四旋翼飛行器論文(原理圖 程序)_第1頁(yè)
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1、摘要系統(tǒng)以R5F100LE作為四旋翼自主飛行器控制的核心,由電源模塊、電機(jī)調(diào)速控制模塊、傳感器檢測(cè)模塊、飛行器控制模塊等構(gòu)成。飛行控制模塊包括角度傳感器、陀螺儀,傳感器檢測(cè)模塊包括紅外障礙傳感器、超聲波測(cè)距模塊、TLS1401-LF模塊,瑞薩MCU綜合飛行器模塊和傳感器檢測(cè)模塊的信息,通過(guò)控制4個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)飛行。在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,將小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)PID控制回路,即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)可通過(guò)各個(gè)模塊的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制,具有平均速度快、定位誤差小、運(yùn)行較為穩(wěn)定等特點(diǎn)。本文來(lái)自 HYPERLINK /PVTe8Q

2、_%e6%9b%b4%e8%af%a6%e7%bb%86%e4%bf%a1%e6%81%af%e8%af%b7%e7%99%bb%e9%99%86%e9%98%85%e8%af%bb /PVTe8Q_更詳細(xì)信息請(qǐng)登陸閱讀- -目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 系統(tǒng)方案論證與控制方案的選擇-2- HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 地面黑線檢測(cè)傳感器-2- HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 電機(jī)的選擇與論證-2- HYPER

3、LINK l bookmark10 o Current Document 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證-3- HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計(jì)-3-四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型-3-PID控制算法結(jié)構(gòu)分析-3- HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-5- HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.1飛行控制電路設(shè)計(jì)-5- HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 電源模塊-

4、6- HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊-6- HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 傳感器檢測(cè)模塊-7- HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)-8- HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 測(cè)試與結(jié)果分析-9-5.1測(cè)試設(shè)備-9-5.2測(cè)試結(jié)果-9-總結(jié)-10- HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 附錄A部分程序清單-11-系

5、統(tǒng)方案論證與控制方案的選擇根據(jù)題目要求,對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn)及其控制特性進(jìn)行了分析,進(jìn)行了幾種不同設(shè)計(jì)方案的比較。地面黑線檢測(cè)傳感器探測(cè)地面黑線的基本原理是:光線照射到路面并反射,由于黑線和白色地面對(duì)光的反射系數(shù)不同,所以可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷黑線。可實(shí)現(xiàn)的方案有:方案一:采用普通發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案。該方案在實(shí)際使用時(shí),容易受到外界光源的干擾,有時(shí)甚至檢測(cè)不到。主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響。雖然可采取超高高度發(fā)光二極管降低一定的干擾,但這又增加額外的功率損耗。方案二:紅外避障傳感器E18-D80NK。這是一種集發(fā)

6、射與接收于一體的光電傳感器,發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出,接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出,有效的避免了可見(jiàn)光的干擾。透鏡的使用,也使得這款傳感器最遠(yuǎn)可以檢測(cè)80厘米距離。檢測(cè)障礙物的距離可以根據(jù)要求通過(guò)尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。比較以上二種方案,方案二占有很大優(yōu)勢(shì),不但能準(zhǔn)確完成測(cè)量,而且能避免電路的復(fù)雜性,因此選擇方案二。電機(jī)的選擇與論證四旋翼無(wú)人飛行器是通過(guò)控制四個(gè)不同無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制四旋翼無(wú)人飛行器的飛行姿態(tài)和位置,與傳統(tǒng)直升機(jī)通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變螺旋槳的槳距角,達(dá)到控制直升機(jī)的目的不同。在電機(jī)的選型上,主要有直流有刷

7、電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)兩種。方案一:直流有刷電機(jī)是當(dāng)前普遍使用的一種直流電機(jī),它的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制方法成熟,但是直流有刷電機(jī)使用電刷進(jìn)行換向,換向時(shí)電刷與線圈觸電存在機(jī)械接觸,電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速轉(zhuǎn)動(dòng)使極易因磨損導(dǎo)致電氣接觸不良等問(wèn)題,而且有刷電機(jī)效率低、力矩小、重量大,不適合對(duì)功率重量比敏感的電動(dòng)小型飛行器。方案二:直流無(wú)刷電機(jī)能量密度高、力矩大、重量輕,采用非接觸式的電子換向方法,消除了電刷磨損,較好地解決了直流有刷電機(jī)的缺點(diǎn),適用于對(duì)功率重量比敏感的用途,同時(shí)增強(qiáng)了電機(jī)的可靠性。- -所以選擇直流無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證方案一:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓,從而達(dá)

8、到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速,而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小,但電流很大;分壓不僅會(huì)降低效率,而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二:采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三:采用全橋驅(qū)動(dòng)PWM電路。這種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是使管子工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),提高使用效率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的微調(diào)。并且保證了可以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)方向控制?;谏鲜隼碚摲治?,選擇方案三。四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計(jì)四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)的小型四旋翼飛行器適用于室內(nèi)

9、低速飛行,因此忽略空氣阻力的影響。因此,簡(jiǎn)化后的飛行器動(dòng)力學(xué)模型為T(mén)OC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document x=u(sin0coscos申+sinsin申)/m4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document y=u(sin0cossin申一sincos申)/m4式1-1z=(ucossin申一mg)/mv4.=u-1/I1X0.二u-1/I2YU3;式中xyzT為四旋翼飛行器在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的線位移,xyzT為運(yùn)動(dòng)加速度,m為飛行器質(zhì)量,申,0,分別為機(jī)體的偏航角、俯仰角和橫滾角,1為旋

10、翼面中心到四旋翼飛行器質(zhì)心的距離,I,I,I為軸向慣性主矩。該動(dòng)力學(xué)模型對(duì)四旋翼飛行器的真實(shí)飛行狀態(tài)進(jìn)XYZ行了合理的簡(jiǎn)化,忽略了空氣阻力等對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較小的參數(shù),使得飛行控制算法更加簡(jiǎn)潔。PID控制算法結(jié)構(gòu)分析在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,將小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)控制回路,即位置- -控制回路和姿態(tài)控制回路。算法結(jié)構(gòu)如圖B-1所示。圖2-1四旋翼飛行器控制算法結(jié)構(gòu)圖使用經(jīng)典PID控制算法實(shí)現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID算法簡(jiǎn)單可靠,理論體系完備,而且在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中積攢了大量的使用經(jīng)驗(yàn),在飛行器位置和姿態(tài)控制應(yīng)用中具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性,能提供控制量的較優(yōu)解??刂苹?/p>

11、路包含了x,y,z三個(gè)控制量,因此設(shè)計(jì)3個(gè)獨(dú)立的PID控制器對(duì)位移進(jìn)行控制。根據(jù)PID控制器的原理,設(shè)k,k,k分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)系數(shù),有pid式1-2x=k(x-x)+kJ(x-x)dt+k(x-x)pdjddd電子調(diào)速器無(wú)刷直流電機(jī)4鍵盤(pán)圖2-2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖飛行控制電路設(shè)計(jì)飛行控制模塊是控制系統(tǒng)的核心部分。它在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)和飛行器的姿態(tài)信息,完成PID控制的算法,得到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息,計(jì)算出控制量,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作,保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。電路圖如圖2-3所示。圖2-3飛行控制器電路原理圖電源模塊電源由一塊

12、11.1V2200ma的鋰電池(重量約為166克)供電,在由電調(diào)降壓給系統(tǒng)中的各個(gè)模塊供5v電壓并給電機(jī)提供電流,這樣可滿(mǎn)足可滿(mǎn)足各個(gè)小系統(tǒng)的電源要求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊四電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)中心控制模塊指令驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)到達(dá)指定轉(zhuǎn)速,將電機(jī)的速度通過(guò)測(cè)速反饋裝置反饋給飛行姿態(tài)控制模塊,控制無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速,從而控制飛行狀態(tài),達(dá)到預(yù)期位置和姿態(tài)。通過(guò)電子調(diào)速器給電機(jī)提供電流,電子調(diào)速器模塊電路圖如圖2-4所示。CCBE斗21206V(IEIf電調(diào)1111ktocmcn寸eeeeeeesPD3IPD4GNDVCCGNDVCCPE5?fT.4Ll)PB7(XTAL2)PCIPCOADC7GNDAREF

13、ADC6AVCCPB5(SCK)曲IIIID.OluFD1K圖2-4電子調(diào)速器電流圖傳感器檢測(cè)模塊傳感器模塊是為四旋翼飛行器的飛行控制提供各種飛行參數(shù)的裝置,包括測(cè)量機(jī)身三軸角速率的陀螺儀、測(cè)量機(jī)身三軸線加速度的加速度傳感器、測(cè)量機(jī)身航向及姿態(tài)信息的羅盤(pán)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的測(cè)速傳感器、飛行高度傳感器和黑線檢測(cè)傳感器。其中角度傳感器和陀螺儀電路圖如圖2-5和2-6所示。圖B-5角度傳感器電路圖系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以瑞薩MCU為核心,采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。主程序主要起導(dǎo)向和決策的作用,系統(tǒng)的控制總流程圖如圖所示。系統(tǒng)包括延時(shí)子程序,電機(jī)轉(zhuǎn)速控制子程序,檢測(cè)子程序,副翼子程序。系統(tǒng)控制的總流程圖如圖

14、2-7所示。部分程序清單見(jiàn)附錄A。圖2-7系統(tǒng)主程序流程圖測(cè)試與結(jié)果分析測(cè)試設(shè)備模擬區(qū)域:按題目要求設(shè)計(jì)。設(shè)備:秒表、卷尺。測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)。測(cè)試結(jié)果使系統(tǒng)運(yùn)行,參照題目的各項(xiàng)要求進(jìn)行多次實(shí)際定量測(cè)量,得到該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果如表表B-1所示。表B-1測(cè)試功能、測(cè)試工具及實(shí)現(xiàn)的情況表具體功能要求實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本部分四旋翼自主飛行器一鍵式啟動(dòng),從A區(qū)飛向B區(qū),在B區(qū)降落并停機(jī);飛行時(shí)間不大于45s可以滿(mǎn)足,飛行時(shí)間為15s四旋翼自主飛行器一鍵式啟動(dòng),從B區(qū)飛向A區(qū),在A區(qū)降落并停機(jī);飛行時(shí)間不大于45s可以滿(mǎn)足要求,飛行時(shí)間為17s發(fā)揮部分飛行器擺放在A區(qū),飛行器下面擺放一薄鐵片,一鍵式啟動(dòng),飛行器拾

15、取薄鐵片并起飛飛行器攜帶薄鐵片從示高線上方飛向B區(qū),并在空中將薄鐵片投放到B區(qū);飛行器從示高線上方返回A區(qū),在A區(qū)降落并停機(jī)以上往返飛行時(shí)間不大于30s其他最為完成發(fā)揮部分但以實(shí)現(xiàn)其在一個(gè)水平咼度前行經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)可以滿(mǎn)足基本要求和部分發(fā)揮部分,并具有穩(wěn)定前行的特點(diǎn)??偨Y(jié)本次設(shè)計(jì)按照題目要求,采用模塊化的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用PID控制算法,成功地實(shí)現(xiàn)了飛行器尋黑帶自主飛行并定點(diǎn)降落的要求。具有飛行穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)迅速、接收信號(hào)靈敏等特點(diǎn)。完成了題目基本部分和部分發(fā)揮部分的要求。附錄A部分程序清單TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx

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23、s)*Tool-Chain*Description:r_cg_timer_user.c:CodeGeneratorforRL78/G13V2.00.00.0722Feb2013:R5F100LE:CA78K0R:ThisfileimplementsdevicedriverforTAUmodule.*CreationDate:2013/9/7*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*

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28、TxTxTxTxTx*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*/TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx/#pragmainterruptINTTM00r_tau0_channel0_interrupt#pragmainterruptINTTM01r_tau0_channel1_interrupt#pragmainterruptINTTM02r_tau0_channel2_interrupt#pragmainterruptINTTM03r_tau0_c

29、hannel3_interrupt#pragmainterruptINTTM04r_tau0_channel4_interrupt#pragmainterruptINTTM05r_tau0_channel5_interrupt#pragmainterruptINTTM06r_tau0_channel6_interrupt#pragmainterruptINTTM07r_tau0_channel7_interrupt/*Startusercodeforpragma.Donoteditcommentgeneratedhere*/*Endusercode.Donoteditcommentgenera

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31、TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*/TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx/#includer_cg_macrodriver.h#includer_cg_timer.h/

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36、*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx_interruptstaticvoidr_tau0_channel0_inter

37、rupt(void)if(TSR00&_0001_TAU_OVERFLOW_OCCURS)=1U)/*overflowoccurs*/g_tau0_ch0_width=(uint32_t)(TDR00+1U)+0 x10000U;elseg_tau0_ch0_width=(uint32_t)(TDR00+1U);/*Startusercode.Donoteditcommentgeneratedhere*/*Endusercode.Donoteditcommentgeneratedhere*/TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx

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39、ctionisINTTM01interruptserviceroutine.Arguments:NoneReturnValue:None*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxT

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45、*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx_interruptstaticvoidr_tau0_channel3_interrupt(void)/*Startusercode.Donoteditcomment

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48、onisINTTM04interruptserviceroutine.*Arguments:None*ReturnValue:None*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx

49、TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*/TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx/_interruptstaticvoidr_tau0_channel4_interrupt(void)/*

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51、xTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx*FunctionName:r_tau0_channel5_in

52、terrupt*Description:ThisfunctionisINTTM05interruptserviceroutine.*Arguments:None*ReturnValue:None*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx

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