CN115723983A - 一种空地异构的翼伞无损回收实验方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞行器回收技术领域,提供一种空地异构的翼伞无损回收实验方法和系统。该空地异构的翼伞无损回收实验方法,包括如下步骤:通过定位模块获取翼伞装置的运动信息,将翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置;计算地面回收装置与翼伞装置的运动信息误差;根据运动信息误差实时调整地面回收装置的运动信息至与翼伞装置的运动信息保持相同;地面回收装置完成对翼伞装置的回收。本发明通过获取翼伞装置运动信息,协同控制翼伞装置和地面回收装置运动,最后地面回收装置对翼伞装置进行回收,使得翼伞这种难以精准着陆的飞行器也可以进行无损回收,避免了翼伞一次性使用造成的成本高昂的问题,提升了翼伞的循环再利用价值。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器回收技术领域,尤其涉及一种空地异构的翼伞无损回收实验方法和系统。
背景技术
随着飞行器技术的快速发展,对飞行器的特种任务需求日益增加。飞翼伞系统因其具有突出的负载能力和稳定的飞行能力等优势,在军用装备供给、灾后救援、物资供给等应用领域有着不可取代的地位。大规模的翼伞空投中,数个翼伞系统在既定的目标范围内投放,继而翼伞按照目标轨迹最终顺序降落至目标点附近。
与之俱来的是对无人飞行器的循环可回收利用率的要求也不断提高。大多数飞行器在执行完一次任务后,以回收再利用或者检修再利用的途径来尽最大可能的发挥出飞行器的利用价值。
撞网回收是最适用于小型飞行器的一种无损回收方式,尤其针对于在有限面积的回收场地上铺开搭建。撞网回收平台一般是由阻拦网结构、吸能缓冲结构和末端引导结构组成的。阻拦网由弹性材料纵横交叉编织成的,主要作用是快速拦截飞行器使其迫停;吸能缓冲结构是布置在阻拦网的两端,用以吸收和转换飞行器撞网时机械能,能够阻碍飞行器在急停时晃动,起到缓冲作用;末端引导结构是指安装在阻拦网背侧的摄像记录设备,可以在撞网时实时记录并向地面张传输飞行器回收的位置坐标。撞网回收方式的优势在于对所指定的回收环境要求低,在一些较小的海舰上或者恶劣的陆地环境都能使用,而且可靠性极高,成本低。
在当前采用撞网回收的无人飞行器回收装置中,一般均采用引导无人机或有自主飞行能力的飞行器朝向撞网回收装置的方向飞行,以此完成回收,但对于翼伞这种无法引导飞行轨迹且无法精准着陆的飞行器,则无法引导其准确的落入回收装置内以对飞行器无损回收。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种空地异构的翼伞无损回收实验方法和系统,用以对翼伞这种无法引导飞行轨迹的且无法精准着陆的飞行器的无损回收。
本发明提供一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,包括如下步骤:
通过定位模块获取翼伞装置的运动信息,将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置;
计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差;
根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同;
所述地面回收装置完成对所述翼伞装置的回收。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,翼伞装置通过定位模块获取所述翼伞装置的运动信息包括:
所述翼伞装置的运动信息表示为:
Pi=(xi,yi,θi)
其中,xi为所述翼伞装置水平方向的位移;yi为所述翼伞装置竖直方向的位移,θi为所述翼伞装置速度的方向与水平方向之间的夹角;
所述翼伞装置的运动信息的公式表示为:
其中,vi为所述翼伞装置的速度;wi为所述翼伞装置的角速度;
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差包括:
所述地面回收装置的预定运动信息为:
Pj=(xj,yj,θj)
其中,xj为所述地面回收装置水平方向的位移;yj为所述地面回收装置竖直方向的位移;θj为所述地面回收装置速度的方向与水平方向之间的夹角;
从而可以得到所述翼伞装置与所述地面回收装置的实际运动信息误差为:
其中,xij为所述翼伞装置和所述地面回收装置水平方向的实际位移误差;yij为所述翼伞装置和所述地面回收装置竖直方向的实际位移误差;θij为所述翼伞装置和所述地面回收装置实际速度的方向与水平方向之间的夹角误差;xjj为所述地面回收装置水平方向的实际位移;yjj为所述地面回收装置竖直方向的实际位移;θjj为所述地面回收装置速度的方向与水平方向之间的实际夹角;
所述翼伞装置与所述地面回收装置的预定的运动信息误差为:
其中,Xij为所述翼伞装置和所述地面回收装置水平方向的预定位移误差;Yij为所述翼伞装置和所述地面回收装置竖直方向的预定位移误差;为所述翼伞装置和所述地面回收装置预定速度的方向与水平方向之间的夹角误差。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同包括:
当所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差不为0时,实时调整所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差至为0;
当所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差为0时,控制所述地面回收装置按照与所述翼伞装置相同的速度和角速度运动。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同时应用ADRC算法。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,应用ADRC算法时,采用零阶保持器法对扩张观测器离散化,过程包括:
离散化的二阶系统扩张状态离散空间表示为:
其中,e(k)为观测误差;z1(k)为观测的位置误差值;y(k)为实际输出值;Z(k+1)为k+1时刻的状态观测值和扰动观测值;Φ为系统矩阵;Z(k)为二阶系统的状态观测值和扰动观测值;Γ为控制矩阵;u(k)为系统控制量输入值;T为采样周期;L为误差反馈系数矩阵;
Z(k)=[z1(k),z2(k),z3(k)]T
其中,z1(k)为观测的位置误差值;z2(k)为观测值误差导数值;z3(k)为系统总扰动;
其中,Lc为换算矩阵;β为离散系统的特征根;e为自然对数的底数常数;w0为观测器带宽;
控制和扰动补偿非线性反馈模块具体描述为:
其中,E1为第一状态变量误差;E2为第二状态变量误差;x1(k)为预测位置误差输入;x2(k)为预测位置误差导数输入;z1(k)和z2(k)均为扩张状态观测器给出的状态变量估计值;
其中,u(k+1)为系统k+1时刻控制量输入值;u(k)为系统控制量输入值;Aij为通信拓扑矩阵;kp为跟踪微分器的第一可调参数;kd为跟踪微分器的第二可调参数;z3(k+1)为k+1时刻系统总扰动;b为非零的输入增益。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同时还包括,基于人工势场法控制所述地面回收装置避开障碍,过程包括:
当所述地面回收装置周围一定的圆形场内存在障碍时,所述障碍会对所述地面回收装置施加一个方向由所述障碍指向所述地面回收装置的斥力,斥力场的公式如下:
其中,U为斥力大小;d为所述地面回收装置与所述障碍之间的距离;dr为所述障碍的影响半径。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,所述翼伞装置将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置时,通信拓扑矩阵表示为:
其中,Aij=1表示所述翼伞装置与所述地面回收装置有信息交流,而Aij=0则表示所述翼伞装置与所述地面回收装置没有信息交流。
另一方面,本发明提供一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,包括:
翼伞装置,用于获取所述翼伞装置的运动信息,并将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置;
地面回收装置,用于接收所述翼伞装置的运动信息,计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同,并接收所述翼伞装置。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,所述翼伞装置包括:
定位模块,用于获取所述翼伞装置的运动信息;
传输模块,用于将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,所述地面回收装置包括:
运动模块,用于驱动地面回收装置;
控制模块,用于接收翼伞装置的运动信息,计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差,并根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同;
回收模块,用于接收降落于所述地面回收装置的翼伞装置。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,所述控制模块包括:
接收单元,用于接收翼伞装置的运动信息;
计算单元,用于计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差;
输出控制单元,用于根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同。
根据本发明提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,所述运动模块可以为无人车或无人机器人。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得更加明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法流程图;
图2为本发明实施例提供的另一种空地异构的翼伞无损回收实验方法流程图;
图3为本发明实施例提供的第三种空地异构的翼伞无损回收实验方法流程图;
图4为本发明实施例三提供的用于地面回收装置避障的人工势场法示意图。
附图标记:
1、地面回收装置;2、障碍物;3、人工势场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本发明的实施例一,包括如下步骤:
S101:通过定位模块获取所述翼伞装置的运动信息,将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置;
S102:计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差;
S103:根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同;
S104:所述地面回收装置完成对所述翼伞装置的回收。
实施例一中提供的空地异构的翼伞无损回收实验方法,能够针对翼伞这种无法引导其飞行轨迹且无法精准着陆的飞行器,通过在地面建立无人回收装置,并计算地面回收装置和翼伞装置的位置误差来令地面回收装置对翼伞装置进行跟踪运动,最后翼伞装置着陆点和地面回收装置重合来完成对翼伞的无损回收,这样一来不仅提高了翼伞大规模飞行的工作效率,同时还可以提升翼伞的循环再利用价值,解决了翼伞的一次性使用所带来的成本高昂的问题。
下面结合图2描述本发明的实施例二,包括如下步骤:
S201:翼伞装置通过装置内部GPS和陀螺仪获取到自身运动信息,包括翼伞装置水平方向的位移xi,翼伞装置竖直方向的位移yi,翼伞装置速度的方向与水平方向之间的夹角θi,也就是翼伞装置的运动信息表示为Pi=(xi,yi,θi);
S202:翼伞装置将自身运动信息发送至地面回收装置;
S204:地面回收装置按照翼伞装置的速度vi和翼伞装置的角速度wi进行运动,所得地面回收装置的水平方向的位移为xj,地面回收装置竖直方向的位移为yj,地面回收装置速度的方向与水平方向之间的夹角θj,也就是地面回收装置的在理想状态下的预定运动信息表示为Pj=(xj,yj,θj);
S205:地面回收装置计算出翼伞装置与地面回收装置水平方向的预定位移误差为Xij,翼伞装置和地面回收装置竖直方向的预定位移误差Yij,翼伞装置和地面回收装置预定速度的方向与水平方向之间的夹角误差为也就是将翼伞装置与地面回收装置的预定运动信息误差表示为
S206:地面回收装置计算出翼伞装置与地面回收装置水平方向的实际位移误差为xij,翼伞装置和地面回收装置竖直方向的实际位移误差yij,翼伞装置和地面回收装置实际速度的方向与水平方向之间的夹角误差为θij,也就是将翼伞装置与地面回收装置的实际运动信息误差表示为
S207:判断地面回收装置与翼伞装置的实际运动信息误差是否达到预定运动信息误差,如果否,则实时调整地面回收装置的运动速度和角速度,直至地面回收装置与翼伞装置的实际运动信息误差达到预定运动信息误差,如果是,则控制地面回收装置按照翼伞装置的速度vi和翼伞装置的角速度wi进行运动,进而使地面回收装置保持与翼伞装置的实际运动信息误差达到预定运动信息误差;
S208:最终翼伞装置的落点在地面回收装置上,翼伞装置降落于地面回收装置,完成对翼伞装置的无损回收。
实施例二中提供的空地异构的翼伞无损回收实验方法,通过GPS和陀螺仪设备获取翼伞的运动信息,并发送给地面回收装置,之后地面回收装置按照与翼伞相同的速度和角速度运动,由于受到外力因素影响,翼伞装置可能会出现位移偏差的情况,地面回收装置实时接收翼伞装置的实际运动信息,并与自身按照预定的速度和角速度运动形成的运动信息进行对比,如果运动信息差值没有达到预定值,则调整自身速度和角速度,令运动信息差值达到预定值,如果达到则保持,这样一来,翼伞装置和地面回收装置虽然为空地异构,但是实际为同步运动,最终翼伞装置的落点和地面回收装置的位置重合,可以有效地防止由于翼伞装置飞行中的不确定因素造成的落点与预定落点的偏差而无法对翼伞装置精准回收,避免了翼伞装置降落时无法精准回收造成的翼伞损坏,成本高昂的问题。
下面结合图3-图4描述本发明的实施例三,包括如下步骤:
S301:翼伞装置通过定位模块获取翼自身的运动信息,翼伞装置将自身的运动信息发送至地面回收装置;
S302:翼伞装置没有受到外力因素的影响,地面回收装置与翼伞装置运动信息相同,同步运动;
S303:判断地面回收装置在半径为dr的圆形场内是否存在障碍物,如果有,地面回收装置与障碍物的间距为d,则地面回收装置对自身施加的斥力,以使自身向偏离障碍物方向进行位移,随后继续重复步骤S303,继续判断地面回收装置在半径为dr的圆形场内是否存在障碍物,如果没有则进入步骤S304;
S304:地面回收装置在半径为dr的圆形场内已经不存在障碍物时,则地面回收装置对自身施加U=0的斥力,地面回收装置根据所述运动信息误差令地面回收装置的运动信息回归至与翼伞装置的运动信息保持相同;
S305:最终翼伞装置的落点在地面回收装置上,翼伞装置降落于地面回收装置,完成对翼伞装置的无损回收。
实施例三中提供的空地异构的翼伞无损回收实验方法,通过翼伞装置获取自身运动信息并发送至地面回收装置,在翼伞装置空中飞行没有受到外力影响时,地面回收装置与翼伞装置同步运动即可。但由于地面环境复杂,地面回收装置在跟踪同步运动时可能会遇到障碍物,所述第三实施例中基于人工势场法对地面回收周围为dr的圆形场内检测,是否存在障碍物,如果存在则地面回收装置对自身施加一个斥力以使自身偏离避障,圆形场内没有障碍物时,则该斥力为0,这样一来,在原有翼伞无损回收方法的基础上,考虑了现实翼伞投放时可能用于战争物资、紧急救援等情况,地理环境复杂,设置了地面回收装置避障,不仅可以在多种环境下均能顺利回收,提高了翼伞的循环再利用价值,还增加了翼伞在复杂环境下回收的可能性,扩展了使用环境,提高了翼伞的利用率。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,其特征在于,包括如下步骤:
通过定位模块获取翼伞装置的运动信息,将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置;
计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差;
根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同;
所述地面回收装置完成对所述翼伞装置的回收。
3.根据权利要求1所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,其特征在于,计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差包括:
所述地面回收装置的预定运动信息为:
Pj=(xj,yj,θj)
其中,xj为所述地面回收装置水平方向的预定位移;yj为所述地面回收装置竖直方向的预定位移;θj为所述地面回收装置速度的方向与水平方向之间的预定夹角;
可以得到所述翼伞装置与所述地面回收装置的实际运动信息误差为:
其中,xij为所述翼伞装置和所述地面回收装置水平方向的实际位移误差;yij为所述翼伞装置和所述地面回收装置竖直方向的实际位移误差;θij为所述翼伞装置和所述地面回收装置实际速度的方向与水平方向之间的夹角误差;
xjj为所述地面回收装置水平方向的实际位移;yjj为所述地面回收装置竖直方向的实际位移;θjj为所述地面回收装置速度的方向与水平方向之间的实际夹角;
所述翼伞装置与所述地面回收装置的预定的运动信息误差为:
4.根据权利要求1所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,其特征在于,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同包括:
当所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差不为0时,实时调整所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差至为0;
当所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差为0时,控制所述地面回收装置按照与所述翼伞装置相同的速度和角速度运动。
5.根据权利要求1所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,其特征在于,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同时应用ADRC算法。
6.根据权利要求5所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验方法,其特征在于,应用ADRC算法时,采用零阶保持器法对扩张观测器离散化,过程包括:
离散化的二阶系统扩张状态离散空间表示为:
其中,e(k)为观测误差;z1(k)为观测的位置误差值;y(k)为实际输出值;Z(k+1)为k+1时刻的状态观测值和扰动观测值;Φ为系统矩阵;Z(k)为二阶系统的状态观测值和扰动观测值;Γ为控制矩阵;u(k)为系统控制量输入值;T为采样周期;L为误差反馈系数矩阵;
Z(k)=[z1(k),z2(k),z3(k)]T
其中,z1(k)为观测的位置误差值;z2(k)为观测值误差导数值;z3(k)为系统总扰动;
其中,Lc为换算矩阵;β为离散系统的特征根;e为自然对数的底数常数;w0为观测器带宽;
控制和扰动补偿非线性反馈模块具体描述为:
其中,E1为第一状态变量误差;E2为第二状态变量误差;x1(k)为预测位置误差输入;x2(k)为预测位置误差导数输入;z1(k)和z2(k)均为扩张状态观测器给出的状态变量估计值;
其中,u(k+1)为系统k+1时刻控制量输入值;u(k)为系统控制量输入值;Aij为通信拓扑矩阵;kp为跟踪微分器的第一可调参数;kd为跟踪微分器的第二可调参数;z3(k+1)为k+1时刻系统总扰动;b为非零的输入增益。
9.一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,其特征在于,包括:
翼伞装置,用于获取所述翼伞装置的运动信息,并将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置;
地面回收装置,用于接收所述翼伞装置的运动信息,计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差,根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同,并接收所述翼伞装置。
10.根据权利要求9所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,其特征在于,所述翼伞装置包括:
定位模块,用于获取所述翼伞装置的运动信息;
传输模块,用于将所述翼伞装置的运动信息发送至地面回收装置。
11.根据权利要求9所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,其特征在于,所述地面回收装置包括:
运动模块,用于驱动地面回收装置;
控制模块,用于接收翼伞装置的运动信息,计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差,并根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同;
回收模块,用于接收降落于所述地面回收装置的翼伞装置。
12.根据权利要求11所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,其特征在于,所述控制模块包括:
接收单元,用于接收所述翼伞装置的运动信息;
计算单元,用于计算所述地面回收装置与所述翼伞装置的运动信息误差;
输出控制单元,用于根据所述运动信息误差实时调整所述地面回收装置的运动信息至与所述翼伞装置的运动信息保持相同。
13.根据权利要求11所述的一种空地异构的翼伞无损回收实验系统,其特征在于,所述运动模块为无人车或无人机器人。
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