CN111721579A - 一种基于无人机的环境勘探装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的环境勘探装置，包括采样瓶和一底部具有开口的壳体，采样瓶的瓶口可选择性启闭，壳体内横向固定有支撑架，壳体内具有转换点，壳体设有采样瓶转换机构、采样机构和采样升降机构。本发明通过设置采样瓶转换机构，携带多个采样瓶，可实现单机单程多点取样，提高采样效率；通过设置采样机构，逐一从采样瓶转换机构中取下未采样的采样瓶，并自动固定采样瓶，使采样瓶在升降过程中保持稳定不会坠落；通过设置采样升降机构，使采样机构及其固定的采样瓶在升降过程中沿多节伸缩杆直线运动，实现直线潜入水中并定深采样功能，各采样瓶独立封闭，在水下操控瓶口开启采取定深水样，采样后瓶口封闭之后再提升，提高采样精度。

Description

一种基于无人机的环境勘探装置

技术领域

本发明涉及环境勘探装置技术领域，特别是一种基于无人机的环境勘探装置。

背景技术

在水环境监测领域，要取得真实、准确且完整的水质监测数据，需要对采样水域，如河流、湖泊、水库、近岸海域等地表水体进行采集，为提高采样精准度，避免误差，还应对水域进行多点采样，以收集足够多的样品。

将无人机应用于水质自动采样能够大大降低工作人员危险系数、减少成本、提升水质采样效率和检测时效性、避免人工操作对采样质量的影响，而且机动性强、结构紧凑，能够到达特殊地形处的采样点。现有的基于无人机的水体环境勘采样装置。采用的水质采样取水方式一般有采样桶直接取水和泵管抽吸取水两类，采样桶直接取水时水样容易溅出，且无法实现多个采样点取水，工作效率较低。泵管抽吸取水时需要考虑多个采样瓶取水的需求，若只利用一套泵管系统则会产生各采样瓶水样混合情况，影响监测精度，若每个采样瓶均配备泵管系统，则成本较高，且在多点采样时，无法实现定深采样功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于无人机的环境勘探装置。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种基于无人机的环境勘探装置，包括采样瓶和一底部具有开口的壳体，所述采样瓶的瓶口可选择性启闭，所述壳体内横向固定有支撑架，所述壳体内具有转换点，所述壳体设有：

采样瓶转换机构，所述采样瓶转换机构包括固定安装在支撑架上的第一减速步进电机，转动安装在壳体内且与第一减速步进电机传动连接的转轴、同轴固定安装在转轴上的旋转架，固定安装在旋转架下端面上的多个采样瓶锁定机构；其中，所述采样瓶锁定机构沿旋转架轴线呈圆周分布，所述采样瓶锁定机构卡接锁定采样瓶；所述第一减速步进电机驱动采样瓶锁定机构逐一移动至转换点；

采样机构，所述采样机构包括可通过开口的防水壳，安装在防水壳内的蓄电池和第一控制模块，固定安装在防水壳上的水下电动推杆、支架和瓶座，安装在水下电动推杆伸缩端的齿条，转动安装在支架上的从动轴，位于支架间且与从动轴固定连接的L型压板，安装在从动轴一端且与齿条啮合连接的圆柱齿轮，开在L型压板上的矩形口，固定在L型压板上且位于矩形口上方的电机固定架，固定安装在电机固定架上的第二减速步进电机和压力液位传感器，安装在第二减速步进电机输出端且用于与采样瓶配合以启闭其瓶口的端面齿轮；其中，所述L型压板用于与转换点处的采样瓶锁定机构配合以解锁采样瓶、与瓶座配合以固定瓶座内的采样瓶；

采样升降机构，所述采样升降机构包括安装在壳体顶端内壁的多节伸缩杆，固定安装在支撑架上的卷线机构；所述多节伸缩杆的伸缩端、卷线机构上卷绕绳索的自由端均与防水壳连接。

优选地，所述采样瓶包括顶部敞开的圆筒型瓶体，固定套装在圆筒型瓶体上端的且具有环槽的卡接套，以及选择性密封圆筒型瓶体的封盖组件；

优选地，所述封盖组件包括与圆筒型瓶体顶端密封连接的盖体，开设在盖体上的圆槽，开在圆槽底部与圆筒型瓶体连通的进水口，转动安装在圆槽内用于启闭进水口的密封件，固定在密封件上端的连接块，位于连接块上方用于与端面齿轮咬合的端面齿盘，两端分别与连接块和端面齿盘固定连接的导向伸缩杆和螺旋弹簧。

优选地，所密封件包括板体及固定在板体上下端面上的密封橡胶垫，所述密封橡胶垫与圆槽滑动密封连接，通过转动密封件以启闭进水口。

优选地，所述采样瓶锁定机构包括固定在旋转架上的锁定座，开在锁定座中心处用于供采样瓶通过的卡接口，开在卡接口两侧的滑槽，滑动卡装在滑槽内且一端伸出锁定座的条形滑块，与两个条形滑块伸出端连接的连接板，套装在条形滑块上且两端与连接板和锁定座抵接的压簧，固定在条形滑块另一端用于限制条形滑块脱离滑槽的限位块，固定在两个条形滑块相向端面且用于与卡接套卡接配合的弹簧柱塞；其中，所述弹簧柱塞的挡销具有向下倾斜的斜面。

优选地，所述卷线机构包括安装在支撑架上的第三减速步进电机和支撑座，所述支撑座上转动安装有卷线轴，所述卷线轴上安装有卷筒，所述卷筒上固定且缠绕有绳索，所述第二减速步进电机输出端与卷线轴传动连接。

优选地，所述多节伸缩杆由层层滑动套接的空心套管构成，所述空心套管内壁开有定位滑槽，所述空心套管外壁固定有沿其外侧套接的另一空心套管的定位滑槽内滑动的定位块。

优选地，所述壳体内安装有第二控制模块，所述第一控制模块与第二控制模块无线信号连接。

优选地，所述壳体侧壁上设有取放门，所述取放门一端通过合页与壳体铰接另一端通过搭扣锁与壳体可分离连接。

本发明的有益效果：通过设置采样瓶转换机构，携带多个采样瓶，可实现单机单程多点取样，提高采样效率；通过设置采样机构，逐一从采样瓶转换机构中取下未采样的采样瓶，并自动固定采样瓶，使采样瓶在升降过程中保持稳定不会坠落；通过设置采样升降机构，使采样机构及其固定的采样瓶在升降过程中沿多节伸缩杆直线运动，实现直线潜入水中并定深采样功能，各采样瓶独立封闭，在水下操控瓶口开启采取定深水样，采样后瓶口封闭之后再提升，提高采样精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图一；

图2是本发明的结构示意图二；

图3是本发明的结构示意图三；

图4是本发明的结构示意图四；

图5是本发明的结构示意图五；

图6是本发明在图4状态时的侧视结构示意图；

图7是采样瓶转换机构的俯视图；

图8是采样瓶锁定机构与采样瓶连接结构局部示意图；

图9是采样瓶锁定机构的俯视剖视图；

图10是本发明作业时的状态图；

图11是多节伸缩杆的截面图；

图12是封盖组件的局部示意图；

图13是采样机构的俯视图；

图14是图10中采样机构与采样瓶的局部放大图；

图中，1、采样瓶；11、圆筒型瓶体；12、卡接套；13、封盖组件；131、盖体；132、圆槽；133、进水口；134、密封件；134a、板体；134b、密封橡胶垫；135、连接块；136、端面齿盘；137、导向杆；138、螺旋弹簧；

2、壳体；21、开口；22、支撑架；23、第二控制模块；

3、转换点；

4、采样瓶转换机构；41、第一减速步进电机；42、转轴；43、旋转架；

5、采样机构；501、防水壳；502、蓄电池；503、第一控制模块；504、水下电动推杆；505、支架；506、瓶座；507、齿条；508、从动轴；509、L型压板；510、圆柱齿轮；511、矩形口；512、电机固定架；513、第二减速步进电机；514、压力液位传感器；515、端面齿轮；

6、采样升降机构；61、多节伸缩杆；611、空心套管；612、定位滑槽；613、定位块；62、卷线机构；621、绳索；622、第二减速步进电机；623、支撑座；624、卷线轴；625、卷筒；

7、采样瓶锁定机构；701、锁定座；702、卡接口；703、滑槽；704、条形滑块；705、连接板；706、压簧；707、限位块；708、弹簧柱塞；709、斜面；

8、取放门；81、合页；82、搭扣锁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-14所示:一种基于无人机的环境勘探装置，包括采样瓶1和一底部具有开口21的壳体2，采样瓶1的瓶口可选择性启闭，壳体2可通过连接件安装在旋翼无人机或者复合翼无人机这种的可以悬停的无人机上，以便于实现悬停采样功能；壳体2内横向固定有支撑架22，壳体2内具有转换点3，壳体2设有采样瓶转换机构4、采样机构5和采样升降机构6；

如图1和图7所示，采样瓶转换机构4包括固定安装在支撑架22上的第一减速步进电机41，转动安装在壳体2内且与第一减速步进电机41传动连接的转轴42、同轴固定安装在转轴42上的旋转架43，固定安装在旋转架43下端面上的多个采样瓶锁定机构7；其中，采样瓶锁定机构7沿旋转架43轴线呈圆周分布，采样瓶锁定机构7卡接锁定采样瓶1；第一减速步进电机41驱动采样瓶锁定机构7逐一移动至转换点3；在一实施例中，采样瓶锁定机构7设置六个，第一减速步进电机41每次旋转60度，使采样瓶锁定机构7逐一移动至转换点3；转轴42下端通过轴承安装在壳体2底端内壁上，转轴42上端通过联轴器与第一减速步进电机41连接，实现传动；

如图1和图13所示，采样机构5包括可通过开口21的防水壳501，安装在防水壳501内的蓄电池502和第一控制模块503，固定安装在防水壳501上的水下电动推杆504、支架505和瓶座506，安装在水下电动推杆504伸缩端的齿条507，转动安装在支架505上的从动轴508，位于支架505间且与从动轴508固定连接的L型压板509，安装在从动轴508一端且与齿条507啮合连接的圆柱齿轮510，开在L型压板509上的矩形口511，固定在L型压板509上且位于矩形口511上方的电机固定架512，固定安装在电机固定架512上的第二减速步进电机513和压力液位传感器514，安装在第二减速步进电机513输出端且用于与采样瓶1配合以启闭其瓶口的端面齿轮515；其中，L型压板509用于与转换点3处的采样瓶锁定机构7配合以解锁采样瓶1、与瓶座506配合以固定瓶座506内的采样瓶1；蓄电池502为第一控制模块503、水下电动推杆504、第二减速步进电机513和压力液位传感器514供电，水下电动推杆504、第二减速步进电机513和压力液位传感器514通过防水电缆与第一控制模块503电连接，第一控制模块503选用STM32单片机，并安装有无线通信模块，以收发无线信号，控制水下电动推杆504、第二减速步进电机513工作；水下电动推杆504为可控行程的水下电动推杆504，可以为步进电机或伺服电机驱动的电动推杆，以实现对水下电动推杆504进行精确控制的目的。

如图1和图6所示，采样升降机构6包括安装在壳体2顶端内壁的多节伸缩杆61，固定安装在支撑架22上的卷线机构62；多节伸缩杆61的伸缩端、卷线机构62上卷绕绳索621的自由端均与防水壳501连接。

卷线机构62包括安装在支撑架22上的第三减速步进电机622和支撑座623，支撑座623上转动安装有卷线轴624，卷线轴624上安装有卷筒625，卷筒625上固定且缠绕有绳索621，第二减速步进电机513输出端与卷线轴624传动连接；如图11所示，多节伸缩杆61由层层滑动套接的空心套管611构成，空心套管611内壁开有定位滑槽612，空心套管611外壁固定有沿其外侧套接的另一空心套管611的定位滑槽612内滑动的定位块613；定位块613在定位滑槽612内直线滑动无法脱离，这样可避免采样机构5相对壳体2转动，从而使采样机构5可以沿固定轨迹升降并通过开口21。

优选地，如图8所示，采样瓶1包括顶部敞开的圆筒型瓶体11，固定套装在圆筒型瓶体11上端的且具有环槽的卡接套12，以及选择性密封圆筒型瓶体11的封盖组件13；

封盖组件13包括与圆筒型瓶体11顶端密封连接的盖体131，开设在盖体131上的圆槽132，开在圆槽132底部与圆筒型瓶体11连通的进水口133，转动安装在圆槽132内用于启闭进水口133的密封件134，固定在密封件134上端的连接块135，位于连接块135上方用于与端面齿轮515咬合的端面齿盘136，两端分别与连接块135和端面齿盘136固定连接的导向伸缩杆137和螺旋弹簧138。

在本实施例中，如图12所示，进水口133设置为四个，沿圆槽132轴线圆周分布，圆槽132轴线与盖体131轴线重合，密封件134呈十字型，初始时密封件134密封进水口133，通过转动密封件134，使密封件134与进水口133错位，实现进水口133的开启，端面齿轮515接触端面齿盘136时，可能存在非直接咬合情况，为避免端面齿轮515与端面齿盘136刚性接触，设置至少两个导向伸缩杆137和螺旋弹簧138，可使端面齿盘136具有一定缓冲空间，同时使端面齿盘136转动时可带动密封件同步转动；当第三减速步进电机622旋转时，螺旋弹簧138顶升端面齿盘136，使端面齿盘136与端面齿轮515咬合，第三减速步进电机622可旋转45度，使密封件134开启进水口133。

如图8所示，所密封件134包括板体134a及固定在板体134a上下端面上的密封橡胶垫134b，密封橡胶垫134b与圆槽132滑动密封连接，通过转动密封件134以启闭进水口133。

优选地，图9所示，采样瓶锁定机构7包括固定在旋转架43上的锁定座701，开在锁定座701中心处用于供采样瓶1通过的卡接口702，开在卡接口702两侧的滑槽703，滑动卡装在滑槽703内且一端伸出锁定座701的条形滑块704，与两个条形滑块704伸出端连接的连接板705，套装在条形滑块704上且两端与连接板705和锁定座701抵接的压簧706，固定在条形滑块704另一端用于限制条形滑块704脱离滑槽703的限位块707，固定在两个条形滑块704相向端面且用于与卡接套12卡接配合的弹簧柱塞708；其中，弹簧柱塞708的挡销具有向下倾斜的斜面709，通过设置斜面709，当采样瓶1卡入锁定座701过程中，与弹簧柱塞708的挡销接触，会挤压弹簧柱塞708挡销端的斜面709，从而将弹簧柱塞708的挡销压缩，以让开位置供采样瓶1，当采样瓶1移动至锁定座701内且弹簧柱塞708的挡销卡入卡接套12的环槽处时，锁定座701锁定采样瓶1。

优选地，壳体2内安装有第二控制模块23，第一控制模块503与第二控制模块23无线信号连接。第二控制模块23采用与第一控制模块503型号相同的单片机，第二控制模块23与第一控制模块503无线通信连接，第二控制模块23通过无线信号与其搭载的无人机内的控制电路板连接，通过无人机地面站向无人机发送控制命令或者直接向第二控制模块23发送无线命令，进而控制第一减速步进电机41、第二减速步进电机513、第三减速步进电机622工作，控制方式均为现有技术，不再赘述。

优选地，壳体2侧壁上设有取放门8，取放门8一端通过合页81与壳体2铰接另一端通过搭扣锁82与壳体2可分离连接。通过解锁搭扣锁82，打开取放门8，再按压连接板705，可解锁并取下采样瓶1。

本实施方案工作步骤：

步骤一、将本装置安装在复合翼无人机上，无人机飞行至采样点合适高度后悬停；如图1所示，初始时，一个采样瓶锁定机构7位于转换点3处，防水壳501位底部于开口21处；卷线机构62工作，第二减速步进电机513带动卷线轴624、卷筒625转动，收卷绳索621，绳索621提升防水壳501，使瓶座506上升至采样瓶1底部并包围采样瓶1底部；

步骤二、如图2所示，水下电动推杆504伸缩端伸出带动齿条507竖直向上运动，齿条507带动圆柱齿轮510、从动轴508转动，使L型压板509由初始态大致翻转30度，期间，L型压板509与连接板705接触并推动连接板705向转轴42方向移动，带动条形滑块704在滑槽703内滑动，压簧706压缩，弹簧柱塞708移动至不再卡接卡接套12，从而解锁采样瓶1，采样瓶1在重力作用下落在瓶座506内；随后水下电动推杆504伸缩端收缩带动L型压板509复位至初始位置，如图3所示，以远离连接板705；

步骤三、如图4、图6和图10所示，第二减速步进电机513反向工作，带动卷线轴624、卷筒625转动，放卷绳索621，在采样机构5自身重力作用下，绳索621悬吊采样机构5由开口21下降至壳体2外，多节伸缩杆61伸缩端伸出随采样机构5一同下降，多节伸缩杆61的设置使得采样机构5可以沿其轴线直线平稳下降；期间，水下电动推杆504伸缩端伸出驱动使L型压板509由初始态大致翻转90度，如图14所示，压紧采样瓶1，使采样瓶1在下降及采样过程中保持稳定，端面齿轮515压住端面齿盘136；采样机构5的重力大于采样瓶1的浮力，从而可以携带采样瓶1浸入水中，采样机构5和采样瓶1入水后，根据压力液位传感器514反馈的数据，可判断采样瓶1下潜深度，从而进行定深采样；

步骤四、采样瓶1下潜至预设采样深度时，第三减速步进电机622旋转带动端面齿轮515缓慢旋转45度，端面齿轮515与端面齿盘136咬合，端面齿轮515带动端面齿盘136、密封件134转动大致45度，使密封件134开启进水口133；

步骤五、采样瓶1采样后，第三减速步进电机622反向旋转45度，使密封件134复位封闭进水口133，端面齿轮515与端面齿盘136由非咬合态转动至咬合所需的角度远小于45度，不影响密封件134封闭进水口133，可忽略不计；

步骤六、密封件134封闭进水口133后，第二减速步进电机513驱动卷筒625收卷绳索621，加工采样瓶1提升至壳体2内，采样瓶1提升至开口21处后，水下电动推杆504伸缩端收缩驱动L型压板509上旋恢复初始位置，以让开位置，使采样瓶1可以进入锁定座701内，随后采样瓶1通过卡接口702进入锁定座701中，如图5所示，弹簧柱塞708卡接卡接套12，实现固定；

步骤七、第二减速步进电机513驱动卷筒625放卷绳索621，使采样机构5恢复初始位置，以使瓶座506下降，让开位置，使采样后的采样瓶1转移另一位置，使下一未采样的采样瓶1移动至转换点3，随后第一减速步进电机41旋转60度，带动下一采样瓶1移动至转换点3，地面控制站操控无人机飞行至下一采样点；再次采样时，重复上述步骤，实现多点采样。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于无人机的环境勘探装置，包括采样瓶（1）和一底部具有开口（21）的壳体（2），其特征在于，所述采样瓶（1）的瓶口可选择性启闭，所述壳体（2）内横向固定有支撑架（22），所述壳体（2）内具有转换点（3），所述壳体（2）设有：

采样瓶转换机构（4），所述采样瓶转换机构（4）包括固定安装在支撑架（22）上的第一减速步进电机（41），转动安装在壳体（2）内且与第一减速步进电机（41）传动连接的转轴（42）、同轴固定安装在转轴（42）上的旋转架（43），固定安装在旋转架（43）下端面上的多个采样瓶锁定机构（7）；其中，所述采样瓶锁定机构（7）沿旋转架（43）轴线呈圆周分布，所述采样瓶锁定机构（7）卡接锁定采样瓶（1）；所述第一减速步进电机（41）驱动采样瓶锁定机构（7）逐一移动至转换点（3）；

采样机构（5），所述采样机构（5）包括可通过开口（21）的防水壳（501），安装在防水壳（501）内的蓄电池（502）和第一控制模块（503），固定安装在防水壳（501）上的水下电动推杆（504）、支架（505）和瓶座（506），安装在水下电动推杆（504）伸缩端的齿条（507），转动安装在支架（505）上的从动轴（508），位于支架（505）间且与从动轴（508）固定连接的L型压板（509），安装在从动轴（508）一端且与齿条（507）啮合连接的圆柱齿轮（510），开在L型压板（509）上的矩形口（511），固定在L型压板（509）上且位于矩形口（511）上方的电机固定架（512），固定安装在电机固定架（512）上的第二减速步进电机（513）和压力液位传感器（514），安装在第二减速步进电机（513）输出端且用于与采样瓶（1）配合以启闭其瓶口的端面齿轮（515）；其中，所述L型压板（509）用于与转换点（3）处的采样瓶锁定机构（7）配合以解锁采样瓶（1）、与瓶座（506）配合以固定瓶座（506）内的采样瓶（1）；

采样升降机构（6），所述采样升降机构（6）包括安装在壳体（2）顶端内壁的多节伸缩杆（61），固定安装在支撑架（22）上的卷线机构（62）；所述多节伸缩杆（61）的伸缩端、卷线机构（62）上卷绕绳索（621）的自由端均与防水壳（501）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述采样瓶（1）包括顶部敞开的圆筒型瓶体（11），固定套装在圆筒型瓶体（11）上端的且具有环槽的卡接套（12），以及选择性密封圆筒型瓶体（11）的封盖组件（13）。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述封盖组件（13）包括与圆筒型瓶体（11）顶端密封连接的盖体（131），开设在盖体（131）上的圆槽（132），开在圆槽（132）底部与圆筒型瓶体（11）连通的进水口（133），转动安装在圆槽（132）内用于启闭进水口（133）的密封件（134），固定在密封件（134）上端的连接块（135），位于连接块（135）上方用于与端面齿轮（515）咬合的端面齿盘（136），两端分别与连接块（135）和端面齿盘（136）固定连接的导向伸缩杆（137）和螺旋弹簧（138）。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所密封件（134）包括板体（134a）及固定在板体（134a）上下端面上的密封橡胶垫（134b），所述密封橡胶垫（134b）与圆槽（132）滑动密封连接，通过转动密封件（134）以启闭进水口（133）。

5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述采样瓶锁定机构（7）包括固定在旋转架（43）上的锁定座（701），开在锁定座（701）中心处用于供采样瓶（1）通过的卡接口（702），开在卡接口（702）两侧的滑槽（703），滑动卡装在滑槽（703）内且一端伸出锁定座（701）的条形滑块（704），与两个条形滑块（704）伸出端连接的连接板（705），套装在条形滑块（704）上且两端与连接板（705）和锁定座（701）抵接的压簧（706），固定在条形滑块（704）另一端用于限制条形滑块（704）脱离滑槽（703）的限位块（707），固定在两个条形滑块（704）相向端面且用于与卡接套（12）卡接配合的弹簧柱塞（708）；其中，所述弹簧柱塞（708）的挡销具有向下倾斜的斜面（709）。

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述卷线机构（62）包括安装在支撑架（22）上的第三减速步进电机（622）和支撑座（623），所述支撑座（623）上转动安装有卷线轴（624），所述卷线轴（624）上安装有卷筒（625），所述卷筒（625）上固定且缠绕有绳索（621），所述第二减速步进电机（513）输出端与卷线轴（624）传动连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述多节伸缩杆（61）由层层滑动套接的空心套管（611）构成，所述空心套管（611）内壁开有定位滑槽（612），所述空心套管（611）外壁固定有沿其外侧套接的另一空心套管（611）的定位滑槽（612）内滑动的定位块（613）。

8.根据权利要求1所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述壳体（2）内安装有第二控制模块（23），所述第一控制模块（503）与第二控制模块（23）无线信号连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于无人机的环境勘探装置，其特征在于，所述壳体（2）侧壁上设有取放门（8），所述取放门（8）一端通过合页（81）与壳体（2）铰接另一端通过搭扣锁（82）与壳体（2）可分离连接。

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