CN103092219A - 一种fsm远程实时控制时间补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FSM远程实时控制时间补偿系统及方法，由硬件和软件组成，硬件中的位置传感器把获取的FSM位置信息通过数据采集模块与嵌入式处理平台最后送给远程PC端，同时记录下数据传递时间戳，通过时间戳计算出数据传递的时间差，PC端的GPU进行卡尔曼滤波计算出把数据传递回控制执行器时刻的位置信息并把该信息传递给嵌入式处理平台，在嵌入式处理平台进行数据的实时补偿校正，用计算控制信息控制FSM，同时用传回的时间戳计算传递的时间差平均值，并不断的用新时间差计算时间差平均值进行时间补偿；软件包含底层软件和控制软件。本发明实现了对FSM实时控制过程中的时间补偿，提升了控制性能，降低了成本，还减轻了设计的工作量和难度。

Description

一种FSM远程实时控制时间补偿系统及方法

技术领域

本发明属于光电控制测量技术领域。具体涉及一种FSM远程实时控制时间补偿系统及方法。

背景技术

随着技术的进步，信息技术与计算机技术得到了快速发展，快速倾斜反射镜，即FSM，简称快反镜，其控制精度越来越高，对控制信息提出了更高的实时性要求。目前广泛应用的光电经纬仪的粗精跟踪方式很难适应人工手动控制高精度的实时性要求，特别是远程控制操作，对于时间要求越来越严格的FSM控制，远程控制FSM不具有时效性。中国专利文献库公布了一项名称为《基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法》（专利申请号201110100694.2）的发明专利申请技术，该发明专利申请技术公开了一种基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法：（1）光束瞄准时，目标相对于光束统计中心存在偏差b，采集目标反射信号，估计偏差大小，记为b1；（2）瞄准系统驱动快反镜使光束沿x正轴偏转b1；（3）采集信号，估计偏差，记为b2；（4）如果已瞄准，执行第1步；如果b2大于b1的1.9倍，执行第5步；否则执行第6步；（5）控制光束沿x轴负轴偏转b2；（6）根据b、b1、b2，求出偏差b2的方向；（7）控制光束沿估计出的方向角偏转b2；（8）采集信号，估计偏差，记为b3；（9）如果已瞄准，则执行第1步；否则执行第10步；（10）控制光束沿y轴负向偏转b3，执行第1步。发明申请在进行跟踪控制的时候时效性不高，不适合用于远程实时控制，当控制数据到达执行器的时候，该数据对应的时刻已经过去了，不能实现对快反镜的有效远程控制。

发明内容

本发明技术解决问题：为了克服FSM跟踪控制过程中时效性差的缺点，提供一种FSM远程实时控制时间补偿系统及方法，能够有效、实时远程控制FSM，提升FSM跟踪控制的能力，

本发明技术解决方案：一种FSM远程实时控制时间补偿系统，包括：FSM1、信号调理模块2、数据采集模块3、嵌入式处理平台4、PC端5、以太网9、模拟驱动模块10、控制执行器11、电机12和位置传感器13；所述嵌入式处理平台4包括ARM7和DSP8，DSP8直接通过总线接口与数据采集模块3的接口相接；位置传感器13对FSM1的位置信息进行探测，将位置信息经过信号调理模块2调理，再把调理后的模拟电信号送给数据采集模块3进行采集，数据采集模块3把模拟电信号转换成数字信号后送给嵌入式处理平台4，嵌入式处理平台4中的ARM7通过以太网9把该信息传给远程的PC端5，PC端5获取到该位置信息后，把这些信息送给内部的GPU6，在GPU6中进行预测算法运算，利用FSM1每个新的位置和时间参数进行预测，从而产生超前的位置控制参数，然后通过PC端5与嵌入式处理平台4的以太网9传给DSP8，DSP8通过对直接从数据采集模块3送过来的数据进行分析与分组缓存滤波处理，然后利用PC端5传过来的预测控制信息补偿该结果或者直接利用其中的控制信息直接控制FSM1，从而产生相应的控制数据，并送给模拟驱动模块10，模拟驱动模块10根据控制数据向控制执行器11传递控制信息，控制执行器11通过所给的控制信息对FSM1进行跟踪控制。

所述预测算法运算为卡尔曼滤波运算，要结合FSM控制系统模型，根据包含测量位置信息与控制数据在内的信息进行计算，算出预测的控制信息。

所述DSP8将直接从数据采集模块3送过来的数据进行分组、每组数据采用FIFO缓存，然后对数据进行噪声滤波。

所述信号调理模块2中的调理是对位置传感器13输出信号进行滤波、缩放。

所述数据采集模块3采用分辨率大于14bit的高精度的A/D转换器，同时采用FPGA或者CPLD获取数据，并设计相应的接口与嵌入式处理平台4上的接口相连。

所述总线接口为PCI总线或PCIe总线。

所述ARM7和DSP8集成于ARM+DSP双核处理器，或采用ARM+DSP模式设计，ARM和DSP通过高速接口进行数据通信。

所述PC端5采用的是X86架构的CPU，以实时性强的VxWorks操作系统为基础，同时采用能够并行处理的GPU6作为计算单元，GPU6直接进行硬件执行运算，速度很快，仅有纳米级的时间误差，时间确定，预测计算时，这些预测计算花费的时间可忽略或在本身计算时补偿到总的时间里，GPU6可以选用NVIDIA公司的GeForce GT640T，也可以选用其他产品，能用在X86架构上均可，该X86架构的CPU可以选择intel公司的双核或者多核处理器，具有相应的100M/1000M的MAC接口即可。

一种FSM远程实时控制时间补偿方法，实现步骤如下：

第一步，计算出FSM1的位置信息从位置传感器13到嵌入式处理平台4的传输时间，然后把这个时间段记录在嵌入式处理平台4中进行统一处理，此时Δt4为0；

第二步，当该位置信息传递到了嵌入式处理平台4后，在每个数据帧之后加时间戳，编码后通过以太网9送给PC端5，此处时间戳表示的是此时的时间信息；

第三步，远程的PC端5接收到数据后，立刻记录当前的时间，计算出通过以太网9传递的时间延迟，即此时的时间减去数据帧的时间戳，得到Δt2和FSM1位置数据帧，Δt2是以太网9传递的时间延迟；

第四步，把Δt2是以太网9传递的时间延迟Δt2与FSM1位置数据帧一起发给PC端5中的GPU6，利用GPU6解算出位置数据，在GPU6进行预测算法运算，利用该算法进行FSM1的位置预测，通过已有的时间差Δt2，预测出从此时刻tn再把预测信息传递过去的预估时间差Δt5，即tn+Δt5时刻的FSM1的预测控制信息；所述Δt5为Δt2和Δt4的二分之一，即Δt5=（Δt2+Δt4）/2；

第五步，把tn+Δt5时刻的FSM1预测控制信息加上此时的时间戳，编码组成一个数据帧；

第六步，利用以太网9把第五步产生的数据帧传递给嵌入式处理平台4，记录下嵌入式处理平台4收到第五步产生的数据帧的时刻信息，通过此时的时刻减去第五步产生的数据帧包含的时间，得到从PC端5通过以太网9传给嵌入式处理平台4的时间Δt3；

第七步，嵌入式处理平台4中的DSP8通过第五步产生的数据帧对从数据采集模块3传递过来的数据进行补偿，将补偿后的数据通过双环的闭环控制PID算法计算出控制数据，实现实时时间补偿控制计算，从而对FSM1进行实时控制；同时在ARM7中计算出加权时间差Δt4，即Δt4=（Δt5+Δt3）/2；

第八步，如果需要进行FSM1的控制，则返回第二步，否则结束。

所述的控制执行器是直接驱动FSM中的控制电机的设备，直接利用控制执行器可以控制FSM的光电跟踪控制。

本发明的FSM1由多轴控制，对每个位置的新息进行预测，根据实际的FSM1系统，获得系统状态，即目前tn时刻的位置信息X（k-1）和控制系数A，A为支撑FSM1控制轴的参数矩阵，此时的X（k-1）和控制系数A已知；设U（k）是预测的控制参数，B是控制系数，B是矩阵，此时U（k）和B已知；通过数据采集模块3获取目前tn时刻的数据Z（k-1）也是矩阵，Z（k）是tn+Δt5时刻相应的数据，H是测量系数，H是矩阵为已知条件。建立系统微分方程如下：

X（k）=A X（k-1）+B U（k）    （1）

Z（k）=H X（k）    （2）

根据实际情况，设tn+Δt5时刻预测位置信息为：

X（k|k-1）=A X（k-1|k-1）+B U（k-1）    （3）

用P（k|k-1）表示X（k|k-1）对应的协方差，P（k-1|k-1）表示X（k-1|k-1）对应的协方差，则有：

P（k|k-1）=A P（k-1|k-1）A’    （4）

式（4）中A’表示A的转置矩阵。

结合预测值和测量值，我们可以得到现在状态tn+Δt5时刻的最优化估算值X（k|k）：

X（k|k）=X（k|k-1）+Kg（k）（Z（k）-H X（k|k-1））    （5）

从该式（5）中得到X（k|k），就可以利用目标位置与最优估算位置X（k|k）之差作为控制输入信号，直接利用多轴控制PID算法进行tn+Δt5时刻的FSM（1）位置控制。

其中Kg为卡尔曼增益（Kalman Gain）：

Kg（k）=P（k|k-1）H’/（H P（k|k-1）H’）     （6）

H’为H矩阵的转置矩阵。

根据上述6个公式，已经得到了tn+Δt5时刻下最优的估算值X（k|k）。但是为了要令卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束，我们还要更新tn+Δt5时刻下X（k|k）的协方差：

P（k|k）=（I-Kg（k）H）P（k|k-1）    （7）

其中I为1的矩阵。

当系统进入tn+Δt5时刻的后一个时刻时即当在tn+Δt5时刻预测下一个时刻时，P（k|k）就是式子（4）的P（k-1|k-1），算法就可以自回归的运算下去，自动的计算X（k|k），这也就能一直计算新的预测控制值U（k）。

根据预测出的FSM的位置信息，将该预测值和控制目标值相减代入PID控制算法，得到相应的控制信息，该方法能够极好的在DSP中进行PID运算，达到控制的目的。

所述的实时控制中，可以直接利用在GPU中计算出来的结果控制FSM。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明充分运用了远程数据传输中对总线数据的时间补偿，通过一步步的计算和平均，通过卡尔曼滤波对FSM进行位置预测，随着控制次数的增加，对FSM实时控制的时间补偿就会越来越准确。

（2）本发明避免了对FSM远程测量控制过程中的时间丢失，在不增加任何硬件的基础上实现了对FSM实时控制过程中的时间补偿，提升了控制性能，降低了工程成本，还减轻了设计的工作量和难度。

（3）本发明实现了对FSM实时控制过程中的时间补偿，提升了控制性能，降低了成本，还减轻了设计的工作量和难度。

附图说明

图1为本发明的FSM远程实时控制时间补偿系统硬件结构图；

图2为本发明的FSM远程实时控制时间补偿方法实现流程图；

图中1.FSM，2.信号调理模块，3.数据采集模块，4.嵌入式处理平台，5.PC端，6.GPU，7.ARM，8.DSP，9.以太网，10.模拟驱动，11.控制执行器，12.电机，13.位置传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的FSM远程实时控制时间补偿方法，由硬件和软件组成，硬件中的位置传感器13对FSM1的位置信息进行探测，然后将位置信息经过信号调理模块2调理，然后把调理后的模拟电信号送给数据采集模块3进行采集，数据采集模块3把模拟电信号转换成数字信号后送给嵌入式处理平台4，嵌入式处理平台4中的ARM7通过以太网9把该信息传给远程的PC端5，PC端5获取到FSM1的位置信息后，把这些信息送给内部的GPU6，在GPU6中进行类似于卡尔曼滤波算法的运算，利用FSM1每个新的位置的新息进行预测，从而产生超前的控制参数，然后通过PC端5与嵌入式处理平台4的以太网9传给DSP8，DSP8通过对直接从数据采集模块3送过来的数据进行分组，然后采用与该数据等宽的FIFO进行缓存，然后通过FIR低通滤波器滤除噪声干扰，然后利用PC端5传过来的预测控制信息补偿该结果，从而产生相应的控制数据，并送给模拟驱动10，模拟驱动模块10根据控制数据向控制执行器11传递控制信息，控制执行器11通过所给的控制信息对FSM1进行跟踪控制，采用PID控制算法，实现双环反馈控制，满足控制信息要求。

软件又包含底层软件和控制软件，底层软件包含PC端5的VxWorks操作系统和嵌入式处理平台4中的Linux操作系统，以及在各自的操作系统下的驱动程序；控制软件是基于底层软件的，如图2所示，其处理流程如下：

a）在设计的时候计算出FSM1的位置信息从位置传感器13到嵌入式处理平台4的传输时间，因为这段时间全都是硬件传输，可以计算出确定的时间，然后把这个时间段记录在嵌入式处理平台4中进行统一处理，此时Δt4为0；

b）当该位置信息传递到了嵌入式处理平台4后，在送给以太网9之前进行编码，同时在每帧数据之后加上时间戳，该时间戳是当前的时间，编码的时候把时间信息编在FSM1位置信息之后；

c）当远程的PC端5接收到数据后，立刻记录当前的时间，计算出通过以太网9传递的延迟，即此时的时间减去数据帧的时间戳，得到Δt2；

d）然后把该时间与传递过来的FSM1位置数据帧一起发给PC端5中的GPU6，利用GPU6解算出位置数据，利用GPU6建立状态观测矩阵，如果利用卡尔曼滤波算法则要建立状态观测矩阵，利用该算法进行FSM1的位置预测，通过已有的时间差Δt2，预测出从此时tn再把预测信息传递过去的时间段Δt5，即tn+Δt5时刻的FSM1的预测控制信息，Δt5=（Δt2+Δt4）/2；

e）PC端5对通过GPU6计算出来的tn+Δt5时刻的FSM1预测控制信息进行编码，同时加上此时的时间戳，时间戳信息放在预测出来的FSM1预测控制信息之后组成一个数据帧；

f）利用以太网9把该tn+Δt5时刻的FSM1的预测控制信息数据帧传递给嵌入式处理平台4，利用嵌入式中的DSP8进行实时数据补偿，同时记录下嵌入式处理平台4收到tn+Δt5时刻的FSM1的预测控制信息数据帧的时刻信息，通过此时的时刻减去tn+Δt5时刻的FSM1的预测控制信息数据帧中的时间，得到从PC端5通过以太网9传给嵌入式处理平台4的时间Δt3；

g）嵌入式处理平台4中的DSP8通过PC端5传递过来的预测FSM1的预测控制信息对从数据采集模块3传递过来的数据进行补偿，将补偿后的数据通双环的闭环控制PID算法计算出控制数据，实现实时时间补偿控制计算，从而对FSM1进行实时控制；

h）同时在ARM7中计算出Δt4，即Δt4=（Δt5+Δt3）/2；

i）如果需要进行FSM1的控制，则返回步骤b），否则结束。

所述的位置传感器13采集的是FSM1的三维数据信息，描述的是FSM1的方向信息，输出的是模拟电信号。

本发明的FSM（1）由多轴控制，对每个位置的新息进行预测，根据实际的FSM（1）系统，获得系统状态，即目前tn时刻的位置信息X（k-1）和控制系数A，A为支撑FSM（1）控制轴的参数矩阵，此时的X（k-1）和控制系数A已知；设U（k）是预测的控制参数，B是控制系数，B是矩阵，此时U（k）和B已知；通过数据采集模块3获取目前tn时刻的数据Z（k-1）也是矩阵，Z（k）是tn+Δt5时刻相应的数据，H是测量系数，H是矩阵为已知条件。建立系统微分方程如下：

X（k）=A X（k-1）+B U（k）    （1）

Z（k）=H X（k）    （2）

根据实际情况，设tn+Δt5时刻预测位置信息为：

X（k|k-1）=A X（k-1|k-1）+B U（k-1）    （3）

用P（k|k-1）表示X（k|k-1）对应的协方差，P（k-1|k-1）表示X（k-1|k-1）对应的协方差，则有：

P（k|k-1）=A P（k-1|k-1）A’    （4）

式（4）中A’表示A的转置矩阵。

结合预测值和测量值，可以得到现在状态tn+Δt5时刻的最优化估算值X（k|k）：

X（k|k）=X（k|k-1）+Kg（k）（Z（k）-H X（k|k-1））    （5）

从该式（5）中得到X（k|k），就可以利用目标位置与最优估算位置X（k|k）之差作为控制输入信号，直接利用多轴控制PID算法通过模拟驱动10传递出去进行FSM1的tn+Δt5时刻位置控制。

其中Kg为卡尔曼增益（Kalman Gain）：

Kg（k）=P（k|k-1）H’/（H P（k|k-1）H’）    （6）

H’为H矩阵的转置矩阵。

根据上述6个公式，已经得到了tn+Δt5时刻下最优的估算值X（k|k）。但是为了要令卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束，还要更新tn+Δt5时刻下X（k|k）的协方差：

P（k|k）=（I-Kg（k）H）P（k|k-1）    （7）

其中I为1的矩阵。

当系统进入tn+Δt5时刻的后一个时刻时即当在tn+Δt5时刻预测下一个时刻时，P（k|k）就是式子（4）的P（k-1|k-1），算法就可以自回归的运算下去，自动的计算X（k|k），这也就能一直计算新的预测控制值U（k）。该算法已经非常成熟，自卡尔曼在其博士论文中提出，在包含航天航空在内的各领域中成功的应用已有四五十年的历史。

所述的信号调理主要对位置传感器13输出的信号进行滤波、缩放到数据采集模块3允许输入的范围内。

本发明的数据采集模块3采用的是高精度的A/D转换器，同时采用FPGA或者CPLD进行数据的获取，并设计相应的接口与嵌入式处理平台4上的接口相连。

所述的嵌入式处理平台4主要包含ARM7和DSP8，DSP8直接通过总线接口与数据采集模块3的接口相接，这些接口可以采用包含PCI总线、PCIe总线在内的诸多总线实现。

本发明的嵌入式处理平台4中的ARM7和DSP8可以集成于ARM+DSP双核处理器，也可以采用ARM+DSP模式设计，ARM和DSP通过高速接口进行数据通信，选择的ARM处理器上需要有100M或者1000M的MAC接口。

所述的实时控制中，可以直接利用在GPU6中计算出来的结果控制FSM1。

本发明的PC端5采用的是X86架构的CPU，以高实时性的VxWorks操作系统为基础，同时采用能够并行处理的GPU6作为计算单元，GPU6直接进行硬件执行计算，速度很快，仅有纳米级的时间误差，时间确定，预测计算时，这些预测计算花费的时间可以忽略或在本身计算时补偿到总的时间里，该GPU6可以选用NVIDIA公司的GeForce GT640T，也可以选用其他产品，能用于X86架构上GPU均可，该X86架构的CPU可以选择intel公司的双核或者多核处理器，具有相应的100M/1000M的MAC接口即可。

所述控制执行器11直接驱动FSM1中的控制电机12的设备，直接利用控制执行器11可以进行FSM1的光电跟踪控制。

Claims (9)

1.一种FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于包括：FSM（1）、信号调理模块（2）、数据采集模块（3）、嵌入式处理平台（4）、PC端（5）、以太网（9）、模拟驱动模块（10）、控制执行器（11）、电机（12）和位置传感器（13）；所述嵌入式处理平台（4）包括ARM（7）和DSP（8），DSP（8）直接通过总线接口与数据采集模块（3）的接口相接；位置传感器（13）对FSM（1）位置信息进行探测，将该信息经过信号调理模块（2）调理，再把调理后的模拟电信号送给数据采集模块（3）进行采集，数据采集模块（3）把模拟电信号转换成数字信号后送给嵌入式处理平台（4），嵌入式处理平台（4）中的ARM（7）通过以太网（9）把该信息传给远程的PC端（5），PC端（5）获取到该信息后，把这些信息送给内部的GPU（6），在GPU（6）中进行预测算法运算，利用FSM（1）每个新的位置和时间参数进行预测，从而产生超前的针对FSM（1）位置信息的控制参数，然后通过PC端（5）与嵌入式处理平台（4）的以太网（9）传给DSP（8），DSP（8）通过对直接从数据采集模块（3）送过来的数据进行分析与分组缓存滤波处理，然后利用PC端（5）传过来的预测控制信息补偿该结果或者直接利用其中的控制信息直接控制FSM（1），从而产生相应的控制数据，并送给模拟驱动模块（10），模拟驱动模块（10）根据控制数据向控制执行器（11）传递控制信息，控制执行器（11）通过所给的控制信息对FSM（1）进行控制。

2.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述预测算法运算结合FSM（1）控制系统模型，根据包含测量位置信息与控制数据在内的信息进行卡尔曼滤波运算，预测FSM（1）的位置信息，然后根据该预测信息计算出控制信息。

3.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述DSP（8）将直接从数据采集模块（3）送过来的数据进行分组、每组数据采用FIFO缓存，然后对数据进行噪声滤波。

4.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述信号调理模块（2）中的调理是对位置传感器（13）输出信号进行滤波、缩放。

5.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述数据采集模块（3）采用分辨率大于14bit高精度的A/D转换器，同时采用FPGA或者CPLD获取数据，并设计相应的接口与嵌入式处理平台（4）上的接口相连。

6.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述总线接口为PCI总线或PCIe总线。

7.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述ARM（7）和DSP（8）集成于ARM+DSP双核处理器，或采用ARM+DSP模式设计，ARM和DSP通过高速接口进行数据通信。

8.根据权利要求1所述的FSM远程实时控制时间补偿系统，其特征在于：所述PC端（5）采用的是X86架构的CPU，以实时性强的VxWorks操作系统为基础，同时采用能够并行处理的GPU（6）作为计算单元。

9.一种FSM远程实时控制时间补偿方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步，计算出FSM（1）的位置信息从位置传感器（13）到嵌入式处理平台（4）的传输时间，然后把这个时间段记录在嵌入式处理平台（4）中进行统一处理，此时Δt4为0；

第二步，当FSM（1）的位置信息传递到了嵌入式处理平台（4）后，在每个数据帧之后加时间戳，编码后通过以太网（9）送给PC端（5），此处时间戳表示的是此时的时间信息；

第三步，远程的PC端（5）接收到数据后，立刻记录当前的时间，计算出通过以太网（9）传递的时间延迟，即此时的时间减去数据帧的时间戳，得到Δt2和位置数据帧，其中Δt2是以太网（9）传递的时间延迟；

第四步，把以太网（9）传递的时间延迟Δt2与位置数据帧一起发给PC端（5）中的GPU（6），利用GPU（6）解算出位置数据，在GPU（6）进行预测算法运算，利用该算法进行FSM（1）的位置预测，通过已有的时间差Δt2，预测出从此时刻tn再把预测信息传递过去的预估时间差Δt5，即tn+Δt5时刻的FSM（1）的预测控制信息，此时Δt5为Δt2和Δt4的二分之一，即Δt5=（Δt2+Δt4）/2；

第五步，把tn+Δt5时刻的FSM（1）预测控制信息加上此时的时间戳，编码组成一个数据帧；

第六步，利用以太网（9）把第五步产生的数据帧传递给嵌入式处理平台（4），记录下嵌入式处理平台（4）收到第五步产生的数据帧的时刻信息，通过此时的时刻减去第五步产生的数据帧包含的时间，得到从PC端（5）通过以太网（9）传给嵌入式处理平台（4）的时间Δt3；

第七步，嵌入式处理平台（4）中的DSP（8）通过第五步产生的数据帧对从数据采集模块（3）传递过来的数据进行补偿，将补偿后的数据通过双环的闭环控制PID算法计算出控制数据，实现实时时间补偿控制计算，从而对FSM（1）进行实时控制；同时在ARM（7）中计算出加权时间差Δt4，即Δt4=（Δt5+Δt3）/2；

第八步，如果需要进行FSM（1）的控制，则返回第二步，否则结束。

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