CN210592416U - 一种单旋翼无人机系统结构 - Google Patents

Abstract

本文提出了一种单旋翼无人机系统结构。此种结构的运转依赖于电磁的相互作用，以及对结构内部的电磁场强弱的控制。依托平衡系统在无人机内部的旋转产生与单旋翼相反的扭矩，来保证单旋翼无人机的姿态稳定运行。

Description

一种单旋翼无人机系统结构

技术领域

无人机领域近年来发展迅速，四旋翼，双旋翼，甚至八旋翼无人机相继出现，且操控技术越来越新颖，出现了手势操控，但单旋翼无人机一直是旋翼无人机的空白。此项实用新型专利所包含内容将填补这一空白。

背景技术

近年来，以深圳大疆创新科技有限公司为首的无人机企业在世界范围内的行业地位越来越高，从而也带动了一批杰出的科技创新型企业也跻身于无人机的研发当中。

大疆是一家总部位于中国深圳的无人机制造厂商，成立于2006年。该公司生产的DJI无人机被广泛运用于航拍，并且很受专业及业余级摄影师们的青睐。其产品线涵盖中端价位的Phantom以及高端市场绝对王者的Inspire系列。

一架无人机系统由地面站、飞机、链路三个核心部分组成。无人机地面站是整个无人机系统的指挥控制中心，专门用于对无人机的地面控制和管理。飞机是无人机系统的主体，而它的核心组件是其飞行控制系统（简称飞控），它是飞行器稳定飞行的保证。链路主要负责飞机与地面站之间的通讯，通过多种通信方式将飞机上的飞行数据实时传输到地面站，并可以将地面站发出的控制信号传给飞机，从而使得无人机按照既定的指令飞行。

国内外无人机相关技术飞速发展，无人机系统种类繁多、用途广特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度，任务等多方面都有较大差异。由于无人机的多样性，出于不同的考量会有不同的分类方法。

按飞行平台构型分类，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。

按用途分类，无人机可分为军用无人机和民用无人机。军用无人机可分为侦察无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机以及靶机等；民用无人机可分为巡查/监视无人机、农用无人机、气象无人机、勘探无人机以及测绘无人机等。

按尺度分类（民航法规），无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机以及大型无人机。微型无人机是指空机质量小于等于7kg，轻型无人机质量大于7kg，但小于等于116kg的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于100km/h(55nmile/h)，升限小于3000m。小型无人机，是指空机质量小于等于5700kg的无人机，微型和轻型无人机除外。大型无人机，是指空机质量大于5700kg的无人机。

按活动半径分类，无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。超近程无人机活动半径在15km以内，近程无人机活动半径在15～50km之间，短程无人机活动半径在50～200km之间，中程无人机活动半径在200～800km之间，远程无人机活动半径大于800km。

按任务高度分类，无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。超低空无人机任务高度一般在0～l00m之间，低空无人机任务高度一般在100～1000m之间，中空无人机任务高度一般在1000～7000m之间，高空无人机任务高度一般在7000～18000m之间，超高空无人机任务高度般大于18000m。2018年9月份，世界海关组织协调制度委员会（HSC）第62次会议决定，将无人机归类为“会飞的照相机”。

这些无人机应用范围极其广。主要包含民用，军用两部分。

民用主要包含警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业，无人机的用途广泛。

应用领域：电力巡检工作原理：装配有高清数码摄像机和照相机以及GPS定位系统的无人机，可沿电网进行定位自主巡航，实时传送拍摄影像，监控人员可在电脑上同步收看与操控。采用传统的人工电力巡线方式，条件艰苦，效率低下，一线的电力巡查工偶尔会遭遇“被狗撵”“被蛇咬”的危险。无人机实现了电子化、信息化、智能化巡检，提高了电力线路巡检的工作效率、应急抢险水平和供电可靠率。而在山洪暴发、地震灾害等紧急情况下，无人机可对线路的潜在危险，诸如塔基陷落等问题进行勘测与紧急排查，丝毫不受路面状况影响，既免去攀爬杆塔之苦，又能勘测到人眼的视觉死角，对于迅速恢复供电很有帮助。

应用领域：农业保险工作原理：利用集成了高清数码相机、光谱分析仪、热红外传感器等装置的无人机在农田上飞行，准确测算投保地块的种植面积，所采集数据可用来评估农作物风险情况、保险费率，并能为受灾农田定损，此外，无人机的巡查还实现了对农作物的监测。自然灾害频发，面对颗粒无收的局面，农业保险有时候是农民们的一根救命稻草，却因理赔难，又让人多了一肚子苦水。无人机在农业保险领域的应用，一方面既可确保定损的准确性以及理赔的高效率，又能监测农作物的正常生长，帮助农户开展针对性的措施，以减少风险和损失。

应用领域：环保工作原理：无人机在环保领域的应用，大致可分为三种类型。一：环境监测：观测空气、土壤、植被和水质状况，也可以实时快速跟踪和监测突发环境污染事件的发展；二，环境执法：环监部门利用搭载了采集与分析设备的无人机在特定区域巡航，监测企业工厂的废气与废水排放，寻找污染源；三，环境治理：利用携带了催化剂和气象探测设的柔翼无人机在空中进行喷撒，与无人机播撒农药的工作原理一样，在一定区域内消除雾霾。无人机开展航拍，持久性强，还可采用远红外夜拍等模式，实现全天候航监测，无人机执法又不受空间与地形限制。时效性强，机动性好，巡查范围广，尤其是在雾霾严重的京津冀地区，使得执法人员可及时排查到污染源，一定程度上减缓雾霾的污染程度。

应用领域：影视剧拍摄工作原理：无人机搭载高清摄像机，在无线遥控的情况下，根据节目拍摄需求，在遥控操纵下从空中进行拍摄。无人机实现了高清实时传输，其距离可长达5公里，而标清传输距离则长达10公里;无人机灵活机动，低至一米，高至四五千米，可实现追车、升起和拉低、左右旋转，甚至贴着马肚子拍摄等，极大地降低了拍摄成本。

应用领域：确权问题工作原理：大到两国的领土之争，小到农村土地的确权，无人机都可上阵进行航拍无人机灵活机动，无需出动一兵一卒，就可记录下领土周围实施的动作。实际上，有些国家内部的边界确权问题，还牵扯到不同的种族，调派无人机前去采集边界数据，有效地避免了潜在的社会冲突。

应用领域：街景工作原理：利用携带拍摄装置的无人机，开展大规模航拍，实现空中俯瞰的效果。

应用领域：快递工作原理：无人机可实现鞋盒包装以下大小货物的配送，只需将收件人的GPS地址录入系统，无人机即可起飞前往。美国的亚马逊，中国的顺丰都在测试这项业务，而美国达美乐披萨店，已在英国成功地空运了首个披萨外卖。据悉，亚马逊宣称无人机会在30分钟内将货物送达1.6公里范围内的客户手中。顺丰研发无人机送货的目的，是为了解决偏远地区送货难的问。

应用领域：灾后救援工作原理：利用搭载了高清拍摄装置的无人机对受灾地区进行航拍，提供一手的最新影像。无人机动作迅速，起飞至降落仅7分钟，就已完成了100,000平方千米的航拍，对于争分夺秒的灾后救援工作而言，意义非凡。此外，无人机保障了救援工作的安全，通过航拍的形式，避免了那些可能存在塌方的危险地带，将为合理分配救援力量、确定救灾重点区域、选择安全救援路线以及灾后重建选址等提供很有价值的参考。此外，无人机可实时全方位地实时监测受灾地区的情况，以防引发次生灾害。

应用领域：遥感测绘工作原理：遥感，就是遥远的感知，测绘遥感，就是利用遥感技术，在计算机上面进行计算并且能够达到测绘目的行为。

军用方面主要为以下方面：无人机用途广泛，成本低，效率较高；无人员伤亡风险；生存能力强，机动性能好，使用方便，在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。

侦察机用于完成战场侦察和监视、定位校射、毁伤评估、电子战等；也可民用，如边境巡逻、核辐射探测、航空摄影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等。靶机可作为火炮、导弹的靶标。

发明内容

针对无人机单旋翼这一结构空白，本实用新型提供了一种单旋翼无人机系统结构。单旋翼无人机的技术难点在于如何解决有由单旋翼带来的反作用扭矩，这种扭矩随着无人机本身动力系统旋翼的旋转带来，并且随着旋翼的旋转越快，力量越大。以往旋翼无人机的处理方法是旋翼成对出现，布置方式呈现几何对称，且一对旋翼旋转方向相反，从而借以消除这种反作用扭矩。

为了解决单旋翼旋转带来的反作用扭矩，本实用新型采用以下技术方案：一种单旋翼无人机系统结构，所述结构包含外壳、电池、拉动装置、平衡系统、连接杆以及旋翼、电机。所述电池、拉动装置、平衡系统、连接杆、均在外壳存在连接专用孔道用于连接；所述旋翼，电机连接于连接杆；所述外壳用于搭载其余系统结构，除外壳外各个系统结构均在外壳具有各自搭载所用特定结构；所述电池通过电池下端平面与安装通道平面接触，电池上曲面与安装通道上曲面接触，下曲面与平衡系统外侧曲面接触，在安装通道内成同角度分布，共两个电池；所述拉动装置整体嵌入外壳内侧拉动装置安装孔，共两个拉动装置；所述平衡系统与平衡系统安装孔接触安装；所述连接杆相对两末端拉动柱安装孔与拉动装置上端拉动柱连接，剩余相对两末端安装于外壳中的连接杆安装孔；连接杆中间空洞，用于安装电机与旋翼。

所述外壳包含连接杆安装孔、拉动装置安装孔、安装通道、散热通道、平衡系统安装通道、走线通道。所述连接杆安装孔共两个，在外壳内侧相对布置；所述拉动装置安装孔共两个，在外壳内侧相对布置；连接杆安装孔中轴线与拉动装置安装孔中轴线成90°直角；所述安装通道位于外壳内部；所述散热通道贯穿外壳，共两种形状，八个，每一形状四个，俯视角度均分360°；所述平衡系统安装通道位于外壳内部与安装通道相连通；所述走线通道位于拉动装置安装孔上部及连接杆安装孔上部。

所述电池包含电池本体，电池上曲面与电池下曲面。截面形状为与安装通道安装平衡系统后相同，呈弯曲状。

所述拉动装置包含拉动装置外壳、拉动柱、弹簧、磁铁连接杆、磁铁。所述拉动装置下部由外壳截面形状线圈构成，上部为普通材质，线圈部分高度与磁铁下底面有一定距离；所述拉动柱用于连接弹簧、连接杆拉动柱安装孔、磁铁连接杆；所述弹簧底面与外壳拉动装置安装底面连接；所述磁铁连接杆用于磁铁与拉动柱；所述磁铁上端面与磁铁连接杆下端面连接。

所述平衡系统包含转子连接杆、转子、平衡系统外壳。所述转子连接杆用于连接相邻转子，共三个；所述转子分为两部分，分别为磁铁与磁铁互连接杆，转子两端为磁铁，极性相同相对布置，中间为磁铁互连接杆。所述平衡系统外壳由截面为圆形线圈构成，转子与转子连接杆自由安装于其内部。

所述连接杆包含旋翼安装孔道、走线孔道、拉动柱安装孔。所述旋翼安装孔道用于安装旋翼与电机；所述走线孔道用于布置连接电线；所述拉动柱安装孔道用于安装拉动装置中的拉动柱。

所述旋翼安装于连接杆旋翼安装孔道；所述电机安装于连接杆悬疑安装孔道。

本实用新型所述稳定性控制原理如下：本实用新型所包含单旋翼无人机稳定主要依靠平衡系统及动力系统相互作用保持无人机自身稳定。前文所述单旋翼无人机稳定需克服旋翼高速转动带来的反作用扭矩。在无人机控制中，由控制板控制旋翼转速从而提供动力大小。而反作用扭矩的大小也由此而可控、可计算。反作用扭矩的计算可由旋翼动力计算所得。

平衡系统此时根据计算所得反作用扭矩大小与平衡系统转子所产生扭矩相同。根据平衡系统转子质量、与无人机中线距离、与平衡系统外壳间相互作用力大小。即可计算得到普通动力系统与平衡系统各自输出电力大小比值。即可进行稳定性控制。

本实用新型所述单旋翼无人机飞行控制原理如下：当无人机飞行需要转向时，利用旋翼产生的反作用扭矩，以及平衡系统产生的扭矩差来实现转向。控制时只需控制扭矩相对大小，即可通过普通动力系统与平衡系统各自输出电力大小控制。

当无人机需要前进或后退时由拉动装置拉动连接杆末端，使得无人机旋翼与水平面形成一定夹角，即可完成前后向推动动作。当这一夹角变化时即可完成无人机速度控制。

附图说明。

图1为本实用新型总体组装图。

图中包含外壳1，电池2，拉动装置3，平衡系统4，连接杆5，旋翼6，电机7。

图2为本实用新型外壳俯视图。

图中包含散热通道104。

图3为本实用新型外壳结构图。

图中包含连接杆安装孔101、拉动装置安装孔102、安装通道103、散热通道104。

图4为本实用新型外壳剖视细节图。

图中包含连接杆安装孔101、拉动装置安装孔102、安装通道103、散热通道104、平衡系统安装通道105、走线通道106。

图5为本实用新型电池展示图。

图中包含电池上曲面201、电池下曲面202。

图6为本实用新型拉动装置剖视图。

图中包含装置外壳301、拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305。

图7为本实用新型拉动装置三视图。

图中包含装置外壳301、拉动柱302。

图8为本实用新型平衡系统组装图。

图中包含装置转子连接杆401、转子402、平衡系统外壳403。

图9为本实用新型平衡系统正面剖视图。

图中包含装置转子连接杆401、转子402、平衡系统外壳403。

图10为本实用新型平衡系统转子结构图。

图中包含装置转子连接杆401、转子402、平衡系统外壳403、转动磁铁4021、磁铁互连接杆4022。

图11为本实用新型连接杆结构图。

图中包含旋翼安装孔道501、走线孔道502。

图12为本实用新型连接杆细节图。

图中包含走线孔道502、拉动柱安装孔503。

图13为本实用新型总体组装剖视图1。

图中包含拉动装置安装孔102、安装通道103、散热通道104、走线通道106、电池2、装置外壳301、拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305、转子连接杆401、转子402、平衡系统外壳403、旋翼安装孔道501、走线孔道502、旋翼6、电机7。

图14为本实用新型总体组装剖视图2。

图中包含连接杆安装孔101、安装通道103、散热通道104、走线通道106、电池2、转子连接杆401、平衡系统外壳403、旋翼安装孔道501、走线孔道502、旋翼6、电机7。

图15为组装剖视细节图1。

图中包含拉动装置安装孔102、走线通道106、电池2、装置外壳301、拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305、转子402、平衡系统外壳403、走线孔道502。

图16为组装剖视细节图2。

图中包含拉动装置安装孔102、散热通道104、走线通道106、装置外壳301、拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305、转子连接杆401、平衡系统外壳403、走线孔道502。

图17为组装剖视细节图3。

图中包含连接杆安装孔101、安装通道103、散热通道104、走线通道106、转子连接杆401、平衡系统外壳403、走线孔道502。

具体实施方式。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1总体安装图，本实用新型提供了一种单旋翼无人机系统结构设计。所述结构设计包含外壳1，电池2，拉动装置3，平衡系统4，连接杆5。所述电池2安装于外壳1的安装通道103，在安装通道103内共四个，成均角度分布；所述拉动装置3安装于外壳1内侧的拉动装置安装孔，共两个，成均角度相对分布；所述平衡系统安装于外壳1的平衡系统安装通道105；所述连接杆5安装于连接杆安装孔101。

请参阅图15组装细节图1及图4外壳剖视细节图，所述结构设计包含连接杆安装孔101、拉动装置安装孔102、安装通道103、散热通道104、平衡系统安装通道105、走线通道106、电池2、装置外壳301、拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305、转子402、平衡系统外壳403、走线孔道502。所述磁铁305与磁铁连接杆304连接；所述磁铁连接杆304与拉动柱302连接；所述拉动柱302与弹簧303连接；所述弹簧303与装置外壳301连接；所述装置外壳301底部与拉动装置安装孔102底部连接；每个拉动装置外壳301内连接并排安装拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305组合件两个；所述转子402安装于平衡系统外壳403；所述平衡系统外壳403安装于平衡系统安装通道105；所述电池2安装于安装通道103；所述走线通道106与走线孔道502同心安装。

请参阅图16组装细节图2及图4外壳剖视细节图。所述结构设计包含连接杆安装孔101、拉动装置安装孔102、安装通道103、散热通道104、平衡系统安装通道105、走线通道106、装置外壳301、拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305、转子连接杆401、平衡系统外壳403、走线孔道502。所述磁铁305与磁铁连接杆304连接；所述磁铁连接杆304与拉动柱302连接；所述拉动柱302与弹簧303连接；所述弹簧303与装置外壳301连接；所述装置外壳301底部与拉动装置安装孔102底部连接；每个拉动装置外壳301内连接并排安装拉动柱302、弹簧303、磁铁连接杆304、磁铁305组合件两个；所述转子连接杆401安装于平衡系统外壳403；所述平衡系统外壳403安装于平衡系统安装通道105；所述走线通道106与走线孔道502同心安装。

请参阅图17组装细节图3及图4外壳剖视细节图。所述结构设计包含连接杆安装孔101、拉动装置安装孔102、安装通道103、散热通道104、平衡系统安装通道105、走线通道106、转子连接杆401、平衡系统外壳403、走线孔道502。所述转子连接杆401安装于平衡系统外壳403；所述平衡系统外壳403安装于平衡系统安装通道105；所述走线通道106与走线孔道502同心安装。

实施例：当本实用新型所述单旋翼无人机需要进行起飞动作时，由控制板发出指令，控制电机7与平衡系统4内部转子401、转子连接杆402同时旋转。此时，旋翼6旋转形成升力与扭矩，控制板发出指令，调节平衡系统外壳403通过电力大小，在内部形成可变磁场，推动内部转子401、转子连接杆402，产生反扭矩，抵消旋翼6带来的扭矩，使得无人机保持姿态稳定。并在此条件下不断提升旋翼6转速至2000-4000转。以电机7带动旋翼6形成无人机升力。

当本实用新型所述单旋翼无人机需要前后向飞行时，以无人机安装拉动装置3两端为无人机前后。需前向飞行时，由控制板发出指令，前端装置外壳301下端线圈产生与磁铁305纵向下端磁性相反磁场。通过拉动柱302拉下连接杆5。后端装置外壳301下端线圈产生与磁铁305纵向下端磁性相同磁场。通过拉动柱302顶起连接杆5末端。两个动作使得旋翼6与水平面产生夹角，形成前向推动力。与此同时，控制板发出指令，调节平衡系统外壳403通过电力大小，在内部形成可变磁场，推动内部转子401、转子连接杆402，产生反扭矩，抵消旋翼6带来的扭矩，使得无人机保持姿态稳定。需后向飞行时，由控制板发出指令，前端装置外壳301下端线圈产生与磁铁305纵向下端磁性相同磁场。通过拉动柱302顶起连接杆5。后端装置外壳301下端线圈产生与磁铁305纵向下端磁性相反磁场。通过拉动柱302拉下连接杆5末端。两个动作使得旋翼6与水平面产生夹角，形成后向推动力。与此同时，控制板发出指令，调节平衡系统外壳403通过电力大小，在内部形成可变磁场，推动内部转子401、转子连接杆402旋转，产生反扭矩，抵消旋翼6带来的扭矩，使得无人机保持姿态稳定。

当本实用新型所述单旋翼无人机需要转向飞行时，由控制板发出指令，调节旋翼6转速，增大或减小其转速，从而增大或减小扭矩。同时调节平衡系统外壳403通过电力大小，调节内部磁场，减小或增加转子401、转子连接杆402转速，调节扭矩减小或增大。此时，平衡系统4与旋翼6之间产生扭矩差，此扭矩差带动单旋翼无人机，实现转向。

当本实用新型所述单旋翼无人机需要降落时，由控制板发出指令，控制电机7与平衡系统4内部转子401、转子连接杆402同时旋转。此时，旋翼6旋转减小升力与扭矩，与地面距离减小。控制板发出指令，调节平衡系统外壳403通过电力大小，在内部形成可变磁场，推动内部转子401、转子连接杆402，产生反扭矩，抵消旋翼6带来的扭矩，使得无人机保持姿态稳定。并在此条件下无人机与地面距离降低至0，实现降落。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种单旋翼无人机系统结构,其特征在于，所述结构包含外壳（1），电池（2），拉动装置（3），平衡系统（4），连接杆（5），旋翼（6），电机（7）；所述电池（2）、拉动装置（3）、平衡系统（4）、连接杆（5）、均在外壳（1）存在连接专用孔道用于连接；所述旋翼（6），电机（7）连接于连接杆（5）；所述外壳（1）用于搭载其余系统结构，除外壳（1）外各个系统结构均在外壳具有各自搭载所用特定结构；所述电池（2）通过电池下端平面与安装通道平面接触，上曲面与安装通道上曲面接触，下曲面与平衡系统（4）外侧曲面接触，在安装通道（103）内成同角度分布，共两个电池；所述拉动装置（3）整体嵌入外壳（1）内侧拉动装置安装孔，共两个拉动装置；所述平衡系统（4）与平衡系统安装孔接触安装；所述连接杆（5）相对两末端拉动柱安装孔与拉动装置上端拉动柱连接，剩余相对两末端安装于外壳（1）中的连接杆安装孔（101）；连接杆中间空洞，用于安装电机（7）与旋翼（6）。

2.根据权利要求1所述的一种单旋翼无人机系统结构，其特征在于，所述外壳（1）包含连接杆安装孔（101）、拉动装置安装孔（102）、安装通道（103）、散热通道（104）、平衡系统安装通道（105）、走线通道（106）；所述连接杆安装孔（101）共两个，在外壳（1）内侧相对布置；所述拉动装置安装孔（102）共两个，在外壳（1）内侧相对布置；连接杆安装孔（101）中轴线与拉动装置安装孔（102）中轴线成90°直角；所述安装通道（103）位于外壳（1）内部；所述散热通道（104）贯穿外壳（1），共两种形状，八个，每一形状四个，俯视角度均分360°；所述平衡系统安装通道（105）位于外壳（1）内部与安装通道（103）相连通；所述走线通道（106）位于拉动装置安装孔（102）上部及连接杆安装孔（101）上部。

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