CN107703961A - 用于飞行无人机的集成控制/命令模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于飞行无人机的集成控制/命令模块。该模块在同一单片外壳(48)中集成了电子电路(100)和用于无人机的姿态、高度、速度、朝向和/或位置的多个传感器(104‑116)。它还集成了电子功率电路(200)，该电子功率电路(200)接收由电子电路的处理器在集成传感器所提供的数据的基础上准备的设定命令值，以及提供用于对无人机的推进装置和控制面直接供应电流或电压的对应信号作为输出。
Description
技术领域
本发明涉及远程地驾驶此后一般被称为“无人机”的机动化飞行器。
更具体而言，本发明涉及固定翼无人机，尤其是“飞翼”型，诸如来自瑞士Cheseaux-Lausanne的SenseFly的eBee型(这是专业地形测绘无人机)或者法国巴黎的Parrot SA最近推出的Disco型。
背景技术
这些无人机由具有遥控器的用户远程地驾驶，该遥控器允许他们发送驾驶指令(诸如爬升、下降、向右或向左转、加速/减速，等等)以及在安装在遥控器上的屏幕上查看由无人机相机捕捉的图像。无人机本身依赖于从遥控器接收到的指令来生成飞行控制命令，即推进系统的引擎速度、控制面命令，等等。在由无人机机载的多个传感器(诸如惯性单元(三轴加速度计和陀螺仪)、高度传感器(气压计、超声距离指示器)、用于测量空中速度和/或地面速度的设备，等等)提供的数据的基础上对这些命令进行伺服控制。
更具体而言，本发明涉及无人机机载的不同元件的机械和功能集成，诸如各种传感器、相机、无线电接收电路、数字处理器、用于生成用于飞行控制的设定值以及用于控制推进和控制面系统的电路、自主驾驶系统，等等。
元件的多样性一般导致相对复杂的机械设计，其中若干部件和子组装件要以可能的最紧凑的方式被组装和组合在无人机机体内。EP2937123A1(Parrot)描述了用于四螺旋桨直升机型无人机的这一类型的结构，其中各组件、传感器以及相机被附连到印刷电路板，印刷电路板进而被安装到支撑板，支撑板在其两个面上承载无人机的各电路的其他组件和组成部件。
设计这一类型的结构是复杂且因此昂贵的任务，如同其组装一样，这非常难以自动化，甚至在大量生产中。
另外，在意外的情况下，例如，如果无人机突然并且非预期地落到地面或者在飞行阶段期间碰到障碍物，则该组装件的不同元件只受到无人机机体的外壳的保护，并且可能容易地被该碰撞或该坠落所损坏。例如，如果需要修复，则有必要完全分解无人机，以替换或重焊受损组件(假定这是可能的)，等等。
存在紧凑模块，诸如将一定数目的传感器(尤其是陀螺仪、加速度计和气压传感器)和可能的成像相机以及具有可编程数据处理器的电子电路集成到同一外壳中的来自Erlerobotics的Erle-Brain或来自3D Robotics的Pixhawk。丰富连接选项使得可能将该模块耦合到没有集成在外壳中的其他传感器(GPS、距离指示器，等等)，耦合到用于处理由处理器准备的数据的电路，耦合到USB或以太网总线以用于传送所述数据，等等。
这两个Erle-Brain和Pixhawk模块以及其实现以构造全功能无人机具体地在因特网引用中描述，诸如“Erle-Brain Linux Autopilot(Erle-Brain Linux自动驾驶)”(ardupilot.org/copter/docs/common-erle-brain-linux-autopilot，2016年4月3日)、“PIXHAWK Autopilot/Flight Management Unit(PIXHAWK自动驾驶/飞行管理单元)”(pixhawk.org/modules/pixhawk，2014年1月10日)、或者“Phantom FPV Flying Wing-PX4Autopilot Platform(Phantom FPV Flying Wing-PX4自动驾驶平台)”(pixhawk.org/platforms/planes/phantom_fpv_flying_wing，2014年1月31日)。
具体而言，从这些文献中清楚的是Erle-Brain或Pixhawk模块必须被耦合到ESC(电子速度控制)电路来用于控制无人机的推进系统。ESC电路被插入在螺旋桨电机之间且连接到Erle-Brain或Pixhawk模块的PWM输出，所述PWM输出提供与驾驶控制面的伺服机构的那些相同种类的脉宽调制数字信号。
这些Erle-Brain和Pixhawk模块因此不适用于单独控制无人机的推进系统，并且因此没有使得以自主方式来整体控制所述无人机成为可能。
因此，存在对使得尽可能合理地集成用于执行无人机的不同功能(更具体而言是飞行控制)所需的所有电路和传感器成为可能的结构的需求。
发明内容
本发明所解决的问题是获得这一类型的集成模块，它不仅合并获得全功能无人机所需的所有传感器和电路，还可在没有任何中间装置的情况下耦合到无人机的推进系统以及控制面的伺服电机，而不添加其他元件或电路。
这一类型的模块旨在能够确保自动驾驶功能，即同时：
1)接收来自遥控器的驾驶指令和/或使用用于按自主飞行来驾驶的集成系统在内部生成这样的指令；
ii)根据这些指令和由传感器提供的数据(传感器全部被集成在该模块中)，准备设定驾驶值并将所述设定驾驶值转换成推进系统和控制面的伺服电机的命令信号；以及
iii)直接应用这些信号，例如通过生成经调制功率电流，而无需该模块与推进电机和伺服电机之间的中间阶段。
换言之，问题是提供一种使得可能不仅处理得自数字处理的“弱信号”还生成用于对诸如一个或多个螺旋桨电机以及用于控制控制面的伺服电机等功率组件供电的电流/电压的模块。
另外，本发明寻求提出这一类型的模块，它具有多平台性质，即它可通过只需仅仅适配软件以使得它能与特定类型的无人机一起操作来由若干不同类型的相似无人机使用。因而，使该模块的设计和制造流水线化并且因此降低其成本价变成可能，因为同一模块能被用在若干类型的无人机中。也可相关于各连接来作出显著节省，这些连接被降低到所必需的绝对最小值。
另一优点是拥有若干不同无人机的用户能使用单个模块通过用一个装置与另一装置的简单的标准交换来放飞它们的无人机。为此，不必要拥有任何航模技能，这与现有技术中迄今提出的相反。
最后，将允许无人机运作的所有元件集成在同一紧凑模块中确保向这些元件给予极好的物理保护，这远好于它们分散在无人机机体内的情况。另外，在事故的情形中，可通过将这样的模块从受损无人机移除来回收完好的模块，并通过将它原样插入新无人机从而使其立即起作用来重用。
更具体而言，本发明提出了一种用于包括推进系统和控制面的固定翼飞行无人机的集成控制/命令模块。这一模块是如下类型的：以本身已知的方式(诸如上述Erle-Brain和Pixhawk模块)包括外壳，所述外壳在其中集成了：电子电路，包括：能够在手动辅助驾驶和/或自主飞行中控制所述无人机的所述推进系统和所述控制面的自动驾驶仪；以及用于所述无人机的姿态、高度、速度、朝向和/或位置的多个传感器；用于连接到所述推进系统和所述控制面的接口；以及用于连接到电池的接口。
所述自动驾驶仪能够准备用于所述推进系统和所述控制面的设定命令值，所述设定命令值是在以下基础上准备的：由集成在所述外壳中的所述多个传感器提供的数据；以及由所述自动驾驶仪从遥控装置接收到的外部驾驶指令，和/或在自主飞行中在所述自动驾驶仪内生成的内部驾驶指令。
在本发明的一特征方式中，所述外壳进一步集成了包括用于连接到所述推进系统和所述控制面的所述接口的电子功率电路，所述电子功率电路能够：接收由所述电子电路的所述自动驾驶仪所准备的所述设定命令值作为输入，以及提供用于对所述推进系统供电以及对所述控制面供电的对应信号作为输出，用于对所述推进系统供电的所述信号是用于对所述推进系统直接供电的信号，包括能够改变所述推进系统的电机转速的受控电流。
根据各种附加的有利特征：
所述模块进一步集成了至少一个摄像机，所述至少一个摄像机在机械上刚性地连接到所述模块；
所述模块进一步集成了用于将所述电子电路连接到至少一个无线电天线的接口；
所述模块进一步集成了用于与所述电子电路交换外部数据的接口；
所述电子电路被生产在第一电路板上，且所述电子功率电路被生产在与所述第一电路板分开的第二电路板上。
所述第二电路板进一步包括用于保护所述电子功率电路免于过电流和/或过电压的电路。
本发明还涉及一种固定翼飞行无人机，包括：无人机机体以及附连到所述无人机机体的飞行控制装置，所述飞行控制装置包括推进系统和控制面，所述无人机的机体包括能够以能拆卸的方式容纳上述集成模块的舱，所述无人机的机体的舱的内部形状与所述集成模块的外壳的封装的外部形状有利地互补。
本发明还涉及进一步包括上述集成模块的这一类型的无人机。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的实施例，附图中同一附图标记表示附图中每一者中的相同或功能上相似的元件。
图1是示出在遥控装置的控制下在空中移动的飞翼型固定翼无人机的概括视图。
图2是无人机和遥控装置的不同功能块的高度简化的示图。
图3是无人机机体的分解透视图，示出了(在从无人机的机体移除时)根据本发明的集成控制/命令模块以及用于封闭模块舱的封盖。
图4a、4b以及4c是本发明的集成控制/命令模块的较大规模视图，这些附图分别是四分之三后透视图、四分之三前透视图以及后正面图。
图5是本发明的集成模块的侧正面图，示意性地示出了集成在所述模块中的不同元件和传感器。
图6是集成在根据本发明的模块中的自动驾驶仪的功能框图。
具体实施方式
现在将描述本发明的设备的一实施例。
图1示出了无人机10，在这一情形中是飞翼型固定翼无人机，诸如Parrot的Disco型。
无人机10包括无人机机体(机身)12，无人机机体在后部配置有包括例如电机和螺旋桨14的推进系统并且在侧面配置有两个机翼16，所述机翼在所示“飞翼”配置中延伸无人机机体12。在后缘侧上，机翼16配置有控制面18，它们能借助于伺服电机来朝向以控制无人机的轨迹。该无人机还配置有用于捕捉该无人机所朝向的情景的图像的前视相机20。
无人机10由配备触摸屏以及用户可用的各种驾驶控件的遥控装置22驾驶，触摸屏被配置成显示由相机20捕捉的图像。遥控装置22例如是来自Parrot的Skycontroller型，其上安装了具有触摸屏的数字平板。遥控装置22还配置有用于与无人机进行无线电联系的装置，例如局域Wi-Fi(IEEE 802.11)网络类型，以供进行双向数据交换，即从无人机10到遥控装置22(具体地通过传送由相机20捕捉的图像)以及从遥控装置22到无人机10以用于向所述无人机发送驾驶指令。用户还可使用驾驶沉浸眼镜，称为第一人称视角(FPV)眼镜。
图2是由无人机10和遥控装置22形成的组装件的高度简化的功能图。以本发明的特征方式，无人机实现集成控制/命令模块MICC 24，其机械和功能方面将在下文详细描述。这一集成模块24连接到无人机的一个或多个WiFi天线26，连接到用于驱动无人机的螺旋桨14的推进系统28，以及连接到用于控制控制面18以用于无人机的轨迹的空气动力学控制的伺服电机30。
在所示出的“飞翼”型无人机的示例中，存在一个推进系统28和两个伺服电机30，但这只是示例，并且无人机可设置有多个推进螺旋桨并且因此具有多个对应的推进系统，且具有附加控制面，例如在后部设置有安定翼的无人机的情形中。
无人机10还包括提供模块24中包括的各组件所需的电压以及用于驱动推进系统电机28和伺服电机30所需的电压和电流的电池32。
参考图3、4a、4b以及4c，现在将描述集成模块24的机械方面。
图3是示出无人机机体12的分解视图，在此在移除了机翼的情况下示出，只示出用于控制控制面的叶34，其位置由图2中的相应伺服电机30来控制。
无人机机体12包括模块24被插入其中的中央舱36，舱36和模块24具有对应的形状以使得所述模块更易于被滑入所述舱。一旦集成模块24被定位在舱36中，无人机机体就被封盖46再次封闭，这使得无人机可能保持其空气动力学属性并且还使得可能保护模块24免于可能的碰撞和掉落。
无人机机体12在前部包括开口38，由模块24承载的相机20的镜头穿过该开口。
它还包括槽40，槽40允许超结构元件42穿过并从中露出，这一元件在径向方向上突出，与无人机机体12垂直，并且其外部是大致在无人机机体12的纵向正中面中延伸的平坦化管状部件的形状。
超结构元件42的功能之一是它被用作用于测量空速的空速管，所述元件在前部设置有允许测量无人机相比于空气(相对风)的速度的动态压力空气入口。这一超结构元件42和它提供的不同功能(除空速管功能以外)具体地在2016年3月15日提交的Parrot Drones的法国申请FR1652148“Superstructure element for flying drones,in particular adrone of the flying-wing type(用于飞行无人机(尤其是飞翼型无人机)的超结构元件)”中描述。
如图4a、4b、4c和5中所示，模块24是外壳48的形式，例如，单片外壳，它集成了用于驾驶本文的无人机所需的所有元件和电路，其中连接被减少到最小，如现在将详细解释的。
更具体而言，图5示意性地示出集成在本发明的模块24的外壳48中的不同元件和传感器。
集成模块首先包括集中了所有“低电流”电路和组件且实现自动驾驶系统的电子电路100，自动驾驶系统执行用于控制无人机的推进系统和控制面的所有数字计算，这允许无人机飞行。电子电路100支持一定数量的传感器，例如：
包括三轴加速度计和三轴陀螺仪的惯性单元(IMU)104；
借助于管50连接到超结构元件42的动态压力入口44的用于测量无人机的空速的传感器106；
提供无人机在地理参考点中的绝对位置的GPS模块108；
使得可能确定无人机的高度的变化(瞬时变化和相对于已知起始高度的变化)的气压传感器110；
提供无人机相对于真正北的朝向的磁力计传感器112；
提供无人机相对于该无人机所飞过的地形的高度的超声遥测传感器114；以及
提供无人机飞过的地形的图像并使得可能通过图像处理来确定无人机相对于这一地形的速度(地速，与传感器106提供的空速对比)的俯视相机116。
关于前视相机20，它在机械上由集成控制/命令模块24支承，且连接到外壳48内部的电子电路100以使得可能处理和记录由相机的图像传感器提供的数据。该处理涉及例如通过设置有覆盖约180°视野的鱼眼型半球形视野透镜的高清广角相机提供的图像的实时的软件生成的开窗，并且这一技术尤其被用于上述Disco装置并在EP2933775A1(Parrot)中描述。
电子电路100还支持：
用于耦合到允许与遥控装置进行双向通信的无线电天线26的一个或多个输入118；
可被用于各种目的的一个或多个USB插孔120，例如用于检索无人机的相机所拍摄的视频或照片，用于测试无人机的数字电路，用于更新单元100的固件，用于连接用作用于存储视频或照片的辅助存储器的USB棒，或者用于连接3G/4G dongle以直接连接到蜂窝网络，这允许各个项、一定数目的驾驶操作和计算、图像处理(代替在机载处理器内执行的那些)等被移动到无人机注册到的远程云服务器，或者用于将相机所拍摄的图像序列传送到上述云服务器；
通常与RF模型化接收机一起使用的那一类型的“无线电控制”插孔122，如果用户希望使用天线26的WiFi连接以外的信息传输信道来驾驶无人机的话；
形成飞行数据记录器(FDR)的辅助存储器124；
可能地，用于尤其存储前视相机所拍摄的图像的附加存储器126。
此外，模块24集成了电子功率电路，也被称为功率电路板200，包括允许推进系统被直接供电的电路，这一电路连接到插孔202，插孔202使得可能供应对应的高电流(通常是15安培三相供电)。
电子功率电路200还包括用于连接用于控制控制面的伺服电机的多个功率输出204。在所示示例中，集成模块24设置有六个这一类型的输出，它们中只有两个被用在只包括要控制的两个控制面18的飞翼的这一特定情形中。该控制通过脉宽调制PWM来操作，以本质上常规的方式。
集成模块24还设置有用于连接到电池32的连接器300，例如XT60型连接器，这是模型化领域中广泛使用的类型。
关于各连接，如在图4a、4b以及4c中所示，集成模块24包括：
在前部的用于连接RF天线的两个连接器118；
在后部的两个USB插孔120；
在后部的RC插孔122；
用于连接到推进系统的插孔202；
用于对伺服电机供电的六个PWM输出，它们中的两个被用于控制用于控制轨迹的控制面；以及
电池连接器300。
参考图6中的框图，现在将描述实现在电子单元100中的无人机的自动驾驶系统的各组件，这些组件被集成在根据本发明的模块中。自动驾驶系统能够在无人机的手动辅助驾驶期间和/或在无人机的自主飞行期间控制推进系统和无人机的控制面。
在辅助驾驶模式中源自用户遥控器的驾驶指令(“外部指令”)由解码模块128接收并解码，这提供诸如“向右转”或“向左转”、“爬升”或“下降”、“加速”或“减速”等指令。这些指令例如是在用户希望对无人机的轨迹施加的改变借助于诸如遥控装置22的操纵杆等控制器或命令来生成的比例指令。
在自主飞行模式中，自动驾驶仪100的自主飞行模块130本身生成与所施加的轨迹相对应的指令(“内部指令”)，诸如自动起飞、自动着陆、绕预定点绕轨，等等。还要注意，在一个特定“超驾驶(overpiloting)”模式中，用户具有向由自主飞行模块130自动生成的那些(内部)指令添加他们自己的(外部)指令的选项，例如以干预由自主飞行模块130所施加的轨迹以校正这一轨迹。
外部和/或内部驾驶指令被应用到用于计算无人机的姿态角的设定值(用于俯仰角的设定值θ和用于滚转角的)的模块132，应用到用于计算无人机的速度的设定值(设定速度值V)的模块134，以及应用到用于计算无人机的高度的设定值(设定高度值z)的模块144。
根据i)外部和/或内部驾驶指令(诸如以上定义的那些)以及根据ii)无人机在飞行中的空气动力学行为的模型(这被提前确定并存储在存储器中)，模块132、134、144中的每一者分别确定俯仰角θ和滚转角速度v、以及高度z的对应设定值。
对于内部或外部转向指令，用于计算设定角值的模块132确定至少一个设定角值，诸如滚转设定俯仰值θ由高度校正模块146来产生，这将在下文详细描述。的确，转向指令必定对电机以及控制面有影响，因为无人机在转向时将损失速度。如果用户没有连同转向指令一起给出指令来改变速度或高度，则为了补偿高度损失，高度校正模块146确定设定俯仰和速度值，它们是根据在转向指令之前的最后指令计算得到的以在转向期间保持无人机恒定速度和高度。
由模块132和模块146所产生的俯仰角θ和滚转角设定值被应用到PID控制器类型的姿态校正模块136。这一模块136基于由姿态估计模块138根据无人机的惯性单元的传感器所提供的陀螺仪和加速度计数据确定的无人机的瞬时有效姿态(俯仰角θ*和滚转角)来校正由模块132和146所提供的设定值。
在模块136的输出处产生的所得的经校正设定值被传送给功率模块206以用于控制控制面的伺服电机。这一模块生成被施加到用于驱动各控制面的不同伺服电机30的受控制的PWM信号。
对于用于增加/降低速度的内部或外部指令，用于计算设定速度值的模块134确定设定速度值V。第二设定速度值V由上述高度校正模块146(还确定设定俯仰值θ的模块)来确定。
由模块134和模块146产生的设定速度值V被应用到PID控制器类型的速度校正模块140(这两个设定速度值被组合，其中给出校正优先以维持高度)。这一模块140校正由模块134和146提供的设定设定值V，并且在无人机的瞬时地速V*ground和空速V*air的基础上，如用于根据空速管106提供的数据(用于空速)以及通过分析来自俯视相机的图像并借助于来自GPS模块62(用于地速)来估计无人机的空速和地速的模块142所确定的。
在模块140的输出处产生的所得的经校正设定速度值被传送给功率模块208以用于控制推进单元28。这一模块生成允许以所需方式来改变推进单元28的速度并且因此改变螺旋桨14的推力的受控电流。
爬升/下降和/或转向的内部或外部指令被应用到用于计算设定高度值的模块144，这提供无人机的设定高度值z。这一设定值z被应用到高度校正模块146，它例如是PID控制器类型的模块。这一模块146在由高度估计模块148根据超声距离指示器以及气压传感器所提供的数据确定的无人机的有效瞬时高度z*的基础上校正设定高度值z。在此，同样，在给出速度指令时，高度校正模块146和姿态校正模块136计算各设定值以给出优先级来维持高度和无人机的偏航。
由模块146提供的所得的经校正设定高度校正值包括设定俯仰值θ和设定速度值V，因为无人机高度的增加是通过增加电机转速并将无人机推高来传送到，并且反之用于降低高度(如以上解释的，高度的损失也可得自转向指令，并且这一高度损失需要被补偿)。
在一特定实施例中，自动驾驶模块100是借助于软件来实现的。各模块以存储在无人机10的存储器中并由无人机10的处理器执行的软件应用的形式来提供。作为变型，各模块中的至少一者是特定电子电路或可编程逻辑电路。
刚刚描述的各功能模块128到148以及由这些模块使用的传感器104、106、108、110、114和116全部被定位在电子电路100内。
作为对比，用于控制控制面和用于控制推进系统的模块206和208被定位在电子功率电路200内，这与电子电路100分开。这使得可能将只处理弱信号的电路(在电路100上)与那些处理功率信号的电路(在用于电路200的电路板上)电隔离。
电路200有利地设置有其自己的用于保护免于过电流和/或过电压的模块210，尤其用于保护免于到伺服电机或到螺旋桨电机的连接器处的潜在短路。
因而，确保以自主方式独立于电子电路100保护了功率电路，电子电路100保持限定为记录和处理不易于造成短路或其他这一类型的破坏性异常的弱信号。
Claims (9)
1.一种用于固定翼飞行无人机的集成控制/命令模块，包括推进系统和控制面，
所述模块(24)包括外壳(48)，所述外壳中集成了以下各项：
电子电路(100)，包括：
能够在手动辅助驾驶和/或自主飞行中控制所述无人机的所述推进系统和所述控制面的自动驾驶仪；以及
用于所述无人机的姿态、高度、速度、朝向和/或位置的多个传感器(104-116)；
用于连接到所述推进系统和所述控制面的接口；以及
用于连接到电池(32)的接口，
在这一模块中，所述自动驾驶仪能够准备用于所述推进系统和所述控制面的设定命令值，所述设定命令值是在以下基础上准备的：
由集成在所述外壳中的所述多个传感器提供的数据；以及
由所述自动驾驶仪从遥控装置接收到的外部驾驶指令，和/或在自主飞行中在所述自动驾驶仪内生成的内部驾驶指令，
这一模块等特征在于，所述外壳进一步集成了：
包括用于连接到所述推进系统和所述控制面的所述接口的电子功率电路(200)，所述电子功率电路能够：
接收由所述电子电路的所述自动驾驶仪准备的所述设定命令值作为输入，以及
提供用于对所述推进系统供电以及对所述控制面供电的对应信号作为输出，
用于对所述推进系统供电的所述信号是用于对所述推进系统直接供电的信号，包括能够改变所述推进系统的电机转速的受控电流。
2.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块进一步集成了：
机械上刚性地连接到所述模块的至少一个摄像机(20)。
3.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块进一步集成了：
用于将所述电子电路连接到至少一个无线电天线(26)的接口(118)。
4.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块进一步集成了：
用于与所述电子电路交换外部数据的接口(120，122)。
5.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述电子电路(100)被生产在第一电路板上，且所述电子功率电路(200)被生产在与所述第一电路板分开的第二电路板上。
6.如权利要求5所述的模块，其特征在于，所述第二电路板进一步包括用于保护所述电子功率电路(200)免于过电流和/或过电压的电路(210)。
7.一种固定翼飞行无人机(10)，包括：
无人机机体(12)；以及
附连到所述无人机机体的飞行控制装置，包括推进系统和控制面，
所述无人机的特征在于，所述无人机的机体包括能够以能拆卸的方式容纳如权利要求1到6中的任一项所述的集成模块(24)的舱(36)。
8.如权利要求7所述的无人机，其特征在于，所述无人机的机体中的所述舱(36)的内部形状与所述集成模块(24)的外壳(48)的封装的外部形状互补。
9.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，进一步包括如权利要求1到6中的任一项所述的集成模块(24)。
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