星空体育app官方下载 飞思卡尔智能车电磁组技术报告

第十级自由杯国家大学生

智能汽车比赛

技术报告

概括

本文将第十届全国大学学生智能汽车竞争作为背景，并介绍了基于电磁导航的智能赛车控制系统的软件和硬件结构和开发过程。

该系统使用Freescale半导体公司的32位微控制器MK60DV510ZVLQ100用作核心控制器，使用IAR6.3程序编译器，并将LC频率选择电路用作轨道路径检测设备来检测轨道电线以指导汽车来检测电磁波来指导汽车。通过增量编码器检测到模型汽车的实时速度，并且控制器运行PID控制和其他控制算法以调整驾驶电动机的速度和转向伺服的角度，从而实现了对模型CAR的运动速度和车辆方向的闭环控制。

同时，我们使用集成的OP放大器来扩增LC频率选择信号，并通过微控制器的内置AD采样模块在轨道上获得了当前传感器的位置信息。

通过与视觉范围，MATLAB和其他主机计算机软件的合作，最终确定了现有的系统结构和各种控制参数。

实验结果表明，系统设计方案可以使智能汽车能够稳定而可靠地运行。

关键字：MK60DV510ZVLQ100，PID控制，MATLAB，智能汽车

第十届国立大学学生智能汽车邀请赛的技术报告

目录

第1章简介（5）

第2章系统解决方案设计（6）

2.1整体系统解决方案的设计（6）

2.2总体系统计划设计图（6）

电磁传感器模块（7）

控制器模块（7）

电源管理模块（7）

编码器速度测量模块（7）

伺服驱动器模块（8）

起跑线检测模块（8）

人类计算机相互作用模块（8）

范围模块（8）

第3章机械结构调整和优化（8）

3.1智能汽车前轮定位的调整（8）

国王销倾角（9）

3.1.2主销倾斜角（9）

3.1.3前轮倾角角（10）

3.1.4前轮脚趾（10）

3.2伺服器的安装（11）

3.3编码器安装（12）

3.4对车辆重心的调整（12）

3.5传感器安装（13）

3.6安装范围测量模块（14）

第4章硬件电路设计（15）

4.1最小微控制器系统（15）

4.2电源管理模块（16）

4.3电磁传感器模块（17）

4.3.1电磁传感器的原理（17）

4.3.2信号的检测放大（18）

4.4编码器接口（19）

4.5伺服驱动器模块（20）

4.6电动机驱动模块（20）

4.7人类计算机交互模块（21）

第5章控制算法设计说明（22）

5.1主要程序流（22）

5.2跟踪信息收集和处理（23）

5.2.1传感器数据过滤和可靠性处理（23）

5.2.2获得位置偏差（25）

5.3控制算法实现（27）

5.3.1 PID算法原理简介（27）

5.3.2基于位置PID的方向控制（31）

5.3.3基于增量PID和Stick控制的速度控制（31）

5.3.4双车距离控制和坡道处理（33）

第6章系统开发和调试（34）

6.1开发环境（34）

6.2高电脑显示（35）

6.3汽车模型的主要技术参数（36）

第7章现有问题和摘要（37）

7.1生产结果（37）

7.2问题和想法（37）

7.3缺陷和改进（37）

参考（38）

附录的一部分程序代码（39）

第十届国立大学学生智能汽车邀请赛的技术报告

第1章简介

随着科学和技术的持续发展和进步，智能控制的应用变得越来越广泛，它几乎渗透到所有领域。

智能汽车技术依赖于智能控制，具有广泛的前景和快速发展。

目前，在汽车行业中掌握关键技术的发达国家为智能汽车和商用车辅助驾驶系统开发了许多实验平台。

一些研究认为，智能汽车是一种全新的汽车概念和汽车产品，将在不久的将来成为汽车生产和汽车市场中的主流产品。

原则上，全国各地拥有自动化专业的大学（包括香港和澳门的大学）将参加全国大学学生的智能汽车比赛。

竞赛将首先在每个子细分区域进行注册和初步。每个子细分区域的获胜球队将参加全国决赛。竞争分为三个问题组：光电，摄像头和电磁。汽车模型中使用了道路检测方法来执行道路检测方法属于相机问题组，并且电磁信号巡逻线的使用属于电磁问题组，此外，它属于光电问题组。

它的设计内容涵盖了多个学科的知识，例如控制，模式识别，传感技术，汽车电子，电气，计算机，机械，能量等，并且对学生的知识整合和实践动手的能力具有良好的驾驶效果。

The competition requires that on the prescribed automotive model platform, Freescale Semiconductor's 8-bit, 16-bit and 32-bit microcontrollers are used as the core control unit to independently conceive control solutions for system design, including sensor signal acquisition and processing, motor drive, steering servo control and control algorithm software development, etc. microcontrollers are used as core control modules to create a model car that can independently识别道路。

参与团队成员的目标是，模型车需要根据规则在最短的时间内完成圈轨道。

自从今年第五次磁性渗透率组出现参加第10次比赛以来，电磁车已经在智能汽车的轨道上运行了6年。

在智能汽车比赛成立十周年之际，电磁组的汽车使用第一次两车追逐开始比赛，这大大增加了电磁集团竞争的观看，但也给汽车的控制计划带来了巨大的挑战。经过持续的努力，我们终于解决了各种问题，使这两辆车在同一轨道上稳定稳定，并确保两辆汽车的相距不远。

第2章系统解决方案设计

本章主要介绍整体系统解决方案的设计和组成。在以下各章中，将详细介绍系统的机械结构设计，硬件电路设计和车辆控制算法。

2.1整体系统解决方案的设计

根据竞争规则的相关规定，智能车辆电磁组采用了B型汽车模型或B型汽车模型以及竞争组织委员会提供的其他模型的组合形式。

由于电磁组是今年首次追逐，以促进控制算法，因此我们应尽可能保持两辆车的机械结构的一致性，我们选择两辆车使用B车辆模型。这样做的原因是减少两辆车的工作量，并在车辆稳定控制上花费更多时间以及两辆车辆协调的控制。

在控制器选择方面，我们使用Freescale生产的MK60N510ZVLQ100作为主要控制芯片，以调试IAR集成开发环境中的控制算法。

赛车检测到通过LC频率选择电路周围产生的稳定电磁信号，并通过集成的OP AMP电路放大小信号，从而使微控制器的内部AD可以直接识别信号并将模拟信号转换为数字信号。微控制器通过数字模型的处理来计算汽车的当前位置和路径信息，并发出控制信号以控制伺服器以根据正确的路径驱动。

在速度控制中，通过编码器收集脉冲信号，并将其输入微控制器以进行处理以获取车辆的当前速度信息。控制器结合了当前角度和实时速度，以计​​算适合当前路径的驾驶速度，并通过PID算法计算PWM波的占空比，以提供控制信号以控制电动机驱动器的输出，以输出正确的等效电压以调节电动机速度以调整电动机速度，以使CAR达到给定控制器的速度。

2.2整体系统计划设计图

图2.2智能汽车的整体结构图

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根据上述系统设计，智能汽车包括：电磁传感器模块，K60核心板，电源管理模块，编码器速度测量模块，伺服驱动器模块，电动机驱动器模块，起始线路检测模块，钥匙，拨号开关和LCD显示模块，超声波和红外传输和接收器和接收模块。每个模块的组成和功能如下：

电磁传感器模块

电磁传感器模块由三个部分：LC频率选择电路，信号放大电路和滤波器电路组成。

由于计算后，由于20kHz变量电压通过轨道上的搪瓷线传递，因此我们选择了10MH I形电感器和6.8NF校正电容器作为LC频率选择电路的设备。

LC频率选择网络的输出电压幅度约为20至100mV，因此信号需要扩增。在全面比较了LMV358，INA128，OPA2350等之后，我们最终选择了Opa2350作为放大器电路的OP AMP芯片。

OPA2350具有38MHz的通带宽，轨道到轨输入和输出特性以及低压偏移特性，可以完全满足智能汽车信号处理中的小信号放大应用。

过滤电路我们选择了双电压整流器电路加RC过滤的方法，实验表明滤波电路具有良好的滤波效果。

控制器模块

我们选择了Freescale生产的MK60DN512ZVLQ100，该MK60DN512ZVLQ100可以用作主要控制芯片，该芯片具有丰富的芯片资源，高主频率和高芯片稳定性。

它可以在智能汽车调试过程中完全满足各种需求。

电源管理模块

根据智能汽车主控制板上不同模块的要求，电池电压需要转换为3.3V，5.0V和12V电压，以便为每个模块供电。我们已经选择了TPS7333，AMS1117-3.3，AMS1117-3.3，MC34063和其他设备为模块提供电压。

编码器速度测量模块

为了实现闭环速度控制，我们采用了200线编码器来获取实时速度。

此外，微控制器内部的正交解码模块用于脉冲计数，以实现实时速度解决方案和控制。

伺服驱动器模块

我们已经采用了SD-5数字伺服器作为组织委员会指定的方向控制执行器。

SD-5具有高工作频率和快速反射速度的特征。

起线检测模块

该智能汽车比赛的电磁组的起跑线检查与往年相同。车辆通过检测轨道上的强磁铁而停止。因此，我们使用正常打开的芦苇管作为起跑线检测设备。

当磁场超过一定强度时，芦苇管的正常打开接触被关闭，车辆会产生电平信号以将其发送到微控制器，并且控制器为此信号发送了正确的动作信号。

人类计算机相互作用模块

人类计算机交互模块包括：LCD显示，按钮和拨号开关。

在调整智能汽车的参数期间星空体育官方网站，通过在LCD，按钮和拨号开关上显示数据来修改参数，从而节省了重复下载程序的过程并节省了很多时间进行调试。

范围模块

范围模块包括超声波传输和接收，红外传播和接收。

前面的汽车传输红外信号和超声波信号。由于红外信号非常快地传播，因此传输时间基本上可以忽略不计。通过测量红外信号和超声信号之间的时间差，可以计算出汽车之间的距离。

第3章机械结构调整和优化

3.1智能汽车前轮定位的调整

当模型车转弯时，转向伺服器上的载荷将由于车轮转向角的增加而增加。

由于离心力，内部前轮可能在急转弯的过程中稍微抬起，甚至从轮胎上剥下轮胎。从光明的角度来看星空体育平台官网入口，转弯并不光滑且沉重，转向失败。

为了最大程度地减少转向伺服载荷，我们调整了前轮定位。

前轮定位的功能是确保汽车的笔直驾驶，轻转向并减少轮胎磨损的稳定性。

前轮定位参数主要包括：主销倾斜角，主销倾斜角，前轮倾角角和前轮前梁。

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国王销后角

主销的背面倾斜角是指主销轴和纵向平面中垂直线之间的角度。

当车辆转动时，它将产生与车轮偏转方向相反的正扭矩，从而使车轮自动返回其原始中间位置。

因此，主销的斜角越大，速度越高，前轮自动返回右侧的能力越强，但是过度的正扭矩会导致车辆变重。

主销倾斜角通常设置为1°至3°。

如图3-1-1所示

图3-1-1国王销后倾斜的示意图

模型车通过增加或减少黄色垫圈的数量来改变主销的倾斜角度。由于比赛中使用的转向伺服器不强，因此主销的过度倾斜角将使转向重量，转弯反应将是磁滞，因此将其设置为0°以提高其转向的柔韧性。

3.1.2主销的倾斜角

主销的倾斜角是汽车横截面中主销和垂直线的垂直线之间的角度。它具有自动返回右侧的车轮的效果。当汽车转向时，后轮上的电阻扭矩也将减小，这可以减少伺服器在转动过程中施加的力，从而使转向器易于操作。通常，其调整范围为0-10度。

如图3-1-2所示

图3-1-2国王销倾斜角的示意图

3.1.3前轮倾角角

前轮的倾斜角是指汽车横平与车轮平面之间的交叉线，穿过车轮的中心和地面上的垂直线。

随附的角度对汽车的转向性能有直接影响。它的功能是提高前轮的转向安全性和转向处理的轻度。

在汽车的横向平面中，当轮胎的形状为“八”时，它被称为“负倾角”，当它的形状为“ v”时，它被称为“正倾角”。

如果车轮垂直于地面，则一旦装满了变形，就会容易变形，这可能会导致车轮上部向内倾斜，从而损坏车轮耦合。

因此，将车轮提前偏向正倾角，通常该角度约为1°，以减少轴承负载，增加零件的使用寿命并提高汽车的安全性能。

该型号汽车提供了特殊的倾覆调整配件，以大致调整其倾角角度。

由于该模型主要用于比赛中的比赛，因此有必要尽可能减轻体重。底盘和前桥上的负载不大，因此倾斜角仅调节到0°，并且必须与前轮脚趾匹配。

3.1.4前轮前束

前轮脚趾角是指前轮的中心线与汽车纵向中心线之间的角度。

它的功能是确保汽车的笔直驾驶的性能并减少轮胎的磨损。当前轮滚动时，其惯性力自然会向内偏转轮胎。脚趾束将适当地抵消此挠度以减少轮胎的磨损。考虑到车轮和地面之间的摩擦与抓地力成正比，它对汽车的加速度和减速性能产生了重要影响。我们调整了脚趾束角，并在一定程度上降低了车轮的磨损。

如图3-1-4所示

图3-1-4前轮脚趾的示意图

3.2伺服的安装

伺服器的安装与转向问题直接相关。

如果伺服器未正确调整，则转向角度和转向响应速度将在很大程度上受到限制。

安装伺服器有两种方法，一种是水平安装，另一种是垂直安装。

水平安装是车辆模型的默认安装方法，但是此安装将导致左侧和右侧的连杆不同。根据杠杆的原理，可以看出，伺服器在长连杆轮上使用的力更大，这会导致转向左侧和右侧的转向响应时间不同。

此外，由于水平安装将导致连杆与水平面的角度一定角度，因此可以从机械知识中可以看出，在车轮转向中获得的力只是伺服器在连接杆上施加的力的水平成分。

根据全面的考虑，我们选择了伺服器的垂直安装方法。

将伺服器放在汽车型号的前部中间，以确保汽车模型转向的机械对称性。

采用标准化的伺服尺寸和连接方法来适当延长伺服力臂，并确保扭矩朝水平方向起作用并减少其他方向的损耗，以使伺服输出力臂增加，也就是说，伺服器以较小的角度旋转，前轮旋转。但是，这种方法是以在一定程度上降低扭矩的代价，因此不能添加力臂太长。因此，在重复调试后，选择了适当长度的连杆杆，从而确保了更快的反应速度和足够大的输出扭矩。

如图3-2-1所示

图3-2-1伺服安装效果图

3.3编码器安装

我们使用Omron E6A2-CW3C 500电线编码器进行测量速度，安装在后齿轮上，并通过变速箱连接到后轮。

编码器可以输出AB的两相脉冲，并且可以通过正交解码来测量正向旋转和反向旋转。

如图3-3-1所示

图3-3-1编码器安装效果图

3.4调整汽车的重心

智能汽车型号用于赛车。从理论上讲，重心越低，汽车模型就越稳定。但是，考虑到汽车型号必须穿过坡道并且不会卡住，我们将底盘高度调整为约6mm。

另外，当汽车模型高速运行时，机械稳定性主要反映在四个车轮中。因此，应将重力的前后中心调整为四个车轮的几何中心。但是，为了获得足够的前瞻性，传感器支架相对较长，因此我们在汽车车身后半部安装了汽车型号的较大质量电池，并且电动机驱动器正上方安装在后轮上方。同时，较轻的方形碳棒用作安装传感器。

设备的支撑使重心倾向于四个车轮的几何中心。

重心调整如图3-4-1所示。

图3-4-1重心调整中心的示意图

3.5传感器安装

为了减轻车身的重量，除了使用较轻的碳棒作为支架外，我们仅将电感器放在LC频率选择网络中，并在汽车主体的前部将其放置在LC频率选择网络中，并使用搪瓷电线将信号引导回主控制板。电容器，放大器电路和过滤电路都在主控制板上排列。

这可以最大程度地减少传感器支架的重量，同时考虑到车身的重心，同时改善传感器的前景。

前瞻性长度对于电磁车也至关重要。您可以发现轨道信息的距离越长，并且车辆可以提早响应，这有助于提高转弯的平稳性。

但是，与此同时，当这两条轨道太近时，前向前可能会导致车辆绊倒，从而违反法规。

传感器安装和传感器布置的高度在车辆的驾驶中也起着至关重要的作用。高传感器支架有利于检测更多的轨道信息，但也增加了穿越的风险。

低传感器安装座有助于检测更稳定的轨道信息，但它们通常容易出现诸如Undomooth Colling等问题。

传感器布置方案确定路径识别算法。水平排列电感器线性较好，倾斜电感器对曲线更敏感，垂直电感器对直角更敏感。

基于上述解决方案，我们最终在约47厘米处选择传感器前景，高度约为20厘米。电感布局方案和实际渲染图如图3-5-1和图3-5-2所示。

图3-5-1电感布置方案的示意图

图3-5-2传感器安装的实际效果图

3.6安装范围测量模块

该竞赛增加了电磁双车追竞赛竞赛，这也是该竞赛中电磁群的两个最大要点。为了获得双车的示例控制，我们使用红外传感器和超声模块来获取双车的距离信息。

超声传输模块和红外变速箱模块安装在前车上，超声波接收模块和红外接收模块安装在后车上。由于红外光线的传播速度接近光速，因此空气中超声波传播的速度为每秒340米，比红外光线的传播速度小得多。因此，可以通过检测红外信号和超声信号之间的时差来获得两辆车之间的距离。

图3-6-1分别是前车辆和后车辆的距离测量模块安装的示意图。

图3-6-1安装效果图图（DO）和后车（右）的距离传感器图

汽车1的整体渲染

汽车模型整体渲染2

第4章硬件电路设计

4.1微控制器的最小系统

我们选择了Freescale生产的MK60DN512ZVLQ100作为智能汽车的主要控制芯片。该芯片基于ARM Cortex-M4系列32位微控制器，具有丰富的芯片资源，并且可以完全满足智能汽车的控制需求。

图4-1微控制器的最小系统板接口电路

4.2电源管理模块

智能汽车使用组织委员会提供的7.2V 2000mAh Ni-CD电池作为汽车的唯一能源，该电压提供了7.2V的电压。

根据不同模块的电源要求，主控制板还需要3.3V电源和5.0V电源。

其中，微控制器和传感器对电源电压有很高的要求，因此我们使用低辍学线性电压稳定设备TPS7333作为微控制器和传感器的电源。

其他接口电路使用AMS1117向每个模块提供所需的3.3V和5.0V电源。

此外，MOS驾驶员芯片HIP4082还需要12V电源，将在后面的部分中提及。

每个电源模块的示意图如图4-2所示。

图4-2电源管理模块

4.3电磁传感器模块

电磁传感器是汽车最重要的模块之一。传感器性能的质量直接影响信号采集精度和汽车的控制性能。

因此，在设计智能汽车的过程中，我们专注于研究传感器模块。

根据组织委员会的规定，电磁场信号是由20kHz频率和100mA电流的交替电压产生的磁场信号。

智能汽车通过检测磁场信号获得当前的轨道信息。

在对传感器模块的研究过程中，我们测试了大量电感器，发现只有10MH可以获得相对规则的正弦波。

频率与轨道电源频率一致，并且随着电感器距离从通电导体距离增加而振幅逐渐衰减。

4.3.1电磁传感器的原理

根据电磁学的说法，我们知道通过电线的不平坦电流会在电线周围产生不均匀的磁场。

根据电线中的正选择法变化的电流将产生一个磁场，该磁场根据导线周围的正选择法变化。

根据电磁诱导定律，我们知道切割磁性电线将在电线两端产生诱导的电动力。

它正是使用此

根据相同的原理，我们将电感器放置在通电导体周围。导体产生的不断变化的磁电感器将切割电感器的线圈，从而在电感器的两端产生诱导的电动力。通过检测诱导电动力的变化定律，我们可以知道电感器与导体之间的位置关系。

但是该空间充满了各种电磁信号，它们切割了电感器线圈以产生弱电动力，从而干扰有用的信息。

如图4-3-1所示，可以使用LC频率选择电路（带通路）有效解决此问题。

图4-3-1 LC平行谐振电路

在图中，诱导的电动力R0是等效电阻，L是电感电感器的电感值，C是谐振电容器。

电路的共振频率是：

众所周知，诱导的电动力的频率为ƒ= 20kHz，电感电感器L = 10 MH的值。可以计算出谐振电容器的电容为C = 6.33×10-9f。通常，可以在市场上购买的标称电容器最接近上述值为6.8nf。因此，我们以6.8nf的电容值测试了电容器，并最终发现6.8NF校正电容器对信号具有良好的频率选择过滤效果。

4.3.2信号检测和扩增

平行谐振电路产生的诱导电动力振幅约为20MV-100MV，不能直接发送到微控制器的AD端口进行模拟转换，因此信号需要放大。

官方放大电路使用晶体管进行放大，但是使用晶体管进行放大的不可避免的缺点是温度漂移很大，因此我们放弃了使用晶体管进行放大的解决方案。

经过多次测试，我们选择了OPA2350作为放大器电路的OP AMP芯片，OPA2350，

它具有低电压漂移，高通带，轨道轨输入和输出特性，可以完全满足放大器电路的设计需求。

由于OPA2350是单个功率OP放大器，因此我们将VCC/2的参考电压添加到同相端，以确保全波扩增。同时，我们在每个输入和输出端添加了直接阻止电容器，以抑制通用模式信号。

放大器的信号输出是正弦信号，峰值峰值值约为3V。如果直接执行电压采样，则将增加软件过滤的工作量。因此，我们设计了双电压整流器电路和RC滤波电路，以便将要发送到采样的信号是相对稳定的DC信号，并且幅度与从电感器到电动导体的距离成正比。

为了获得较大的电压摆动，我们选择了电压双压整流电路中的二极管的Schottky二极管SS14。这种类型的二极管的开放电压比一般硅二极管（约0.7V）的开口电压小约0.2V。

确定最终计划如图4-3-2所示。

图4-3-2信号检测方法模块

4.4编码器接口

我们使用由Omron生成的E6A2-CW3C，500线增量旋转编码器，该编码器可以输出两个AB的两个正交信号。当向前旋转时星空体育app官方下载，A相会导致B期为90°，并且当倒置时，相B导致A相为90°。 Through orthogonal decoding, the forward and inverse rotation and real-time speed can be measured.

The encoder interface is shown in Figure 4-4.

如图所示

Figure 4-4 Encoder interface circuit

4.5 servo driver module

According to the requirements of the organizing committee, the B car model can only use the SD-5 digital servo. The working voltage of the SD-5 does not exceed 5.5V and the working current is about 800mA. The ordinary linear voltage-regulating power supply can only provide about 500mA of current. Therefore, we chose the switching power supply module LM2596 as the power supply for the servo.

The schematic diagram and servo interface circuit are shown in Figure 4-5.

Figure 4-5 Servo power supply and interface circuit

4.6 Motor drive module

Compared with the motor of the C model, the RS-540 motor used in the B model has the characteristics of large power and strong load capacity, and it also makes the motor's working current higher, which puts forward relatively high requirements for motor driving. In the previous solution, we used the integrated motor driving chip BTS7970 as the motor driving chip, but during the driving process of the vehicle model, the change of the set speed requires frequent forward and reverse rotation to control the speed. The reverse braking process of the motor will heat up, and when the temperature is too high, the chip will start overheating protection and stop running.

In response to this deficiency, we designed a full-bridge driver composed of four NMOSs, and used HIP4082 as the MOS driver chip to control the on and off of the MOS tube.

The HIP4082 is an integrated MOS driver dedicated chip that uses a bootstrap boost circuit to provide voltage for the turn-off of the upper and lower bridge arms, and has adjustable dead time control.

Since the operating voltage of HIP4082 is 10-15V, and the battery can only provide a voltage of 7.2V, it is necessary

The battery voltage is boosted by DC to power the HIP4082.

We use MC34063 as the boost chip to power HIP4082. The maximum output current of MC34063 is 500mA, which can fully meet the working requirements of HIP4082.

Since the 12V voltage is only used to drive the HIP4082 and is not loaded directly to both ends of the motor, it does not violate the regulations of the Organizing Committee on the motor supply voltage.

The MC34063 boost circuit and MOS full-bridge drive circuit are shown in Figure 4-6-1 and Figure 4-6-2.

Figure 4-6-1 MC34063 boost circuit

Figure 4-6-2 MOS full-bridge drive circuit

4.7 Human-computer interaction module

The human-computer interaction module includes buttons, dial switches and LCD displays. The rational use of the human-computer interaction module during the debugging of smart car parameters can save a lot of time for debugging.

Key circuit, dial switch circuit and LCD display interface are shown in the figure

4-7-1, Figure 4-7-2, Figure 4-7-3 shows.