ES2858649T3 - Técnica de posicionamiento lidar sin codificador para detección y alarma - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para monitorear un área, que comprende: distribuir, mediante una unidad detectora, luz durante una primera instancia de tiempo para caracterizar el área en base a los primeros datos asociados con la primera instancia de tiempo, en el que una caracterización del área se basa en la determinación de una posición de un haz láser rotacional; distribuir, mediante la unidad detectora, luz durante al menos una segunda instancia de tiempo para obtener los segundos datos; comparar una primera porción de los segundos datos con al menos uno de: una segunda porción de los segundos datos y los primeros datos; y en base a la comparación, señalar una condición de alarma por parte de la unidad detectora cuando se detecta una evolución en los segundos datos en una cantidad mayor que un umbral, caracterizado por determinar la posición del haz láser rotacional mediante la aplicación de la correlación de fase con dos conjuntos de datos secuenciales.
Description
DESCRIPCIÓN
Técnica de posicionamiento lidar sin codificador para detección y alarma
Antecedentes
La detección de humo es importante para conocer el fuego en sus primeras etapas. Los detectores de humo puntuales convencionales se instalan en el techo de una habitación y señalan una alarma si entra humo de una densidad suficiente (nivel de oscurecimiento) en el detector. Esta configuración es eficaz en habitaciones de pequeño tamaño, donde la dinámica del transporte de humo juega un papel más limitado en la determinación del tiempo de la alarma. Sin embargo, en una habitación grande (por ejemplo, un vestíbulo, atrio o almacén), el tiempo de transporte de humo al detector es relativamente largo y prolonga el tiempo durante el cual no se detecta la existencia o la posible existencia de un incendio. Para abordar el problema del mayor tiempo de transporte de humo, se pueden instalar más detectores de humo en el espacio, pero esto aumenta el costo del sistema de detección. Al igual que con los detectores puntuales, una habitación grande con detectores de haz también requeriría varias unidades para obtener una cobertura aceptable, lo que nuevamente proporciona un sistema de detección costoso. El documento US 5225810 divulga un aparato de detección de incendios que comprende un medidor de distancia para calcular la distancia a un conjunto de puntos de referencia mediante la emisión de luz pulsada y mediante la medición del tiempo entre la emisión de la luz, la reflexión de la luz por el punto de referencia y la detección de la luz por el medidor de distancia. Se proporciona una alerta si las distancias medidas se desvían de una manera característica para sugerir la presencia de humo o llamas.
Breve sumario
Una realización ejemplar es un procedimiento para monitorear un área, que comprende: distribuir, mediante una unidad detectora, luz durante una primera instancia de tiempo para caracterizar el área en base a los primeros datos asociados con la primera instancia de tiempo, en el que una caracterización del área en base a la determinación de la posición de un haz láser rotacional; que distribuye, mediante la unidad detectora, luz durante al menos una segunda instancia de tiempo para obtener segundos datos; que compara una primera porción de los segundos datos con al menos uno de: una segunda porción de los segundos datos y los primeros datos; y en base a la comparación, señalizar una condición de alarma por parte de la unidad detectora cuando se detecta una evolución en los segundos datos en una cantidad mayor que un umbral, caracterizado por determinar la posición del haz láser rotacional mediante la aplicación de correlación de fase con dos conjuntos de datos secuenciales.
Otra realización ejemplar es un aparato que comprende: un haz láser giratorio accionado por un motor; y la memoria que tiene instrucciones almacenadas en el mismo que, cuando se ejecutan, hacen que el aparato: distribuya luz durante una primera instancia de tiempo para caracterizar un área que se monitorea en base a los primeros datos asociados con la primera instancia de tiempo, en el que una caracterización del área se basa en la determinación de la posición del haz láser rotacional; distribuir la luz durante al menos una segunda instancia de tiempo para obtener segundos datos; comparar al menos una primera porción de los segundos datos con al menos los primeros datos; y en base a la comparación, señalizar una condición de alarma cuando se detecta una evolución en los segundos datos en una cantidad mayor que un umbral, caracterizado porque las instrucciones, cuando se ejecutan, hacen que el aparato determine una posición del haz láser rotacional mediante la aplicación de la correlación de fase con dos conjuntos de datos secuenciales.
A continuación, se describen realizaciones ejemplares adicionales.
Breve descripción de los dibujos
La presente divulgación se muestra a manera de ejemplo y no a modo limitante en las figuras de los dibujos adjuntos, en los cuales los mismos números de referencia indican elementos similares.
La Figura 1 es un diagrama que ilustra un entorno ilustrativo que incorpora una o más unidades detectoras; La Figura 2 es un diagrama utilizado para demostrar el escaneo y la adquisición de datos de detección y alcance de la luz (LIDAR);
Las Figuras 3A-3B son gráficos que ilustran conjuntos de datos ilustrativos;
La Figura 4 es un gráfico que ilustra un conjunto de datos asociado con la aplicación de la correlación de fase a los conjuntos de datos de las Figuras 3A-3B;
La Figura 5 es un diagrama de flujo de un procedimiento ilustrativo; y
La Figura 6 representa un sistema ilustrativo para detectar humo.
Descripción detallada
Se observa que se establecen varias conexiones entre elementos en la siguiente descripción y en los dibujos (cuyo contenido se incluye en esta divulgación a modo de referencia). Se observa que estas conexiones en general y, a
menos que se especifique lo contrario, pueden ser directas o indirectas y que esta memoria descriptiva no pretende ser limitante respecto a este. Respecto a esto, un acoplamiento entre entidades puede referirse a una conexión directa o indirecta.
Se describen realizaciones ejemplares de aparatos, sistemas y procedimientos para detectar una condición, tal como la existencia de humo. Cuando se ha detectado humo en una cantidad mayor que un umbral, o un perfil asociado con una columna de humo ha cambiado en una cantidad mayor que un umbral (potencialmente en función del tiempo), se puede activar o señalar una alarma.
En algunas realizaciones, se puede utilizar un dispositivo de exploración LIDAR (detección y alcance de la luz, que utiliza típicamente un láser seguro para la vista como fuente de luz) para buscar activamente columnas de humo en, por ejemplo, habitaciones grandes. En algunas realizaciones, una unidad de transmisión de haz láser y una unidad de recepción pueden ubicarse en un dispositivo común y el alcance a un objeto puede determinarse mediante la medición del tiempo de retardo entre la transmisión de un pulso láser y la recepción de una señal reflejada o dispersa. Un motor puede hacer girar un espejo, o puede usarse un dispositivo de dirección de haz no mecánico en base a un cristal líquido para transmitir pulsos láser y recolectar la luz dispersa resultante. El haz láser se puede girar para escanear un plano bidimensional (2D) que rodea la unidad, con un amplio campo de visión, por ejemplo, 360 grados. Una realización que incorpora escáner LIDAR para la detección de humo se ilustra en la Figura 1. Un cabezal detector giratorio 102 puede asociarse con una unidad detectora.
Como se describió anteriormente, la detección de humo puede depender de un análisis del tamaño y la forma de una columna de humo en función del tiempo. Como tal, puede ser necesaria la capacidad de comparar datos recopilados de una rotación previa de la unidad detectora/cabezal 102 mientras se encuentra en la misma posición u orientación. En algunas realizaciones, se puede usar un enfoque o técnica de correlación de fase para emparejar correctamente y posteriormente comparar datos de rotaciones anteriores. Para hacer que el sistema LIDAr sea simple, estable y de bajo costo, se puede usar un sistema sin codificador.
En algunas realizaciones, se puede usar una técnica de correlación de fase para determinar automáticamente una dirección de cada pulso láser. En algunas realizaciones, una unidad LIDAR se fija en una posición específica y escanea horizontalmente los alrededores de forma continua. Por ejemplo, la Figura 2 ilustra el escáner LIDAR y la adquisición de datos de acuerdo con una realización. En la realización de la Figura 2, se puede suponer que: t0 es el comienzo de la recopilación de un 1er conjunto de datos y la dirección del haz láser es inicialmente de 0 grados; t1 es el comienzo de una 2da colección del conjunto de datos, pero se desconoce la posición angular del haz láser en t1; mientras que t' (también desconocido) corresponde a cuando el haz láser está en una posición de 360 grados durante la recopilación del 1er conjunto de datos. Se puede suponer además que un conjunto de datos es aproximadamente igual a una cantidad de datos recopilados mediante una rotación completa de escáner (por ejemplo, 360 grados). La duración asociada con un conjunto de datos puede ser más larga o más corta que una rotación completa real de la unidad detectora debido a una o más variables, por ejemplo, la velocidad del motor. Si se supone que la velocidad del motor es constante durante la recopilación de un solo conjunto de datos, la posición P en t1 puede expresarse como:
y donde 'a' indica la posición direccional del haz láser en t1, que es también la posición inicial de la 2da recopilación del conjunto de datos. Luego, el posicionamiento del haz láser durante estas dos recopilaciones del conjunto de datos se puede expresar por:
donde P(t) es la posición o la dirección del haz láser en el tiempo 't'.
En lo anterior, t0 y t1 pueden conocerse debido al control que se puede ejercer en cuanto al inicio de cada recopilación de datos. Si se conoce o se puede obtener At, también se puede obtener t'. Por tanto, P(t) puede obtenerse mediante la estimación del valor de At. Se puede aplicar correlación de fase para lograr este propósito. Con referencia ahora a las Figuras 3A-3B, se muestran datos LIDAR para dos recopilaciones de conjunto de datos adyacentes. En cada una de las Figuras 3A-3B, la coordenada/eje horizontal o x es el índice de cada haz láser (que indica el tiempo de cada haz láser) y la coordenada/eje vertical o y es la señal LIDAR recibida en la dirección del haz láser correspondiente.
Denota la señal mostrada en la Figura 3A como f1 (t) y la señal mostrada en la Figura 3B como f2(t), entonces:
f, (t) = f 2 (t — At)
Con el principio de correlación de fase, se puede utilizar la siguiente fórmula para expresar el espectro de potencia cruzada:
donde F1(w) y F2(w) son transformadas de Fourier de f1(t) y f2(t), respectivamente. Luego, se puede obtener un resultado de correlación de fase mediante la aplicación de una transformada de Fourier inversa:
F-l(e-iAtW)_g(t _ At)
La Figura 4 muestra el resultado de aplicar la correlación de fase anterior. At se puede estimar mediante la localización de un pico en la correlación de fase. En funcionamiento, a medida que el haz láser gira de forma continua, At se puede volver a calcular después de recopilar cada conjunto de datos. En algunas realizaciones, se usa una Transformada Rápida de Fourier (FFT) optimizada para cálculos rápidos y eficientes. En algunas realizaciones, la posición de un haz láser rotacional se puede determinar en base a una aplicación de correlación de fase, una interrupción o un codificador. En la Figura 4, la coordenada/eje horizontal o x corresponde al índice de cada haz láser (que indica el tiempo de cada haz láser) y la coordenada/eje vertical o y representa la correlación de fase. La correlación de fase pico identifica un cambio de tiempo entre las dos recopilaciones del conjunto de datos. La información de desplazamiento de tiempo puede usarse para establecer una ecuación entre el tiempo y el ángulo (dirección) del haz láser en estos dos conjuntos de datos.
Volviendo ahora a la Figura 5, se muestra un diagrama de flujo de un procedimiento 500. El procedimiento 500 puede ser operativo en conexión con uno o más entornos, sistemas, dispositivos o componentes, tales como los descritos en la presente memoria. El procedimiento 500 se puede utilizar para determinar la existencia o posible existencia de humo o fuego en un área que se monitorea activamente, tal como una habitación de un almacén u otra sala grande del orden de aproximadamente 10-100 metros cuadrados en tamaño.
En el bloque 502, la luz se puede distribuir a través de un espacio que se monitorea. Como parte del bloque 502, se puede pulsar un láser a una velocidad o frecuencia particular (por ejemplo, 1 MHz). Como parte del bloque 502, se puede analizar una señal de retorno o reflejada. En algunas realizaciones, el bloque 502 puede repetirse varias veces y puede usarse para caracterizar el área que se monitorea. Por ejemplo, la ubicación o existencia de objetos o paredes dentro del área se puede determinar o identificar como parte del bloque 502.
En el bloque 504, la luz puede distribuirse y la señal que se devuelve o refleja se puede sumar, por ejemplo, para cada posición o ángulo de emisión. Los registros de tiempo de vuelo se pueden generar como parte del bloque 504. La distancia a un punto particular en el espacio se puede determinar en base a las características de velocidad de la luz.
En el bloque 506, los datos asociados con uno o ambos bloques 502 y 504 pueden compararse entre sí, potencialmente en función del tiempo. Estas comparaciones pueden incluir la comparación de proporciones de los datos entre sí. Si las comparaciones del bloque 506 indican un cambio en una cantidad mayor que un umbral, se puede determinar que puede haber humo presente. La discriminación y el rechazo de posibles escenarios de falsas alarmas (por ejemplo, un objeto en la trayectoria del haz) se logran mediante algoritmos que se basan en tales relaciones y características de crecimiento de la columna.
En el bloque 508, los datos pueden examinarse para ver si, con el tiempo, los datos se alinean con un perfil característico de cómo el humo o una columna de humo tienden a expandirse o evolucionar. Si los datos se alinean con un perfil de humo o columna de humo dentro de una cantidad umbral, se puede señalar o proporcionar una condición de alarma. Se puede proporcionar una ubicación del humo en términos de distancia y ángulo con respecto a una dirección de referencia como parte del bloque 508.
En algunas realizaciones, uno o más de los bloques u operaciones (o una porción de los mismos) del procedimiento 500 pueden ser opcionales. En algunas realizaciones, los bloques pueden ejecutarse en un orden o secuencia diferente de lo que se muestra en la Figura 5. En algunas realizaciones, se pueden incluir uno o más bloques u operaciones adicionales no mostradas.
En algunas realizaciones, la distribución de la luz como parte de los bloques 502 y/o 504 puede estar en base a múltiples longitudes de onda o dispersión de múltiples colores. Se pueden usar múltiples longitudes de onda en un esfuerzo por reducir fallas molestas (por ejemplo, señalar una condición de alarma cuando no hay humo). En tales realizaciones, la ejecución del bloque 506 puede incluir realizar una comparación de (proporciones de) datos atribuibles a las diferentes longitudes de onda, que pueden ser útiles para distinguir el humo de, por ejemplo, una nube de polvo o vapor de agua.
Volviendo ahora a la Figura 6, se muestra un sistema 600 de acuerdo con una o más realizaciones. El sistema 600 puede estar asociado con un detector, tal como un detector LIDAR.
Se muestra que el sistema 600 incluye una memoria 602. La memoria 602 puede almacenar instrucciones ejecutables. Las instrucciones ejecutables pueden almacenarse u organizarse de cualquier manera y en cualquier nivel de abstracción, tal como en conexión con una o más aplicaciones, procesos, rutinas, procedimientos, etc. Como un ejemplo, al menos una porción de las instrucciones se muestra en la Figura 6 como asociado con un primer programa 604a y un segundo programa 604b.
Las instrucciones almacenadas en la memoria 602 pueden ser ejecutadas por uno o más dispositivos lógicos 606, por ejemplo, un procesador, un dispositivo lógico programable (PLD), una matriz de compuertas programables en campo (FPGA), etc.
En términos del uso de los dispositivos lógicos 606, en algunas realizaciones los dispositivos lógicos 606 pueden organizarse o disponerse como una tubería. Por ejemplo, en algunos casos puede ser deseable tener una resolución de tiempo total de 1 nanosegundo, correspondiente a una frecuencia de muestreo de 1 GHz. Para utilizar un FPGA de bajo costo con una resolución de tiempo de 8 nanosegundos, se pueden disponer de ocho muestreadores de este tipo en una tubería, donde cada uno puede realizar una porción (por ejemplo, un octavo) del trabajo total. Las métricas proporcionadas son ilustrativas, y se puede usar cualquier resolución de tiempo o número de dispositivos, muestreadores o FPGA en una realización dada.
El dispositivo lógico 606 puede estar acoplado a uno o más dispositivos de entrada/salida (E/S) 608. En algunas realizaciones, el (los) dispositivo(s) de E/S 608 pueden incluir uno o más de un teclado, una pantalla táctil o un panel táctil, un dispositivo de visualización, un micrófono, un altavoz, un mouse, un botón, un control remoto, un joystick, una impresora, un transmisor/receptor de comunicaciones, una central de incendios, etc. El (los) dispositivo(s) de E/S 608 pueden configurarse para proporcionar una interfaz para permitir que un usuario interactúe con el sistema 600.
La memoria 602 puede almacenar datos 616. Los datos 616 pueden estar en base a una transmisión de un haz láser por una unidad de transmisión (TU) 624. Los datos 616 pueden estar en base a una recepción de señales reflejadas por una unidad de recepción (RU) 632, donde las señales reflejadas pueden asociarse con la transmisión del haz láser. El TU 624 y/o el RU 632 pueden incluir uno o más componentes, tal como un motor, un espejo y una fuente de luz.
El sistema 600 es ilustrativo. En algunas realizaciones, una o más de las entidades pueden ser opcionales. En algunas realizaciones, se pueden incluir entidades adicionales no mostradas. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el sistema 600 puede asociarse con una o más redes. En algunas realizaciones, las entidades pueden disponerse u organizarse de una manera diferente a la que se muestra en la Figura 6.
Como se describe en la presente memoria, se puede usar un enfoque de procesamiento de señales para determinar la posición o dirección de un escáner de haz láser para la aplicación de detección de humo en base a LIDAR. El enfoque de procesamiento de señales puede estar en base a la correlación de fase. El tiempo de cálculo del enfoque es bajo, lo que puede ser adecuado para plataformas integradas de bajo costo. Por consiguiente, una unidad LIDAR de acuerdo con esta divulgación puede simplificarse, requerir menos mantenimiento, tener un costo menor y ser más estable en relación con las unidades de detección convencionales. Las realizaciones pueden utilizar un enfoque LIDAR de baja potencia, en el que el consumo de energía puede ser menor o aproximadamente igual al de un láser convencional. La lógica de control puede simplificarse en relación con los sistemas convencionales.
Las realizaciones de la divulgación pueden utilizar un único dispositivo de detección dentro de un área a monitorear. Por consiguiente, se proporciona un enfoque simplificado para la detección de humo. En algunas formas de realización, un dispositivo o unidad puede ponerse en marcha automáticamente. Una vez encendida, la unidad puede escanear y aprender el fondo en un espacio determinado en menos de un minuto. Una vez que se completa la puesta en marcha, la unidad puede comenzar automáticamente el monitoreo activo sin intervención humana. Las realizaciones de la divulgación pueden monitorear activamente un área. Por ejemplo, en lugar de esperar a que el humo llegue a la proximidad de una unidad detectora como en los sistemas convencionales, los aspectos de la divulgación pueden proporcionar una unidad detectora que busque la presencia de humo en un área que se monitorea. Por tanto, se puede reducir el tiempo necesario para detectar el humo. Por ejemplo, se puede detectar el
humo y señalar una condición de alarma en menos de treinta por ciento del tiempo necesario en los sistemas convencionales de detección de humo.
Si bien algunos de los ejemplos descritos en la presente memoria se relacionan con el uso de LIDAR para monitorear activamente un área, por ejemplo, humo, las realizaciones de la divulgación pueden usar otras tecnologías o técnicas para determinar si el humo se ubica en un área. Por ejemplo, se pueden usar técnicas de video en algunas realizaciones.
Como se describe en la presente memoria, en algunas realizaciones pueden tener lugar diversas funciones o actos en una ubicación determinada y/o en conexión con el funcionamiento de uno o más aparatos, sistemas o dispositivos. Por ejemplo, en algunas realizaciones, una porción de una función o acto determinado puede realizarse en un primer dispositivo o ubicación, y el resto de la función o acto puede realizarse en uno o más dispositivos o ubicaciones adicionales.
Las realizaciones se pueden implementar mediante el uso de una o más tecnologías. En algunas realizaciones, un aparato o sistema puede incluir uno o más procesadores e instrucciones de almacenamiento de memoria que, cuando son ejecutadas por uno o más procesadores, hacen que el aparato o sistema realice una o más acciones metodológicas como se describe en la presente memoria. En algunas realizaciones se pueden utilizar varios componentes mecánicos conocidos por los expertos en la técnica.
Las realizaciones pueden implementarse como uno o más aparatos, sistemas y/o procedimientos. En algunas realizaciones, las instrucciones se pueden almacenar en uno o más medios legibles por ordenador, tales como un medio legible por ordenador transitorio y/o no transitorio. Las instrucciones, cuando se ejecutan, pueden hacer que una entidad (por ejemplo, un aparato o sistema) realice uno o más actos metodológicos como se describe en la presente memoria.
Se han descrito aspectos de la divulgación en términos de realizaciones ilustrativas de la misma. A los expertos en la técnica se les ocurrirán muchas otras realizaciones, modificaciones y variaciones dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas a partir de una revisión de esta divulgación. Por ejemplo, un experto en la técnica apreciará que los pasos descritos junto con las figuras ilustrativas se pueden realizar en un orden distinto al indicado, y que uno o más pasos ilustrados pueden ser opcionales.
Claims (12)
1. Un procedimiento para monitorear un área, que comprende:
distribuir, mediante una unidad detectora, luz durante una primera instancia de tiempo para caracterizar el área en base a los primeros datos asociados con la primera instancia de tiempo, en el que una caracterización del área se basa en la determinación de una posición de un haz láser rotacional;
distribuir, mediante la unidad detectora, luz durante al menos una segunda instancia de tiempo para obtener los segundos datos;
comparar una primera porción de los segundos datos con al menos uno de: una segunda porción de los segundos datos y los primeros datos; y
en base a la comparación, señalar una condición de alarma por parte de la unidad detectora cuando se detecta una evolución en los segundos datos en una cantidad mayor que un umbral,
caracterizado por determinar la posición del haz láser rotacional mediante la aplicación de la correlación de fase con dos conjuntos de datos secuenciales.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que una caracterización del área comprende identificar una ubicación de objetos y paredes dentro del área.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la distribución de luz durante al menos una de la primera instancia de tiempo y al menos una segunda instancia de tiempo se adhiere al escaneo y adquisición de datos de detección y alcance de la luz (LIDAR).
4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la distribución de luz durante al menos una de la primera instancia de tiempo y al menos una segunda instancia de tiempo comprende distribuir luz mediante el uso de una pluralidad de longitudes de onda.
5. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende, además:
proporcionar, mediante la unidad detectora, una indicación de una ubicación de humo en base a la evolución en los segundos datos.
6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que la indicación de la ubicación del humo especifica una distancia desde la unidad detectora y un ángulo con relación a una dirección de referencia, comprendiendo además el procedimiento:
superponer la ubicación del humo en un mapa de la instalación o en la disposición de la zona de incendio asociada con el área que se monitorea.
7. Un aparato que comprende:
un haz láser rotacional accionado por un motor; y
memoria (602) que tiene instrucciones almacenadas en la misma que, cuando se ejecutan, hacen que el aparato:
distribuya luz durante una primera instancia de tiempo con el fin de caracterizar un área que se monitorea en base a los primeros datos asociados con la primera instancia de tiempo, en el que una caracterización del área se basa en una determinación de una posición del haz láser rotacional;
distribuir la luz durante al menos una segunda instancia de tiempo para obtener los segundos datos; comparar al menos una primera porción de los segundos datos con al menos los primeros datos; y en base a la comparación, señalizar una condición de alarma cuando se detecta una evolución en los segundos datos en una cantidad mayor que un umbral;
caracterizado porque las instrucciones, cuando se ejecutan, hacen que el aparato determine una posición del haz láser rotacional mediante la aplicación de la correlación de fase con dos conjuntos de datos secuenciales.
8. El aparato de la reivindicación 7, en el que una caracterización del área comprende una identificación de una ubicación de objetos y paredes dentro del área.
9. El aparato de la reivindicación 7, en el que las instrucciones, cuando se ejecutan, hacen que el aparato: distribuya la luz durante al menos una de la primera instancia de tiempo y al menos una segunda instancia de tiempo mediante el uso de una pluralidad de longitudes de onda.
10. El aparato de la reivindicación 7, en el que las instrucciones, cuando se ejecutan, hacen que el aparato: proporcione una indicación de la ubicación del humo en base a la evolución en los segundos datos.
11. El aparato de la reivindicación 7, en el que las instrucciones son ejecutadas por al menos un dispositivo lógico (606).
12. El aparato de la reivindicación 7, en el que el aparato no incluye un codificador.
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