CN110557720B - 基于动态基准标签的超宽带室内定位系统及补盲定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统及补盲定位方法,可有效解决现有UWB定位技术存在定位死角的问题。本发明实施例的超宽带室内定位系统包括标定端、标签运动端和服务器,三者之间进行通信。标定平面和标签运动平面均平行于水平面且标定平面位于标签运动平面上方。标定平面放置定位基站和动态基准标签。当标签由于遮挡等原因无法与某个定位基站建立通信联系时,标签估算出当前的坐标并发送给服务器,服务器将标签的估算坐标发送给动态基准标签,动态基准标签移动到估算坐标位置,临时代替基站实施定位,可以有效减少室内定位系统的盲区,提高定位系统的可靠性,减少定位基站的数量,降低定位系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及室内物联网及电子通信领域,特别涉及一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统及补盲定位方法。
背景技术
定位技术是建设和架构物联网非常重要的一环,在社会和工业等各个领域具有广泛的应用。目前,室外定位主要基于卫星定位技术。但是在实际使用过程中,发现GPS定位技术存在很多不足。例如,定位精度不够,现有商用GPS精度一般都维持在米级,在很多特殊场合并不能满足要求。而在室内或地下应用场合,卫星信号无法到达,此时卫星根本无法完成定位工作。在此背景下,各种无线定位技术应运而生。其中相对成熟的技术,有超声波定位、微雷达定位、红外定位和RFID定位等。而基于超宽带通信(UWB)的定位技术,采用3.5GHz~6.5GHz频段,因其功耗低、定位精度高、定位方法可靠,受到了广泛的重视。
然而,在实际使用过程中发现,由于UWB定位模块多采用3.5GHz~6.5GHz频段。该频段信号空气损耗大,传播距离相对较近。同时,由于室内环境复杂,UWB信号很容易受到遮挡,这样极大降低了定位技术的可靠性。
为了解决该问题,目前常用的方法是设置冗余定位基站。但是该方案不仅增加了系统的成本,并无法完全解决定位可靠性的问题。另一种方案是采用其他标签作为临时基站,但是这种方案将造成节点误差的增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统及补盲定位方法,解决现有UWB定位技术存在定位死角的问题,减少定位基站的数量,降低定位系统的建设成本,提高定位系统的可靠性。
为解决上述技术问题,一方面,本发明实施例提供了一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统,所述定位系统包括:标定端、标签运动端和服务器;
所述标定端包括位于标定平面上的动态基准标签和n个定位基站,所述标定平面平行于水平面,所述动态基准标签在标定平面上移动;
所述标签运动端包括位于标签运动平面上的多个标签,所述标签运动平面平行于所述标定平面且位于标定平面的下方;所述标签与定位基站进行通信;
所述服务器分别与动态基准标签、定位基站和标签进行通信;
所述动态基准标签包括第二微处理器、第二电源模块、第二超宽带定位模块、第二WIFI模块、x轴激光测距模块、y轴激光测距模块和步进电机模块;第二微处理器的I/O接口分别连接第二超宽带定位模块、第二WIFI模块、x轴激光测距模块、y轴激光测距模块和步进电机模块,第二微处理器的电源接口连接第二电源模块;所述第二WIFI模块通过WIFI网络与服务器通信。
作为本发明的进一步限定,所述定位基站包括第一微处理器、第一电源模块、第一WIFI模块和第一超宽带定位模块;第一微处理器的I/O接口分别连接第一WIFI模块和第一超宽带定位模块,第一微处理器的电源接口连接第一电源模块;所述第一WIFI模块通过WIFI网络与服务器通信。
作为本发明的进一步限定,所述标签包括第三微处理器、第三电源模块、第三超宽带定位模块、第三WIFI模块和加速度传感器;第三微处理器的I/O接口分别连接加速度传感器、第三WIFI模块和第三超宽带定位模块,第三微处理器的电源接口连接第三电源模块;所述第三WIFI模块通过WIFI网络与服务器进行通信;所述第三超宽带定位模块通过超宽带信道与定位基站的第一超宽带定位模块通信。
作为本发明的进一步限定,所述动态基准标签还包括激光发射模块,激光发射模块连接第二微处理器的I/O接口;所述标签还包括激光接收模块35,激光接收模块连接第三微处理器的I/O接口。
作为本发明的进一步限定,所述n为大于等于3的整数。
另一方面,本发明实施例还提供了一种补盲定位方法,基于上述超宽带室内定位系统,所述方法包括:
标签获得标签估算坐标,将标签估算坐标发送给服务器;
服务器将所述标签估算坐标发送给动态基准标签,动态基准标签移动至所述标签估算坐标位置,并将动态基准标签坐标发送给服务器;
服务器根据动态基准标签的坐标,计算得到标签的精确坐标。
作为本发明的进一步限定,所述标签获得标签估算坐标,具体包括:
标签获取当前的标签加速度,根据存储的上一次的标签定位坐标,计算得到标签估算坐标。
作为本发明的进一步限定,所述服务器根据动态基准标签的坐标,计算得到标签的精确坐标,具体包括:
服务器获得标签与动态基准标签之间的距离;
服务器获得标签与与所述标签进行通信的任两个定位基站之间的距离;
服务器根据动态基准标签的坐标以及所述两个定位基站的坐标,计算得到标签的精确坐标。
与现有技术相比,本发明实施例提供的一种基于动态基准标签的超宽带室内定位系统及补盲定位方法,解决了现有UWB定位技术存在定位死角的问题。本实施例中,标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信,标定端包括n个定位基站和可移动的动态基准标签,标签运动端包括多个标签,标签通过与多个定位基站通信获得其定位坐标。当标签由于遮挡等原因无法与某个定位基站建立通信联系时,标签估算出当前的坐标并发送给服务器,服务器将标签的估算坐标发送给动态基准标签,动态基准标签移动到估算坐标位置,临时代替基站实施定位,可以有效减少室内定位系统的盲区,提高定位系统的可靠性,减少定位基站的数量,降低定位系统的成本。
附图说明
图1为本发明实施例的基于动态基准标签的超宽带室内定位系统的架构示意图;
图2为本发明实施例的动态基准标签的结构示意图;
图3为本发明实施例的定位基站的结构示意图;
图4为本发明实施例的标签的结构示意图;
图5为本发明实施例动态基准标签搜索标签的示意图;
图中包含:服务器1、标定平面2、标签运动平面3、动态基准标签4、定位基站5、标签6、第一微处理器51、第一电源模块52、第一超宽带定位模块53、第一WIFI模块54、第二微处理器21、第二电源模块22、第二超宽带定位模块23、第二WIFI模块24、激光发射模块25、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27、步进电机模块28、、第三微处理器31、第三电源模块32、第三超宽带定位模块33、第三WIFI模块34、激光接收模块35、加速度传感器36。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示,本发明实施例的基于动态基准标签的超宽带室内定位系统,包括:标定端、标签运动端和服务器1。标定端包括动态基准标签4和n个定位基站5,动态基准标签4和定位基站5均位于平行于水平面的标定平面2上,动态基准标签4在标定平面2上移动。标签运动端包括多个标签6,标签6均位于标签运动平面3上,标签运动平面3平行于标定平面2且位于标定平面2的下方。标签6与定位基站5进行通信,服务器1分别与动态基准标签4、定位基站5和标签6进行通信。使用时,标定端布置在室内的顶层天花板,标签端3设置在标定端的下方。
如图2所示,动态基准标签4包括第二微处理器21、第二电源模块22、第二超宽带定位模块23、第二WIFI模块24、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27和步进电机模块28。第二微处理器21的I/O接口分别连接第二超宽带定位模块23、第二WIFI模块24、x轴激光测距模块26、y轴激光测距模块27和步进电机模块28,第二微处理器21的电源接口连接第二电源模块22。第二WIFI模块24通过WIFI网络与服务器1通信。
其中,动态基准标签4与服务器1通信时,第二微处理器21将通信数据通过I/O接口发送给第二WIFI模块24,同时第二WIFI模块24接收服务器1发送的通信数据,并将该通信数据发送给第二微处理器21。第二微处理器21经第二WIFI模块24接收服务器1发送的标签估算坐标,将驱动命令发送给步进电机模块。步进电机模块28接收第二微处理器21发送的驱动命令,驱动整个动态基准标签4移动到所述目标坐标位置。定位时,第二微处理21经第二超宽带模块23接收标签6发送的定位编码,经二超宽带模块23将反馈信息发送给标签6,以便标签6获得标签与动态基准标签4之间的距离。x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27分别用于测量动态基准标签4到标定平面起始点的距离,并将测量的距离发送给第二微处理器。第二微处理器接收x轴激光测距模块26和y轴激光测距模块27发送的距离,计算得到基准动态标签4的坐标,将动态基准标签4的坐标经第二WIFI模块24发送给服务器1,以便服务器1计算得到标签6的精确坐标。
本发明实施例提供的基于动态基准标签的超宽带室内定位系统,可有效解决现有UWB定位技术存在定位死角的问题。本实施例中,标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信,标定端包括n个定位基站和可移动的动态基准标签,标签运动端包括多个标签,标签通过与多个定位基站通信获得其定位坐标。当标签由于遮挡等原因无法与某个定位基站建立通信联系时,标签估算出当前的坐标并发送给服务器,服务器将标签的估算坐标发送给动态基准标签,动态基准标签移动到估算坐标位置,临时代替基站实施定位,可以有效减少室内定位系统的盲区,提高定位系统的可靠性,减少定位基站的数量,降低定位系统的成本。
作为优选例,如图3所示,定位基站5包括第一微处理器51、第一电源模块52、第一WIFI模块54和第一定位模块53。第一微处理器51的I/O接口分别连接第一WIFI模块54和第一超宽带定位模块53,第一微处理器51的电源接口连接第一电源模块52。第一WIFI模块54通过WIFI网络与服务器1进行通信。
定位基站5与服务器1通信时,第一微处理器51通过第一WIFI模块54收发通信数据。定位时,第一微处理器51将定位编码信息发送给第一超宽带模块53,第一超宽带模块53将接收到的标签6发送的定位编码信息发送给第一微处理器51,第一微处理器51生成反馈信息发送给第一超宽带模块53,第一超宽带模块53将反馈信息通过UWB信道传送给标签6,以便标签6计算标签与定位基站之间的距离。
作为优选例,如图4所示,标签6包括第三微处理器31、第三电源模块32、第三超宽带定位模块33、第三WIFI模块34和加速度传感器36。第三微处理器31的I/O接口分别连接加速度传感器36、第三WIFI模块34和第三超宽带定位模块33,第三微处理器31的电源接口连接第三电源模块32。第三WIFI模块34通过WIFI网络与服务器1进行通信,第三超宽带定位模块33通过超宽带信道与定位基站5的第一超宽带定位模块53进行通信。
标签6与服务器1通信时,第三微处理器31将通信数据发送给第三WIFI模块34,经第三WIFI模块34将数据发送给服务器1;同时第三WIFI模块34接收服务器1发送的通信数据,并将该通信数据发送给第三微处理器31。加速度传感器36用于获得标签加速度,并将标签加速度发送给第三微处理器31。第三微处理器31接收加速度传感器36发送的标签加速度,计算得到标签估算坐标,经第三WIFI模块34将标签估算坐标发送给服务器1。定位时,第三微处理31将定位编码信息发送给第三超宽带模块33,第三超宽带模块33将定位编码信息通过UWB信道发送给定位基站5,并接收定位基站5的反馈信息,并将反馈信息发送给第三微处理器31,第三微处理器31计算得到标签6与定位基站之间的距离,并经第三WIFI模块34发送给服务器1。第三微处理31将定位编码信息发送给第二超宽带模块23,第二超宽带模块23将定位编码信息通过UWB信道发送给动态基准标签4,并接收动态基准标签4的反馈信息,并将反馈信息发送给第三微处理器31,第三微处理器31计算得到标签6与动态基准标签之间的距离,并经第三WIFI模块34发送给服务器1,以便服务器1计算得到标签6的精确坐标。
作为优选例,所述动态基准标签4还包括激光发射模块25,激光发射模块25连接第二微处理器21的I/O接口;所述标签6还包括激光接收模块35,激光接收模块35连接第三微处理器31的I/O接口。
本实施例的定位系统,标签通过与定位基站通信获得其定位坐标,并将定位坐标发送给服务器,服务器再将标签的定位坐标和搜索范围发送给动态基准标签,动态基准标签在搜索范围内移动直至标签接收到动态基准标签发射的激光信号后停止,此时动态基准标签的坐标为标签的修正坐标,既而得到该标签与各个定位基站之间的定位误差,将定位误差作为补偿量用于后续标签定位中,从而有效补偿了超宽带定位模块的自身误差,提高了定位精度。
作为优选例,定位基站5的个数n大于等于3。定位时,根据标签6与各定位基站5之间的距离,以及各定位基站5的坐标,就可得到标签6的坐标。定位基站至少要有3个,才可计算得到标签6的二维坐标。定位基站多于3个,在某定位基站出现故障的情况下,其它的定位基站可作为替补进行定位,在故障定位基站未能及时修护的情况下不影响定位功能。
本发明实施例还提供一种补盲定位方法,基于上述动态基准标签的超宽带室内定位系统,包括以下步骤:
S00、如图5所示,当标签6无法与其中一个定位基站5进行通信时,发送动态基准标签补盲申请给服务器1。
S10、标签6获得标签估算坐标,将标签估算坐标发送给服务器1。
标签6根据加速度传感器36测量的当前的标签加速度,以及存储的历史速度,计算得到标签当前与上一次定位时的位移,计算公式如下:
式中,Sn表示位移,a表示加速度,Vn-1表示历史速度。
根据计算得到的位移和存储的上一次的标签定位坐标,得到标签估算坐标,将标签估算坐标通过WIFI网络发送给服务器1。
S20、服务器1收到标签估算坐标后,通过WIFI网络将标签估算坐标发送给动态基准标签4,动态基准标签4移动至标签估算坐标位置,并将此时自身的坐标发送给服务器1,服务器1将动态基准标签坐标发送给标签6。
S30、服务器1根据动态基准标签坐标,得到标签6的精确坐标。
S301、服务器1获得标签6与动态基准标签4之间的距离。
标签6发送定位信息给动态基准标签4,动态基准标签4发送反馈信号,标签6通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差,与信号速度相乘即可得到标签6与动态基准标签4之间的距离,并将标签6与动态基准标签4之间的距离发送给服务器1。
S302、获得标签6与与其进行通信的任两个定位基站5之间的距离。
标签6发送定位信息给定位基站5,定位基站5发送反馈信号,标签6通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差,与信号速度相乘即可得到标签6与定位基站5之间的距离,并将标签6与定位基站5之间的距离发送给服务器1。
S303、服务器1根据动态基准标签4的坐标以及所述两个定位基站5的坐标,计算得到标签6的精确坐标。
可通过下式可以计算得到标签的精确坐标(x0,y0):
式中,(xB1,yB1)和(xB2,yB2)表示与所述标签进行通信的任两个定位基站的坐标,L1和L2分别表示标签与两个定位基站的距离,L3表示标签与动态基准标签之间的距离,(xB3,yB3)表示动态基准标签的坐标。
本发明实施例提供的补盲定位方法,可有效解决现有UWB定位技术存在定位死角的问题。本实施例中,标定端、标签运动端和服务器三者之间进行通信,标定端包括n个定位基站和可移动的动态基准标签,标签运动端包括多个标签,标签通过与多个定位基站通信获得其定位坐标。当标签由于遮挡等原因无法与某个定位基站建立通信联系时,标签估算出当前的坐标并发送给服务器,服务器将标签的估算坐标发送给动态基准标签,动态基准标签移动到估算坐标位置,临时代替基站实施定位,可以有效减少室内定位系统的盲区,提高定位系统的可靠性,减少定位基站的数量,降低定位系统的成本。
以上显示和描述了本发明创造的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本设计不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计的原理,在不脱离本设计精神和范围的前提下,本发明创造还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本设计范围内。本发明创造要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种补盲定位方法,其特征在于,基于超宽带室内定位系统,所述超宽带室内定位系统包括:标定端、标签运动端和服务器(1);
所述标定端包括位于标定平面(2)上的动态基准标签(4)和n个定位基站(5),所述标定平面(2)平行于水平面,所述动态基准标签(4)在标定平面(2)上移动;
所述标签运动端包括位于标签运动平面(3)上的多个标签(6),所述标签运动平面(3)平行于所述标定平面(2)且位于标定平面(2)的下方;所述标签(6)与定位基站(5)进行通信;
所述服务器(1)分别与动态基准标签(4)、定位基站(5)和标签(6)进行通信;
所述动态基准标签(4)包括第二微处理器(21)、第二电源模块(22)、第二超宽带定位模块(23)、第二WIFI模块(24)、x轴激光测距模块(26)、y轴激光测距模块(27)和步进电机模块(28);第二微处理器(21)的I/O接口分别连接第二超宽带定位模块(23)、第二WIFI模块(24)、x轴激光测距模块(26)、y轴激光测距模块(27)和步进电机模块(28),第二微处理器(21)的电源接口连接第二电源模块(22);所述第二WIFI模块(24)通过WIFI网络与服务器(1)通信;所述动态基准标签(4)还包括激光发射模块(25),激光发射模块(25)连接第二微处理器(21)的I/O接口;所述标签(6)还包括激光接收模块(35),激光接收模块(35)连接第三微处理器(31)的I/O接口;
所述定位基站(5)包括第一微处理器(51)、第一电源模块(52)、第一WIFI模块(54)和第一超宽带定位模块(53);第一微处理器(51)的I/O接口分别连接第一WIFI模块(54)和第一超宽带定位模块(53),第一微处理器(51)的电源接口连接第一电源模块(52);所述第一WIFI模块(54)通过WIFI网络与服务器(1)通信;
所述标签(6)包括第三微处理器(31)、第三电源模块(32)、第三超宽带定位模块(33)、第三WIFI模块(34)、激光接收模块(35)和加速度传感器(36);第三微处理器(31)的I/O接口分别连接加速度传感器(36)、激光接收模块(35)、第三WIFI模块(34)和第三超宽带定位模块(33),第三微处理器(31)的电源接口连接第三电源模块(32);所述第三WIFI模块(34)通过WIFI网络与服务器(1)进行通信;所述第三超宽带定位模块(33)通过超宽带信道分别与动态基准标签(4)的第二超宽带定位模块(23)和定位基站(5)的第一超宽带定位模块(53)通信;
动态基准标签(4)与服务器(1)通信时,第二微处理器(21)将通信数据通过I/O接口发送给第二WIFI模块(24),同时第二WIFI模块(24)接收服务器(1)发送的通信数据,并将该通信数据发送给第二微处理器(21);第二微处理器(21)经第二WIFI模块(24)接收服务器(1)发送的标签估算坐标,将驱动命令发送给步进电机模块;步进电机模块(28)接收第二微处理器(21)发送的驱动命令,驱动整个动态基准标签(4)移动到所述目标坐标位置;定位时,第二微处理(21)经第二超宽带模块(23)接收标签(6)发送的定位编码,经第二超宽带模块(23)将反馈信息发送给标签(6),以便标签(6)获得标签与动态基准标签(4)之间的距离;x轴激光测距模块(26)和y轴激光测距模块(27)分别用于测量动态基准标签(4)到标定平面起始点的距离,并将测量的距离发送给第二微处理器;第二微处理器接收x轴激光测距模块(26)和y轴激光测距模块(27)发送的距离,计算得到基准动态标签(4)的坐标,将动态基准标签(4)的坐标经第二WIFI模块(24)发送给服务器(1),以便服务器(1)计算得到标签(6)的精确坐标;
定位基站(5)与服务器(1)通信时,第一微处理器(51)通过第一WIFI模块(54)收发通信数据;定位时,第一微处理器(51)将定位编码信息发送给第一超宽带模块(53),第一超宽带模块(53)将接收到的标签(6)发送的定位编码信息发送给第一微处理器(51),第一微处理器(51)生成反馈信息发送给第一超宽带模块(53),第一超宽带模块(53)将反馈信息通过UWB信道传送给标签(6),以便标签(6)计算标签与定位基站之间的距离;
标签(6)与服务器(1)通信时,第三微处理器(31)将通信数据发送给第三WIFI模块(34),经第三WIFI模块(34)将数据发送给服务器(1);同时第三WIFI模块(34)接收服务器(1)发送的通信数据,并将该通信数据发送给第三微处理器(31);加速度传感器(36)用于获得标签加速度,并将标签加速度发送给第三微处理器(31);第三微处理器(31)接收加速度传感器(36)发送的标签加速度,计算得到标签估算坐标,经第三WIFI模块(34)将标签估算坐标发送给服务器(1);定位时,第三微处理(31)将定位编码信息发送给第三超宽带模块(33),第三超宽带模块(33)将定位编码信息通过UWB信道发送给定位基站(5),并接收定位基站(5)的反馈信息,并将反馈信息发送给第三微处理器(31),第三微处理器(31)计算得到标签(6)与定位基站之间的距离,并经第三WIFI模块(34)发送给服务器(1);第三微处理(31)将定位编码信息发送给第二超宽带模块(23),第二超宽带模块(23)将定位编码信息通过UWB信道发送给动态基准标签(4),并接收动态基准标签(4)的反馈信息,并将反馈信息发送给第三微处理器(31),第三微处理器(31)计算得到标签(6)与动态基准标签之间的距离,并经第三WIFI模块(34)发送给服务器(1),以便服务器(1)计算得到标签(6)的精确坐标;
所述方法包括:
标签(6)获得标签估算坐标,将标签估算坐标发送给服务器(1);
服务器(1)将所述标签估算坐标发送给动态基准标签(4),动态基准标签(4)移动至所述标签估算坐标位置,并将动态基准标签坐标发送给服务器(1);
服务器(1)根据动态基准标签(4)的坐标,计算得到标签(6)的精确坐标;
所述标签获得标签估算坐标,具体包括:
标签(6)获取当前的标签加速度,根据存储的上一次的标签定位坐标,计算得到标签估算坐标;具体的,标签(6)根据加速度传感器(36)测量的当前的标签加速度,以及存储的历史速度,利用式(1)计算得到标签当前与上一次定位时的位移:
式中,Sn表示位移,a表示加速度,Vn-1表示历史速度;
根据计算得到的位移和存储的上一次的标签定位坐标,得到标签估算坐标;
所述服务器根据动态基准标签的坐标,计算得到标签的精确坐标,具体包括:
服务器(1)获得标签(6)与动态基准标签(4)之间的距离;具体的,标签(6)发送定位信息给动态基准标签(4),动态基准标签(4)发送反馈信号,标签(6)通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差,与信号速度相乘即可得到标签(6)与动态基准标签(4)之间的距离,并将标签(6)与动态基准标签(4)之间的距离发送给服务器(1);
服务器(1)获得标签(6)与与所述标签进行通信的任两个定位基站(5)之间的距离;具体的,标签(6)发送定位信息给定位基站(5),定位基站(5)发送反馈信号,标签(6)通过计算发送定位信息与接收反馈信号之间的时间差,与信号速度相乘即可得到标签(6)与定位基站(5)之间的距离,并将标签(6)与定位基站(5)之间的距离发送给服务器(1);
服务器(1)根据动态基准标签(4)的坐标以及所述两个定位基站(5)的坐标,计算得到标签(6)的精确坐标;具体的,利用式(2)计算得到标签的精确坐标(x0,y0):
式中,(xB1,yB1)和(xB2,yB2)表示与所述标签进行通信的任两个定位基站的坐标,L1和L2分别表示标签与两个定位基站的距离,L3表示标签与动态基准标签之间的距离,(xB3,yB3)表示动态基准标签的坐标。
2.按照权利要求1所述的补盲定位方法,其特征在于,所述n为大于等于3的整数。
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