CN104494833B - 一种能够野外自动充电的智能飞行器系统及其充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够野外自动充电的智能飞行器系统及其充电方法,包括用于执行野外信息和数据采集任务的智能飞行器以及充电仓平台,智能飞行器利用预先部署于不同地理位置的多个充电仓平台作为基础充电设施,在智能飞行器电量低于预设值时自动完成对可抵达范围内所有充电仓平台的查找,飞行至可用充电仓平台进行充电,并在充电完成后返回原任务执行地点继续工作,从而保证飞行器在低电量时能够及时在任务途中得到能量补充,以此提高野外信息/数据采集任务的作业范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够野外自动充电的智能飞行器系统及其充电方法。
背景技术
四轴飞行器是一种常见的多旋翼飞行器,其通过支架支撑前后、左右两组共四个旋翼,每组旋翼旋向相同,两组旋翼分别互为正反旋翼,两组旋翼旋向相反,从而抵消飞行器机体扭力矩,防止自旋,保持机体平衡。四轴飞行器通过改变各旋翼旋转速来改变升力,进而改变四轴飞行器的飞行姿态和位置。由于其结构紧凑、质量轻、动作灵活、抗风能力强,一般适宜在比较狭小的空间或者复杂地形环境中使用,可应用于野外信息/数据采集等任务。
但是,四轴飞行器的飞行距离严重受限于供电能量(电池容量),目前常用的方法是增加电池容量,但电池容量的增加会造成飞行器负重增大、输出功率随之上升,飞行距离无法随着所携带的电池容量增加而线性增加,制作成本与电池技术限制着飞行器的最远飞行距离,因此无法从根本上解决飞行器飞行距离受限的问题。
目前,已有部分组织与人员对飞行器的的充电问题进行了设计,如中国科学院自动化研究所公开号为CN103944236A的中国发明专利”基于自然能蓄电的无线充电平台”。该平台将收集到的太阳能、风能转化为存储于蓄电池中的电能。当智能飞行器停落于该充电平台上时,平台开始对飞行器进行无线充电。但是,此发明专利存在如下问题:
1、对环境条件要求高,不适于大量部署。该充电平台需要安放在日照条件良好或风力充足的环境下,以满足内部蓄电池的蓄电要求,因此前期选址难度较高。然而,过少的充电平台不能有效保证任务区域内所有的飞行器及时得到电能补充。
2、应对恶劣自然条件的能力差。该充电平台中的基础设施包括正在充电的飞行器并不是处在一个完全密封的受保护的环境中,因此并不能有效应对恶劣天气、野生动物等的干扰和破坏。
3、不具备通信能力,同时缺乏与之配套的系统与方法,帮助飞行器自动查找可用充电平台,前往并完成充电过程。因此有可能会造成多台飞行器在一座充电平台周围排队等待充电,同时又有多个充电平台处于空闲状态的现象。
4、充电效率低,充电时间长。为了简化充电过程,该充电平台采用了充电效率较低无线充电方法,但是忽略飞行器在执行野外任务时的连贯性和时效性。较长的充电时间难以保证任务完成质量。
因此,需要一种方便高效的智能飞行器野外自动充电系统和方法,保证飞行器在低电量时能够及时在任务途中得到能量补充,以此提高野外信息/数据采集任务的作业范围。
发明内容
本发明主要解决的问题是提供一种基于智能飞行器的野外自动充电系统与方法,该系统与方法操作简单,耗费成本低廉,实用性强,可以在不返程的条件下自动完成充电工作。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,包括用于执行野外信息和数据采集任务的智能飞行器以及充电仓平台,所述智能飞行器利用预先部署于不同地理位置的多个充电仓平台作为基础充电设施,在智能飞行器电量低于预设值时自动完成对可抵达范围内所有充电仓平台的查找,飞行至可用充电仓平台进行充电,并在充电完成后返回原任务执行地点继续工作。
上述智能飞行器除了作为基本设备载体四轴飞行器主机体外,还包括飞行器主控模块、气压检测传感模块、GPS模块、角速度传感器模块、飞行器无线通信模块、数据存储模块、充电电池模块、脚轮以及压力传感模块;
所述飞行器主控模块,用于控制整个智能飞行器的正常运行,控制各模块的开闭,协调各部分软件硬件模块的工作,处理飞行器所获得的信息,以实现自动充电的高效完成;
所述气压检测传感模块,用于检测当前气压值从而计算并控制当前飞行高度,通过读取任务执行区域最高海拔高度h,从而求得智能飞行器适应维持的飞行高度H,其中H=α*h;α为高度安全系数,其中α> 1,用于确保智能飞行器在水平飞行过程中不被其他障碍物所阻拦;
所述GPS模块,用于检测智能飞行器的地理位置信息,当飞行器监测到当前电量过低的预警后,会自动记录下当前任务执行地点的地理位置信息,智能飞行器在GPS模块导航下,前往指定的充电仓平台完成蓄电,蓄电完成后,智能飞行器返回任务执行中断地点继续完成任务;
所述角速度传感器模块,用于智能飞行器导航、航行过程中的的位置控制和姿态控制,在飞行器进入充电仓平台时,实时调整角度,使机身保持水平状态;
所述飞行器无线通信模块,具有无线信号检测功能以及信息传送功能,当智能飞行器监测到电量过低的预警后,向所有已知的充电仓平台发送查询信息并等待接收各充电仓发出的状态反馈信息,用于预定合适的充电仓,在智能飞行器抵达充电仓平台上空及蓄电完成时,与充电仓进行通信以完成相应仓门开闭的配合动作;
所述数据存储模块,用于存放预先下载以及导入的信息,包括任务执行区域最高海拔高度、高度安全系数、用户设定的低电量预警值以及任务执行中断处地理坐标以及查询到的空闲充电仓集合;
所述充电电池模块,由充电电池组成用于为智能飞行器提供基本的电力支撑;
所述飞行器主控模块、气压检测传感模块、GPS模块、角速度传感器模块、飞行器无线通信模块、数据存储模块、充电电池模块均安装在智能飞行器内部;
所述压力传感模块安装在脚轮上,当智能飞行器进入充电仓平台的过程中,用于监测四个轮子的压力参数,并以此为依据调整当前飞行器在充电仓中的姿态。
上述充电仓平台除了起到固定和支持作用的底座外,还包括落点导向体、充电触盘、机电传动模块、充电仓主控模块,充电仓无线通信模块和电源供给模块,
所述充电仓主控模块,用于控制整个充电仓平台的正常运行,控制各模块的动作,协调各部分软件硬件模块的工作,处理与飞行器之间的通讯信息;
所述充电仓无线通信模块,具有无线信号检测功能以及信息传送功能,用于检测来自飞行器的状态查询信息,并发送自身状态反馈;当智能飞行器准备入仓或者出仓时,与飞行器进行通信,帮助充电仓完成相应的配合动作;
所述电源供给模块,用于提供飞行器充电与维持充电仓正常工作所需电能;
所述充电仓主控模块,充电仓无线通信模块和电源供给模块安装在底座内;
所述机动传动模块安装在底座上,机电传动模块顶部安装充电触盘,所述机电传动模块用于在飞行器完成充电准备时,升高充电触盘,完成充电仓与智能飞行器充电接口的结合;飞行器蓄电完成后,降下充电触盘,断开充电仓与飞行器之间的电气连接;所述充电触盘以其为中心四周的底座上安装落点导向体,用于智能飞行器通过自带的脚轮向充电触盘的中心滑落。
上述充电保护仓还包括充电保护盖,所述充电保护盖由两片球面扇形活动页叶以及传动轴构成,两片结合的地方由橡胶圈保护,用于充电仓平台室外条件下的防水和防杂物。
上述落点导向体具有喇叭或锥形口结构。
上述充电触盘的中心为圆形金属导体,外部为同心圆环结构的金属导体,分别是充电触盘的正极和负极,与智能飞行器底部的充电接口配合。
一种能够野外自动充电的智能飞行器系统的充电方法,利用上述智能飞行器系统,包括智能飞行器寻找充电仓平台以及智能飞行器着陆并自动充电的过程l
智能飞行器寻找充电仓平台的步骤如下:
(1)周期性的检测充电电池的剩余电量;
(2)判断当前电量是否过低,若是则执行步骤(3),若否则执行步骤(1);
(3)记录当前飞行器的地理位置,即为任务中断位置;
(4)向所有已知的充电仓发出充电仓状态查询的请求消息;
(5)等待接收各充电仓发出的充电仓状态消息;
(6)生成空闲充电仓集合;
(7)判断空闲充电仓集合是否为空,若是则原地降落并等待随机的一段时间后执行步骤(4),若否则执行步骤(8);
(8)查找距离当前飞行器最近的可用空闲充电仓;
(9)向该空闲充电仓发出充电预定消息;
(10)等待接收该空闲充电仓发出的充电准定消息;
(11)判断是否准定成功,若是则执行步骤(12),若否则从空闲仓集合中删除该充电仓,然后执行步骤(7);
(12)以高于该空闲充电仓仓口的高度飞行至其上方。
智能飞行器着陆并自动充电的工作流程:
(a)智能飞行器垂直飞降至充电仓仓口高度;
(b)向充电仓发送入仓请求消息;
(c)等待接收充电仓发出的入仓准许消息;
(d)保持水平状态下降,检测智能飞行器的各脚轮的压力传感器;
(e)判断各脚轮检测到的压力值是否相同,若否则执行步骤(d),若是则执行步骤(f);
(f)向充电仓发送充电请求;
(g)检测充电电池电量状态;
(h)判断充电电池电量是否已满,若是则执行步骤(i),若否则执行步骤(g);
(i)向充电仓发送充电结束离仓请求消息;
(j)等待接收充电仓发出的离仓准许消息;
(k)垂直飞升至上述的高度H;
(l)返回之前所记录的充电离开位置,即任务中断位置,继续之前的任务。
综上所述,本发明有以下优点:
1、本发明所述的智能飞行器能够监测到低电量预警,自动查找可供充电的空闲充电仓并完成蓄电。此方法有效避免了因能量不足导致飞行器执行野外任务无法返航的情况。
2、本发明所述的智能飞行器监测到低电量预警后,记录下当前地理位置坐标,并于充电完成后返回此位置继续执行任务,能够满足野外大范围、远距离信息/数据采集任务的需求。
3、本发明所述的充电仓平台,设计轻便、简约,方便在野外多点投放安装,为智能飞行器快速得到能量补充提供了保障。与基于自然能蓄电的无线充电平台相比,分布性更好,充电时间更短。
4、本发明提供的智能飞行器自动充电系统与方法,飞行器具有无线通信功能,能够对所有的充电仓进行广播,并根据充电仓返回的状态信息进行选择,对最近的充电仓进行预订并前往充电,避免了排队情况的发生,更加高效。
5、本发明提供的智能飞行器自动充电系统与方法,与增加飞行器电源蓄电量或者返航充电等传统方法相比,更能保证飞行器在任务执行过程的能量供应,更具有连贯性和高效性。
附图说明
图1是智能飞行器结构示意图;
图2是图1的俯视图;
图3是充电仓平台结构示意图;
图4是充电仓平台闭合时的示意图;
图5是充电仓平台打开时的示意图;
图6是飞行器停落充电仓示意图;
图7是智能飞行器寻找充电仓工作流程图;
图8是智能飞行器着落并自动充电流程图。
具体实施方式
如图6所示,一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,包括用于执行野外信息和数据采集任务的智能飞行器以及充电仓平台,所述智能飞行器利用预先部署于不同地理位置的多个充电仓平台作为基础充电设施,在智能飞行器电量低于预设值时自动完成对可抵达范围内所有充电仓平台的查找,飞行至可用充电仓平台进行充电,并在充电完成后返回原任务执行地点继续工作。
如图1、图2所示,上述智能飞行器除了作为基本设备载体四轴飞行器主机体外,还包括飞行器主控模块1、气压检测传感模块2、GPS模块3、角速度传感器模块4、飞行器无线通信模块5、数据存储模块6、充电电池模块7、脚轮9以及压力传感模块8;
所述飞行器主控模块1,用于控制整个智能飞行器的正常运行,控制各模块的开闭,协调各部分软件硬件模块的工作,处理飞行器所获得的信息,以实现自动充电的高效完成;
所述气压检测传感模块2,用于检测当前气压值从而计算并控制当前飞行高度,通过读取任务执行区域最高海拔高度h,从而求得智能飞行器适应维持的飞行高度H,其中H=α*h;α为高度安全系数,其中α> 1,用于确保智能飞行器在水平飞行过程中不被其他障碍物所阻拦;
所述GPS模块3,用于检测智能飞行器的地理位置信息,当飞行器监测到当前电量过低的预警后,会自动记录下当前任务执行地点的地理位置信息,智能飞行器在GPS模块导航下,前往指定的充电仓平台完成蓄电,蓄电完成后,智能飞行器返回任务执行中断地点继续完成任务;
所述角速度传感器模块4,用于智能飞行器导航、航行过程中的的位置控制和姿态控制,在飞行器进入充电仓平台时,实时调整角度,使机身保持水平状态;
所述飞行器无线通信模块5,具有无线信号检测功能以及信息传送功能,当智能飞行器监测到电量过低的预警后,向所有已知的充电仓平台发送查询信息并等待接收各充电仓发出的状态反馈信息,用于预定合适的充电仓,在智能飞行器抵达充电仓平台上空及蓄电完成时,与充电仓进行通信以完成相应仓门开闭的配合动作;
所述数据存储模块6,用于存放预先下载以及导入的信息,包括任务执行区域最高海拔高度、高度安全系数、用户设定的低电量预警值以及任务执行中断处地理坐标以及查询到的空闲充电仓集合;
所述充电电池模块7,由充电电池组成用于为智能飞行器提供基本的电力支撑;
所述飞行器主控模块1、气压检测传感模块2、GPS模块3、角速度传感器模块4、飞行器无线通信模块5、数据存储模块6、充电电池模块7均安装在智能飞行器内部;
所述压力传感模块8安装在脚轮9上,当智能飞行器进入充电仓平台的过程中,用于监测四个轮子的压力参数,并以此为依据调整当前飞行器在充电仓中的姿态。
如图3、图4、图5所示,充电仓平台除了起到固定和支持作用的底座外,还包括落点导向体11、充电触盘12、机电传动模块13、充电仓主控模块14,充电仓无线通信模块15和电源供给模块16,
所述充电仓主控模块14,用于控制整个充电仓平台的正常运行,控制各模块的动作,协调各部分软件硬件模块的工作,处理与飞行器之间的通讯信息;
所述充电仓无线通信模块14,具有无线信号检测功能以及信息传送功能,用于检测来自飞行器的状态查询信息,并发送自身状态反馈;当智能飞行器准备入仓或者出仓时,与飞行器进行通信,帮助充电仓完成相应的配合动作;
所述电源供给模块16,用于提供飞行器充电与维持充电仓正常工作所需电能;
所述充电仓主控模块14,充电仓无线通信模块15和电源供给模块16安装在底座内;
所述机动传动模块13安装在底座上,机电传动模块13顶部安装充电触盘12,所述机电传动模块13用于在飞行器完成充电准备时,升高充电触盘12,完成充电仓与智能飞行器充电接口的结合;飞行器蓄电完成后,降下充电触盘12,断开充电仓与飞行器之间的电气连接;所述充电触盘12以其为中心四周的底座上安装落点导向体11,用于智能飞行器通过自带的脚轮向充电触盘12的中心滑落。
上述充电保护仓还包括充电保护盖17,充电保护盖17由两片球面扇形活动页叶以及传动轴构成,两片结合的地方由橡胶圈保护,用于充电仓平台室外条件下的防水和防杂物。
上述落点导向体11具有喇叭或锥形口结构。
上述充电触盘12的中心为圆形金属导体,外部为同心圆环结构的金属导体,分别是充电触盘的正极和负极,与智能飞行器底部的充电接口配合。
一种能够野外自动充电的智能飞行器系统的充电方法,利用上述智能飞行器系统,包括智能飞行器寻找充电仓平台以及智能飞行器着陆并自动充电的过程。
如图7所示,智能飞行器寻找充电仓平台的步骤如下:
301)周期性的检测充电电池的剩余电量;
302)判断当前电量是否过低,若是则执行步骤303),若否则执行步骤301);
303)记录当前飞行器的地理位置P(即为任务中断位置);
304)向所有已知的充电仓发出充电仓状态查询的请求消息;
305)等待接收各充电仓发出的充电仓状态消息
306)生成空闲充电仓集合;
307)判断空闲充电仓集合是否为空,若是则原地降落并等待随机的一段时间后执行步骤304),若否则执行步骤308);
308)查找距离当前飞行器最近的可用空闲仓;
309)向该空闲充电仓发出充电预定消息;
310)等待接收该空闲充电仓发出的充电准定消息;
311)判断是否准定成功,若是则执行步骤312),若否则从空闲仓集合中删除该充电仓,然后执行步骤307);
312)以高于该空闲充电仓仓口的高度飞行至其上方。
其中,计算飞行高度H的公式由H=α*h计算得出。
如图8所示,根据本发明的飞行器着陆并自动充电的工作流程为:
401)飞行器垂直飞降至充电仓仓口高度;
402)向充电仓发送入仓请求消息;
403)等待接收充电仓发出的入仓准许消息;
404)保持水平状态下降,检测飞行器的各脚轮的压力传感器;
405)判断各脚轮检测到的压力值是否相同,若否则执行步骤404),若是则执行步骤406);
406)向充电仓发送充电请求;
407)检测充电电池电量状态;
408)判断充电电池电量是否已满,若是则执行步骤409),若否则执行步骤407);
409)向充电仓发送充电结束离仓请求消息;
410)等待接收充电仓发出的离仓准许消息;
411)垂直飞升至充电仓仓口高度;
412)返回之前所记录的充电离开位置P(即任务中断位置),继续之前的任务。
Claims (6)
1.一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,其特征在于:包括用于执行野外信息和数据采集任务的智能飞行器以及充电仓平台,所述智能飞行器利用预先部署于不同地理位置的多个充电仓平台作为基础充电设施,在智能飞行器电量低于预设值时自动完成对可抵达范围内所有充电仓平台的查找,飞行至可用充电仓平台进行充电,并在充电完成后返回原任务执行地点继续工作;
所述智能飞行器除了作为基本设备载体四轴飞行器主机体外,还包括飞行器主控模块、气压检测传感模块、GPS模块、角速度传感器模块、飞行器无线通信模块、数据存储模块、充电电池模块、脚轮以及压力传感模块;
所述飞行器主控模块,用于控制整个智能飞行器的正常运行,控制各模块的开闭,协调各部分软件硬件模块的工作,处理飞行器所获得的信息,以实现自动充电的高效完成;
所述气压检测传感模块,用于检测当前气压值从而计算并控制当前飞行高度,通过读取任务执行区域最高海拔高度h,从而求得智能飞行器适应维持的飞行高度H,其中H=α*h;α为高度安全系数,其中α>1,用于确保智能飞行器在水平飞行过程中不被其他障碍物所阻拦;
所述GPS模块,用于检测智能飞行器的地理位置信息,当飞行器监测到当前电量过低的预警后,会自动记录下当前任务执行地点的地理位置信息,智能飞行器在GPS模块导航下,前往指定的充电仓平台完成蓄电,蓄电完成后,智能飞行器返回任务执行中断地点继续完成任务;
所述角速度传感器模块,用于智能飞行器导航、航行过程中的的位置控制和姿态控制,在飞行器进入充电仓平台时,实时调整角度,使机身保持水平状态;
所述飞行器无线通信模块,具有无线信号检测功能以及信息传送功能,当智能飞行器监测到电量过低的预警后,向所有已知的充电仓平台发送查询信息并等待接收各充电仓发出的状态反馈信息,用于预定合适的充电仓,在智能飞行器抵达充电仓平台上空及蓄电完成时,与充电仓进行通信以完成相应仓门开闭的配合动作;
所述数据存储模块,用于存放预先下载以及导入的信息,包括任务执行区域最高海拔高度、高度安全系数、用户设定的低电量预警值以及任务执行中断处地理坐标以及查询到的空闲充电仓集合;
所述充电电池模块,由充电电池组成用于为智能飞行器提供基本的电力支撑;
所述飞行器主控模块、气压检测传感模块、GPS模块、角速度传感器模块、飞行器无线通信模块、数据存储模块、充电电池模块均安装在智能飞行器内部;
所述压力传感模块安装在脚轮上,当智能飞行器进入充电仓平台的过程中,用于监测四个轮子的压力参数,并以此为依据调整当前飞行器在充电仓中的姿态。
2.根据权利要求1所述的一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,其特征在于:所述充电仓平台除了起到固定和支持作用的底座外,还包括落点导向体、充电触盘、机电传动模块、充电仓主控模块,充电仓无线通信模块和电源供给模块,
所述充电仓主控模块,用于控制整个充电仓平台的正常运行,控制各模块的动作,协调各部分软件硬件模块的工作,处理与飞行器之间的通讯信息;
所述充电仓无线通信模块,具有无线信号检测功能以及信息传送功能,用于检测来自飞行器的状态查询信息,并发送自身状态反馈;当智能飞行器准备入仓或者出仓时,与飞行器进行通信,帮助充电仓完成相应的配合动作;
所述电源供给模块,用于提供飞行器充电与维持充电仓正常工作所需电能;
所述充电仓主控模块,充电仓无线通信模块和电源供给模块安装在底座内;
所述机电传动模块安装在底座上,机电传动模块顶部安装充电触盘,所述机电传动模块用于在飞行器完成充电准备时,升高充电触盘,完成充电仓与智能飞行器充电接口的结合;飞行器蓄电完成后,降下充电触盘,断开充电仓与飞行器之间的电气连接;所述充电触盘以其为中心四周的底座上安装落点导向体,用于智能飞行器通过自带的脚轮向充电触盘的中心滑落。
3.根据权利要求2所述的一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,其特征在于:所述充电保护仓还包括充电保护盖,所述充电保护盖由两片球面扇形活动页叶以及传动轴构成,两片结合的地方由橡胶圈保护,用于充电仓平台室外条件下的防水和防杂物。
4.根据权利要求2所述的一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,其特征在于:所述落点导向体具有喇叭或锥形口结构。
5.根据权利要求2所述的一种能够野外自动充电的智能飞行器系统,其特征在于:所述充电触盘的中心为圆形金属导体,外部为同心圆环结构的金属导体,分别是充电触盘的正极和负极,与智能飞行器底部的充电接口配合。
6.一种能够野外自动充电的智能飞行器系统的充电方法,其特征在于利用权利要求1或2所述智能飞行器系统,包括智能飞行器寻找充电仓平台以及智能飞行器着陆并自动充电的过程,智能飞行器寻找充电仓平台的步骤如下:
(1)周期性的检测充电电池的剩余电量;
(2)判断当前电量是否过低,若是则执行步骤(3),若否则执行步骤(1);
(3)记录当前飞行器的地理位置,即为任务中断位置;
(4)向所有已知的充电仓发出充电仓状态查询的请求消息;
(5)等待接收各充电仓发出的充电仓状态消息;
(6)生成空闲充电仓集合;
(7)判断空闲充电仓集合是否为空,若是则原地降落并等待随机的一段时间后执行步骤(4),若否则执行步骤(8);
(8)查找距离当前飞行器最近的可用空闲充电仓;
(9)向该空闲充电仓发出充电预定消息;
(10)等待接收该空闲充电仓发出的充电准定消息;
(11)判断是否准定成功,若是则执行步骤(12),若否则从空闲仓集合中删除该充电仓,然后执行步骤(7);
(12)以高于该空闲充电仓仓口的高度飞行至其上方;
智能飞行器着陆并自动充电的工作流程:
(a)智能飞行器垂直飞降至充电仓仓口高度;
(b)向充电仓发送入仓请求消息;
(c)等待接收充电仓发出的入仓准许消息;
(d)保持水平状态下降,检测智能飞行器的各脚轮的压力传感器;
(e)判断各脚轮检测到的压力值是否相同,若否则执行步骤(d),若是则执行步骤(f);
(f)向充电仓发送充电请求;
(g)检测充电电池电量状态;
(h)判断充电电池电量是否已满,若是则执行步骤(i),若否则执行步骤(g);
(i)向充电仓发送充电结束离仓请求消息;
(j)等待接收充电仓发出的离仓准许消息;
(k)垂直飞升至权利要求1中所述的高度H;
(l)返回之前所记录的充电离开位置,即任务中断位置,继续之前的任务。
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