CN111042933A - 一种轻型无人机发动机智能控制系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种轻型无人机发动机智能控制系统及其实现方法。本系统其组成包括:发动机控制器，所述的发动机控制器连接飞行控制系统，所述的发动机控制器连接环境温度传感器、大气压力传感器、进气温度传感器、进气歧管压力传感器，所述的发动机控制器连接点火系统和油泵，所述的点火系统连接活塞发动机，所述的活塞发动机连接喷油器、节气门位置传感器、风门舵机、集成式节气门阀体总成，所述的喷油器、所述的节气门位置传感器、所述的风门舵机连接所述的发动机控制器，所述的活塞发动机连接缸头温度传感器、霍尔传感器，所述的缸头温度传感器、所述的霍尔传感器接所述的发动机控制器。本发明用于轻型无人机发动机智能控制系统。

Description

一种轻型无人机发动机智能控制系统及其实现方法

技术领域：

本发明涉及一种轻型无人机发动机智能控制系统及其实现方法。

背景技术：

轻型无人机大多数采用小功率活塞发动机作为其动力系统，这种活塞发动机相对其它航空发动机而言，具有使用成本低、性价比高的优点。但传统活塞发动机也存在一些缺点，因其不能精确计量燃油和空气，在不同工况和环境下难以得到合适的空燃比，使得发动机动态性能、稳定性、燃油经济性方面都有一定影响。

目前，现有的轻型无人机发动机实现方案主要是采用传统自然吸气化油器活塞发动机。

传统自然吸气化油器活塞发动机方案，①化油器是利用气流通过化油器喉管时所产生的真空度把汽油吸出，与流经喉管的空气形成混合气，因此不可能精确计量燃油和空气。由于喉管中负压较小，燃油的雾化品质差，甚至有些油滴会沉积在进气管的内壁上，这部分油滴和未得到充分雾化的大颗粒油滴不能充分燃烧，从而影响发动机的动态性能。②无人机在飞行过程中，由于化油器燃油量孔开度不可调整，混合气逐渐变浓，造成富油现象，从而增加油耗率，减少续航时间。过浓的混合气还会造成发动机工作不稳定，甚至导致空中熄火坠机事故。③在飞机大角度连续俯冲飞行时，由于螺旋桨负载减轻，造成发动机处于小负荷高转速状态，使发动机严重富油。总之，传统自然吸气的化油器无法保证发动机在各种工况、各种环境条件下都得到合适的空燃比，影响发动机动态性能、稳定性、燃油经济性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种提高活塞发动机适应性、稳定性以及燃油经济性的一种轻型无人机发动机智能控制系统及其实现方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种轻型无人机发动机智能控制系统，其组成包括:发动机控制器，所述的发动机控制器连接飞行控制系统，所述的发动机控制器连接环境温度传感器、大气压力传感器、进气温度传感器、进气歧管压力传感器，所述的发动机控制器连接点火系统和油泵，所述的点火系统连接活塞发动机，所述的活塞发动机连接喷油器、节气门位置传感器、风门舵机、集成式节气门阀体总成，所述的喷油器、所述的节气门位置传感器、所述的风门舵机连接所述的发动机控制器，所述的活塞发动机连接缸头温度传感器、霍尔传感器，所述的缸头温度传感器、所述的霍尔传感器接所述的发动机控制器。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的发动机控制器由MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元、模拟信号处理单元、数字信号处理单元、执行机构驱动单元构成，其中MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元构成发动机控制器的最小系统，模拟信号处理单元对环境感知单元和发动机状态反馈单元中的传感器信号进行放大、整形调理；数字信号处理单元对发动机状态反馈单元中的转速信息进行处理。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的环境感知单元包括环境温度传感器，大气压力传感器，进气温度传感器、进气歧管压力传感器；通过环境温度传感器，大气压力传感器，进气温度传感器、进气歧管压力传感器获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力，将这些信息传递给发动机控制器，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量，使燃油量和进气量实时调整。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的发动机状态反馈单元包括缸头温度传感器、霍尔传感器；通过缸头温度传感器获得发动机的温度，通过霍尔传感器获得发动机转速，将这些信息传递给发动机控制器，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的集成式节气门阀体总成包括节气门阀体、节气门位置传感器、风门控制舵机、喷油器，将这些部件集成在节气门阀体上，使得喷油量和进气量的执行机构变得体积小、重量轻；节气门位置传感器将节气门位置信息传递给发动机控制器，作为发动机控制器计算喷油量和进气量的输入量；风门控制舵机用于控制节气门阀片，调节进气量的执行装置；喷油器根据发动机控制器指令将一定量的燃油喷入进气道，并与其中的空气形成可燃混合气。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的点火系统由点火驱动、点火线圈、火花塞组成；发动机控制器通过点火驱动将点火线圈的初级线圈接地电路切断，初级线圈充电终止，初级线圈中储存的电能产生反向电动势，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈感应出很高的电压，使火花塞放电，点燃气缸内混合气。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的油泵的输入端通过油管和油箱相连，油泵输出端通过油管与燃油压力调节器相连，发动机控制器工作时，油泵把燃油从油箱中吸出、加压后输送到油管中和燃油压力调节器配合恒定的燃油供给喷油器。

一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，智能控制实现方法包括六步，第一步发动机控制器打开油泵，配合油压调节器，喷油器输入端获得恒定油压；

第二步发动机控制器对环境感知传感器信号进行处理，获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力环境参数；

第三步发动机控制器对发动机状态信号进行处理，获得发动机缸头温度、转速发动机状态参数,通过节气门传感器获得节气门位置信息；

第四步发动机控制器接收飞行控制系统指令，获得所需功率；

第五步发动机控制器根据当前环境参数、发动机状态参数以及飞机所需功率，计算出所需喷油量和喷油时刻，进气量和风门舵机控制PWM占空比，点火时刻和点火时长；

第六步集成式节气门阀体总成和点火系统执行控制器指令进行喷油和点火。

所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，所述的第五步包括：⑴根据节气门位置信息获得发动机当前负载；⑵根据发动机当前转速、负载以及无人机所需功率，查找表获得基本喷油时刻、喷油量、点火时刻和点火时长，以及控制风门舵机的PWM占空比；⑶根据当前环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力、缸头温度对上述查表获得的量进行修正；所述的⑵中所述表由发动机试验标定获得；控制系统工作时循环执行第二步至第六步。

有益效果：

1.本发明采用智能控制技术，实现发动机所处工况和环境监测，对活塞发动机燃油和空气进行精确控制，进而得到合适的空燃比，提高了活塞发动机适应性、稳定性以及燃油经济性。

本发明利用传感器对发动机所处环境及工况进行实时监控，根据发动机转速、负载以及无人机所需功率，查表获得喷油时刻、喷油量、点火时刻、点火时长，以及风门舵机的PWM占空比的基本值后，可进行实时修正，解决了传统化油器发动机在飞行过程中燃油量不可调整问题，避免了富油现象导致的发动机不稳定和燃油消耗率高问题，提高了发动机稳定性和燃油经济性。

附图说明：

附图1是本产品的结构示意图。

附图2是本产品的方法步骤图。

具体实施方式：

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

一种轻型无人机发动机智能控制系统，其组成包括:发动机控制器，所述的发动机控制器连接飞行控制系统，所述的发动机控制器连接环境温度传感器、大气压力传感器、进气温度传感器、进气歧管压力传感器，所述的发动机控制器连接点火系统和油泵，所述的点火系统连接活塞发动机，所述的活塞发动机连接喷油器、节气门位置传感器、风门舵机、集成式节气门阀体总成，所述的喷油器、所述的节气门位置传感器、所述的风门舵机连接所述的发动机控制器，所述的活塞发动机连接缸头温度传感器、霍尔传感器，所述的缸头温度传感器、所述的霍尔传感器接所述的发动机控制器。

无人机发动机智能控制系统由发动机控制器、环境感知单元、发动机状态反馈单元、集成式节气门阀体总成、点火系统以及油泵构成。其中发动机控制器是本系统的核心，根据飞行控制系统所需功率，以及发动机所处外部环境和发动机工况，实时计算出所需喷油量和进气量，进而控制喷油和进气的执行机构，从而达到精确喷油和进气量的目的。环境感知单元通过传感器获得发动机所处环境，将环境温度、大气压力、进气温度、进气压力信息传递给发动机控制器。发动机状态反馈单元通过传感器器获得发动机的状态信息，将发动机缸头温度、转速信息传递给发动机控制器。集成式节气门阀体总成是控制发动机喷油量和进气量的执行机构。点火系统是发动机点火的执行机构。油泵把燃油从油箱中吸出、加压后输送到油管中和燃油压力调节器配合保证恒定的燃油供给。

实施例2：

实施例1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的发动机控制器由MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元、模拟信号处理单元、数字信号处理单元、执行机构驱动单元构成，其中MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元构成发动机控制器的最小系统，模拟信号处理单元对环境感知单元和发动机状态反馈单元中的传感器信号进行放大、整形调理；数字信号处理单元对发动机状态反馈单元中的转速信息进行处理。

实施例3：

实施例2所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的环境感知单元包括环境温度传感器，大气压力传感器，进气温度传感器、进气歧管压力传感器；通过环境温度传感器，大气压力传感器，进气温度传感器、进气歧管压力传感器获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力，将这些信息传递给发动机控制器，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量，使燃油量和进气量实时调整。

实施例4：

实施例2所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的发动机状态反馈单元包括缸头温度传感器、霍尔传感器；通过缸头温度传感器获得发动机的温度，通过霍尔传感器获得发动机转速，将这些信息传递给发动机控制器，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量。

实施例5：

实施例1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的集成式节气门阀体总成包括节气门阀体、节气门位置传感器、风门控制舵机、喷油器，将这些部件集成在节气门阀体上，使得喷油量和进气量的执行机构变得体积小、重量轻；节气门位置传感器将节气门位置信息传递给发动机控制器，作为发动机控制器计算喷油量和进气量的输入量；风门控制舵机用于控制节气门阀片，调节进气量的执行装置；喷油器根据发动机控制器指令将一定量的燃油喷入进气道，并与其中的空气形成可燃混合气。

实施例6：

实施例1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的点火系统由点火驱动、点火线圈、火花塞组成；发动机控制器通过点火驱动将点火线圈的初级线圈接地电路切断，初级线圈充电终止，初级线圈中储存的电能产生反向电动势，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈感应出很高的电压，使火花塞放电，点燃气缸内混合气。

实施例7：

实施例1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，所述的油泵的输入端通过油管和油箱相连，油泵输出端通过油管与燃油压力调节器相连，发动机控制器工作时，油泵把燃油从油箱中吸出、加压后输送到油管中和燃油压力调节器配合恒定的燃油供给喷油器。

实施例8：

一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，智能控制实现方法包括六步，第一步发动机控制器打开油泵，配合油压调节器，喷油器输入端获得恒定油压；

第二步发动机控制器对环境感知传感器信号进行处理，获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力环境参数；

第三步发动机控制器对发动机状态信号进行处理，获得发动机缸头温度、转速发动机状态参数,通过节气门传感器获得节气门位置信息；

第四步发动机控制器接收飞行控制系统指令，获得所需功率；

第五步发动机控制器根据当前环境参数、发动机状态参数以及飞机所需功率，计算出所需喷油量和喷油时刻，进气量和风门舵机控制PWM占空比，点火时刻和点火时长；

第六步集成式节气门阀体总成和点火系统执行控制器指令进行喷油和点火。

实施例9：

实施例8所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，其特征是: 所述的第五步包括：⑴根据节气门位置信息获得发动机当前负载；⑵根据发动机当前转速、负载以及无人机所需功率，查找表获得基本喷油时刻、喷油量、点火时刻和点火时长，以及控制风门舵机的PWM占空比；⑶根据当前环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力、缸头温度对上述查表获得的量进行修正；所述的⑵中所述表由发动机试验标定获得；控制系统工作时循环执行第二步至第六步。

实施例10：

上述实施例所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，附图1所示，轻型无人机发动机智能控制系统1由发动机控制器11、环境感知单元12、发动机状态反馈单元13、集成式节气门阀体总成14、点火系统15以及油泵16构成；其中发动机控制器1是本系统的核心，根据飞行控制系统2所需功率，以及活塞发动机3所处外部环境和发动机工况，实时计算出所需喷油量和进气量，进而控制喷油和进气的执行机构，从而达到精确喷油和进气量的目的。环境感知单元12通过传感器获得发动机所处环境，将环境温度、大气压力、进气温度、进气压力信息传递给发动机控制器11。发动机状态反馈单元13通过传感器器获得发动机的状态信息，将发动机缸头温度、转速信息传递给发动机控制器11。集成式节气门阀体总成14是控制发动机喷油量和进气量的执行机构。点火系统15是发动机点火的执行机构。油泵16把燃油从油箱中吸出、加压后输送到油管中和燃油压力调节器配合保证恒定的燃油供给。

发动机控制器11由MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元、模拟信号处理单元、数字信号处理单元、执行机构驱动单元构成。其中MCU采用飞思卡尔车规级16位单片机实现。电源单元采用DC电压模块将9-36V外部电源转换为系统所需的5V。时钟单元采用外部无源8M晶振。复位电路采用RC电路实现。调试单元采用飞思卡尔专用BDM电路实现。模拟信号处理单元由运放OPA2348AID芯片实现对环境感知单元和发动机状态反馈单元中的传感器信号进行放大、整型调理。数字信号处理单元由TLV3202AID芯片实现对发动机状态反馈单元中的转速信息进行整型调理。

环境感知单元12由环境温度传感器121、大气压力传感器122、进气温度传感器123、进气歧管压力传感器124构成。环境温度传感器121采用PT100传感器输出模拟信号经发动机控制器11进行AD转换后得到温度值。大气压力传感器122采用MPXAZ6115AP实现，输出模拟信号经发动机控制器11进行AD转换后得到大气压力，从而推算出发动机控制器所处海拔高度。进气温度传感器123采用负温度系数的热敏电阻实现，其电阻值随温度上升而减少，但不是线性关系。进气歧管压力传感器124采用压敏电阻式传感器，应变电阻感应绝对压力的变化，引起其电阻值的变化，输出0-5V的电压，发动机控制器11进行AD转换后得到绝对进气压力。发动机控制器11获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力后，作为计算喷油量和进气量的输入量。

发动机状态反馈单元13包括缸头温度传感器131和霍尔传感器132。缸头温度传感器131采用PT100传感器输出模拟信号经发动机控制器11进行AD转换后得到温度值。霍尔传感器132输出霍尔信号经TLV3202AID芯片后，输入给发动机控制器11，通过其定时器捕获，计算出发动机转速。发动机控制器11获得缸头温度和发动机转速后，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量。

集成式节气门阀体14包括节气门阀体、节气门位置传感器142、风门控制舵机143、喷油器141。节气门阀体上集成节气门位置传感器142、风门控制舵机143和喷油器141，使得喷油量和进气量的执行机构变得体积小、重量轻。节气门位置传感器142采用具线性输出特性的转角电位计，其转臂与节气门同轴安装，当节气门转动时，带动电位计转臂滑到一定的位置，电位计输出与节气门位置成比例的电压信号，电压信号经运放OPA2348AID芯片放大、整型处理后接发动机控制器11的AD输入，经AD转换后获得节气门开度。风门控制舵机143采用Futaba S3016舵机，其转轴通过一个连杆与阀片转轴相连，其输入控制端与发动机控制器11相连，通过发动机控制器11的PWM波来控制舵机的转动，从而控制进气量。喷油器141采用EFIJ-UAV喷油器，安装在阀体上，其进油端通过油管与油压调节器相连，其控制端与发动机控制器11相连，通过发动机控制器11输出脉冲控制信号，控制燃油喷入进气道，并与其中的空气形成可燃混合气。

点火系统15由点火驱动、点火线圈、火花塞组成。点火系统15一端与发动机控制器11相连，一端与安装在发动机缸头上的火花塞相连。发动机控制器通过点火驱动将点火线圈的初级线圈接地电路切断，初级线圈充电终止，初级线圈中储存的电能会产生反向电动势，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈就会感应出很高的电压，使火花塞放电，点燃气缸内混合气。

油泵16采用25L/H的转子泵，其输入端通过油管和油箱相连，油泵16输出端通过油管与燃油压力调节器相连，发动机控制器11工作时，油泵16把燃油从油箱中吸出、加压后输送到油管中和燃油压力调节器配合保证恒定的燃油供给给喷油器141。

附图2为根据本发明的轻型无人机发动机智能控制系统实现方法步骤的示意图。智能控制实现方法的包括以下步骤：

A.发动机控制器11打开油泵114，配合油压调节器，喷油器114输入端获得恒定油压。

发动机控制器11对环境感知传感器信号进行处理，获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力环境参数。

发动机控制器11对发动机状态信号进行处理，获得发动机缸头温度、转速发动机状态参数，通过节气门传感器142获得节气门位置信息。

发动机控制器11接收飞行控制系统2的指令，获得所需功率。

发动机控制器11根据当前环境参数、发动机状态参数以及飞机所需功率，计算出所需喷油量和喷油时刻，进气量和风门舵机控制PWM占空比，点火时刻和点火时长。

发动机控制器11输出控制指令给集成式节气门阀体总成14和点火系统15，集成式节气门阀体总成14和点火系统15执行控制器指令进行喷油和点火。

所述步骤E包括：

E1.根据节气门位置信息获得发动机当前负载。

根据发动机当前转速、负载以及无人机所需功率，查找表获得基本喷油时刻、喷油量、点火时刻和点火时长，以及控制风门舵机的PWM占空比。

根据当前环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力、缸头温度对上述查表获得的量进行修正。

中所述表由发动机试验标定获得。

控制系统工作时循环执行步骤B至步骤F。

可能有许多其它的方式来实现本发明的系统，比如将控制器中MCU换成其它型号的单片机，传感器换成其它型号的传感器。因而，控制器中的MCU覆盖所有实现相同功能的单片机，传感器覆盖实现相同功能的传感器。

Claims (9)

1.一种轻型无人机发动机智能控制系统，其组成包括:发动机控制器，其特征是: 所述的发动机控制器连接飞行控制系统，所述的发动机控制器连接环境温度传感器、大气压力传感器、进气温度传感器、进气歧管压力传感器，所述的发动机控制器连接点火系统和油泵，所述的点火系统连接活塞发动机，所述的活塞发动机连接喷油器、节气门位置传感器、风门舵机、集成式节气门阀体总成，所述的喷油器、所述的节气门位置传感器、所述的风门舵机连接所述的发动机控制器，所述的活塞发动机连接缸头温度传感器、霍尔传感器，所述的缸头温度传感器、所述的霍尔传感器接所述的发动机控制器。

2.根据权利要求1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，其特征是: 所述的发动机控制器由MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元、模拟信号处理单元、数字信号处理单元、执行机构驱动单元构成，其中MCU、电源单元、时钟单元、复位单元、调试单元构成发动机控制器的最小系统，模拟信号处理单元对环境感知单元和发动机状态反馈单元中的传感器信号进行放大、整形调理；数字信号处理单元对发动机状态反馈单元中的转速信息进行处理。

3.根据权利要求2所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，其特征是: 所述的环境感知单元包括环境温度传感器，大气压力传感器，进气温度传感器、进气歧管压力传感器；通过环境温度传感器，大气压力传感器，进气温度传感器、进气歧管压力传感器获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力，将这些信息传递给发动机控制器，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量，使燃油量和进气量实时调整。

4.根据权利要求2所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，其特征是: 所述的发动机状态反馈单元包括缸头温度传感器、霍尔传感器；通过缸头温度传感器获得发动机的温度，通过霍尔传感器获得发动机转速，将这些信息传递给发动机控制器，作为控制器计算喷油量和进气量的输入量。

5.根据权利要求1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，其特征是: 所述的集成式节气门阀体总成包括节气门阀体、节气门位置传感器、风门控制舵机、喷油器，将这些部件集成在节气门阀体上，使得喷油量和进气量的执行机构变得体积小、重量轻；节气门位置传感器将节气门位置信息传递给发动机控制器，作为发动机控制器计算喷油量和进气量的输入量；风门控制舵机用于控制节气门阀片，调节进气量的执行装置；喷油器根据发动机控制器指令将一定量的燃油喷入进气道，并与其中的空气形成可燃混合气。

6.根据权利要求1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，其特征是: 所述的点火系统由点火驱动、点火线圈、火花塞组成；发动机控制器通过点火驱动将点火线圈的初级线圈接地电路切断，初级线圈充电终止，初级线圈中储存的电能产生反向电动势，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈感应出很高的电压，使火花塞放电，点燃气缸内混合气。

7.根据权利要求1所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统，其特征是: 所述的油泵的输入端通过油管和油箱相连，油泵输出端通过油管与燃油压力调节器相连，发动机控制器工作时，油泵把燃油从油箱中吸出、加压后输送到油管中和燃油压力调节器配合恒定的燃油供给喷油器。

8.一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，其特征是: 智能控制实现方法包括六步，第一步发动机控制器打开油泵，配合油压调节器，喷油器输入端获得恒定油压；

第二步发动机控制器对环境感知传感器信号进行处理，获得环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力环境参数；

第三步发动机控制器对发动机状态信号进行处理，获得发动机缸头温度、转速发动机状态参数,通过节气门传感器获得节气门位置信息；

第四步发动机控制器接收飞行控制系统指令，获得所需功率；

第五步发动机控制器根据当前环境参数、发动机状态参数以及飞机所需功率，计算出所需喷油量和喷油时刻，进气量和风门舵机控制PWM占空比，点火时刻和点火时长；

第六步集成式节气门阀体总成和点火系统执行控制器指令进行喷油和点火。

9.根据权利要求8所述的一种轻型无人机发动机智能控制系统的实现方法，其特征是:所述的第五步包括：⑴根据节气门位置信息获得发动机当前负载；⑵根据发动机当前转速、负载以及无人机所需功率，查找表获得基本喷油时刻、喷油量、点火时刻和点火时长，以及控制风门舵机的PWM占空比；⑶根据当前环境温度、大气压力、进气温度、进气歧管压力、缸头温度对上述查表获得的量进行修正；所述的⑵中所述表由发动机试验标定获得；控制系统工作时循环执行第二步至第六步。

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