JP2019055658A - 水中移動体の制御システム - Google Patents

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【課題】 航走経路に対する追従性を向上させる。【解決手段】 水中移動体1は、状態量検出部3、経路記憶部4、移動装置5、通信部6、外乱情報記憶部7、計算部8を備えた構成とする。水中移動体1が航走経路C上の或る地点に位置するときに、計算部8は、状態量検出部3で検出された自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を、通信部6から、情報提供部2へ送信する。情報提供部2は、状態量Bの情報を受信すると、音響通信に伴う遅れ時間の間に水中移動体1が航走経路C上で或る地点から進む先の地点を推定し、その地点における外乱の情報Aとして、潮流の速度ベクトルの情報を送信する。水中移動体1の計算部8は、航走経路Cに沿い航走するための目標速度ベクトルと、情報提供部2から受け取る潮流の速度ベクトルの差分として算出される補正目標速度ベクトルを基に、制御量を定めて移動装置5へ指令する。【選択図】図1

Description

本発明は、水中移動体の航走を制御する制御システムに関するものである。
水中移動体は、水中を航走させて資源の探査や、海底や海中の或る目標物の捜索や調査などに用いられることがある。
このような探査や捜索、調査を行うときには、通常、水中移動体については、航走経路が設定される。
水中移動体は、慣性航法装置や、それとドップラー式超音波速度計(DVL)を組み合わせた位置検出装置により自機の現在位置を検出し、検出される自機の現在位置が航走経路上にあるよう、自機の進行する方位や速度の制御を行うようにしてある。
ところで、水中移動体を潮流が存在する環境下で航走させるときには、潮流が、水中移動体の航走の制御に対して外乱として作用する。
そのため、潮流環境下における水中移動体の航走制御としては、水中移動体が、自機の対地速度と対水速度を計測して、両者の差から、自機に作用している潮流の方向と、潮流の速度とを推定し、推定された潮流の影響を補償するように、航走する方向と航走速度を補正する手法が従来提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2003−127983号公報
ところが、従来は、対地速度と対水速度との差から、潮流の方向と速度とを推定するようにしていたため、潮流の方向と速度の情報として得られるのは、水中移動体が過去に航走してきた領域についての情報のみである。
したがって、従来の手法は、水中移動体が航走する予定の航走経路上に、水中移動体に作用する外乱が急変しているような個所がある場合は、速やかに対応することは困難である。
すなわち、従来の手法では、たとえば、水中移動体が、潮流方向が変化すると共に、潮流の速度が急に増加するような外乱急変個所を通るときには、水中移動体が外乱急変個所を通過しても、水中移動体の対地速度と対水速度が計測されて、両者の差から変化後の潮流の方向と速度とが推定されるようになるまでの期間は、従前の航走制御が継続される。
そのため、従来の手法では、水中移動体が、潮流の方向や速度が急変している個所を通過するときには、航走制御の変更に遅れが生じてしまうため、航走経路に対する追従性が低下しやすい、というのが実情である。
また、水中移動体が、塩分濃度の変化や水温の変化などによって水の密度に変化が生じている個所を通過するときには、水中移動体に作用する浮力が変化するため、水中移動体の航走時における深度の制御性に影響が生じる。しかし、従来は、水中移動体の深度の制御性に影響を及ぼす外乱についての対策は、特に提案されていない。
そこで、本発明は、水中移動体を設定された航走経路に沿い航走させるときに、航走経路上に潮流の方向と速度、塩分濃度、水温、水の密度など、水中移動体の航走する方位、速度、深度の制御性に影響を及ぼす外乱の変化に対して、速やかに対応して航走制御を行うことができ、よって、水中移動体の航走経路に対する追従性の向上化を図ることができる水中移動体の制御システムを提供しようとするものである。
本発明は、前記課題を解決するために、水中移動体と、前記水中移動体の外部の情報提供部と、を備え、前記水中移動体は、自機の状態量を検出する状態量検出部と、航走経路を記憶する経路記憶部と、前記情報提供部から送信される外乱の情報を受信する機能を有する通信部と、移動装置と、前記移動装置へ制御量の指令を与える計算部と、を備え、前記情報提供部は、前記水中移動体が前記航走経路上の或る地点で送信した信号を受信すると、音響通信に伴う遅れ時間で前記水中移動体が前記航走経路に沿い前記或る地点から移動する先の地点、または、該地点よりも設定された距離分、先の地点における外乱の情報を、前記水中移動体へ送信する機能を備えた構成を有する水中移動体の制御システムとする。
前記情報提供部が前記水中移動体へ送信する前記外乱の情報は、潮流の速度ベクトルの情報を含むようにしてある。
前記外乱の情報は、水の密度変化に関連する情報を含むようにしてある。
前記情報提供部は、地上局または水上移動体とした構成としてある。
前記情報提供部は、海上観測点または他の水中移動体とした構成としてある。
本発明の水中移動体の制御システムによれば、水中移動体を設定された航走経路に沿い航走させるときに、水中移動体の航走の制御性に影響を及ぼす外乱の変化に対して、速やかに対応して航走制御を行うことができて、水中移動体の航走経路に対する追従性の向上化を図ることができる。
水中移動体の制御システムの実施形態を示す図である。 水中移動体へ外乱の情報を与える情報提供部の例を示す図である。 水中移動体と情報提供部との間で行われる通信を説明するための図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
[実施形態]
図1は、水中移動体の制御システムの実施形態を示す概略図である。図2は、水中移動体へ外乱の情報を与える情報提供部の例を示す図である。図3は、航走中の水中移動体と、情報提供部との間で行われる通信の一例を示す図である。
本実施形態の水中移動体の制御システムは、図1に示すように、水中移動体1と、水中移動体1に対して外乱の情報Aを与える外部の情報提供部2とを備えた構成とされている。
水中移動体1は、状態量検出部3と、経路記憶部4と、移動装置5と、通信部6と、外乱情報記憶部7と、計算部8とを備えた構成とされている。
状態量検出部3は、水中移動体1の自機の状態量Bとして、自機の位置B1と、たとえば、自機の航走方向B2、航走速度B3、航走深度B4を検出する機能を備えている。
状態量検出部3としては、ジャイロセンサ、加速度センサ、地磁気センサ、慣性航法装置などを適宜選択し、必要に応じて適宜組み合わせて用いるようにすればよい。
経路記憶部4は、水中移動体1を航走させるために設定された航走経路Cを記憶するものである。
経路記憶部4における航走経路Cの記憶は、たとえば、水中移動体1の航走をウェイポイント制御する場合は、航走経路C上に設定されるウェイポイントについて、座標と通過時刻などが設定されたウェイポイントファイルの形式で記憶するようにすればよい。
経路記憶部4は、計算部8からの要求に応じて、記憶した航走経路Cの情報を、計算部8へ与える機能を備えている。
移動装置5は、スラスタや舵などのアクチュエータである。移動装置5は、計算部8からの制御量Dの指令により運転や動作が制御されることで、水中移動体1の航走が行われる。
通信部6は、図示しない音響通信機を備えて、情報提供部2の図示しない音響通信機を通信対象として、音響通信による情報の送受信を行うものである。これにより、水中移動体1は、通信部6を介した音響通信により、自機の状態量Bの情報を情報提供部2へ送信する機能と、情報提供部2から送信される外乱の情報Aを受信する機能とを実現することができる。
外乱情報記憶部7は、情報提供部2から送信されて通信部6で受信した外乱の情報Aを一旦記憶する機能と、計算部8からの要求に応じて、記憶した外乱の情報Aを計算部8へ与える機能を備えている。
計算部8は、状態量検出部3から自機の状態量Bの検出結果を受け取ると、状態量Bの情報のうち、少なくとも水中移動体1の自機の位置B1の情報を、通信部6を介して情報提供部2へ送る機能を備えている。なお、計算部8は、音響通信により情報提供部2へ送信するデータ量に余裕がある場合は、水中移動体1の自機の位置B1の情報に加えて、自機の航走方向B2、航走速度B3、航走深度B4のうちのいずれか、あるいは、全ての情報を、情報提供部2へ送るようにしてもよい。
更に、計算部8は、状態量検出部3から受け取る自機の状態量Bの検出結果と、経路記憶部4から受け取る航走経路Cの情報と、外乱情報記憶部7から受け取る外乱の情報Aとを基に、移動装置5へ与えるべき制御量Dを求める機能と、求めた制御量Dの指令を移動装置5へ与える機能を備えている。この計算部8による制御量Dの具体的な求め方は後述する。
情報提供部2は、図2に示すように、たとえば、地上局2a、水中移動体1の母船などの水上移動体2b、あるいは、ブイのような海上観測点2cや、水中移動体1の航走経路Cが配置されている領域を先行して航走する他の水中移動体2dである。
情報提供部2が水上移動体2b、海上観測点2c、他の水中移動体2dである場合は、水中移動体1と音響通信を直接行うようにすればよい。
情報提供部2が地上局2aである場合は、水中移動体1を航走させる領域が地上局2aから離れていると、地上局2aに付設された音響通信機(図示せず)では、水中移動体1と音響通信を直接行うことは困難になる。この場合、地上局2aは、水中移動体1と音響通信が可能で且つ無線通信機を備えた水上移動体2bを中継器として、水中移動体1との通信を行うようにすればよい。
情報提供部2は、更に、水中移動体1より、水中移動体1の自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を受け取ると、水中移動体1へ外乱の情報Aを送る機能を備えている。この情報提供部2の具体的な機能については、後述する。
情報提供部2が水中移動体1へ送る外乱の情報Aは、たとえば、水中移動体1の航走経路Cが設定されている領域に存在している潮流について、その方向と速度を示す潮流の速度ベクトルの情報である。
ここで、先ず、情報提供部2が、地上局2aである場合の例について説明する。
この場合、海上観測点2cは、観測した潮流データを水上移動体2bに送る機能を備えている。また、他の水中移動体2dは、自機の対地速度と対水速度などの航走データ、あるいは、自機の航走データから推定した潮流データを、水上移動体2bへ送る機能を備えている。
また、水上移動体2bは、海上観測点2cや、他の水中移動体2dから受け取った潮流データと、気象衛星、海洋観測衛星のような人工衛星9から収集した潮流に関するデータとを、地上局2aへ無線通信により送る機能を備えている。水上移動体2bは、更に、地上局2aで解析・推定された潮流データに基づく外乱の情報Aを、地上局2aから無線通信により受け取ると、それを水中移動体1へ音響通信で送る中継機能と、水中移動体1の自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を水中移動体1から音響通信により受け取ると、それを地上局2aへ無線通信で送る中継機能を備えている。
なお、人工衛星9からの潮流に関するデータの収集は、水上移動体2bに代えて、地上局2aが行うようにしてもよいことは勿論である。
地上局2aは、水上移動体2b、海上観測点2c、他の水中移動体2d、人工衛星9から収集するデータと、過去に収集したデータとを基に、水中移動体1の航走経路Cが設定されている領域の各所における現在の潮流の速度ベクトルを、たとえば、統計的な手法を用いて解析・推定する機能を備えている。ここで、過去に収集したデータとは、季節や日付、天候ごとの潮流データ、潮流の予測モデル、地形データ等を指している。
ところで、水中における音速は、毎秒1500m程度である。そのため、水中移動体1と水上移動体2bとの間で行われる音響通信では、水中移動体1が自機の状態量Bの情報を送信してから、水上移動体2bが受信するまで、および、水上移動体2bが外乱の情報Aを送信してから、水中移動体1が受信するまでに、水中移動体1と水上移動体2bとの距離に応じた時間遅れが生じる。
また、水中での音響通信に使用可能な音響信号は、周波数の帯域に制限がある。そのため、水中移動体1と水上移動体2bでは、送信と受信の音響信号同士の相互の音響干渉を防ぐために、時間を基準とする送受信計画が設定されている。
この送受信計画では、音響信号を受信する処理と、音響信号を送信する処理とが、時間的に重ならずに実施されるように、受信処理時間と送信処理時間とが交互に設定される。受信処理時間および送信処理時間は、水中移動体1と水上移動体2bとの間で送受信すべきデータ量を通信速度で割ることで算出される時間に、余裕分を加えた長さに設定される。よって、水中移動体1と水上移動体2bの間で行う音響通信では、送信と受信の通信周期が決まっている。
なお、水上移動体2bと地上局2aとの間で行う無線通信では、時間遅れはほとんど生じない。
これにより、水中移動体1が自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を送信すると、その状態量Bの情報は、水上移動体2bで中継されて地上局2aで受信される。この際、水中移動体1が状態量Bの情報の送信を開始した時点から、状態量Bの情報が地上局2aに受信されるまでには、水中移動体1と水上移動体2bとの距離に応じた時間遅れ(T1)と、通信周期に依存した時間遅れ(T2)が生じてしまう。
また、地上局2aが外乱の情報Aを送信すると、その外乱の情報Aは、水上移動体2bで中継されて水中移動体1で受信される。この際、地上局2aが外乱の情報Aの送信を開始した時点から、外乱の情報Aが水中移動体1に受信されるまでには、水上移動体2bと水中移動体1との距離に応じた時間遅れ(T3)と、通信周期に依存した時間遅れ(T4)が生じてしまう。
したがって、図3に示すように、水中移動体1が、航走経路C上の或る地点Xで、自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を送信した場合は、地上局2aが状態量Bの情報を受信した後、直ちに外乱の情報Aを送信するとしても、その外乱の情報Aを水中移動体1が受信するのは、状態量Bを送信した時点から、前記各時間遅れ(T1,T2,T3,T4)を合わせた、音響通信に伴う遅れ時間Txが経過した時点である。そのため、水中移動体1は、外乱の情報Aを受信する時点では、図3に二点鎖線で示すように、或る地点Xから、航走経路Cに沿い、遅れ時間Txに航走速度vを掛けた距離を進行して、地点Yまで移動している。
以上の点に鑑みて、情報提供部2としての地上局2aは、水中移動体1の航走経路Cと航走速度vの情報を含む航走計画を記憶する機能を備え、更に、水中移動体1より送信された水中移動体1の自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を受け取ると、遅れ時間Txの間に水中移動体1が航走経路Cに沿い移動する先の地点Yを推定する機能と、この推定された地点Yにおける外乱の情報Aとして、地点Yにおける潮流の速度ベクトルの情報を送信する機能と、を備えている。
これにより、水中移動体1は、航走経路C上の或る地点Xで、自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を送信すると、その後、航走経路Cに沿い地点Yに移動した時点で、地点Yにおける外乱の情報Aとして、地点Yにおける潮流の速度ベクトルの情報を、通信部6を介して受信することができる。受信した外乱の情報Aは、外乱情報記憶部7に記憶される。
このように、水中移動体1が、外乱の情報Aとしての潮流の速度ベクトルの情報がある地点Yに位置するときには、計算部8は、先ず、状態量検出部3から受け取る自機の状態量Bの検出結果と、経路記憶部4から受け取る航走経路Cの情報とを基に、自機を航走経路Cに沿い移動させるための速度ベクトルを、航走制御の目標値として設定する。この目標値として設定された速度ベクトルは、以下、目標速度ベクトルという。
次に、計算部8は、外乱情報記憶部7から、地点Yにおける外乱の情報Aとしての潮流の速度ベクトルを読み出し、目標速度ベクトルと、地点Yにおける潮流の速度ベクトルとの差分を計算して、補正目標速度ベクトルを算出する。
次いで、計算部8は、算出された補正目標速度ベクトルを基に、水中移動体1を補正目標速度ベクトルで移動させるために必要とされる移動装置5の制御量Dを算出する。
その後、計算部8は、算出された制御量Dを、移動装置5へ指令として与える。このため、移動装置5は、制御量Dによる運転や動作を行う。
これにより、水中移動体1では、移動装置5が出力する補正目標速度ベクトルと、地点Yにおける潮流の速度ベクトルとの和が、実際の移動方位および速度となる。よって、水中移動体1は、目標速度ベクトルに従い、航走経路Cから逸脱することが抑制された状態で、航走することができる。
このように、本実施形態の水中移動体の制御システムによれば、水中移動体1を設定された航走経路Cに沿い航走させるときに、水中移動体1の航走の制御性に影響を及ぼす外乱としての潮流の変化に対して、速やかに対応して航走制御を行うことができる。
よって、本実施形態の水中移動体の制御システムによれば、水中移動体1の航走経路Cに対する追従性の向上化を図ることができる。
[第1応用例]
前記実施形態においては、情報提供部2としての地上局2aは、水中移動体1の自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を受け取ると、地点Yにおける外乱の情報Aとして、地点Yにおける潮流の速度ベクトルの情報を送信する機能を備えるものとした。
これに対し、情報提供部2としての地上局2aは、水中移動体1の自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を受け取ると、水中移動体1の航走経路C上で、地点Yよりも設定された距離分、先の地点について、外乱の情報Aとしての潮流の速度ベクトルの情報を送信する機能を備えるようにしてもよい。
この場合、水中移動体1では、受信した外乱の情報Aは外乱情報記憶部7に記憶するようにしているので、計算部8は、航走経路C上で水中移動体1が現在位置している地点に対応する外乱の情報Aを読み出すことで、前記実施形態と同様の航走制御を行うことができる。
したがって、本応用例の水中移動体の制御システムによっても、前記実施形態と同様に使用して同様の効果を得ることができる。
[第2応用例]
前記実施形態では、水中移動体1が、航走経路C上の或る地点Xで、自機の位置B1の情報を含む状態量Bの情報を、情報提供部2としての地上局2aへ送信する場合について説明した。
これに対し、水中移動体1は、航走経路C上の或る地点Xにいるときに、計算部8が、前記した遅れ時間Txと自機の航走速度vを考慮して、地点Yや、地点Yよりも設定された距離分、先の地点について、外乱の情報Aとしての潮流の速度ベクトルの情報を要求する信号を、情報提供部2としての地上局2aへ送信する機能を備えるようにしてもよい。
この場合は、地上局2aは、要求された地点についての外乱の情報Aとして、潮流の速度ベクトルの情報を、送信する機能を備えるものとすればよい。
この場合は、情報提供部2側では、水中移動体1の航走経路Cの情報を有していなくてもよい。
本応用例の水中移動体の制御システムによっても、前記実施形態と同様に使用して同様の効果を得ることができる。
なお、本応用例は、前記第1応用例に適用してもよいことは勿論である。
[第3応用例]
前記実施形態は、情報提供部2が、地上局2aである場合の例について説明したが、情報提供部2は、水上移動体2bであってもよい。
情報提供部2としての水上移動体2bは、前記した地上局2aの機能のうち、水上移動体2bとの通信機能以外の機能を備えるものとすればよい。
本応用例の水中移動体の制御システムによっても、前記実施形態と同様に使用して同様の効果を得ることができる。
なお、本応用例は、前記第1応用例および第2応用例に適用してもよいことは勿論である。
[第4応用例]
前記実施形態は、情報提供部2が、地上局2aである場合の例について説明したが、情報提供部2は、海上観測点2cであってもよい。
この場合は、前記第2応用例と同様に、水中移動体1は、航走経路C上の或る地点Xにいるときに、計算部8が、前記した遅れ時間Txと自機の航走速度vを考慮して、地点Yや、地点Yよりも設定された距離分、先の地点、あるいはそれらの付近に配置されている海上観測点2cに対して、外乱の情報Aとしての潮流の速度ベクトルの情報を送信するよう要求する機能を備えればよい。
海上観測点2cは、要求された地点についての外乱の情報Aとして、潮流の速度ベクトルの情報を、送信する機能を備えるものとすればよい。
本応用例の水中移動体の制御システムによっても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第5応用例]
前記実施形態は、情報提供部2が、地上局2aである場合の例について説明したが、情報提供部2は、他の水中移動体2dであってもよい。
この場合は、前記第2応用例と同様に、水中移動体1は、航走経路C上の或る地点Xにいるときに、計算部8が、前記した遅れ時間Txと自機の航走速度vを考慮して、地点Yや、地点Yよりも設定された距離分、先の地点、あるいはそれらの近辺を以前航走したことがある他の水中移動体2dに対して、外乱の情報Aとしての潮流の速度ベクトルの情報を送信するよう要求する機能を備えればよい。
他の水中移動体2dは、要求された地点についての外乱の情報Aとして、潮流の速度ベクトルの情報を、送信する機能を備えるものとすればよい。
本応用例の水中移動体の制御システムによっても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第6応用例]
前記実施形態では、外乱の情報Aとしては、潮流の速度ベクトルを例示した。
これに対し、外乱の情報Aとしては、水中移動体1の航走時における深度の制御性に影響を及ぼす水の密度変化に関連する情報を含んでいてもよい。
この水の密度変化に関連する情報は、たとえば、海水の塩分濃度の情報、水温の情報、天候の情報などである。
海水の塩分濃度の増減や、水温の変化に伴う水の密度の変化からは、水中移動体1に作用する浮力の変化を推定することができる。また、天候の情報からは、雨量から海水の塩分濃度の変化を計算することができるため、前記と同様に、水中移動体1に作用する浮力の変化を推定することができる。
よって、水中移動体1の計算部8は、外乱の情報Aとして、水の密度変化に関連する情報を受け取った場合は、水中移動体1が水の密度に変化が生じている個所を通過するときに、推定される水中移動体1の浮力の変化による浮沈動作を相殺するよう、水中移動体1の浮力調整を行う機能を備えるようにすればよい。
本応用例の水中移動体の制御システムによれば、水中移動体1が水の密度に変化が生じている個所を通過するときであっても、水中移動体1の深度の変化を抑えることができて、水中移動体1の航走経路Cに設定された深度に対する追従性の向上化を図ることができる。
なお、本応用例は、前記第1応用例乃至第5応用例に適用してもよいことは勿論である。
また、本発明は前記実施形態および各応用例にのみ限定されるものではなく、図2に示した水中移動体1、地上局2a、水上移動体2b、海上観測点2c、他の水中移動体2dの形状やサイズの比は、図示するための便宜上のもので、実際の形状やサイズの比を反映したものではない。
本発明の水中移動体の制御システムは、設定された航走経路Cに沿い航走させるようにしてある水中移動体1であれば、任意の使用目的で使用される水中移動体1に適用してよい。また、航走経路Cの設定手法は、ウェイポイント以外の任意の手法であってもよい。
第2応用例の場合は、水中移動体1は、運用前に予め設定された航走経路Cではなく、運用中に自身で航走経路Cを設定する機能を備えるものとしてもよい。
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
1 水中移動体、2 情報提供部、2a 地上局、2b 水上移動体、2c 海上観測点、2d 他の水中移動体、3 状態量検出部、4 経路記憶部、5 移動装置、6 通信部、8 計算部、A 外乱の情報、B 状態量、C 航走経路、D 制御量、Tx 遅れ時間、X 或る地点、Y 地点

Claims (5)

  1. 水中移動体と、
    前記水中移動体の外部の情報提供部と、を備え、
    前記水中移動体は、
    自機の状態量を検出する状態量検出部と、
    航走経路を記憶する経路記憶部と、
    前記情報提供部から送信される外乱の情報を受信する機能を有する通信部と、
    移動装置と、
    前記移動装置へ制御量の指令を与える計算部と、を備え、
    前記情報提供部は、
    前記水中移動体が前記航走経路上の或る地点で送信した信号を受信すると、音響通信に伴う遅れ時間で前記水中移動体が前記航走経路に沿い前記或る地点から移動する先の地点、または、該地点よりも設定された距離分、先の地点における外乱の情報を、前記水中移動体へ送信する機能を備えたこと
    を特徴とする水中移動体の制御システム。
  2. 前記情報提供部が前記水中移動体へ送信する前記外乱の情報は、潮流の速度ベクトルの情報を含む
    請求項1記載の水中移動体の制御システム。
  3. 前記外乱の情報は、水の密度変化に関連する情報を含む
    請求項2記載の水中移動体の制御システム。
  4. 前記情報提供部は、地上局または水上移動体とした
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の水中移動体の制御システム。
  5. 前記情報提供部は、海上観測点または他の水中移動体とした
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の水中移動体の制御システム。
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