CN112859579B - 一种无人机遥感组网冗余容错控制方法 - Google Patents
一种无人机遥感组网冗余容错控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无人机遥感组网冗余容错控制方法,其步骤包括:1)无人机飞行控制地面站获取无人机遥感组网中各无人机飞行的实时经纬度坐标和高度信息;其中无人机遥感组网包括一架领航无人机、N架跟随无人机和M架跟随冗余无人机;领航无人机和N架跟随无人机作为观测无人机;2)通过收集到的经纬度和高度信息,计算各观测无人机之间的距离,如果一架观测无人机A与其相邻一架或多架观测无人机之间的距离超过设定的期望距离,则判定该观测无人机A出现故障;3)从所述无人机遥感组网中分离出现故障的观测无人机A,并启动一架所述跟随冗余无人机a代替该观测无人机A;然后控制该观测无人机a的位置和航速、航向。
Description
技术领域
本发明属于遥感与摄影测量领域,涉及一种无人机遥感组网冗余容错控制方法。
背景技术
现有、常规遥感与摄影测量领域中,已经不再局限于卫星和高空载人飞机。随着轻小型无人机的发展,无人机在遥感中扮演着越来越重要的角色,其作为一种可用的低成本系统,其应用数量在过去十年中一直在增长。除了成本低外,无人机还有一些其他因素使其真正适合在各种条件下进行监视和测量,如便携性好、尺寸小、重量轻、可飞越难以到达的区域、可在确保非常近距离观察时快速获取一个相对较大区域的大量信息。
Yang等以无人机作为遥感平台,配备不同的农业传感器,用于监测植物高度、叶色、叶面积指数、叶绿素含量、生物量、大面积产量等表型参数,并尽可能少地进行田间试验,从而取得了高度可靠的结果;Silvana等成功地将基于多旋翼无人机的可见光和热红外探测应用在雪山救援行动中。
中小型无人机越来越多地应用于各种实时静态和动态任务中,已成为对人类非常有用的辅助工具。适合无人机在各种条件下进行监视和测量的因素有很多,但无人机在执行不同的实时任务时仍会受到各种挑战,且一旦在任务执行过程中任何一个约束的及时响应缺失,将会影响任务的总体结果,导致整个任务部分或完全失败,在实际中很难建立完美系统。因此,在系统中引入冗余容错来最小化故障概率并增强其鲁棒性非常重要。其中,根本问题是随着系统复杂性的增加,除非对其采取补偿措施,否则其可靠性会急剧下降。
发明内容
为了保证无人机组网遥感观测的稳定性和准确性,以及在极端条件下组网控制下载荷的稳定输出,完成组网遥感观测任务,本发明提出了一种无人机遥感组网冗余容错技术方法,首次将冗余容错理论用于无人机编队组网中,包括组网编队方式和故障判断方式。本发明以无人机距离作为出错判断依据为例进行描述,简单说明其思想,实际根据无人机情况和具体任务,可以使用其他多类信息进行出错判断,比如无人机携带的各类传感器返回的信息。本发明可广泛用于遥感领域,能够在无人机遥感组网系统中来保证系统的稳定性,能够在无人机组网飞行过程中重构组网,保证载荷平台的稳定,无人机网络可以在极端条件下得到组网控制方案的有效输出,进而保证遥感观测任务的顺利进行。
冗余容错是通过添加一个或多个模块(通常采用并行配置)作为备份来引入冗余。为了提高极端条件下航空遥感任务无人机网络系统的鲁棒性和成功率,本发明将基于冗余的容错控制技术引入无人机网络设计中,确定了不同限制条件下的最佳网络解决方案。
无人机遥感组网设计是在不同观测条件下的遥感任务,通过同步监控进行主动合作的包括多个无人机的网络。多无人机网络作为冗余容错体系结构时可以通过添加多个无人机作为备份使得系统可以容错,而无人机在不同极端条件下的位置和视角则可以作为冗余容错的场景设置。当组网方案中的无人机位置和视角超过设定的阈值时可以被认为是故障的,其将被分离并不考虑进一步分析。通过以上方式,无人机网络可以在极端条件下得到组网控制方案的有效输出,进而保证遥感观测任务的顺利进行。
本发明的技术方案为:
一种无人机遥感组网冗余容错控制方法,其步骤包括:
1)无人机飞行控制地面站获取无人机遥感组网中各无人机飞行的实时经纬度坐标和高度信息;其中无人机遥感组网包括一架领航无人机、N架跟随无人机和M架跟随冗余无人机;领航无人机和N架跟随无人机作为观测无人机;
2)通过收集到的经纬度和高度信息,计算各观测无人机之间的距离,如果一架观测无人机A与其相邻一架或多架观测无人机之间的距离超过设定的期望距离,则判定该观测无人机A出现故障;
3)从所述无人机遥感组网中分离出现故障的观测无人机A,并启动一架所述跟随冗余无人机a代替该观测无人机A;然后控制该观测无人机a的位置和航速、航向。
进一步的,所述无人机遥感组网包括一架领航无人机、2架跟随无人机和2架跟随冗余无人机;其中,架领航无人机的位置坐标为P1(X1,Y1,H1)、编号为2的跟随无人机位置坐标为P2(X2,Y2,H2)、编号为3的跟随无人机位置坐标为P3(X3,Y3,H3);当-k0<d(12)-L<k0、-k0<d(23)-L<k0并且-k0<d(13)-L<k0时,判定三架观测无人机均正常飞行,无故障出现;其中,领航无人机与编号为2的跟随无人机之间的距离为d(12)、领航无人机与编号为3的跟随无人机之间的距离为d(13)、编号为2的跟随无人机与编号为3的跟随无人机之间的距离为d(23),L为设定的期望距离,k0为无人机之间设定的阈值参数。
进一步的,当[d(12)-L>k0或者d(12)-L<-k0]并且[d(23)-L>k0或者d(23)-L<-k0]时,判定编号为2的观测无人机出现故障;当[d(23)-L>k0或者d(23)-L<-k0]并且[d(13)-L>k0或者d(13)-L<-k0]时,判定编号为3的观测无人机出现故障。
进一步的,当判定编号为2的观测无人机出现故障时,步骤3)中,启动一架编号为4的跟随冗余无人机代替该编号为2的观测无人机;然后控制该编号为4的跟随冗余无人机,当-k0<d(14)-L<k0并且-k0<d(34)-L<k0时,编号为4的跟随冗余无人机到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行;其中,d(14)为领航无人机与编号为4的跟随冗余无人机之间的距离,d(34)为编号为3的跟随无人机与编号为4的跟随冗余无人机之间的距离。
进一步的,当判定编号为3的观测无人机出现故障时,步骤3)中,启动一架编号为5的跟随冗余无人机代替该编号为3的观测无人机;然后控制该编号为5的跟随冗余无人机,当-k0<d(15)-L<k0并且-k0<d(25)-L<k0时,编号为5的跟随冗余无人机到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行;其中,d(15)为领航无人机与编号为5的跟随冗余无人机之间的距离,d(25)为编号为2的跟随无人机与编号为5的跟随冗余无人机之间的距离。
一种无人机遥感组网冗余容错控制方法,其步骤包括:
1)无人机飞行控制地面站获取无人机遥感组网中各无人机的返回信息;其中无人机遥感组网包括一架领航无人机、N架跟随无人机和M架跟随冗余无人机;领航无人机和N架跟随无人机作为观测无人机;
2)根据每一无人机的具体任务对该无人机的返回信息进行判断,如果一架观测无人机A的返回信息与该观测无人机A对应的设定条件不一致,则判定该观测无人机A出现故障;
3)从所述无人机遥感组网中分离出现故障的观测无人机A,并启动一架所述跟随冗余无人机a代替该观测无人机A执行对应的具体任务。
进一步的,所述设定条件为信息类型。
说明本发明的无人机组网编队冗余容错技术,主要包括:
无人机遥感组网编队保持系统,进入观测区域后,无人机组网进入编队保持模式,实时地控制编队内的n架无人机,使编队成员的几何位置关系得以保持在误差允许范围内。无人机编队中的第一架无人机为领航无人机,剩余n-1架无人机全部作为跟随无人机,跟随无人机各自以固定距离跟随领航无人机飞行。
例如,无人机编队飞行过程中,实时地控制编队内5架无人机,其中3架为执行飞行遥感观测任务并搭载相应载荷的无人机,2架为搭载同载荷冗余无人机,冗余性保证了无人机飞行过程中在某一观测无人机故障的情况下,不会对整个遥感结果产生很大的影响。利用冗余信息能够提高整个遥感作业过程中的可靠性。5架无人机采用领航-跟随的编队形式。无人机编队中的第1架无人机为领航无人机,剩余4架无人机全部作为跟随无人机,跟随无人机各自以设置好的固定距离跟随领航无人机飞行。根据领航无人机和跟随无人机的相对位置关系,可以将其划分为不同的网络结构,第1架无人机为领航无人机,第2架第3架无人机为第一梯队的跟随无人机,此3架无人机为观测无人机,第4架第5架无人机为跟随冗余无人机,此两架无人机为与第2、3架搭载相应同载荷的冗余无人机。通过维持领航无人机与跟随无人机间的距离在设定好的距离范围内,可以保证飞行编队的稳定性,根据无人机飞行过程中飞行控制地面站显示的无人机位置坐标,实时计算无人机之间的距离,无人机之间的距离在设定的期望距离范围以内时,即完成了无人机编队保持飞行,该方法的计算量较小,控制简单,适合在空旷地域进行无人机组网遥感任务。
无人机遥感组网编队重构系统,模式飞行的无人机群需要满足安全性和多任务性,在面临某些突发状况如某一正在执行观测任务的无人机发生故障时,即偏离设定航线,需要调整编队中剩余有效的无人机,也就是其中的冗余无人机到其他新的队形,确定无人机相互位置关系,规划出一个从当前队形到目标队形的飞行方案,给出各无人机到目标队形的控制方案。
所述的无人机飞行故障检测,此处以最简单的距离信息作为判断依据为例进行说明。即利用无人机的定位系统检测其飞行的相互距离,监测突发故障,从而引入搭载同载荷的冗余无人机进行队形重构,代替出现问题的观测无人机完成相应观测任务。其他引入更多判断信息的方法可在此基础上进行拓展。
第一步是无人机飞行控制地面站获取无人机飞行的实时经纬度坐标和高度信息;
第二步通过收集到的经纬度和高度信息,计算观测无人机之间的距离,判断无人机之间距离是否在最初设定的期望距离内:如果在期望距离内表示无人机之间的达到了预期设定结果,满足无人机遥感作业的要求;如果某一架观测无人机不在设定的期望距离内,即其中一架无人机与另外两架无人机之间距离偏离过大,则表明该观测无人机出现故障。
第三步是分离出现故障的观测无人机并启动冗余无人机,地面站此前预设好系统:当2号观测无人机偏离期望位置即出现故障,分离2号故障无人机,返回地面,启动对应的4号冗余无人机,4号冗余无人机保持相同航向加速向前飞行,此时通过地面站收集的无人机的经纬度坐标和高度信息,计算4号无人机与1号和3号观测无人机之间的距离,当4号冗余无人机满足设定的与1号,3号观测无人机之间的期望距离时完成容错,可以继续由第4四架跟随无人机代替2号观测无人机继续执行遥感观测任务。如果3号观测无人机偏离期望位置即出现故障,分离3号故障无人机,返回地面,则启动对应的5号冗余无人机,5号冗余无人机保持相同航向加速向前飞行,此时通过地面站收集的无人机的经纬度坐标和高度信息,计算5号无人机与1号和2号观测无人机之间的距离,当5号冗余无人机满足设定的与1号,2号观测无人机之间的期望距离时完成容错,可以继续由5号跟随无人机代替3号随无人机继续执行遥感观测任务,通过这样的处理就完成无人机遥感组网编队重构系统。
所述的目标队形方案是相对原队形中出现无人机平台问题而做出的相应改变,做出改变后无人机组网遥感观测任务依旧保持,继续完成遥感观测的任务。
本发明采用领航-跟随的无人机编队飞行模式,可以有效的降低无人机飞行过程中的计算量。遥感观测任务主要受天气状况影响,很少受到其他外界信号的干扰,故采用此相对简单易用的编队飞行模式。
本发明由于采用以上技术方案,其具有以下优点:
1、在现有的无人机遥感领域中,采用无人机组网形式的观测比较少,组网能够在观测时采用多无人机,多载荷的实时观测,现有的无人机遥感一般采用单无人机进行观测,而本发明的多无人机组网遥感大大提高了无人机遥感的观测效率,节省了观测时间。
2、本发明采用领航-跟随的无人机组网形式,这种形式在现有无人机的编队中使用比较常见,在遥感观测中,受到外界信号干扰较少,因此采用此无人机编队形式能够降低无人机编队成本,提高编队的效率。
3、本发明在无人机组网过程中,加入冗余容错控制系统,首次将控制理论引入到无人机组网遥感领域当中,这样能够提高无人机遥感组网的稳定性,减少无人机遥感少飞和重飞的可能,在无人机平台或者载荷出现问题情况下,能够及时完成编队重构,继续进行遥感观测任务。不仅保证了遥感观测的有效可靠,也保证了遥感组网的稳定高效。
附图说明
图1为本发明实施案例提供的领航—跟随的无人机遥感组网编队保持的机构示意图;
图2为本发明实施案例提供的无人机编队飞行过程中的冗余功能的结构示意图;
图3为本发明实施案例提供的无人机编队飞行过程中的某一无人机故障判断理论依据;
图4为本发明实施案例提供的无人机编队飞行过程中基于距离错误诊断的结构示意图;
(a)为无故障,(b)为存在故障;
图5为本发明实施案例提供的执行观测任务的2号跟随无人机飞行功能失效或载荷发生故障时,4号冗余无人机补位,无人机遥感组网编队重构结构示意图;
图6为本发明实施案例提供的执行观测任务的3号跟随无人机飞行功能失效或载荷发生故障时,5号冗余无人机补位,无人机遥感组网编队重构结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅附图1,现对本发明的采用的领航-跟随的5架无人机组网遥感模式进行说明:
图1中用三角代表五架无人机,其中编号代表无人的序号,分别为1~5,1号为领航无人机,2号、3号为跟随无人机的第一梯队,此三架无人机为观测无人机。4号、5号为跟随无人机的第二梯队,此两架无人机为与2号、3号无人机搭载相应同载荷的冗余无人机。其中的箭头表示无人机的通信方向。图1中的5架无人机为同型号的长航时无人机,1~3号无人机之间的两两距离为L,根据不同的观测任务,搭载不同载荷,例如,全色,红外,多光谱,高光谱等载荷。
4号、5号无人机为第二梯队跟随无人机,此两架无人机为2号、3号无人机的冗余无人机,与2号、3号无人机之间的距离均为L,并与2号、3号无人机搭载相同的载荷,即在2号、3号无人机出现故障时,可以代替2号、3号无人机继续完成遥感观测任务。
进一步地针对无人机所携带的载荷进行冗余容错控制,载荷所形成的图像可以通过快视图实时预览,通过实时预览,及时发现载荷是否出现故障,某一无人机出现故障后便可以通过无人机的队形重构启动冗余无人机,进行队形重构。
进一步地在无人机编队飞行过程中,实时计算无人机飞行中的两两距离,如图2所示是无人机编队过程中的无人机飞行故障判断,输入三者之间量两两距离进行错误检测,然后输出选择得到出现故障的无人机。
进一步地如果当某一无人机出现问题时,如图2所示,通过计算会发现在3号无人机已经明显出现偏航,与1号和2号无人机的距离出现变化,3号无人机没有按照既定路线飞行,由此得出3号无人机出现故障。此外,除有无人机平台出现故障的可能,也有无人机搭载的载荷出现故障的可能。利用冗余容错技术实现状态监测和故障重规划,针对无人机飞行的位置状态进行调整,以3架无人机为例,倘若任何一个无人机的水平位置,高度和速度有故障,则可以通过使用其他2架无人机的这些信息来计算并检测该故障。
如图3,进行系统重构需要提供实时位置反馈通道进行故障判断,其中L为无人机之间设定的期望距离,k0为无人机之间设定的阈值参数,方法如下:
根据无人机地面站得到3架观测的无人机位置的实时坐标:
P1(X1,Y1,H1),P2(X2,Y2,H2),P3(X3,Y3,H3)
X表示无人机的经度信息,Y表示纬度信息,单位为度,H表示高度信息,单位为米。
根据经纬度转换计算无人机之间的距离d(12),d(13),d(23),
通过观测无人机之间的距离进行判断:
当-k0<d(12)-L<k0并且-k0<d(23)-L<k0并且-k0<d(13)-L<k0时,
输出:三架观测无人机均正常飞行,无故障出现,表明所有观测无人机正常。L表示期望值,d是实际值,k0表示实际与期望的偏差;即当实际值偏离期望值超过设定偏差时判定出现故障。
当[d(12)-L>k0或者d(12)-L<-k0]并且[d(23)-L>k0或者d(23)-L<-k0]时,2号观测无人机故障。
当[d(23)-L>k0或者d(23)-L<-k0]并且[d(13)-L>k0或者d(13)-L<-k0]时,3号观测无人机故障。
判定出故障的通道必须切除,而其余通道应保证系统能继续正常工作。当2号无人机有故障并切除后,1号、3号观测无人机和4号冗余无人机保证组网系统继续工作,当3号无人机有故障并切除后,1号、2号观测无人机和5号冗余无人机保证组网系统继续工作,这样的具有三个位置反馈通道的容错系统具有一次分离故障并进行系统重构的能力。
进一步地在2号或3号无人机出现故障时。后面的4号或5号无人机会继续向前飞行,取代2号或3号无人机的位置,完成无人机队形重构。
进一步地如图5所示,若无人机2号出现故障,4号无人机向前加速飞行,接下来将计算4号冗余无人机和1号、3号无人机观测的距离,达到阈值标准后,即当-k0<d(14)-L<k0并且-k0<d(34)-L<k0时,4号冗余无人机到达指定位置,开始以与1号无人机相同的速度飞行,就完成了编队的容错控制,开始进行观测。
进一步地如图6所示,若无人机3号出现故障,5号无人机向前加速飞行,接下来将计算5号冗余无人机和1号、2号无人机观测的距离,达到阈值标准后,即当-k0<d(15)-L<k0并且-k0<d(25)-L<k0时,5号冗余无人机到达指定位置,开始以与1号无人机相同的速度飞行,就完成了编队的容错控制,开始进行观测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种无人机遥感组网冗余容错控制方法,其步骤包括:
1)无人机飞行控制地面站获取无人机遥感组网中各无人机飞行的实时经纬度坐标和高度信息;其中无人机遥感组网包括一架领航无人机、N架跟随无人机和M架跟随冗余无人机;领航无人机和N架跟随无人机作为观测无人机;
2)通过收集到的经纬度和高度信息,计算各观测无人机之间的距离,如果一架观测无人机A与其相邻一架或多架观测无人机之间的距离超过设定的期望距离,则判定该观测无人机A出现故障;
3)从所述无人机遥感组网中分离出现故障的观测无人机A,并启动一架所述跟随冗余无人机a代替该观测无人机A;然后控制该观测无人机a的位置和航速、航向,完成编队重构,继续进行遥感观测任务;
所述编队重构包括:跟随冗余无人机a保持相同航向加速向前飞行,通过地面站收集的无人机的经纬度坐标和高度信息,计算跟随冗余无人机a与其他观测无人机之间的距离,当跟随冗余无人机a满足设定的与其他观测无人机之间的期望距离时完成容错,跟随冗余无人机a到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行,由跟随冗余无人机a代替观测无人机A继续执行遥感观测任务;
所述无人机遥感组网包括一架领航无人机、2架跟随无人机和2架跟随冗余无人机;其中,领航无人机的位置坐标为P1(X1,Y1,H1)、编号为2的跟随无人机位置坐标为P2(X2,Y2,H2)、编号为3的跟随无人机位置坐标为P3(X3,Y3,H3);当-k0<d(12)-L<k0、-k0<d(23)-L<k0并且-k0<d(13)-L<k0时,判定三架观测无人机均正常飞行,无故障出现;其中,领航无人机与编号为2的跟随无人机之间的距离为d(12)、领航无人机与编号为3的跟随无人机之间的距离为d(13)、编号为2的跟随无人机与编号为3的跟随无人机之间的距离为d(23),L为设定的期望距离,k0为无人机之间设定的阈值参数;
当[d(12)-L>k0或者d(12)-L<-k0]并且[d(23)-L>k0或者d(23)-L<-k0]时,判定编号为2的观测无人机出现故障;当[d(23)-L>k0或者d(23)-L<-k0]并且[d(13)-L>k0或者d(13)-L<-k0]时,判定编号为3的观测无人机出现故障;
当判定编号为2的观测无人机出现故障时,步骤3)中,启动一架编号为4的跟随冗余无人机代替该编号为2的观测无人机;然后控制该编号为4的跟随冗余无人机,当-k0<d(14)-L<k0并且-k0<d(34)-L<k0时,编号为4的跟随冗余无人机到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行;其中,d(14)为领航无人机与编号为4的跟随冗余无人机之间的距离,d(34)为编号为3的跟随无人机与编号为4的跟随冗余无人机之间的距离;
当判定编号为3的观测无人机出现故障时,步骤3)中,启动一架编号为5的跟随冗余无人机代替该编号为3的观测无人机;然后控制该编号为5的跟随冗余无人机,当-k0<d(15)-L<k0并且-k0<d(25)-L<k0时,编号为5的跟随冗余无人机到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行;其中,d(15)为领航无人机与编号为5的跟随冗余无人机之间的距离,d(25)为编号为2的跟随无人机与编号为5的跟随冗余无人机之间的距离。
2.一种无人机遥感组网冗余容错控制方法,其步骤包括:
1)无人机飞行控制地面站获取无人机遥感组网中各无人机的返回信息;其中无人机遥感组网包括一架领航无人机、N架跟随无人机和M架跟随冗余无人机;领航无人机和N架跟随无人机作为观测无人机;
2)根据每一无人机的具体任务对该无人机的返回信息进行判断,如果一架观测无人机A的返回信息与该观测无人机A对应的设定条件不一致,则判定该观测无人机A出现故障;
从所述无人机遥感组网中分离出现故障的观测无人机A,并启动一架所述跟随冗余无人机a代替该观测无人机A,完成编队重构,以执行对应的具体任务;所述编队重构包括:跟随冗余无人机a保持相同航向加速向前飞行,通过地面站收集的无人机的经纬度坐标和高度信息,计算跟随冗余无人机a与其他观测无人机之间的距离,当跟随冗余无人机a满足设定的与其他观测无人机之间的期望距离时完成容错,跟随冗余无人机a到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行,由跟随冗余无人机a代替观测无人机A继续执行遥感观测任务;所述无人机遥感组网包括一架领航无人机、2架跟随无人机和2架跟随冗余无人机;当判定编号为2的观测无人机出现故障时,步骤3)中,启动一架编号为4的跟随冗余无人机代替该编号为2的观测无人机;然后控制该编号为4的跟随冗余无人机,当-k0<d(14)-L<k0并且-k0<d(34)-L<k0时,编号为4的跟随冗余无人机到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行;其中,d(14)为领航无人机与编号为4的跟随冗余无人机之间的距离,d(34)为编号为3的跟随无人机与编号为4的跟随冗余无人机之间的距离;当判定编号为3的观测无人机出现故障时,步骤3)中,启动一架编号为5的跟随冗余无人机代替该编号为3的观测无人机;然后控制该编号为5的跟随冗余无人机,当-k0<d(15)-L<k0并且-k0<d(25)-L<k0时,编号为5的跟随冗余无人机到达指定位置,开始以与领航无人机相同的速度飞行;其中,d(15)为领航无人机与编号为5的跟随冗余无人机之间的距离,d(25)为编号为2的跟随无人机与编号为5的跟随冗余无人机之间的距离;所述设定条件为信息类型。
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