précises, le module GPS doit recevoir des données de plusieurs satellites, et plus il y en a, mieux c'est.

  • Distance: Les capteurs de distance sont de plus en plus utilisés sur les drones car les coordonnées GPS et les capteurs de pression ne peuvent pas dire à quelle distance vous êtes du sol (colline, montagne ou bâtiment), ou si vous allez ou non entrer en collision avec un objet. Le capteur de distance orienté vers le bas peut être basé sur la technologie à ultrasons, laser ou lidar (les capteurs IR peuvent rencontrer des problèmes à la lumière du soleil). Les capteurs de distance sont rarement inclus en standard avec un contrôleur de vol.

Modes de vol

Voici une liste des modes de vol les plus populaires, cependant, tous ne sont pas disponibles dans contrôleurs de vol... Le "mode de vol" est la manière dont le contrôleur de vol utilise des capteurs et des commandes radio entrantes pour stabiliser et piloter l'UAV. Si l'équipement de contrôle utilisé dispose de cinq canaux ou plus, l'utilisateur peut configurer le logiciel, ce qui lui permettra de changer de mode via le 5ème canal (interrupteur auxiliaire) directement pendant le vol.

  • ACRO - généralement le mode par défaut, de tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise uniquement le gyroscope (le drone ne peut pas se mettre automatiquement à niveau). Convient pour le vol sportif (acrobatique).
  • ANGLE - mode stable; de tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope et un accéléromètre. Les angles sont limités. Maintiendra le drone en position horizontale (mais sans tenir la position).
  • HORIZON - combine la stabilité du mode "ANGLE", lorsque les bâtons sont proches du centre et se déplacent lentement, et les acrobaties du mode "ACRO" lorsque les bâtons sont dans leurs positions extrêmes et se déplacent rapidement. Le contrôleur de vol utilise uniquement le gyroscope.
  • BARO (Maintien de l'altitude) - mode stable; de tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope, un accéléromètre et un baromètre. Les angles sont limités. Le baromètre est utilisé pour maintenir une certaine altitude (fixe) lorsqu'aucune commande n'est donnée par l'équipement de contrôle.
  • MAG (Heading Hold) - mode de verrouillage de cap (direction de la boussole), le drone gardera l'orientation de lacet. Parmi tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope, un accéléromètre et une boussole.
  • HEADFREE (CareFree, Headless) - élimine le suivi d'orientation (Yaw) du drone et vous permet ainsi de vous déplacer dans le sens 2D selon le mouvement de la manette ROLL / PITCH. Parmi tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope, un accéléromètre et une boussole.
  • GPS / Retour à la maison - Utilise automatiquement la boussole et le GPS pour revenir à l'emplacement de décollage. Parmi tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope, un accéléromètre, une boussole et un module GPS.
  • GPS / Waypoint - permet au drone de suivre de manière autonome des points GPS prédéfinis. Parmi tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope, un accéléromètre, une boussole et un module GPS.
  • GPS / Maintien de la position - maintient la position actuelle à l'aide du GPS et du baromètre (si disponible). Parmi tous les capteurs disponibles, le contrôleur de vol utilise un gyroscope, un accéléromètre, une boussole et un module GPS.
  • Failsafe - si aucun autre mode de vol n'a été spécifié, le drone passe en mode Acro. De tous les capteurs disponibles, seul le gyroscope est utilisé par le contrôleur de vol. Utile en cas de panne du logiciel du drone, il permet de reprendre le contrôle du drone à l'aide de commandes préalablement prédéfinies.

Logiciel

Régulateur PID (affectation et réglage)

Proportionnel Intégral Dérivé (PID) ou Proportional-Integral-Derivative (PID) est un logiciel de contrôleur de vol qui lit les données des capteurs et calcule à quelle vitesse les moteurs doivent tourner pour que l'UAV se déplace à la vitesse souhaitée.

Les développeurs de drones prêts à voler ont tendance à régler de manière optimale les paramètres du contrôleur PID, c'est pourquoi la plupart des drones RTF sont parfaitement pilotés dès la sortie de la boîte. Que ne peut-on pas dire des assemblages d'UAV personnalisés, où il est important d'utiliser un contrôleur de vol universel adapté à tout assemblage multi-rotor, avec la possibilité d'ajuster les valeurs PID jusqu'à ce qu'elles répondent aux caractéristiques de vol requises de l'utilisateur final.

GUI

Interface utilisateur graphique (GUI) ou interface utilisateur graphique C'est ce qui est utilisé pour éditer visuellement le code (à l'aide d'un ordinateur) qui sera chargé dans le contrôleur de vol. Le logiciel fourni avec les contrôleurs de vol ne cesse de s'améliorer; les premiers contrôleurs de vol utilisaient principalement des interfaces textuelles, ce qui obligeait les utilisateurs à comprendre presque tout le code et à modifier des sections spécifiques en fonction de la conception. Récemment, l'interface graphique utilise des interfaces graphiques interactives pour permettre à l'utilisateur de configurer plus facilement les paramètres nécessaires.

Fonctionnalités supplémentaires

Le logiciel utilisé sur certains contrôleurs de vol peut avoir des fonctionnalités supplémentaires qui ne sont pas disponibles pour autres. Le choix d'un contrôleur de vol particulier peut finalement dépendre des fonctionnalités / fonctionnalités supplémentaires proposées par le développeur. Ces fonctions peuvent inclure:

  • Navigation autonome aux points de cheminement - Permet à l'utilisateur de définir des points de cheminement GPS que le drone suivra de manière autonome.
  • Orbiting - mouvement du drone autour d'une coordonnée GPS donnée, où l'avant du drone est toujours dirigé vers la coordonnée donnée (pertinent pour le tir).
  • Suivez-moi - de nombreux drones ont une fonction « Suivez-moi », qui peut être basée sur le positionnement par satellite (par exemple, suivre les coordonnées GPS d'un smartphone ou un module intégré au équipement de contrôle GPS).
  • Image 3D - La plupart des images 3D sont prises après le vol à l'aide d'images et de données GPS acquises pendant le vol.
  • Open Source - Le logiciel de certains contrôleurs de vol ne peut pas être modifié/configuré. Les produits open source permettent généralement aux utilisateurs expérimentés de modifier le code en fonction de leurs besoins spécifiques.

Communications

Radiocommande (RC)

La radiocommande comprend généralement émetteur RC/RC émetteur (dans les loisirs sans pilote - équipement de radiocommande / télécommande) et récepteur RC (récepteur RC)

  • Throttle / Elevation
  • Yaw
  • Tangage
  • ​​
  • Roulis

Tous les autres canaux disponibles peuvent être utilisés pour des actions telles que:

  • Armement (Armer ou Armer) / Désarmer (Désarmer ou Désarmer) - armer/désarmer les moteurs...
  • Contrôle de la nacelle (panoramique haut / bas, rotation dans le sens horaire / antihoraire, zoom)
  • Changer les modes de vol (ACRO / ANGLE, etc.)
  • Activer / Activer la charge utile (parachute, buzzer ou autre dispositif)
  • Toute autre application

La plupart des utilisateurs (pilotes de drones) préfèrent le contrôle manuel, cela prouve une fois de plus que le pilotage avec l'équipement de contrôle reste le choix numéro un. A lui seul, le récepteur RC transmet simplement les valeurs provenant de l'émetteur RC, ce qui signifie qu'il ne peut pas contrôler le drone. Le récepteur RC doit être connecté à un contrôleur de vol, qui à son tour doit être programmé pour recevoir des signaux RC. Il existe très peu de contrôleurs de vol sur le marché qui acceptent directement les commandes radio entrantes du récepteur, et la plupart des PC alimentent même le récepteur à partir de l'une des broches. Les considérations supplémentaires lors du choix d'une télécommande incluent:

  • Tous les émetteurs RC ne peuvent pas fournir la gamme complète de signaux RC de 500 ms à 2500 ms; certains limitent artificiellement cette portée, car la plupart des RC utilisés sont destinés aux voitures, avions et hélicoptères radiocommandés.
  • Plage / Max. portée dans l'air (mesurée en pieds ou en mètres) Les systèmes RC-ne sont presque jamais fournis par les fabricants, car ce paramètre est influencé par de nombreux facteurs tels que le bruit, la température, l'humidité, la puissance de la batterie et autres.
  • Certains systèmes RC ont un récepteur qui a également un émetteur intégré pour transmettre les données du capteur (par exemple les coordonnées GPS), qui seront ensuite affichées sur l'écran LCD de l'émetteur RC.

Bluetooth

Les produits Bluetooth et ultérieurs BLE (Bluetooth Low Energy) étaient à l'origine destinés à transférer des données entre appareils sans couplage ni fréquence correspondant à. Certains contrôleurs de vol disponibles dans le commerce peuvent envoyer et recevoir des données sans fil via une connexion Bluetooth, ce qui facilite le dépannage sur le terrain.

Wi-Fi

Le contrôle Wi-Fi est généralement réalisé via un routeur Wi-Fi, ordinateur (y compris ordinateur portable, ordinateur de bureau, tablette) ou smartphone. Le Wi-Fi est capable de gérer à la fois la transmission de données et le streaming vidéo, mais en même temps, cette technologie est plus difficile à configurer/implémenter. Comme pour tous les appareils Wi-Fi, la distance est limitée par l'émetteur Wi-Fi.

Radiofréquence (RF ou RF)

Le contrôle de radiofréquence (RF) dans ce contexte fait référence au transfert sans fil de données d'un ordinateur ou d'un microcontrôleur à un avion à l'aide d'un émetteur/récepteur RF (ou d'un émetteur-récepteur double bande). L'utilisation d'une unité RF conventionnelle connectée à un ordinateur permet une communication bidirectionnelle sur de longues distances avec une densité de données élevée (généralement au format série).

Smartphone

Bien qu'il ne s'agisse pas d'un type de communication, la question elle-même est de savoir comment contrôler un drone utilisant un smartphone, de quoi lui donner une section à part. Les smartphones modernes sont essentiellement des ordinateurs puissants qui, par coïncidence, peuvent également passer des appels téléphoniques. Presque tous les smartphones disposent d'un module Bluetooth intégré ainsi que d'un module WiFi, chacun servant à contrôler le drone et/ou à recevoir des données et/ou des vidéos.

L'infrarouge (IR)

Télécommande TV) est rarement utilisé pour contrôler les drones, car même dans les pièces ordinaires (sans parler des espaces ouverts), il y a tellement d'interférences infrarouges que ce n'est pas très fiable. Malgré le fait que la technologie puisse être utilisée pour contrôler le drone, elle ne peut pas être proposée comme option principale.

Considérations supplémentaires

Fonctionnalité: Les fabricants de contrôleurs de vol essaient généralement de fournir autant de fonctions que possible - sont soit inclus par défaut, soit achetés séparément en tant qu'options / modules complémentaires. Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des nombreuses fonctionnalités supplémentaires que vous voudrez peut-être examiner lorsque vous comparerez les contrôleurs de vol.

Amortissement: Même les petites vibrations dans le cadre, généralement causées par des rotors et/ou des moteurs déséquilibrés, peuvent être détectées par l'accéléromètre intégré, qui à son tour enverra les signaux appropriés au processeur principal, qui prendra les mesures correctives. Ces corrections mineures sont inutiles ou indésirables pour un vol stable, et il est préférable de faire vibrer le contrôleur de vol le moins possible. Pour cette raison, des amortisseurs/amortisseurs de vibrations sont souvent utilisés entre le contrôleur de vol et le châssis.

Enceinte: L'enceinte de protection autour du contrôleur de vol peut être utile dans diverses situations. En plus d'être plus esthétique qu'un circuit imprimé nu, un boîtier offre souvent un certain niveau de protection électrique. éléments, ainsi qu'une protection supplémentaire en cas d'accident.

Montage: Il existe différentes manières de monter le contrôleur de vol sur le châssis, et tous les contrôleurs de vol n'ont pas les mêmes options de montage:

  1. Quatre trous à une distance de 30,5 mm ou 45 mm les uns des autres au carré.
  2. Fond plat à utiliser avec un autocollant.
  3. Quatre trous dans un rectangle (standard non installé).

Communauté: Puisque vous construisez un drone personnalisé, participer à une communauté en ligne peut être très utile, surtout si vous rencontrez des problèmes ou si vous souhaitez des conseils. Obtenir des conseils de la communauté ou consulter les commentaires des utilisateurs concernant la qualité et la facilité d'utilisation des différents contrôleurs de vol peut également être utile.

Accessoires: Pour une utilisation complète du produit, en plus du contrôleur de vol lui-même, vous aurez peut-être besoin d'articles connexes (accessoires ou options). De tels accessoires peuvent inclure, sans s'y limiter: un module GPS et/ou une antenne GPS; câbles; accessoires de montage; écran (LCD / OLED);

Exemple

Donc, avec toutes ces différentes comparaisons, quelles informations pouvez-vous obtenir sur le contrôleur de vol et que pourrait inclure le contrôleur de vol? Nous avons choisi Quadrino Nano Flight Controller

Processeur principal

Utilisé à bord ATMel ATMega2560 est l'une des puces ATMel compatibles Arduino les plus puissantes. Bien qu'il dispose d'un total de 100 broches, dont 16 canaux analogiques-numériques et cinq ports SPI, en raison de sa petite taille et de son utilisation prévue en tant que contrôleur de vol, seuls quelques-uns d'entre eux sont présents sur la carte.

  • AVR vs PIC: AVR
  • Processeur: 8 bits
  • Fréquence de fonctionnement: 16MHz
  • Mémoire programme / Flash: 256 Ko
  • SRAM: 8 Ko
  • EEPROM: 4 Ko
  • Broches E/S supplémentaires: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × GPIO 10 broches; Servo avec 5x sorties; Port OLED
  • Convertisseur A/N: 10 bits

Capteurs

Quadrino Nano inclus la puce MPU9150 IMU, qui comprend un gyroscope 3 axes, un accéléromètre 3 axes et un magnétomètre 3 axes. Cela permet de garder la carte suffisamment petite sans sacrifier la qualité du capteur. Le baromètre MS5611 fournit des données de pression et est recouvert d'un morceau de mousse. GPS Venus 838FLPx intégré avec antenne GPS externe (incluse).

Logiciel

Le Quadrino Nano a été spécialement conçu pour utiliser le dernier logiciel MultiWii (basé sur Arduino). Au lieu de modifier directement le code Arduino, un logiciel distinct plus graphique a été créé.

Communication

  • Entrée directe du récepteur RC standard.
  • Port de récepteur satellite Spektrum dédié
  • Série (SBus et/ou Bluetooth ou radios 3DR)

Facteurs supplémentaires

  1. Boîtier: Boîtier de protection translucide inclus en standard
  2. Montage: Il existe deux manières principales de fixer le Quadrino Nano au drone: vis et écrous ou autocollant en caoutchouc mousse.
  3. Conception compacte: le contrôleur lui-même (à l'exclusion de l'antenne GPS) mesure 53 x 53 mm.

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