CN104386238B - 一种农用无人直升机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种农用无人直升机，包括机身本体，机身本体包括机架，机架上设有用于固定主旋翼的旋翼头，主旋翼安装在旋翼头大桨夹上，通过机身本体内的电动机驱动；机架的后下方位置还设有喷杆，机架向后延伸形成尾管，尾管的末端设有四桨叶尾波箱；机架的下部的左右侧设置有药箱，机架下部还固定有脚架；机架包括从上而下依次固定连接的机身一层板、机身二层板和机身三层板；机身一层板和机身二层板分别套设于主轴的上下位置处而固定连接；机身二层板和机身三层板之间通过二三层板连接铝管固定连接；左右两侧的机身侧板安装于机身二层板和机身三层板之间的前端。本发明通过上述三层一体化机架，其重量轻、强度大、结构简单，可快速调整机身重心。
Description
技术领域
本发明属于飞行器制造领域，在IPC分类中属于B64大类，具体涉及一种用于农林植物保护（植保）作业的工业级电动无人直升机。
背景技术
随着无人直升机在各行业的应用研究，人们越发现无人直升机在社会生产和生活各个方面的作用日益显著。使用现代化的高新技术机械设备，不仅能够提高工作效率和质量、降低作业成本，还能够降低人员作业的风险，保护生命财产安全。其中，农用无人直升机与常规植保机械作业相比可谓好处多多，其作业效率是目前地面植保机械中防治效率最高的高架喷雾器作业效率的8倍，是人工背负式喷雾器作业效率的30倍。由于传统植保机械落后，加上使用方法不当，不能均匀施药，导致农药利用率极低，只有30％左右的农药被有效利用，70％左右的农药不仅没有发挥防治虫害的作用，还对生态环境造成了严重污染。农用无人直升机采用超低量喷雾，可节省90%的水和30%的农药，农药有效利用率达60%以上，而完成同样作业面积的成本比传统农机还要低。
一般的，用于农林植物保护作业的农用无人直升机，主要包括飞行平台（固定翼、单旋翼、多旋翼）、GPS飞控、喷洒机构三部分，通过地面遥控或GPS飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等。目前，现有的农用无人直升机的核心机身结构几乎是左右夹板式结构，这种结构的整体稳定性不足，在不同的荷载情况下，农用无人直升机飞行工况差别较大，因此现有的农用无人直升机具有如下缺点：
（1）农用无人直升机的整体结构的稳定性不足、机动荷载的承载能力小；
（2）农用无人直升机整体结构的机械复杂，标准化生产成本较高；
（3）在飞行状态下作为农用无人直升机的结构主体对关联固定支架的易产生变形。
为此，一篇申请号为201110435697.1的发明专利，公开了一种电动无人驾驶直升机桥梁式机身结构，其包括：从上至下依次分布，且均为水平放置的上层板、中层板和下层板；第一隔框，位于机身前部，垂直放置，连接中层板和下层板；第二隔框，位于机身中部，垂直放置，连接中层板和下层板；所述中层板在第一隔框与第二隔框之间有1个圆形的电动机安装孔；第三隔框，位于机身尾部，垂直放置，连接上层板、中层板和下层板；第四隔框，垂直放置，位于第二隔框上方，连接上层板和中层板；电动机固定板，水平放置，与电动机安装孔固定连接，用于连接电动机；侧板2；主轴；第五隔框，水平放置，与上层板固定连接，用于限定主轴。该发明采用了高层建筑和桥梁的框架式结构，把下部结构做的很紧凑，原发动机舱作为保护器材的设备舱，将上部分结构作为结构强度的主体部分。该专利中所提到的桥梁式机身结构是参照了小型遥控模型直升机机身机构改进而来，这种机构以机身侧板为主要载体和受力的设计方针，即机身每一层主要零部件都安装在侧板上。该发明专利公开的这种结构，机身较重、强度比低，飞行时机身容易产生变形；同时，由于受到侧板孔位的限制，依附在侧板上的零部件必须安装在固定的位置上，且位置不能挪动或调节，所以机身的重心位置也不好调节。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提供一种结构稳定、自重轻便的无人农业植保无人机，采用基于动力主轴为中心的三层一体化机架结构，在节省制造成本的同时又加强了机身结构的强度，大大提高了整体结构的稳定性，以及机动荷载的承载能力。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种农用无人直升机，包括机身本体，机身本体包括机架，机架上设有用于固定主旋翼的旋翼头，主旋翼安装在旋翼头大桨夹上，通过机身本体内的无刷电机驱动；机架的后下方位置还设有喷杆，机架向后延伸形成尾管，尾管的末端设有四桨叶尾波箱；机架的下部的左右侧设置有药箱，机架下部还固定有脚架。
其中，机架采用上、中、下三层板实现多层框架式结构，该机架包括从上而下依次固定连接的机身一层板、机身二层板和机身三层板；机身一层板和机身二层板分别套设于主轴的上下位置处而固定连接，具体的，机身一层板和机身二层板均具有轴承孔，机身一层板通过其轴承孔套设于主轴的上端某一位置处而将其固定，主轴的下端穿过机身二层板的轴承孔而固定设置，主轴的底端与动力传递装置连接，动力传递装置运动时，带动主轴转动；机身一层板和机身二层板平行设置，主轴与机身一层板、机身二层板和机身三层板垂直设置；机身二层板和机身三层板之间通过二三层板连接铝管固定连接，其中，机身二层板和机身三层板的左右两边分别对称设有铝管固定夹环，二三层板连接铝管固定于这两个铝管固定夹环之间，从而将机身二层板和机身三层板固定连接；左右两侧的机身侧板安装于机身二层板和机身三层板之间的前端（远离尾管的一端）。
进一步的，为了保证多层框架式结构的机架的稳固性，二三层板连接铝管设有两个，机身二层板和机身三层板的左右两边分别对称设有两个铝管固定夹环，两个二三层板连接铝管分别固定于这两对铝管固定夹环之间，从而将机身二层板和机身三层板固定连接；同时，左右的机身侧板对称设置，两个二三层板连接铝管对称设置，且左右的机身侧板和两个二三层板连接铝管的对称平面为同一对称平面。
进一步的，为了保证多层框架式结构的机架的稳固性，所述机身二层板和机身三层板之间还通过二三层板连接件固定连接，机身二层板的后端面（靠近尾管的一端）与二三层板连接件的顶端固定连接；机身三层板的底端还固定设置两个平行排列的机身碳纤维管，该二三层板连接件的下部设有与该机身碳纤维管配合的通孔，两个机身碳纤维管分别穿过二三层板连接件的通孔而固定设置，从而将机身三层板与二三层板连接件的下部固定。同时，两个平行排列的机身碳纤维管也对称设置，且两个机身碳纤维管和左右的机身侧板对称平面为同一对称平面。机身三层板的底端固定设置两个平行排列的机身碳纤维管，具体是机身三层板的底端设有夹管式固定座，两个机身碳纤维管穿过夹管式固定座而设置，并通过M3内六角螺丝将其固定。
本发明采用上述三层一体化结构，去掉了现有技术中的机身大侧板，把每层板做成一体式，使本发明的机架通过主轴、二三层板连接铝管、二三层板连接件以及机身侧板使位于上中下三层的机身一层板、机身二层板和机身三层板固定连接，形成简单牢固的机身主体机构。同时，通过设置电机下固定座及夹管式固定座，并与其通过M3内六角螺丝相固定，而机身上的两对此机身碳纤维管是穿过夹管式固定座而固定的，因而通过松开夹管式固定座上的螺丝，便可前后移动机身，从而调整机身整体重心。
另外，两个机身侧板通过其上下位置处的上下安装孔分别固定电机固定上座与电机固定下座，电机固定上座与电机固定下座用于固定安装无刷电机，电机固定上座用于安装固定无刷电机，电机固定下座主要起到支撑无刷电机轴前端的作用，保证电机轴的同心度；机身二层板与机身三层板上下之间安装主齿轮组；机身三层板上还设有过渡齿固定下座，机身二层板与过渡齿固定下座上下之间安装过渡齿轮组；电机固定上座上固定了无刷电机并与电机齿轮固定；一级减速皮带套于电机齿轮与过渡齿轮组之间，二级减速皮带套于过渡齿轮组与主齿轮组之间，主轴的底端固定设于机身三层板的主轴的轴承位上，工作时，无刷电机通过驱动电机齿轮，电机齿轮通过一级减速皮带带动过渡齿轮组，过渡齿轮组通过二级减速皮带带动主齿轮组，进而带动主轴转动。此传动结构齿轮组的减速比为13.7，通过合理的齿轮比搭配，让转速与扭力特性得到最大发挥，使得无刷电机在最高效转速下转化为主旋翼需要的转速。
本发明采用上述方案，具有如下优点：
1、通过上述上中下三层的机身一层板、机身二层板和机身三层板而形成简单牢固的机身主体机构——三层一体化机架，其重量轻、强度大、结构简单，且增强了机动荷载的承载能力；比传统的大侧板结构减轻了百分之三十的重量，并可通过各种固定座（安装于电机固定下座及机身三层板下的夹管式固定座）配合机身碳纤维管前后移动，实现快速调整机身重心；另外，三层一体化机架，其几何结构为龙骨形态，实现在三个维度相互支撑的力学体系，形成了一个具有较强刚性的框架结构，该设计能够在农业植保作业飞行中抗击航行变轨（如转弯、升降时）产生的能量，并将其均匀分散至机身各部分骨架，将整机的变形降低到最小程度，减少无人机的不稳定性问题，解决了现有农业植保无人机主体结构容易变形的问题。
2、三层一体化机架设有主齿轮组和过渡齿轮组两级的减速齿轮组，工作时电机带动第一级传动齿轮（电机齿轮）通过皮带（一级减速皮带）传至第一级的减速齿轮（即过渡齿轮组），然后通过第一级的减速齿轮的单向器同轴联动，带动第二级传动齿轮，再由第二级的传动齿轮通过皮带（二级减速皮带）传至第二级的减速齿轮 ( 即主齿轮组 )，从而达到减速的目的，并带动高负载的主旋翼转动，其具有高效的传动比。
附图说明
图1为本发明的农用无人直升机的立体图；
图2为本发明的农用无人直升机的正视图；
图3为本发明的农用无人直升机的侧视图；
图4为本发明的农用无人直升机的俯视图；
图5为本发明的多层框架式结构的机架的立体图；
图6为本发明的多层框架式结构的机架的分解图；
图7为本发明的多层框架式结构的机架的分解图（带有安装辅助线）；
图8为本发明的同轴舵机传动器的立体图；
图9为本发明的同轴舵机传动器的分解图；
图10为本发明的同轴舵机传动器的分解图（带有安装辅助线）。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
目前，农用无人直升机因为机身的结构设计问题，导致成本过高、稳定性不够、机身与负载设备匹配度低等瓶颈，一直制约着无人直升机进行工业级别的广泛应用。本发明正是对这种现状进行改善，发明一种简单牢固的机身主体机构——三层一体化机架，解决现有技术之不足。
参见图1-图4，本发明的一种农用无人直升机，包括机身本体，机身本体包括机架2，机架2上设有用于固定主旋翼的旋翼头3，主旋翼安装在旋翼头3的大桨夹上，通过机身本体内的无刷电机驱动；机架2的后下方位置还设有喷杆8，机架2向后延伸形成尾管218，尾管218的末端设有四桨叶尾波箱10；机架2上固定有同轴舵机传动器1、便调试安装装置4以及快速安装电池架7，机架2的下部的左右侧设置有药箱5，机架2下部还固定有脚架6。
其中，机架采用上、中、下三层板实现多层框架式结构，作为一个优选的实施例，图5-图7为该多层框架式结构的机架的立体图和分解图，图示中，各标号代表的部件名称如下：201：主轴，202：机身一层板，203：舵机固定座，204：机身二层板，205：机身侧板，206：电机固定上座，207：电机齿轮，208：电机固定下座，209：过渡齿固定下座，210：机身三层板，211：二三层板连接铝管，212：过渡齿轮组，213：主齿轮组，214：二三层板连接件，215：尾管连接件，216：仪器台，217：机身碳纤维管，218：尾管，219：一级减速皮带，220：二级减速皮带。
参见图5-图7，本发明的机架采用上、中、下三层板实现多层框架式结构，该机架包括从上而下依次固定连接的机身一层板202、机身二层板204和机身三层板210；机身一层板202和机身二层板204分别套设于主轴201的上下位置处而固定连接，具体的，本实施例中，机身一层板202和机身二层板204均具有轴承孔，机身一层板202通过其轴承孔套设于主轴201的上端某一位置处而将其固定，主轴201的下端穿过机身二层板204的轴承孔而固定设置，主轴201的底端与动力传递装置连接，动力传递装置运动时，带动主轴201转动；主轴201与机身一层板202、机身二层板204与机身三层板210垂直设置，为保证其连接的固定性，本实施例中采用垂直设置；机身二层板204和机身三层板210之间通过一对二三层板连接铝管211固定连接，其中，机身二层板204和机身三层板210的左右两边分别对称设有铝管固定夹环，两个二三层板连接铝管211固定于这两对铝管固定夹环之间，从而将机身二层板204和机身三层板210固定连接；左右两侧的机身侧板205安装于机身二层板204和机身三层板210之间的前端（远离尾管218的一端）。同时，左右两侧的机身侧板205对称设置，两个二三层板连接铝管211对称设置，且左右的机身侧板205和两个二三层板连接铝管211的对称平面为同一对称平面。机身三层板210的底端固定设置两个平行排列的机身碳纤维管217，具体是机身三层板210的底端设有夹管式固定座，两个机身碳纤维管217穿过夹管式固定座而设置，并通过M3内六角螺丝将其固定。本发明的上述结构，通过设置电机下固定座及机身三层板下的夹管式固定座，并与其通过M3内六角螺丝相固定，而机身上的两对此机身碳纤维管是穿过夹管式固定座而固定的，因而通过松开夹管式固定座上的M3内六角螺丝，便可前后移动机身，从而调整机身整体重心。
为了保证多层框架式结构的机架的稳固性，所述机身二层板204和机身三层板210之间还通过二三层板连接件214固定连接，机身二层板204的后端面（靠近尾管的一端)与二三层板连接件214的顶端固定连接；机身三层板210的底端还固定设置两个平行排列的机身碳纤维管217，该二三层板连接件214的下部设有与该机身碳纤维管217配合的通孔，两个机身碳纤维管217分别穿过二三层板连接件214的通孔而固定设置，从而将机身三层板210与二三层板连接件214的下部固定。同时，两个平行排列的机身碳纤维管217也对称设置，且两个机身碳纤维管217和左右的机身侧板205对称平面为同一对称平面。
另外，两个机身侧板205通过其上的上下安装孔分别固定电机固定上座206与电机固定下座208，电机固定上座206与电机固定下座208用于固定安装无刷电机，具体的，电机固定上座206用于安装固定无刷电机，电机固定下座208主要起到支撑无刷电机轴前端的作用，保证电机轴的同心度；机身二层板204与机身三层板210上下之间安装主齿轮组213；机身三层板210上还设有过渡齿固定下座209，机身二层板204与过渡齿固定下座209上下之间安装过渡齿轮组212；电机固定上座206上固定了无刷电机并与电机齿轮207 固定；一级减速皮带219套于电机齿轮207与过渡齿轮组212之间，二级减速皮带220套于过渡齿组211与主齿轮组213之间，主轴201的底端固定设于机身三层板上主轴的轴承位上，工作时，无刷电机通过驱动电机齿轮207，电机齿轮通过一级减速皮带219带动过渡齿轮组212，过渡齿轮组通过二级减速皮带220带动主齿轮组213，进而带动主轴201转动。
另外，机架向后延伸形成尾管218，二三层板连接件214和尾管连接件215均设有与尾管218对应的通孔，尾管218依次穿过二三层板连接件214和尾管连接件215的通孔而固定，二三层板连接件214的后端和尾管连接件215顶端通过仪器台216固定连接。
本发明采用上述三层一体化结构，从上到下依次分了三层，分别为机身一层板202、机身二层板204、机身三层板210；3个舵机固定座203安装于机身一层板202与机身二层板204之间，每个舵机固定座203固定有一舵机；两机身侧板205、二三层板连接铝管211以及二三层板连接件214安装于机身二层板204、机身三层板210之间；机身前部两侧的机身侧板205上下安装孔固定了电机固定上座206与电机固定下座208；机身中部安装了过渡齿固定下座209；电机固定上座206上固定了无刷电机并与电机齿轮207固定；机身二层板204与过渡齿固定下座209上下之间安装过渡齿轮组212；机身二层板204与机身三层板210上下之间安装主齿轮组213。另外，机架左右两侧的机身侧板205、两个二三层板连接铝管211以及两个机身碳纤维管217为对称结构安装，增强了上述结构的稳固性。
运行原理如下：无刷电机通过驱动电机齿轮207通过一级减速皮带219带动过渡齿轮组212，再通过二级减速皮带220带动主齿轮组213，进而带动主轴201转动。此传动结构齿轮组的减速比为13.7，通过合理的齿轮比搭配，让转速与扭力特性得到最大发挥，使得无刷电机在最高效转速下转化为主旋翼需要的转速。
另外，用于现有的农用无人直升机中，舵机在传统的机体上工作时除了输出扭力还要克服其它运动机构传递过来的径向压力。本发明加装了同轴舵机传动器后，舵机工作时只需输出扭力而不会受到其它运动机构传递过来的径向压力，从而使舵机在运行过程中更精确，延长舵机本身的使用寿命。
图8-图10为本发明的同轴舵机传动器的立体图和分解图，图示中，各部件的标号代表的名称如下：201：主轴，102：十字盘，103：金属球头，202：机身一层板，105：驱动连杆，106：摇臂（或称旋转臂），107：M3内六角螺丝，108：金属球头，204：机身二层板，110：M3内六角螺丝，111：输出旋转盘（或称舵机旋转轴圆盘），112：轴承，203：舵机固定座，114：M3内六角螺丝，115：连接舵机齿，116：舵机，117：M3内六角螺丝。
同轴舵机传动器采用基于对轴承组成的构件实现与伺服系统输出轴同轴的原理，如图8-10所示，所述同轴舵机传动器主要由摇臂106、M3内六角螺丝107、金属球头108、输出旋转盘111、轴承112、舵机固定座203、连接舵机齿115、舵机116、M2.5内六角螺丝117组成。如图9和图10所示，摇臂106安装于输出旋转盘111上并与连接舵机齿115相连嵌入到轴承112内，所述轴承112和舵机116分别安装于舵机固定座203左右两侧。组成整体安装于机身一层板202与机身二层板204之间，通过M3内六角固定螺丝110和M3内六角螺丝114固定。安装舵机116时，把舵机输出轴齿插入连接舵机齿115内，然后通过4颗M2.5内六角螺丝把舵机116锁紧于舵机固定座203上，最后并通过M3内六角螺丝把输出旋转盘111与舵机116固定住。通过利用轴承112连接舵机的输出轴，使输出轴在转动中保证同轴性，减少旋转臂传动的能量损失，增强舵机本体传动的稳定性，从而使飞行器的飞行状态相对稳定。
如图8所示，通过3个120°放置同轴舵机传动器联动工作驱动十字盘完成飞机的各种姿态变化。比如模型直升机主桨螺距的变化是由3个舵机同时等比例推拉十字盘上下运动而完成，升降的动作由升降舵机和副翼及桨距舵机的推、拉动作完成；副翼的动作由副翼和螺距舵机同时1个推1个拉完成。
综上，本发明采用上述三层一体化结构（两个小侧板+三层机身板之间的连接管+机架底层的机身碳纤维管），去掉了现有技术中的机身大侧板，把每层板做成一体式，通过两机身碳纤维管与电机固定下座、二三层板连接件、尾管连接件连接，使之形成机身主体机构。这种机身主体机构重量轻、强度大、结构简单，比传统的大侧板结构减轻了百分之三十的重量，并可通过各种固定座配合底层连接管前后移动可快速调整机身重心。同时，本发明通过伺服系统受力轴承+舵机旋转轴圆盘的结构，即利用舵机旋转轴圆盘连接伺服系统的受力轴承做同轴绕臂的传动方法，来实现整个同轴舵机传动器，使同轴舵机在工作时只需输出扭力而不会受到其它运动机构传递过来的径向压力，从而使舵机在运行过程中更精确，进而延长舵机本身的使用寿命。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种农用无人直升机，包括机身本体，机身本体包括机架，机架上设有用于固定主旋翼的旋翼头，主旋翼安装在旋翼头大桨夹上，通过机身本体内的电动机驱动；机架的后下方位置还设有喷杆，机架向后延伸形成尾管，尾管的末端设有四桨叶尾波箱；机架的下部的左右侧设置有药箱，机架下部还固定有脚架；
其特征在于：机架包括从上而下依次固定连接的机身一层板、机身二层板和机身三层板；机身一层板和机身二层板分别套设于主轴的上下位置处而固定连接；机身二层板和机身三层板之间通过二三层板连接铝管固定连接，其中，机身二层板和机身三层板的左右两边分别对称设有铝管固定夹环，二三层板连接铝管固定于这两个铝管固定夹环之间，从而将机身二层板和机身三层板固定连接；左右两侧的机身侧板安装于机身二层板和机身三层板之间的前端。
2.根据权利要求1所述的农用无人直升机，其特征在于：所述机身二层板和机身三层板之间还通过二三层板连接件固定连接，机身二层板的后端面与二三层板连接件的顶端固定连接；机身三层板的底端还固定设置两个平行排列的机身碳纤维管，该二三层板连接件的下部设有与该机身碳纤维管配合的通孔，两个机身碳纤维管分别穿过二三层板连接件的通孔而固定设置，从而将机身三层板与二三层板连接件的下部固定。
3.根据权利要求2所述的农用无人直升机，其特征在于：机身三层板的底端固定设置两个平行排列的机身碳纤维管，具体是机身三层板的底端设有夹管式固定座，两个机身碳纤维管穿过夹管式固定座而设置，并通过M3内六角螺丝将其固定。
4.根据权利要求2所述的农用无人直升机，其特征在于：左右的机身侧板对称设置，两个平行排列的机身碳纤维管也对称设置，且两个机身碳纤维管和左右的机身侧板对称平面为同一对称平面。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的农用无人直升机，其特征在于：所述机身一层板和机身二层板均具有轴承孔，机身一层板通过其轴承孔套设于主轴的上端一位置处而将其固定，主轴的下端穿过机身二层板的轴承孔而固定设置，主轴的底端与动力传递装置连接，动力传递装置运动时，带动主轴转动。
6.根据权利要求5所述的农用无人直升机，其特征在于：所述机身一层板和机身二层板平行设置，所述主轴与机身一层板垂直设置。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的农用无人直升机，其特征在于：二三层板连接铝管设有两个，机身二层板和机身三层板左右两边分别对称设有两个铝管固定夹环，两个二三层板连接铝管分别固定于这两对铝管固定夹环之间，从而将机身二层板和机身三层板固定连接。
8.根据权利要求7所述的农用无人直升机，其特征在于：左右的机身侧板对称设置，两个二三层板连接铝管对称设置，且左右的机身侧板和两个二三层板连接铝管的对称平面为同一对称平面。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的农用无人直升机，其特征在于：两个机身侧板的上下位置处分别固定电机固定上座与电机固定下座，电机固定上座与电机固定下座用于固定安装无刷电机，电机固定上座用于安装固定无刷电机，电机固定下座起到支撑无刷电机轴前端的作用，保证电机轴的同心度；机身二层板与机身三层板上下之间安装主齿轮组；机身三层板上还设有过渡齿固定下座，机身二层板与过渡齿固定下座上下之间安装过渡齿轮组；电机固定上座上固定了无刷电机并与电机齿轮固定；一级减速皮带套于电机齿轮与过渡齿轮组之间，二级减速皮带套于过渡齿组与主齿轮组之间，主轴的底端固定设于机身三层板的主轴的轴承位上，工作时，无刷电机通过驱动电机齿轮，电机齿轮通过一级减速皮带带动过渡齿轮组，过渡齿轮组通过二级减速皮带带动主齿轮组，进而带动主轴转动。
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