CN112394745A - 用于数据采集的无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据采集的无人机及其控制方法，控制方法包括当飞行到第一数据节点对应的领域内，通过与第一数据节点握手，确定与第一数据节点的通信质量参数，当与第一数据节点的通信质量参数不合格，至少调整与第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，使与第一数据节点的通信质量参数合格，以调整后的飞行参数飞经第一数据节点，并从第一数据节点采集数据等步骤。本发明有效应对物联网数据节点分布散、环境条件差异大等情况对数据汇聚产生的不利，可以使得无人机自动调整其飞行参数以适应数据采集的实际情况，从而提高物联网数据的采集和汇聚效率。本发明广泛应用于无人机技术领域。

Description

用于数据采集的无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是一种用于数据采集的无人机及其控制方法。

背景技术

物联网是将数量众多、功能异构的节点无线或有线连接在一起形成的无人看护综合性系统。因此，物联网被广泛的应用于环境监控，智能城市等方面；在不友好的环境物联网更加凸显其优势。然而，如何将物联网的相关数据快速、高效的汇聚起来，成为当前户外与环境非友好性物联网面临的重要挑战。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种用于数据采集的无人机及其控制方法。

一方面，本发明实施例包括一种用于数据采集的无人机的控制方法，包括：

当飞行到第一数据节点对应的领域内，通过与所述第一数据节点握手，确定与所述第一数据节点的通信质量参数；

当与所述第一数据节点的通信质量参数不合格，至少调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，使与所述第一数据节点的通信质量参数合格；所述飞行参数可表示为按照飞行路径分布的一组飞行高度和飞行速度；

以调整后的所述飞行参数飞经所述第一数据节点，并从所述第一数据节点采集数据。

进一步地，所述控制方法还包括：

在飞行到第一数据节点对应的领域内之前，按照初始获取到的飞行参数飞行。

进一步地，所述至少调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，包括：

调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数；

调整至少一个第二数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数；所述第二数据节点为同一飞行路径上的位于所述第一数据节点之后的数据节点。

进一步地，所述调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，包括：

确定目标飞行高度；所述目标飞行高度为可使得所述通信质量参数中的平均信号强度和平均数据接收率均达到相应的阈值的飞行高度；

确定与所述第一数据节点之间的通信距离；

根据所述通信距离和所述目标飞行高度，确定与所述第一数据节点之间的水平距离；

根据要从所述第一数据节点采集的数据量和通信速率，确定通信时间；

根据所述水平距离和所述通信时间，确定所述目标飞行速度；

将与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数调整为所述目标飞行高度和所述目标飞行速度。

进一步地，根据要从所述第一数据节点采集的数据量和通信速率，确定通信时间，所使用的公式包括：

其中，t为所述通信时间，D为要从所述第一数据节点采集的数据量，v为通信速率，δ为延迟时间。

进一步地，所述延迟时间是通过线性回归根据历史通信时间预测得到的。

进一步地，所述调整与所述第二数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，包括：

确定所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，与预设的标准飞行参数的平均值；

将所述第二数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数确定为所述平均值。

进一步地，所述控制方法还包括：

从所述第一数据节点采集完数据后，飞行到所述第二数据节点对应的领域内之前，按照所述标准飞行参数飞行。

另一方面，本发明实施例还包括一种用于数据采集的无人机，包括：

通信模块，当所述无人机飞行到第一数据节点对应的领域内，用于通过与所述第一数据节点握手，确定与所述第一数据节点的通信质量参数，当所述无人机飞经所述第一数据节点，从所述第一数据节点采集数据；

飞行模块，用于当与所述第一数据节点的通信质量参数不合格，至少调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，使与所述第一数据节点的通信质量参数合格，以调整后的所述飞行参数驱动所述无人飞行以飞经所述第一数据节点；所述飞行参数可表示为按照飞行路径分布的一组飞行高度和飞行速度；

电源模块，用于为所述通信模块和所述飞行模块供电。

进一步地，所述通信模块包括数据存储单元、向下无线单元、向上无线单元和数据汇聚处理器；

所述飞行模块包括飞控单元、加速度传感器、GPS单元和动力单元；

所述电源模块包括电池和多路供电电路。

本发明的有益效果是：实施例中通过执行对无人机的控制方法，可以使无人机执行对物联网数据节点的数据采集任务，有效应对物联网数据节点分布散、环境条件差异大等情况对数据汇聚产生的不利，可以使得无人机自动调整其飞行参数以适应数据采集的实际情况，其中调整飞行参数能够改善与物联网数据节点之间的通信质量，从而提高数据采集时间占空比，即提高无人机实际花费在数据采集中的时间与花费在飞行中的时间的比例，从而提高物联网数据的采集和汇聚效率。

附图说明

图1为实施例中的无人机的结构示意图；

图2为实施例中用于数据采集的无人机的控制方法的流程图；

图3为实施例中飞行路径和飞行参数的示意图。

具体实施方式

本实施例中，所控制的无人机的结构如图1所示，包括通信模块、飞行模块和电源模块。其中，通信模块包括数据存储单元、向下无线单元、向上无线单元和数据汇聚处理器；飞行模块包括飞控单元、加速度传感器、GPS单元和动力单元；电源模块包括电池和多路供电电路。

数据汇聚处理器，用于通过向下无线单元汇聚普通物联网节点感知或产生的相关数据，汇聚普通节点感知等相关数据；然后将相关数据存储与数据存储单元，最后通过向上无线单元将数据传输给远端服务器。数据汇聚处理器可采用现有的32位(根据使用场景进行动态调整)处理器来实现，例如、STM32F103等处理器来实现。

向下无线单元，用于与普通物联网模块进行通信连接，以完成普通节点感知数据到数据汇集无人机的数据收集，普通物联网节点相关状态参数的采集。相关无线通信模块通过串口、SPI、USB等节后与数据汇集处理器连接，可采用ZigBee、蓝牙、NBIoT、LoRa等无线通信协与框架相关的无线通信模块来实现。

向上无线单元，用于数据汇聚无人机与远端服务器进行通信，完成数据上传。向上模块通过USB接口、SPI、串口等与数据汇聚处理器连接，其可采用现有的4G、5G、Wi-Fi、LORA等通信手段或类似的通信模块来实现。

数据存储单元，用于存储数据汇聚处理完成数据汇聚后的相关数据，以及服务器发送的相关指令等信息。数据存储单元通过USB、SCSI或IDE并行接口与据汇聚处理器连接，其可以采用常见的U盘、SD卡、机械或固态硬盘等实现。

飞控单元，主要用于控制整个无人机飞行相关参数，并实时感知无人相关模块参数，例如GPS位置信息、飞行速度、高度等。可采用ARM-cortex M4构架的相关微处理器实现。

加速度传感器，用于获取无人机本体的加速度参数，通过对加速度积分，可以获取无人机的飞行速度；可以通过IIC等接口与无人机飞行系统向连接，其可采用现有的MPU6050等传感器实现。

GPS单元，用于获取无人机的位置参数与高度参数；通过串口、SPI等通讯接口与飞控单元相连接。其可采用JXINW等公司的GPS单元来实现。

动力单元，包括无人机上所安装的电机、旋翼和方向舵等部件，用于为无人机的飞行和转向提供动力。

多路供电电路，用于输出不同电压的直流电源，为无人机、数据汇集处理器以及其他相关模块供电，其可以采用现有的多路开关电源以及电源保护模块实现，例如LM2596SDC-DC直流可调降压稳压电源模块板。

电池，用于存储电能，其可以采用可充电的锂电池、铅蓄电池等实现。

参照图2，本实施例中的用于数据采集的无人机的控制方法，包括以下步骤：

S1.当飞行到第一数据节点对应的领域内，通过与第一数据节点握手，确定与第一数据节点的通信质量参数；

S2.当与第一数据节点的通信质量参数不合格，至少调整与第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，使与第一数据节点的通信质量参数合格；飞行参数可表示为按照飞行路径分布的一组飞行高度和飞行速度；

S3.以调整后的飞行参数飞经第一数据节点，并从第一数据节点采集数据。

本实施例中，无人机沿着设定的飞行路径依次飞经至少一个数据节点进行数据采集。本实施例中，第一数据节点是无人机要飞经的第一个物联网数据节点，第二数据节点是对无人机飞经第一数据节点后沿着飞行路径要飞经的其他物联网数据节点的统称。

在执行步骤S1之前，无人机按照初始获取到的飞行参数飞行。其中，无人机在起飞前或者起飞后，通过向上无线单元访问服务器，从服务器下载初始的飞行参数并存储到数据存储单元中。

步骤S1中，当无人机飞行到第一数据节点对应的领域内，具体地，当无人机飞行到以第一数据节点为顶点、位于第一数据节点上方的一个锥形空间中，无人机与第一数据节点握手。具体地，由无人机通过向下无线单元向第一数据节点发送测试数据包，或者由第一数据节点向无人机发送测试数据包，或者无人机和第一数据节点相互发送测试数据包，其中测试数据包可以是数据量较小且包含特定测试内容的数据包。通过发送测试数据包的过程，无人机可以确定与第一数据节点的通信质量参数，包括平均信号强度和平均数据接收率等。

步骤S2中，无人机的数据汇聚处理器将测试得到的平均信号强度和平均数据接收率分别与相应的阈值进行比较，如果平均信号强度和平均数据接收率中的至少一个小于相应的阈值，则判断与第一数据节点的通信质量参数不合格，无人机至少调整与第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，使与第一数据节点的通信质量参数合格。

本实施例中，飞行参数可表示为按照飞行路径分布的一组飞行高度和飞行速度。参照图3，无人机按照虚线所示的飞行路径飞行，飞行路径中的每个节点分别对应一个物联网数据节点，飞行路径中的每个节点即每个物联网数据节点处都对应一组飞行参数，本实施例中飞行路径中的每个节点即每个物联网数据节点处都对应一个飞行高度和飞行速度。按照飞行参数，无人机将在飞行路径中的每个节点处都按照对应的飞行高度和飞行速度飞行。在不对飞行参数进行调整的情况下，无人机将在飞行路径中的每个节点处都按照对应的初始飞行参数，即服务器初始设定的飞行高度和飞行速度飞行。

步骤S2中，无人机至少调整与第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，可以在调整与第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数的基础上，还调整至少一个第二数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，例如在调整与第一数据节点对应的飞行参数的基础上，还调整紧跟着第一数据节点之后的那一个第二数据节点对应的飞行参数。对飞行参数的调整标准是，使得无人机按照调整后的飞行参数飞行时，无人机与第一数据节点的通信质量参数合格。

步骤S3中，无人机以调整后的飞行参数飞经第一数据节点，并从第一数据节点采集数据。

本实施例中，第一数据节点还可以是指飞行路径中除了第一个物联网数据节点外的其他物联网数据节点。这样，无人机在对多个物联网数据节点进行巡逻并采集数据的过程中，对每个物联网数据节点都执行步骤S1-S3，可以使得无人机自动调整其飞行参数以适应数据采集的实际情况，其中调整飞行参数能够改善与物联网数据节点之间的通信质量，从而提高数据采集时间占空比，即提高无人机实际花费在数据采集中的时间与花费在飞行中的时间的比例，从而提高物联网数据的采集和汇聚效率。

本实施例中，步骤S2中的调整与第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，包括以下步骤：

S201.确定目标飞行高度h_d；其中，当无人机按照目标飞行高度h_d飞行，无人机与第一数据节点之间的平均信号强度和平均数据接收率均达到相应的阈值，即无人机与第一数据节点之间的通信质量能够达到合格水平；具体地，在确定目标飞行高度h_d的过程中，无人机可以按照每次降低5m进行分段式降低飞行高度，每次降低飞行高度后无人机都与第一数据节点发送测试数据包，重新确定平均信号强度和平均数据接收率，直至平均信号强度和平均数据接收率均达到相应的阈值；

S202.确定与第一数据节点之间的通信距离R；本步骤中可以通过基站定位技术确定无人机与第一数据节点之间的直线距离作为通信距离R；

S203.根据通信距离R和目标飞行高度h_d，确定与第一数据节点之间的水平距离；本步骤中，可以通过勾股定理以及无线测距的原理，确定无人机与第一数据节点之间的水平距离l为

S204.根据要从第一数据节点采集的数据量D和通信速率v，确定通信时间t；本步骤中的数据量D可以是无人机在起飞执行数据采集任务前通过向上无线单元从服务器中获取，也可以在无人机接近第一数据节点后由无人机从第一数据节点获取；通信速率v可以由无人机与第一数据节点之间通信所使用的通信协议确定，或者由无人机与第一数据节点之间通信的实际速率确定；本步骤中所使用的公式为

其中，δ为延迟时间，具体地，延迟时间δ可以是无人机上的设备为执行与第一数据节点的通信所花费的准备时间或者其他必要时间等，本实施例中，可以使用线性回归等统计方法，根据无人机的历史通信时间，即无人机以往执行数据采集任务中每次所花费的通信时间进行统计预测得到；

S205.根据水平距离l和通信时间t，确定目标飞行速度V_d；具体地，通过公式

计算目标飞行速度V_d；

S206.将目标飞行高度h_d和目标飞行速度V_d发送到飞控单元，飞控单元对飞行参数进行调整，具体地，将飞行参数中与第一数据节点对应的那组飞行高度和飞行速度分别调整为目标飞行高度h_d和目标飞行速度V_d，当无人机飞经第一数据节点时按照目标飞行高度h_d和目标飞行速度V_d飞行。

本实施例中，无人机在调整第一数据节点对应的飞行参数后，还可以调整与第二数据节点对应的飞行参数，其具体包括以下步骤：

S4.确定第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数，与预设的标准飞行参数的平均值；

S5.将第二数据节点所在飞行路径对应的飞行参数确定为平均值。

步骤S4中，第一数据节点所在飞行路径对应的飞行参数是步骤S1-S3的执行结果，预设的标准飞行参数可以是预先存储在数据存储单元中的数据，也可以是无人机在飞行过程中通过向上无线单元与服务器通信从服务器下载的数据，标准飞行参数包括一组固定数值的标准飞行高度和标准飞行速度，其可以通过对飞行路径中的总体环境条件和气象条件确定，例如，飞机按照固定不变的标准飞行参数，可以在对大多数物联网数据节点的数据采集过程中获得总体较佳的效果。本实施例中，通过求取第一数据节点对应的飞行参数中的飞行高度与标准飞行高度的算术平均数作为第二数据节点对应的飞行参数中的飞行高度，通过求取第一数据节点对应的飞行参数中的飞行速度与标准飞行速度的算术平均数作为第二数据节点对应的飞行参数中的飞行速度，相当于使用标准飞行参数来对已经获取到的第一数据节点对应的飞行参数进行调整，从而获得第二数据节点对应的飞行参数，其效果相当于使用一个普遍适用的参数来对已经获取到的第一数据节点对应的飞行参数进行纠偏，由于本实施例中的第二数据节点可以是紧邻第一数据节点的下一个物联网数据节点，第二数据节点与第一数据节点所处的环境可能有所不同但是有较大的可能具有相似性，因此通过执行步骤S4和S5能够使得无人机能够提前进入一个适合与第二数据节点进行通信的状态，从而进一步提高数据采集效率。

本实施例中，无人机控制方法还可以包括以下步骤：

S6.从第一数据节点采集完数据后，飞行到第二数据节点对应的领域内之前，按照标准飞行参数飞行。

在步骤S6中，无人机在从第一数据节点到第二数据节点的飞行过程中先按照标准飞行参数飞行，在无人机进入到第二数据节点对应的领域，具体地当无人机飞行到以第二数据节点为顶点、位于第二数据节点上方的一个锥形空间中，无人机可以切换至通过执行步骤S4和S5所得到的第二数据节点对应的飞行参数，从而完成的飞行参数的切换。

通过在从第一数据节点到第二数据节点的飞行过程中先按照标准飞行参数飞行，当标准飞行参数的取值适当，无人机在单纯执行飞行而无需执行数据采集的过程中取得一个较佳的飞行效率，能够达到节约能量、以更快速度抵达下一个物联网数据节点等的效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于数据采集的无人机的控制方法，其特征在于，包括：

当飞行到第一数据节点对应的领域内，通过与所述第一数据节点握手，确定与所述第一数据节点的通信质量参数；

当与所述第一数据节点的通信质量参数不合格，至少调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，使与所述第一数据节点的通信质量参数合格；所述飞行参数可表示为按照飞行路径分布的一组飞行高度和飞行速度；

以调整后的所述飞行参数飞经所述第一数据节点，并从所述第一数据节点采集数据。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

在飞行到第一数据节点对应的领域内之前，按照初始获取到的飞行参数飞行。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述至少调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，包括：

调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数；

调整至少一个第二数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数；所述第二数据节点为同一飞行路径上的位于所述第一数据节点之后的数据节点。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，包括：

确定目标飞行高度；所述目标飞行高度为可使得所述通信质量参数中的平均信号强度和平均数据接收率均达到相应的阈值的飞行高度；

确定与所述第一数据节点之间的通信距离；

根据所述通信距离和所述目标飞行高度，确定与所述第一数据节点之间的水平距离；

根据要从所述第一数据节点采集的数据量和通信速率，确定通信时间；

根据所述水平距离和所述通信时间，确定所述目标飞行速度；

将与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数调整为所述目标飞行高度和所述目标飞行速度。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，根据要从所述第一数据节点采集的数据量和通信速率，确定通信时间，所使用的公式包括：

其中，t为所述通信时间，D为要从所述第一数据节点采集的数据量，v为通信速率，δ为延迟时间。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述延迟时间是通过线性回归根据历史通信时间预测得到的。

7.根据权利要求3-6任一项所述的控制方法，其特征在于，所述调整与所述第二数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，包括：

确定所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，与预设的标准飞行参数的平均值；

将所述第二数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数确定为所述平均值。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

从所述第一数据节点采集完数据后，飞行到所述第二数据节点对应的领域内之前，按照所述标准飞行参数飞行。

9.一种用于数据采集的无人机，其特征在于，包括：

通信模块，当所述无人机飞行到第一数据节点对应的领域内，用于通过与所述第一数据节点握手，确定与所述第一数据节点的通信质量参数，当所述无人机飞经所述第一数据节点，从所述第一数据节点采集数据；

飞行模块，用于当与所述第一数据节点的通信质量参数不合格，至少调整与所述第一数据节点所在飞行路径对应的所述飞行参数，使与所述第一数据节点的通信质量参数合格，以调整后的所述飞行参数驱动所述无人飞行以飞经所述第一数据节点；所述飞行参数可表示为按照飞行路径分布的一组飞行高度和飞行速度；

电源模块，用于为所述通信模块和所述飞行模块供电。

10.根据权利要求9所述的无人机，其特征在于：

所述通信模块包括数据存储单元、向下无线单元、向上无线单元和数据汇聚处理器；

所述飞行模块包括飞控单元、加速度传感器、GPS单元和动力单元；

所述电源模块包括电池和多路供电电路。

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