CN119806184A - 大翼展无人机着舰控制方法、电子设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大翼展无人机着舰控制方法、电子设备及介质。该方法可以包括:获取舰船运动状态,生成无人机舵面操纵指令;确定无人机的着舰过程的多个阶段;确定每一个阶段的航迹控制策略。本发明采用了无人机‑舰船‑舰尾流结合的一体化设计思想,不单纯依赖无人机自身特性强行着舰,能够有效降低落点散步提高着舰控制精度,降低着舰冲击载荷提升无人机安全。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器飞行控制技术领域,更具体地,涉及一种大翼展无人机着舰控制方法、电子设备及介质。
背景技术
以太阳能无人机和氢动力为典型代表的新能源固定翼无人机,具有绿色环保、机动灵活、使用成本低且易于维护的特点,可以轻松胜任环境监测、气象与气候研究、信息中继、信息支援与对抗等任务,为了追求更高的巡航高度与更长的续航时间,该类无人机往往具有大翼展、高升阻比的特点,使得该类无人机具有飞行速度偏低、着陆下滑困难、抗扰能力差的特点,着陆控制难度较大,落点散步偏大。
舰载机在着陆过程中,受舰尾流扰动、舰船甲板运动、大气紊流、飞行员参照物单一与操纵耦合、光电系统时间延时等多种不利因素的影响,看似酷炫无比的着舰过程充满着惊心动魄,飞行员通常在一次着舰的最后18s,受舰船恶劣飞行环境的影响,对飞行姿态的调整操作多达200~300次,依然存在操纵通道功能耦合、着舰精度不高等多种情况。大翼展舰载无人机遭遇外部扰动后容易出现较大的高度与航迹偏差,特别是在舰尾流扰动、低空复杂气象环境以及舰船的沉浮摇摆等运动作用下,轻则降低飞行品质或造成着舰不成功,重则危及着舰安全。当前航空技术日趋成熟,自动着舰引导系统、航母甲板运动补偿技术、舰尾流抑制技术等日益发展的背景下,舰载机着舰失败事件仍时有发生,舰载无人机着舰也面临着巨大的挑战,需适应在多重约束边界范围内的安全着舰,尤其是针对新型大翼展低速无人机,强扰动下的安全着舰控制技术仍需亟待解决。
目前尚需开发一种大翼展无人机着舰控制方法。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种大翼展无人机着舰控制方法、电子设备及介质,其根据分段着舰控制策略依次降低高度后转入高度保持段,平飞进入舰尾流下洗区域后快速着舰。
第一方面,本公开实施例提供了一种大翼展无人机着舰控制方法,包括:
获取舰船运动状态,生成无人机舵面操纵指令;
确定无人机的着舰过程的多个阶段;
确定每一个阶段的航迹控制策略。
优选地,着舰过程的多个阶段包括高度下降段、高度保持段、快速着舰段、刹车制动段以及复飞段。
优选地,所述高度下降段的航迹控制策略包括:
无人机以预设高度H2对准舰船跑道方向平飞,根据无人机与舰船的相对位置,捕捉下滑轨迹线后无人机降高;
无人机以舰船航向为无人机实时航向指令,着舰中心线以舰船跑道中心线为无人机着陆中心线进行航迹控制。
优选地,所述高度保持段的航迹控制策略包括:
无人机下滑至所述高度保持段后转平飞,高度控制回路引入舰船升降速度减轻舰船垂荡的影响,航迹控制回路引入侧向速度用以减缓舰船的横荡影响,姿态控回路引入舰船的横摇、纵摇、艏摇角度进行减小控制偏差,持续飞行距离L2。
优选地,所述快速着舰段的航迹控制策略包括:
无人机飞行至所述快速着舰段,减小推力快速着舰,俯仰角控制回路引入俯仰角积分,在高度距离甲板设定距离时,无人机动力关闭,机头拉起减速着舰。
优选地,所述刹车制动段的航迹控制策略包括:
无人机着舰后进入所述刹车制动段,进行差动刹车,使无人机快速减速停止并有效控制侧向速度,刹车纠偏控制结构与无人机侧偏-方向舵控制结构一致,航迹控制滚转角指令软化过渡至零。
优选地,所述复飞段的航迹控制策略包括:
若无人机在高度保持段飞行时遭受舰尾流与大气扰动,且不满足快速着舰条件,则按照复飞航向飞行后再次着陆。
第二方面,本公开实施例还提供了一种电子设备,该电子设备包括:
存储器,存储有可执行指令;
处理器,所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令,以实现所述的大翼展无人机着舰控制方法。
第三方面,本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现所述的大翼展无人机着舰控制方法。
其有益效果在于:
本发明采用分段着舰控制方法充分考虑了大翼展低速无人机运动特性、舰船摇荡运动特点以及舰尾流影响区域,适用于不同类型的舰船与舰载无人机着陆控制,可针对具体的舰船根据舰尾流影响情况进行高度保持段高度与快速着舰点的选取。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点,这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的,或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述,这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本发明示例性实施例中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的大翼展无人机着舰控制方法的步骤的流程图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的无人机分段着舰控制策略示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的大翼展无人机着舰控制判断流程示意图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
图1示出了根据本发明的一个实施例的大翼展无人机着舰控制方法的步骤的流程图。
如图1所示,该大翼展无人机着舰控制方法包括:
步骤101,获取舰船运动状态,生成无人机舵面操纵指令;
步骤102,确定无人机的着舰过程的多个阶段;
步骤103,确定每一个阶段的航迹控制策略。
在一个示例中,着舰过程的多个阶段包括高度下降段、高度保持段、快速着舰段、刹车制动段以及复飞段。
在一个示例中,高度下降段的航迹控制策略包括:
无人机以预设高度H2对准舰船跑道方向平飞,根据无人机与舰船的相对位置,捕捉下滑轨迹线后无人机降高;
无人机以舰船航向为无人机实时航向指令,着舰中心线以舰船跑道中心线为无人机着陆中心线进行航迹控制。
在一个示例中,高度保持段的航迹控制策略包括:
无人机下滑至高度保持段后转平飞,高度控制回路引入舰船升降速度减轻舰船垂荡的影响,航迹控制回路引入侧向速度用以减缓舰船的横荡影响,姿态控回路引入舰船的横摇、纵摇、艏摇角度进行减小控制偏差,持续飞行距离L2。
在一个示例中,快速着舰段的航迹控制策略包括:
无人机飞行至快速着舰段,减小推力快速着舰,俯仰角控制回路引入俯仰角积分,在高度距离甲板设定距离时,无人机动力关闭,机头拉起减速着舰。
在一个示例中,刹车制动段的航迹控制策略包括:
无人机着舰后进入刹车制动段,进行差动刹车,使无人机快速减速停止并有效控制侧向速度,刹车纠偏控制结构与无人机侧偏-方向舵控制结构一致,航迹控制滚转角指令软化过渡至零。
在一个示例中,复飞段的航迹控制策略包括:
若无人机在高度保持段飞行时遭受舰尾流与大气扰动,且不满足快速着舰条件,则按照复飞航向飞行后再次着陆。
具体地,舰船配置运动状态监测传感器与上行链路,舰船运动状态包括位置、高度、水平速度、升降速度、三轴角速率以及三轴姿态角,可以准确刻画船体沉浮、纵摇、横摇运动,着舰落点的位置、高度以及位置变化率,并通过上行链路将舰船的运动状态上传至无人机,由无人机根据运动状态生成无人机舵面操纵指令,控制无人机姿态与着舰轨迹。采用CGCS2000中国大地导航坐标系,令舰船经度为lon0,纬度为lat0,高度为h0,北东天三向速度分别为vn0、ve0、vs0,横摇角速率为ωx0,艏摇角速率为ωy0,纵摇角速率为ωy0,横摇角为γ0,纵摇角为θ0,航向角为ψ0。
图2示出了根据本发明的一个实施例的无人机分段着舰控制策略示意图。
如图2所示,无人机着舰过程分解为高度下降段、高度保持段、快速着舰段、刹车制动段以及复飞段,其中无人机快速着舰段的预设下滑轨迹角为θ1,高度保持段的预设高度为H1,选择依据为舰尾流影响区域内产生的下洗气流较小,在该高度区域无人机可以高度保持,高度保持段的预设水平距离为L2;高度下降段的预设下滑轨迹角为θ2,高度下降段的预设高度为H2,令无人机相对着舰点的预设水平距离为L0,计算公式为:
L0=H1/tan(θ1)+L2+H2/tan(θ2)。
无人机以预设高度H2在航向对准舰船跑道方向抵近平飞实时根据无人机与舰船的相对位置,捕捉下滑轨迹线后无人机降高,令无人机经度为lon,纬度为lat,根据无人机与舰船的经纬度信息计算相对位置为L,简称待飞距,当判断L≤L0,无人机开始降高,其中相对位置计算公式:
L=R×arccos(sin(lon0)sin(lon)cos(lon0-lon)+cos(lat0)cos(lat))×π/180
令无人机指着舰点的航向角为ψZ,其计算公式为:
ψZ=arctan2(sin(lon-lon0)cos(lat),cos(lat0)sin(lat)-sin(lat0)cos(lat)cos(lon-lon0))
并进一步将指着舰点的航向角的值域范围由(-180,180]转为[0,360)。
高度下降段无人机以舰船航向为无人机实时航向指令,着舰中心线以舰船跑道中心线为无人机着陆中心线进行航迹控制。
无人机下滑至高度保持段后转平飞,无人机改变控制结构,高度控制回路引入舰船升降速度减轻舰船垂荡的影响,航迹控制回路引入侧向速度用以减缓舰船的横荡影响,姿态控回路引入舰船的横摇、纵摇、艏摇角度进行减小控制偏差,最大限度降低因舰船运动导致的无人机控制偏差。
无人机纵向控制回路利用俯仰角速率ωz和俯仰角θ双回路反馈,俯仰角指令为舰船的纵摇姿态,无人机随舰船纵摇角实时变化,控制律的形式为:
其中,δz为升降舵舵偏,为俯仰角控制增益,θ为俯仰角,θ0为舰船纵摇角。为了进一步消除沉浮运动的影响,无人机在高度控制回路引入舰船沉浮速度进行高度回路控制,为了确保高度回路的控制精度还引入了积分环节,控制律形式为:
其中,为高度变化率控制增益,为无人机高度变化率,为舰船沉浮速率,为高度控制增益,h为无人机高度,为高度积分控制增益。
由于舰船甲板跑道的宽度有限,对航迹控制的精度要求较高,同时考虑舰船横摇与横荡的影响,将横摇角与横荡速度引入航迹控制回路,从而减小对无人机着陆航迹控制精度的影响。其控制规律如下式所示:
其中,δa为副翼舵偏,为滚转角控制增益,γ为滚转角,γc为着陆时指令滚转角,γ0为舰船横摇角,为滚转角速率控制增益,ωx为滚转角速率,ωx0为舰船横摇角速率,为偏航角副翼控制增益,ψs为航向角,ψ0为舰船实时航向角,为侧偏副翼控制增益,z为无人机相对舰船跑道中心线侧偏,为侧向速度副翼控制增益,为无人机相对舰船跑道中心线侧偏速度,为侧偏副翼积分控制增益,δr为方向舵舵偏,为偏航角速率控制增益,ωy为偏航角速率,为偏航角方向舵控制增益,为侧偏方向舵控制增益。
其中无人机相对舰船跑道中心线侧偏是根据无人机经纬度计算得到的,具体计算公式为:
z=L*sin(ψz-ψ0)。
无人机按照高度保持段控制律持续飞行距离L2。
无人机飞行至快速着舰段,无人机减小推力快速着舰,快速着舰点选择在舰船甲板范围且下洗气流明显区域,无人机可利用舰尾流下洗气流快速着陆。无人机航迹控制回路保持高度保持段控制结构,俯仰角控制回路引入俯仰角积分,提高俯仰角控制精度,使得无人机着陆姿态更接近舰船纵摇角并保留安全余量,可以最大限度降低着陆时的纵向过载。
俯仰角回路的控制律形式为:
其中θc为无人机快速着舰段下滑俯仰角指令,在高度距离甲板2m时,无人机动力关闭,机头拉起减速着舰。
低速无人机在高度保持段飞行时,遭受舰尾流与大气扰动,若不满足快速着舰条件,无人机选择,按照复飞航向飞行后再次着陆。放弃着舰复飞的判断条件为:a)无人机相对甲板跑道中心线侧偏超过1/2甲板跑道宽度与1/2无人机起落架间距之差,即无人机无法准确落舰;b)因在高度保持段遭遇较强上升气流或逆风切变,无人机快速着舰段高度超出着舰决断高度,与下滑前向距离不匹配时,舰船前向距离不足以无人机减速停止。即h≥KLL1tan(θ1),其中KL无人机着舰决断高度安全系数。
无人机着舰后启动刹车制动系统,并进行差动刹车,使无人机快速减速停止并有效控制侧向速度,刹车纠偏控制结构与无人机侧偏-方向舵控制结构一致,航迹控制滚转角指令软化过渡至零。
本发明采用的舰船运动状态与无人机共享的方案不仅适用于该无人机,也可使用无人机舰载有人机自动驾驶系统,可在一定程度减小着舰最后的姿态调整,降低飞行员操作负荷。本发明采用分段着舰控制方法充分考虑了大翼展低速无人机运动特性、舰船摇荡运动特点以及舰尾流影响区域,适用于不同类型的舰船与舰载无人机着陆控制,可针对具体的舰船根据舰尾流影响情况进行高度保持段高度与快速着舰点的选取。本发明采用的基于舰船姿态与位置的控制方法,不仅考虑无人机与舰船的相对位置变化,也考虑了无人机与舰船的相对姿态变化,能够有效降低无人机着舰时刻与舰船的姿态偏差,减小相对姿态的不对称,有效降低着陆冲击过载。本发明采用利用舰尾流下洗气流快速着陆方案,可以减小无人机在甲板上空飞行的时间与距离,从而降低低空大气扰动剧烈的影响时间,进而降低无人机着舰落点散步,可以提高无人机的着舰位置控制精度。
本发明还提供一种电子设备,电子设备包括:存储器,存储有可执行指令;处理器,处理器运行存储器中的可执行指令,以实现上述的大翼展无人机着舰控制方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现上述的大翼展无人机着舰控制方法。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果,以下给出三个具体应用示例。本领域技术人员应理解,该示例仅为了便于理解本发明,其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
实施例1
本发明中大翼展低速无人机根据预设任务或舰上指令完成飞行任务后,按航线进行着舰飞行,无人机根据分段着舰控制策略依次降低高度后转入高度保持段,平飞进入舰尾流下洗区域后快速着舰。充分利用舰尾流区域差异和舰船摇荡的特点,降低了姿态调整频度,有效提高了着舰控制精度和安全水平。
图3示出了根据本发明的一个实施例的大翼展无人机着舰控制判断流程示意图。
如图3所示,本发明首先明确规定大翼展无人机与舰船均需配置运动状态监测传感器与信息传输链路,通过上下链路将舰船的姿态信息和位置速度高度信息上传至无人机,由无人机机载计算机进行着陆控制律解算,生成无人机舵面操纵指令,控制无人机姿态与着舰轨迹。
根据无人机升阻比、配平状态以及匹配动力状态制定无人机下滑轨迹角下滑轨迹角为θ2,根据舰尾流流场分布选定无人机高度保持段预设高度H2与预设水平距离为L2,在无人机下滑能力的基础上根据舰尾流下洗气流选定快速着舰段的下滑轨迹角为θ`1,制定无人机着陆航线并保存至无人机机载端。
根据传感器信息测量无人机运动状态和舰船运动状态,根据无人机与舰船的经纬度信息计算相对位置L、无人机指向着舰点的航向角为ψZ:
L=R×arccos(sin(lon0)sin(lon)cos(lon0-lon)+cos(lat0)cos(lat))×π/180
ψZ=arctan2(sin(lon-lon0)cos(lat),cos(lat0)sin(lat)-sin(lat0)cos(lat)cos(lon-lon0))
进一步将指着舰点的航向角的值域范围由(-180,180]转为[0,360)。
根据相对位置L、无人机指向着舰点的航向角为ψZ以及舰船运动航向计算无人机相对侧偏:
z=L*sin(ψz-ψ0)
并进行无人机常规的俯仰回路控制、高度控制以及航迹控制。
根据航线无人机沿航线飞行,完成任务后以预设高度H2在航向对准舰船跑道方向平飞,根据待飞距L进行位置判断,若L≤L0,无人机开始降高,若L>L0,无人机继指向舰船平飞。实际飞行时无人机很难与指令H2保持完全一致,L0采用实时相对高度计算:
L0=(H1-H0)/tan(θ1)+L2+(h-H1)/tan(θ2)
无人机下滑高度低于H1后,无人机由下滑转为平飞,并将舰船的纵摇角引入至俯仰角控制回路,沉浮速率引入至高度控制回路,横摇角引入至滚转角姿态控制回路,横荡速度引入至速度控制回路,无人机按照高度保持段控制律持续飞行距离L2。该飞行段无人机飞行控制律结构为:
根据无人机距离着舰点的实时距离与快速着舰下滑角θ`1,若L>(h-H0)/tanθ1,无人机继续指向着舰点平飞,并随舰船运动实时调整位置与姿态;若L≤(h-H0)/tanθ1,则无人机进一步判断是否满足着舰条件。
根据无人机与舰船跑道中心线的相对高度与相对侧偏判断无人机是否满足着舰条件,若满足着舰条件,无人机快速着舰,若不满足着舰条件,无人机加大推力复飞。
无人机复飞的判断条件为:a)无人机相对甲板跑道中心线侧偏超过1/2甲板跑道宽度与1/2无人机起落架间距之差;b)无人机快速着舰段高度超出着舰决断高度,即h≥KLL1tan(θ1),其中KL为无人机着舰决断高度安全系数。
若确定的条件不满足无人机着舰,则无人机快速爬升转为复飞,控制回路不再考虑舰船运动影响,无人机进入复飞航线,并再次执行着舰飞行。无人机快速着舰过程距甲板高度2m时,无人机动力关闭,机头适当拉起,无人机触地后使用差动刹车纠偏并制动减速停止。
实施例2
本公开提供一种电子设备,该电子设备包括:存储器,存储有可执行指令;处理器,处理器运行存储器中的可执行指令,以实现上述大翼展无人机着舰控制方法。
根据本公开实施例的电子设备包括存储器和处理器。
该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地,存储器可以包括一个或多个计算机程序产品,该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质,例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。
该处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元,并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中,该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
本领域技术人员应能理解,为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题,本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构,这些公知的结构也应包含在本公开的保护范围之内。
有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明,在此不再赘述。
实施例3
本公开实施例提供一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现所述的大翼展无人机着舰控制方法。
根据本公开实施例的计算机可读存储介质,其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时,执行前述的本公开各实施例方法的全部或部分步骤。
上述计算机可读存储介质包括但不限于:光存储介质(例如:CD-ROM和DVD)、磁光存储介质(例如:MO)、磁存储介质(例如:磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如:存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如:ROM盒)。
本领域技术人员应理解,上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果,并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (9)
1.一种大翼展无人机着舰控制方法,其特征在于,包括:
获取舰船运动状态,生成无人机舵面操纵指令;
确定无人机的着舰过程的多个阶段;
确定每一个阶段的航迹控制策略。
2.根据权利要求1所述的大翼展无人机着舰控制方法,其中,着舰过程的多个阶段包括高度下降段、高度保持段、快速着舰段、刹车制动段以及复飞段。
3.根据权利要求2所述的大翼展无人机着舰控制方法,其中,所述高度下降段的航迹控制策略包括:
无人机以预设高度H2对准舰船跑道方向平飞,根据无人机与舰船的相对位置,捕捉下滑轨迹线后无人机降高;
无人机以舰船航向为无人机实时航向指令,着舰中心线以舰船跑道中心线为无人机着陆中心线进行航迹控制。
4.根据权利要求2所述的大翼展无人机着舰控制方法,其中,所述高度保持段的航迹控制策略包括:
无人机下滑至所述高度保持段后转平飞,高度控制回路引入舰船升降速度减轻舰船垂荡的影响,航迹控制回路引入侧向速度用以减缓舰船的横荡影响,姿态控回路引入舰船的横摇、纵摇、艏摇角度进行减小控制偏差,持续飞行距离L2。
5.根据权利要求2所述的大翼展无人机着舰控制方法,其中,所述快速着舰段的航迹控制策略包括:
无人机飞行至所述快速着舰段,减小推力快速着舰,俯仰角控制回路引入俯仰角积分,在高度距离甲板设定距离时,无人机动力关闭,机头拉起减速着舰。
6.根据权利要求2所述的大翼展无人机着舰控制方法,其中,所述刹车制动段的航迹控制策略包括:
无人机着舰后进入所述刹车制动段,进行差动刹车,使无人机快速减速停止并有效控制侧向速度,刹车纠偏控制结构与无人机侧偏-方向舵控制结构一致,航迹控制滚转角指令软化过渡至零。
7.根据权利要求2所述的大翼展无人机着舰控制方法,其中,所述复飞段的航迹控制策略包括:
若无人机在高度保持段飞行时遭受舰尾流与大气扰动,且不满足快速着舰条件,则按照复飞航向飞行后再次着陆。
8.一种电子设备,其特征在于,所述电子设备包括:
存储器,存储有可执行指令;
处理器,所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令,以实现权利要求1-7中任一项所述的大翼展无人机着舰控制方法。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,该计算机可读存储介质存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的大翼展无人机着舰控制方法。
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2024
- 2024-12-26 CN CN202411938614.4A patent/CN119806184B/zh active Active
Patent Citations (7)
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