CN112230680B - 一种无人机电力线路巡检控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机电力线路巡检控制方法，所述方法包括以下步骤：S1：气象实时监测；无人机自动机场实时进行气象监测；S2：进入巡检模式；S3：导入点云数据；无人机自动机场向移动终端发送点云数据；S4：手动规划巡检路线和自动规划巡检路线；操作人员可通过移动终端手动先后点选巡检目标形成巡检航行路线，或者选择巡检目标后由移动终端自动生成巡检航行路线；S5：判断当前通信链路状态；S6：实时监测巡检安全距离和航点切换；S7：巡检结束，返回无人机自动机场；本发明具有航线控制精度高、飞行姿态平稳、实时监测巡检安全距离、快速航线调整的优点。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别涉及一种无人机电力线路巡检控制方法。
背景技术
使用无人飞机大面积巡查电力线路，对冰冻等自然灾害发生预警有着较为良好的应用效果，同时利用高精度视频设备对线路进行可见光和红外热成像观测，通过观察识别和相关数据对比，精确找出电力设备故障发生点，保障电力设施的有效运行，使用无人机进行巡线监测，将大大降低巡检成本，提高巡检效率，保障巡检人员的生命安全；因此，提供一种航线控制精度高、飞行姿态平稳、实时监测巡检安全距离、快速航线调整的一种无人机电力线路巡检控制方法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种航线控制精度高、飞行姿态平稳、实时监测巡检安全距离、快速航线调整的一种无人机电力线路巡检控制方法。
本发明的目的是这样实现的：一种无人机电力线路巡检控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1：气象实时监测；无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测等；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则进入S2；
S2：进入巡检模式；无人机自动机场与移动终端建立单向连接，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式；
S3：导入点云数据；无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线等点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化；
S4：手动规划巡检路线和自动规划巡检路线；操作人员可通过移动终端手动先后点选巡检目标形成巡检航行路线，或者选择巡检目标后由移动终端自动生成巡检航行路线；
S5：判断当前通信链路状态；判断通信链路是否正常，如果判断结果为是，则开始巡检；如果判断结果为否，则进行自动检修排除故障后开始巡检；巡检无人机由点云数据获取巡检杆塔/电力线类型并获取需要巡检的各部分信息，开始对各对应部位进行缺陷巡检，生成巡检分析报告；
S6：实时监测巡检安全距离和航点切换；在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，并通过航点切换完成巡检目标的切换；
S7：巡检结束，返回无人机自动机场；巡检无人机完成所有巡检工作后，自动返回无人机自动机场。
所述的S6中实时监测巡检安全距离包括距离监测和距离保持，其中距离监测主要是从巡检无人机机载GPS天线和无人机自动机场三维GIS系统获取当前巡检无人机位置信息以及架空线路走势，距离保持主要用于电力线缺陷巡检和巡检无人机安全状况评估以及全局安全巡检飞行路径、局部安全巡检分型路径的安全自适应动态路径规划。
所述的S6中的航点切换包括以下步骤：
C1：在远离区采用实时定位跟踪控制对巡检目标进行快速初步锁定；
C2：进入待检区采用位置坐标跟踪控制结合轨迹飞行模型和飞行姿态监测以及巡检安全距离监测对巡检目标快速准确锁定；
C3：进入工作区采用自动AI识别、对准与拍摄和自动缺陷识别，自动跟踪巡检目标的局部部件。
所述的S6中的实时监测巡检安全距离是指巡检无人机与输电线路竖直平面之间的水平距离，由任意相邻两杆塔即可确定与巡检无人机当前位置相对应的输电线路竖直平面，随着巡检位置的不同，输电线路竖直平面随着输电线路轨迹变化，在此前提下，首先通过图像处理来识别图像中的杆塔，并测量杆塔的图像高度以及相邻杆塔的图像距离，然后基于小孔成像原理分别计算得到相邻两杆塔在巡检无人机机载摄像机中的像距以及实际物距，最后根据杆塔的成像几何模型，可计算得到两相邻目前杆塔在摄像机成像中心处的夹角，结合杆塔物距并经三角形计算，可以得到摄像机距离杆塔平面的水平距离即巡检安全距离。
所述的S6中的实时监测巡检安全距离具体计算方法为：目标实际高度为H，成像高度为h，物距为u，像距为v，相机焦距为f，由相似三角形关系以及相机物距、像距与焦距的关系得到表达式
，在已知杆塔实际高度H以及相机焦距f即可得到杆塔物距和像距的表达式
，同理设杆塔A、杆塔B在摄像机成像平面分别为像A、像B，l是像A到像B的图像距离，θ0为像A与像B在摄像机光学中心处的夹角，θ是杆塔A和杆塔B在摄像机光学中心处的夹角，α为摄像机到杆塔B的物距直线与输电线路竖直平面的夹角，ua、ub、va、vb分别为杆塔A、杆塔B的物距和像距，L为塔A到杆塔B的实际距离，x为摄像机到输电线路竖直平面的水平距离(即巡检安全距离)，在摄像机竖直拍照的前提下，摄像机成像平面与输电线路竖直平面平行，由摄像机成像原理可知，在已知实际杆塔高度H的情况下，通过测量图像中杆塔A、杆塔B的图像高度ha和hb，由式(2)可计算得到摄像机距杆塔A、杆塔B的物距表达式为
，像距表达式为
，根据三角形余弦定理可计算出夹角θ0，即可由三角形对角相等求得θ，再结合三角正弦定理与余弦定理可计算得到α与L，即可计算出x，表达式为：
本发明的有益效果：本发明采用巡检无人机、移动终端和无人机自动机场，无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测等；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则与移动终端建立单向连接，向移动终端发送符合巡检条件的反馈信息，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式，然后无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线等点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化后可手动选择巡检路线，也可选择自动规划巡检路线，无人机自动机场识别当前通信链路正常后，巡检无人机开始巡检；本发明采用实时监测巡检安全距离和航点切换，在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，实时监测巡检安全距离通过算法实时监测巡检无人机与输电线路竖直面的安全距离，根据架空电力线路走势自动进行全局/局部安全巡检飞行路径的安全自适应动态路径规划，大大提高航线控制精度，保证巡检无人机飞行姿态平稳，并通过航点切换完成巡检目标的切换，快速调整航线，缩短巡检时间，提高巡检工作效率；本发明具有航线控制精度高、飞行姿态平稳、实时监测巡检安全距离、快速航线调整的优点。
附图说明
图1是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法的流程图。
图2是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法的整体结构示意图。
图3是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法的总体步骤流程示意图。
图4是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法的所采用的实时监测巡检安全距离结构示意图。
图5是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法所采用的航点切换的步骤流程图。
图6是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法所采用的实时监测巡检安全距离结构的空间关系的模型图。
图7是本发明一种无人机电力线路巡检控制方法的所采用的实时监测巡检安全距离结构的模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1-7所示，一种无人机电力线路巡检控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1：气象实时监测；无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测等；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则进入S2；
S2：进入巡检模式；无人机自动机场与移动终端建立单向连接，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式；
S3：导入点云数据；无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线等点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化；
S4：手动规划巡检路线和自动规划巡检路线；操作人员可通过移动终端手动先后点选巡检目标形成巡检航行路线，或者选择巡检目标后由移动终端自动生成巡检航行路线；
S5：判断当前通信链路状态；判断通信链路是否正常，如果判断结果为是，则开始巡检；如果判断结果为否，则进行自动检修排除故障后开始巡检；巡检无人机由点云数据获取巡检杆塔/电力线类型并获取需要巡检的各部分信息，开始对各对应部位进行缺陷巡检，生成巡检分析报告；
S6：实时监测巡检安全距离和航点切换；在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，并通过航点切换完成巡检目标的切换；
S7：巡检结束，返回无人机自动机场；巡检无人机完成所有巡检工作后，自动返回无人机自动机场。
所述的S6中实时监测巡检安全距离包括距离监测和距离保持，其中距离监测主要是从巡检无人机机载GPS天线和无人机自动机场三维GIS系统获取当前巡检无人机位置信息以及架空线路走势，距离保持主要用于电力线缺陷巡检和巡检无人机安全状况评估以及全局安全巡检飞行路径、局部安全巡检分型路径的安全自适应动态路径规划。
所述的S6中的航点切换包括以下步骤：
C1：在远离区采用实时定位跟踪控制对巡检目标进行快速初步锁定；
C2：进入待检区采用位置坐标跟踪控制结合轨迹飞行模型和飞行姿态监测以及巡检安全距离监测对巡检目标快速准确锁定；
C3：进入工作区采用自动AI识别、对准与拍摄和自动缺陷识别，自动跟踪巡检目标的局部部件。
所述的S6中的实时监测巡检安全距离是指巡检无人机与输电线路竖直平面之间的水平距离，由任意相邻两杆塔即可确定与巡检无人机当前位置相对应的输电线路竖直平面，随着巡检位置的不同，输电线路竖直平面随着输电线路轨迹变化，在此前提下，首先通过图像处理来识别图像中的杆塔，并测量杆塔的图像高度以及相邻杆塔的图像距离，然后基于小孔成像原理分别计算得到相邻两杆塔在巡检无人机机载摄像机中的像距以及实际物距，最后根据杆塔的成像几何模型，可计算得到两相邻目前杆塔在摄像机成像中心处的夹角，结合杆塔物距并经三角形计算，可以得到摄像机距离杆塔平面的水平距离即巡检安全距离。
所述的S6中的实时监测巡检安全距离具体计算方法为：目标实际高度为H，成像高度为h，物距为u，像距为v，相机焦距为f，由相似三角形关系以及相机物距、像距与焦距的关系得到表达式
，在已知杆塔实际高度H以及相机焦距f即可得到杆塔物距和像距的表达式
，同理设杆塔A、杆塔B在摄像机成像平面分别为像A、像B，l是像A到像B的图像距离，θ0为像A与像B在摄像机光学中心处的夹角，θ是杆塔A和杆塔B在摄像机光学中心处的夹角，α为摄像机到杆塔B的物距直线与输电线路竖直平面的夹角，ua、ub、va、vb分别为杆塔A、杆塔B的物距和像距，L为塔A到杆塔B的实际距离，x为摄像机到输电线路竖直平面的水平距离(即巡检安全距离)，在摄像机竖直拍照的前提下，摄像机成像平面与输电线路竖直平面平行，由摄像机成像原理可知，在已知实际杆塔高度H的情况下，通过测量图像中杆塔A、杆塔B的图像高度ha和hb，由式(2)可计算得到摄像机距杆塔A、杆塔B的物距表达式为
，像距表达式为
，根据三角形余弦定理可计算出夹角θ0，即可由三角形对角相等求得θ，再结合三角正弦定理与余弦定理可计算得到α与L，即可计算出x，表达式为：
本发明采用巡检无人机、移动终端和无人机自动机场，无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测等；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则与移动终端建立单向连接，向移动终端发送符合巡检条件的反馈信息，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式，然后无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线等点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化后可手动选择巡检路线，也可选择自动规划巡检路线，无人机自动机场识别当前通信链路正常后，巡检无人机开始巡检；本发明采用实时监测巡检安全距离和航点切换，在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，实时监测巡检安全距离通过算法实时监测巡检无人机与输电线路竖直面的安全距离，根据架空电力线路走势自动进行全局/局部安全巡检飞行路径的安全自适应动态路径规划，大大提高航线控制精度，保证巡检无人机飞行姿态平稳，并通过航点切换完成巡检目标的切换，快速调整航线，缩短巡检时间，提高巡检工作效率；本发明具有航线控制精度高、飞行姿态平稳、实时监测巡检安全距离、快速航线调整的优点。
实施例2
如图1-7所示，一种无人机电力线路巡检控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1：气象实时监测；无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测等；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则进入S2；
S2：进入巡检模式；无人机自动机场与移动终端建立单向连接，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式；
S3：导入点云数据；无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线等点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化；
S4：手动规划巡检路线和自动规划巡检路线；操作人员可通过移动终端手动先后点选巡检目标形成巡检航行路线，或者选择巡检目标后由移动终端自动生成巡检航行路线；
S5：判断当前通信链路状态；判断通信链路是否正常，如果判断结果为是，则开始巡检；如果判断结果为否，则进行自动检修排除故障后开始巡检；巡检无人机由点云数据获取巡检杆塔/电力线类型并获取需要巡检的各部分信息，开始对各对应部位进行缺陷巡检，生成巡检分析报告；
S6：实时监测巡检安全距离和航点切换；在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，并通过航点切换完成巡检目标的切换；
S7：巡检结束，返回无人机自动机场；巡检无人机完成所有巡检工作后，自动返回无人机自动机场。
所述的S6中实时监测巡检安全距离包括距离监测和距离保持，其中距离监测主要是从巡检无人机机载GPS天线和无人机自动机场三维GIS系统获取当前巡检无人机位置信息以及架空线路走势，距离保持主要用于电力线缺陷巡检和巡检无人机安全状况评估以及全局安全巡检飞行路径、局部安全巡检分型路径的安全自适应动态路径规划。
所述的S6中的航点切换包括以下步骤：
C1：在远离区采用实时定位跟踪控制对巡检目标进行快速初步锁定；
C2：进入待检区采用位置坐标跟踪控制结合轨迹飞行模型和飞行姿态监测以及巡检安全距离监测对巡检目标快速准确锁定；
C3：进入工作区采用自动AI识别、对准与拍摄和自动缺陷识别，自动跟踪巡检目标的局部部件。
所述的S6中的实时监测巡检安全距离是指巡检无人机与输电线路竖直平面之间的水平距离，由任意相邻两杆塔即可确定与巡检无人机当前位置相对应的输电线路竖直平面，随着巡检位置的不同，输电线路竖直平面随着输电线路轨迹变化，在此前提下，首先通过图像处理来识别图像中的杆塔，并测量杆塔的图像高度以及相邻杆塔的图像距离，然后基于小孔成像原理分别计算得到相邻两杆塔在巡检无人机机载摄像机中的像距以及实际物距，最后根据杆塔的成像几何模型，可计算得到两相邻目前杆塔在摄像机成像中心处的夹角，结合杆塔物距并经三角形计算，可以得到摄像机距离杆塔平面的水平距离即巡检安全距离。
所述的S6中的实时监测巡检安全距离具体计算方法为：目标实际高度为H，成像高度为h，物距为u，像距为v，相机焦距为f，由相似三角形关系以及相机物距、像距与焦距的关系得到表达式
，在已知杆塔实际高度H以及相机焦距f即可得到杆塔物距和像距的表达式
，同理设杆塔A、杆塔B在摄像机成像平面分别为像A、像B，l是像A到像B的图像距离，θ0为像A与像B在摄像机光学中心处的夹角，θ是杆塔A和杆塔B在摄像机光学中心处的夹角，α为摄像机到杆塔B的物距直线与输电线路竖直平面的夹角，ua、ub、va、vb分别为杆塔A、杆塔B的物距和像距，L为塔A到杆塔B的实际距离，x为摄像机到输电线路竖直平面的水平距离(即巡检安全距离)，在摄像机竖直拍照的前提下，摄像机成像平面与输电线路竖直平面平行，由摄像机成像原理可知，在已知实际杆塔高度H的情况下，通过测量图像中杆塔A、杆塔B的图像高度ha和hb，由式(2)可计算得到摄像机距杆塔A、杆塔B的物距表达式为
，像距表达式为
，根据三角形余弦定理可计算出夹角θ0，即可由三角形对角相等求得θ，再结合三角正弦定理与余弦定理可计算得到α与L，即可计算出x，表达式为：
本发明采用巡检无人机、移动终端和无人机自动机场，无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测等；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则与移动终端建立单向连接，向移动终端发送符合巡检条件的反馈信息，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式，然后无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线等点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化后可手动选择巡检路线，也可选择自动规划巡检路线，无人机自动机场识别当前通信链路正常后，巡检无人机开始巡检；本发明采用实时监测巡检安全距离和航点切换，在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，实时监测巡检安全距离通过算法实时监测巡检无人机与输电线路竖直面的安全距离，根据架空电力线路走势自动进行全局/局部安全巡检飞行路径的安全自适应动态路径规划，大大提高航线控制精度，保证巡检无人机飞行姿态平稳，并通过航点切换完成巡检目标的切换，快速调整航线，缩短巡检时间，提高巡检工作效率；本发明具有航线控制精度高、飞行姿态平稳、实时监测巡检安全距离、快速航线调整的优点。
Claims (2)
1.一种无人机电力线路巡检控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：气象实时监测；无人机自动机场实时进行气象监测，监测数据包括气压、风向和风速、环境温湿度监测；根据监测的气象数据判断是否符合巡检条件，如果判断结果为否，则进入等待状态，继续监测；如果判断结果为是，则进入S2；
S2：进入巡检模式；无人机自动机场与移动终端建立单向连接，移动终端与巡检无人机建立双向连接并控制巡检无人机处于巡检模式；
S3：导入点云数据；无人机自动机场向移动终端发送点云数据，点云数据包括杆塔、电力线点云数据信息，移动终端对所有数据信息进行矢量化；
S4：手动规划巡检路线和自动规划巡检路线；操作人员可通过移动终端手动先后点选巡检目标形成巡检航行路线，或者选择巡检目标后由移动终端自动生成巡检航行路线；
S5：判断当前通信链路状态；判断通信链路是否正常，如果判断结果为是，则开始巡检；如果判断结果为否，则进行自动检修排除故障后开始巡检；巡检无人机由点云数据获取巡检杆塔/电力线类型并获取需要巡检的各部分信息，开始对各对应部位进行缺陷巡检，生成巡检分析报告；
S6：实时监测巡检安全距离和航点切换；在对各对应部件缺陷巡检过程中，巡检无人机由实时监测巡检安全距离进行实时航线修正，尽量符合架空电力线路走势，并通过航点切换完成巡检目标的切换；
S7：巡检结束，返回无人机自动机场；巡检无人机完成所有巡检工作后，自动返回无人机自动机场；
所述的S6中实时监测巡检安全距离包括距离监测和距离保持，其中距离监测主要是从巡检无人机机载GPS天线和无人机自动机场三维GIS系统获取当前巡检无人机位置信息以及架空线路走势，距离保持主要用于电力线缺陷巡检和巡检无人机安全状况评估以及全局安全巡检飞行路径、局部安全巡检分型路径的安全自适应动态路径规划；
所述的S6中的航点切换包括以下步骤：
C1：在远离区采用实时定位跟踪控制对巡检目标进行快速初步锁定；
C2：进入待检区采用位置坐标跟踪控制结合轨迹飞行模型和飞行姿态监测以及巡检安全距离监测对巡检目标快速准确锁定；
C3：进入工作区采用自动AI识别、对准与拍摄和自动缺陷识别，自动跟踪巡检目标的局部部件；
所述的S6中的实时监测巡检安全距离是指巡检无人机与输电线路竖直平面之间的水平距离，由任意相邻两杆塔即可确定与巡检无人机当前位置相对应的输电线路竖直平面，随着巡检位置的不同，输电线路竖直平面随着输电线路轨迹变化，在此前提下，首先通过图像处理来识别图像中的杆塔，并测量杆塔的图像高度以及相邻杆塔的图像距离，然后基于小孔成像原理分别计算得到相邻两杆塔在巡检无人机机载摄像机中的像距以及实际物距，最后根据杆塔的成像几何模型，可计算得到两相邻目前杆塔在摄像机成像中心处的夹角，结合杆塔物距并经三角形计算，可以得到摄像机距离杆塔平面的水平距离即巡检安全距离。
2.如权利要求1所述的一种无人机电力线路巡检控制方法，其特征在于：所述的S6中的实时监测巡检安全距离具体计算方法为：目标实际高度为H，成像高度为h，物距为u，像距为v，相机焦距为f，由相似三角形关系以及相机物距、像距与焦距的关系得到表达式
在已知杆塔实际高度H以及相机焦距f即可得到杆塔物距和像距的表达式
同理设杆塔A、杆塔B在摄像机成像平面分别为像A、像B，l是像A到像B的图像距离，θ0为像A与像B在摄像机光学中心处的夹角，θ是杆塔A和杆塔B在摄像机光学中心处的夹角，α为摄像机到杆塔B的物距直线与输电线路竖直平面的夹角，ua、ub、va、vb分别为杆塔A、杆塔B的物距和像距，L为塔A到杆塔B的实际距离，x为摄像机到输电线路竖直平面的水平距离即巡检安全距离，在摄像机竖直拍照的前提下，摄像机成像平面与输电线路竖直平面平行，由摄像机成像原理可知，在已知实际杆塔高度H的情况下，通过测量图像中杆塔A、杆塔B的图像高度ha和hb，由式(2)可计算得到摄像机距杆塔A、杆塔B的物距表达式为
像距表达式为
根据三角形余弦定理可计算出夹角θ0，即可由三角形对角相等求得θ，再结合三角正弦定理与余弦定理可计算得到α与L，即可计算出x，表达式为：
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