CIINDET 2014 Diseño de un simulador de vuelo para aviones RC

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XI Congr eso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tec nológico, 2 al 4 de abril de 2014, Cuernavaca Morelos, México .

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Diseño de un simulador de vuelo para aviones RC

F. Machorro Ramos, A. D Palomino Merino, S. Vergara Limón, M. A. D Vargas Treviño, D. Palomino

Merino

Resumen: Resumen: En este trabajo se presenta el diseño de un simulador de vuelo para avión de aeromodelismo (UAV, por sus siglas en inglés) empleando herramientas de MATLAB/Simulink. Inicialmente se abordan los conceptos de aerodinámica y se presentan las ecuaciones de movimiento generalizadas, a partir de las cuales se obtiene el modelo dinámico del avión (caso general). Posteriormente se presentan las herramientas del software MATLAB /Simulink en especial aquellas herramientas de aerodinámica (Aerospace toolbox), las cuales permiten la simulación de modelos de aeronaves y otros sistemas aerodinámicos. Estas herramientas permiten de igual manera generar interfaces para la ejecución del simulador; dentro de las cuales se encuentra la caracterización del radio control con interfaz USB, utilizado como joystick, de tal forma que el usuario pueda controlar mediante esta interfaz el modelo del avión en su ambiente virtual. Para la caracterización del radio control se emplearon los bloques de interfaz del piloto los cuales proporcionan las señales generadas por el radio control. La creación del modelo virtual del avión, así como los escenarios, se generan mediante la herramienta de realidad virtual de MATLAB/ Simulink (Virtual Reality toolbox) Palabras Clave: MATLAB, Simulink, Realidad Virtual, UAV, simulador, aerodinamica. Abstract: This paper presents the design of a flight simulator for model plane (UAV, for its acronym in English) using tools MATLAB / Simulink. Initially

addressed the concepts of aerodynamics and presents the generalized equations of motion, from which we obtain the dynamic model of the aircraft (general case). Then presents software tools MATLAB / Simulink especially those aerodynamic tools (Aerospace toolbox), which allows the simulation of aircraft and other aerodynamic systems. These tools allow equally generating interfaces simulator execution, within which is located within the characterization of the USB interface control, used as a joystick, so that the user can control through this interface model of the plane in its virtual environment. To characterize the used radio controlled interface blocks which provide pilot signals generated by radio control. The creation of the virtual model of the aircraft, as well as scenarios is generated by virtual reality tool MATLAB / Simulink (Virtual Reality toolbox) Keywords: MATLAB, Simulink, Virtual Reality, simulator, aerodynamics. Introducción Los primeros simuladores de vuelo fueron con propósitos militares y para entrenar a los pilotos y tripulación del programa espacial de países como los Estados Unidos estos se hicieron para que el entrenamiento fuera en dos fases: en la primera fase se necesitaba buscar un simulador para desarrollar el vehículo espacial en especial la cabina o capsula; en la segunda fase se requería de un entrenador que estuviera familiarizado con el simulador para orientar al piloto que se iba a capacitar [1] Posteriormente a este tipo de simuladores se fueron introduciendo para entrenar pilotos de vuelos comerciales ya que para los empresarios representaba un gasto fuerte al principio pero que se iba “pagando” con el tiempo ya que los beneficios son bastantes al capacitar el piloto antes de ponerlo frente a un vuelo real; debido a los altos costos de producción de los simuladores se empezó a optar por hacerlos de bajo costo y mucho más chicos empezando con simulaciones de misiles en el ámbito militar; un simulador de vuelo presenta un ambiente en tercera dimensión de la vista

________________________________________________________ *Fernando Machorro Ramos [email protected], *Amparo Dora Palomino Merino [email protected], *Sergio Vergara Limón, *Maria Aurora Diozcorra Vargas Treviño *Facultad de Ciencias de la Electrónica, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Av. San Claudio y 18 Sur S/N C.U., Edificio 109A, C.P. 72570, Puebla Pue., México ** David Palomino Merino [email protected] **Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Autónoma de México, Circuito exterior s/n, C.P. 04510, C.D. Universitaria México D.F., apdo. Postal 70-186

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fuera de la ventana del operador el cual corresponde a la entrada de un sistema de control.[2] Los primeros simuladores que usaron una computadora personal y software de realidad virtual fueron en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en los años 80 logrando simular un vuelo de 115.1Km [3], utilizando la interfaz GIU desarrollado por Xerox que es la base de la interacción actual entre el usuario y la computadora; a partir de estos avances logrados por Xerox se desarrollaron hardware para procesos en 3 D. [4] Las simulaciones que se comenzaron a hacer por medio de las computadoras personales han utilizando varios programas para la simulación de vuelo al igual que se considera utilizar las arquitecturas de VME y Multibus II teniendo en cuenta los lenguajes de programación, sistemas operativos, herramientas propias del avión, riesgos en el medio ambiente y la experiencia pasada del operador.[5] El modelado y simulación de los efectos especiales en el sistema visual de simulación de vuelo es un campo importante en la tecnología de simulación por ordenador y tecnología de la realidad virtual en los últimos años; en años recientes los investigadores han sugerido diversos enfoques para la simulación de realidad virtual, estos enfoques pueden ser clasificados de la siguiente manera: Modelo ortogénico basado en la física del modelo. Modelo ortogénico basado incluyendo la volumétrica del modelo el cual se divide en: Método de modelado de procesos. Método del fractal Método del sistema de partículas [6] En una simulación de vuelo, el software y hardware son relativamente limitados lo cual ha llevado a proponer métodos de simulación dinámica con el hacer los escenarios largos en el disco primero y luego cargar los datos necesitados en la memoria principal. [7] . Desarrollo Aerodinámica de un avión. Primero se revisaron algunos conceptos de aerodinámica como son los que se muestran en la siguiente tabla se muestran algunos términos en ingles traducidos al español que están relacionados directamente con las variables de fenómenos físicos que intervienen en un avión real basado en su modelo físico.

• Cabeceo (pitch): El movimiento que realiza el avión alrededor del eje transversal. Es una inclinación de la nariz del avión, o rotación respecto al eje ala-ala.

• Alabeo (Roll) Rotación respecto de un eje nariz-cola del avión

• Guiñada (Yaw) Rotación intrínseca alrededor del eje vertical perpendicular al avión

• Ángulo de ataque (Angle of attack) Ángulo que forman la cuerda geométrica de un perfil alar con la dirección del aire incidente

• Ángulo de desplazamiento (Angle of sideslip) Es el ángulo que forma el eje de la nave (sistema de ejes del cuerpo del avión) con respecto a la dirección relativa del viento

• Sustentación (Lift) Es la fuerza desarrollada por un perfil aerodinámico moviéndose en el aire, ejercida de abajo arriba, y cuya dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte).

• Peso (Weight) El peso es la fuerza de atracción gravitatoria sobre un cuerpo, siendo su dirección perpendicular a la superficie de la tierra, su sentido hacia abajo, y su intensidad proporcional a la masa de dicho cuerpo.[8]

Modelo dinámico En el caso del modelado de un avión se consideran 6 grados de libertad ya que involucran todos sus movimientos que puede hacer sobre los ejes X, Y, Z y sus correspondientes movimientos rotacionales es decir Roll (Φ) a lo largo del eje X, Pitch (θ) a lo largo del eje Y, y Yaw (Ψ) a lo largo del eje Z.[9]

Figura 1. Grados de libertad de un avión

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Lo que se obtiene primero en el modelado del avión son las rotaciones angulares de este, las cuales como se obtienen mediante los ángulos de Euler, dependiendo del orden de las rotaciones dará una matriz de rotación (1) característica de su movimiento

Φ Φ ΦΦ Φ

θ θθ

θ θΨ Ψ

Ψ Ψ

= −

− =

= − Ψ)

R( ) cos( ) sen( )

sen( ) cos( )

cos( ) sen( )

R( )

sen( ) cos( )

cos( ) sen( )

R( ) sin( ) cos(

1 0 0

0

0

0

0 1 0

0

0

0

0 0 1 ….(1) Para obtener la rotación general del sistema se multiplican las tres rotaciones y se obtiene la matriz (2) de rotación (R).

cos( )cos( ) ( ) ( )cos( ) cos( ) ( ) cos( ) ( )cos( ) ( )( )

cos( ) ( ) ( ) ( ) ( ) cos( )cos( ) cos( ) ( ) ( ) ( )cos( )

( ) ( )cos( ) cos( )cos( )

sen sen sen sen sen sen

R sen sen sen sen sen sen sen

sen sen

θ θ θθ θ θ

θ θ θ

Ψ Φ Ψ − Φ Ψ Φ Ψ + Φ Ψ = Ψ Φ Ψ − Φ Ψ Φ Ψ + Φ Ψ − Φ Φ

(2) Para obtener el modelo dinámico se utilizan las ecuaciones de Lagrange(3)

qrr r

d L dLF

dt q dq

∂ − = ∂ ɺ …(3)

Teniendo las energías tanto potencial como cinética se tiene que el Lagrangiano(4)

2 2 2 2 2

2

1 1( ) [ ( ( )) ( cos( ) ( )cos( ))

2 2

( ( ) cos( )cos( )) (( ( ))( ( ) cos( )cos( )))]

[cos( )cos( ) 1]

x y

z xz

L

L m x y z I sen I sen

I sen I sen sen

F l mgz

θ θ θ

θ θ θ θ θθ

= + + + Φ − Ψ + Φ + Ψ Φ

+ − Φ + Ψ Φ − Φ − Ψ − Φ + Ψ Φ+ Φ − +

ɺɺ ɺɺɺ ɺ ɺ

ɺ ɺɺ ɺ ɺɺ

…(4) Aplicando las derivadas a la ecuación anterior se pueden obtener las ecuaciones de la dinámica (5) de la aeronave

r qrr r

x

y

z

d L dLq

dt q dq

x mx

y my

z mz mg

A

A

Aθ θ

τ

ττττ

θ ττ

Φ Φ

Ψ Ψ

∂→ − = ∂

→ =→ =

→ = −Φ → =

→ =Ψ → =

ɺ

ɺɺ

ɺɺ

ɺɺ

……(5)

Estas ecuaciones describen la dinámica de la aeronave en sus 6 grados de libertad desde un sistema de referencia terrestre y con esos datos se pueden hacer simulaciones. Toolbox Aerospace de MATLAB Esta caja de herramientas proporciona estándares de referencia, modelos ambientales, y el coeficiente aerodinámico que es importante para realizar análisis aeroespacial avanzado así como para desarrollar y para evaluar diseños de aeronaves

Figura 2. Set de bloques Aeroespacial de MATLAB

Este set de bloques como se ve en la figura tiene las siguientes categorías Actuadores Aerodinámica Animación Medio ambiente Ecuaciones de movimiento Parámetros de vuelo GNC Propiedades de masa Propulsión Utilidades Radio control con interfaz USB. Se realizó la adquisición de un radio control Hobby King flight simulator modo 2, el cual ya cuenta con interfaz USB, 6 canales (con opción a 4 canales)y una frecuencia de transmisión de 2.7GHz

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Figura 3. Movimientos y funcionamiento de botones

de control Se puede observar que las palancas controlan movimientos del avión como son roll (alabeo), pitch (cabeceo) y yaw (guiñada), como se puede ver en la figura 4 los movimientos antes descritos:

Figura 4. Movimientos del avión

A continuación se muestran los movimientos que se tienen con el radio control en cada uno de los dos joystick de los cuales se compone así como los que estos controlan. Tabla 1. Movimientos de la palanca derecha del joystick .Movimiento palanca izquierda

Movimiento modelo

Yaw

Aceleración

Tabla 2.Movimentos de la palanca izquierda del joystick Movimiento palanca derecha

Movimiento modelo

Roll

Pitch

Al tener el radio control se conecta a la computadora mediante el puerto USB y mediante el software de instalación que incluye este se puede activar los joystick del mismo

Figura 5. Selección del tipo de control

Posteriormente se procede a ver los recursos con los que cuenta este radio control y posterior a esto calibrar el mismo. Cuando se tienen 6 canales activos la primera y segunda barra de derecha a izquierda tienden a la posición de similar a las siguientes 4 barras.

Figura 6. Recursos del joystick

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Una vez que se tienen activados los canales que se requieren se procede a seleccionar Ok con lo cual se activa la figura 7 en la podemos observar que para calibrar se tienen que mover las palancas de los Joystick para que las barras se muevan a una posición deseada, lo que nos va a dar estas barras es la sensibilidad y el rango de movimiento de la palanca; por ejemplo si la palanca del joystick derecho esta hasta adelante las barras 1 y 2 se ponen en oscuro dando un rango de movimiento muy pequeño y mucha sensibilidad al movimiento de esta palanca por lo que se recomienda que las barras este en la mitad del valor total se encuentren

Figura 7. Ventana de calibración del radio control. De esta forma se habilitan 4 o 6 canales del radio control, para generar las señales de salida del radio control, las cuales serán las señales de entrada hacia los bloques de simulink Herramientas de Simulink para la programación. La librería “aerospace” contiene un buen número de herramientas para la lectura de las señales externas provenientes del puerto USB. Dentro de todas estas las que se utilizan son los bloques Pilot Joystick y Pilot Joystick All.

Figura 8 Bloques de Simulink a) 4 canales b) 6

canales.

A continuación se muestra en la tabla 4 las características para el bloque de simulink joystick para 4 canales. Tabla 3. Características del bloque de 4 canales. Numero de puerto

Rango Joystick Descripción

1 [-1,1] Izquierdo, derecho

Roll

2 [-1,1] Adelante/abajo, atrás/arriba

Pitch

3 [-1,1] Izquierdo, derecho

Yaw

4 [0,1] Mín, máx Aceleración A continuación se muestra las características para el bloque joystick en el modo de all outputs (modo completo) el cual tiene 6 canales analógicos Tabla 4. Características del bloque de 6 canales puer-to

arre-glo

Canal Rango Joystick Descrip-ción

1 1 X [-1,1] Izq, der Roll 1 2 Y [-1,1] Ad/abj,

at/arb Pitch

1 3 Z [0,1] Min, max

Aceler-ador

1 4 R [-1,1] Izq, der Yaw 1 5 U [0,1] Min,

max Canal U

1 6 V [0,1] Min, max

canal V

2 teclado 32 bits 3 POV POV

(grados) En el siguiente diagrama a bloques se tiene los cuatro canales que hacen los movimientos de la aeronave al igual que las rotaciones y la aceleración (potencia del avión) que se presenta en el avión

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Figura 9. . Diagrama a bloques de prueba de joystick bloque 4 canales A continuación se presentan graficas de salida de estos movimientos.

Figura 10. Diagramas de joystick palanca izquierda

abajo y palanca derecha moviendo En la figura 11 se puede observar como en el movimientos de la palanca derecha se tiene que las gráficas de roll y pitch generan señales con forme el movimiento de estos, yaw se queda en cero, mientras que la aceleración se mantiene en un rango muy pequeño y llegando casi al máximo.

Figura 11 Diagramas de joystick palanca izquierda arriba y palanca derecha moviendo En la figura 12 se puede observar cómo mientras la palanca derecha se mueve al igual que las figuras anteriores roll y pitch se mueven mientras que la aceleración queda en un rango muy pequeño

Figura 12 Diagramas de joystick palanca izquierda

en medio y palanca derecha moviendo En la figura 13 se puede observar que mientras la palanca derecha está en una posición fija y la palanca izquierda está en movimiento, las graficas de aceleración y Yaw van desde el valor mínimo que nos dan estas señales hasta el máximo.

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Figura 13. Movimientos palanca derecha fija arriba

izquierda en movimiento A continuación puede observar los bloque necesarios para hacer la prueba en este caso se pone una sincronización en tiempo real para que MATLAB tome en cuenta las entradas que se dan con el radio control.En este diagrama a bloques el bloque pilot Joystick All en la salida analógica tiene 6 canales.

Figura 14. Diagrama a bloques prueba joystick

todas las entradas. En la figura 15 podemos ver las líneas que se ven son para el movimiento roll es el color negro, el café y color magenta es el movimiento yaw, el color rojo es el movimiento pitch, el color azul es la activación y desactivación de los 6 canales mientras que el color verde es el ajuste del motor.

Figura 15. Señales del movimientos palancas

joystick Otro aspecto que se sobre el cual se trabajo es en el estudio de los bloques para formar las ecuaciones de movimiento

Figura 16 Bloque de 6 grados de libertad. Se conectan este bloque con el bloque de piloto (en este caso fue el bloque de 4 canales), en este diagrama se hizo uso de varios visores en los cuales se muestran las diferentes señales por separado

Figura 17 Diagrama a bloques del modelo con

bloque de 6 grados de libertad y de piloto en modo 4 canales

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En la figura 18 se puede observar las formas de onda de una prueba con el bloque de 6 grados de libertad; las formas de onda de arriba hacia debajo de la figura son: Velocidad de los ejes de inercia Posición en los ejes de inercia Ángulos de Euler Transformación de los ejes del cuerpo Velocidad en los ejes del cuerpo Rotación en los ejes del cuerpo Aceleración angular Aceleración

Figura 18 Formas de onda del diagrama a bloques

de 6 grados de libertad. Programación del modelo del avión en realidad virtual. A continuación se muestra la herramienta de programación del modelo del avión utilizando las librerías de realidad virtual (VR Sink) de Simulink.

Figura 19 Bloque para accesar al editor de realidad virtual en Simulink La estructura del bloque se muestra a continuación en este bloque se puede ver la siguiente ventana, aquí donde ejecutamos el mundo virtual que queramos así como se pueden cargar algunos parámetros a ejecutar

Figura 20 Ventana de parámetros de realidad

virtual Al hacer click en nuevo se abre el editor de realidad virtual de matlab en este caso por default se carga el editor V- Real Builder el cual es un editor grafico que nos permite crear el mundo virtual

Figura 21. Editor de realidad virtual

Resultados Cuerpo del avión Primero se construye el cuerpo así como se ve en la figura 22 se hacen las formas geométricas que se utilizan en el cuerpo al igual que las dimensiones de las anteriormente mencionadas.

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Figura 22. Vistas del cuerpo del avión en editor de

realidad virtual. Alas del avión En la figura 23 se puede observa las diferentes vistas de las alas del avión que se está construyendo se tiene una vista principal, vista desde arriba derecha y de frente así como podemos ver los bloques que se van utilizando para hacer estas formas geométricas

Figura 23. Diferentes vistas de las alas del avión

Estabilizadores horizontales En la figura 24 se puede ver las diferentes vistas de los estabilizadores horizontales como son la vista de frente, vista superior, desde el perfil derecho y la vista principal; también se puede observar los diferentes bloques utilizados para hacer esta forma geométrica, se debe de tomar en cuenta los espacios donde entran las demás partes del avión.

Figura 24. Vistas de los estabilizadores horizontales de la aeronave Estabilizador vertical A continuación se puede observar las diferentes vistas del estabilizador vertical de la aeronave se puede ver que la forma geométrica tiene vistas de frente, por arriba un perfil derecho y una vista principal de este.

Figura 25 Diferentes vistas del estabilizador vertical

del avión Modelo completo del avion En la figura 26 tenemos una vista del avión ya con todas sus partes puestas y en diferentes vistas como una vista principal, una vista por arriba la vista lateral (en este caso es la vista derecha ), así como una vista de frente.

Figura 26 Vistas del avión completo.

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Conclusiones Es importante conocer los conceptos básicos de aerodinámica ya que esto nos permite identificar las variables físicas que intervienen en el avión en la vida real. La caracterización del radio control es de suma importancia ya que nos permite identificar las señales que intervienen en las variables físicas de los movimientos físicos del modelo del avión y a su vez parametrizar estas señales bajo diferentes circunstancias El uso de los bloques de Simulink nos permite manejar e interpretar las señales enviadas por el radio control al igual que hacer la relación de las variables físicas que intervienen en el avión con lo que es el modelo dinámico del mismo. El empezar a utilizar la herramienta de realidad virtual nos permite crear el modelo del avión en forma física para posteriormente incluirlo en la simulación de las diferentes variables físicas y condiciones que intervienen en el vuelo

Referencias [1] M. Ackermant, “An Integrated Space-Flight Simulator *,”

Military Electronics, IRE Transactions on, vol. MIL–3, no. 3, pp. 92–98, 1959.

[2] D. G. Zyda, M.J.; McGhee, R.B. ; Ross, R.S. ; Smith, D.B. ; Streyle, “Flight Simulators for Under $100,000,” Computer Graphics and Applications, IEEE, vol. 8, no. 1, pp. 19–27, 1988.

[3] Y. Miyazaki, Y. Koyama, S. Onishi, K. Matubara, and C. Satoh, “Development of Flight Simulator for Human-Powered Aircraft - The Road towards a World Record -,” in SICE-ICASE International Joint Conference 2006, 2006, pp. 2787–2792.

[4] R. R. Panko and D. K. Panko, “Where Do You Want to Fly Today ? A User Interface Travel Genre Based on Flight Simulators,” System Sciences, 1998., Proceedings of the Thirty-First Hawaii International Conference on, vol. 2, pp. 110–118, 1998

[5] R. Efrati, A.; Feinmesser, D.; Megidish, E.; Rosemberg, F.; Shalom, P.; Yogev, “Implementation of a flight trainer simulator using a microprocessor based network: a system architecture selection report,” CompEuro ’90. Proceedings of the 1990 IEEE International Conference on Computer Systems and Software Engineering, pp. 1–6, 1990.

[6] J. Chen, W. Xu, B. Huang, and W. Wan, “Simulation of flight special effects based on particle system,” 2010 International Conference on Audio, Language and Image Processing, pp. 333–337, Nov. 2010.

[7] X. Jianbin, L. Tong, Z. Zhaowen, W. Jinyan, and H. Yizheng, “A New Method for Dynamic-Loading Large Terrain Dataset Visualization in Flight Simulation,” Second Workshop on Digital Media and its Application in Museum & Heritages (DMAMH 2007), pp. 218–222, Dec. 2007

[8] Olvera. O. Ruben, “Estabilidad Estática de un Vehículo Aéreo no tripulado,” tesina Instituto Politécnico Nacional, 2011

[9] ]Etkin, Bernard; Reid, Lloyd;Dynamics of Flight Stability and Control.Edit. John Wiley & Sons,Inc. USA,1996

Currículo corto de los autores F. Machorro Ramos Ingeniero electrónico egresado del Instituto Tecnológico de Orizaba, actualmente estudiante de la Maestría en ciencias de la Electrónica opción Automatización BUAP. A. D Palomino Merino. Doctor en Electrónica especialidad Control Automático, Profesor Investigador Titular A en la Facultad de Ciencias de la Electrónica de la BUAP, Miembro del SNI nivel Candidato. S. Vergara Limón Doctor en Ciencias con especialidad en Optoelectrónica, Profesor Investigador Titular A en la Facultad de Ciencias de la Electrónica de la BUAP, Miembro del SNI nivel I. M. A. D. Vargas Treviño Doctora en Ciencias con especialidad en Optoelectrónica, Profesor Investigador Titular A en la Facultad de Ciencias de la Electrónica de la BUAP, Miembro del SNI nivel I. D. Palomino Merino Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana, Maestro en Ingeniería por la Facultad de Ingeniería de la UNAM, Doctor en Ingeniería por el Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), Francia. Desde 1995 trabaja en el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la UNAM, en el Departamento de Instrumentación y Metrología.

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