드론시뮬레이터 Drone Simulator
Drone Software 1. 왜 SW( 소프트웨어 ) 코딩교육이중요할까? 과학기술의시대에머릿속무언가를세상에보여주는단계에서 SW 는가장기본적인 수단이되며, 이것은생각하며일을처리하는컴퓨팅적사고능력을함양할수있다. 2. SW 드론제어? SW 코딩을통한알고리즘능력은전천후서비스로봇인드론을제어가능하게함으로써드론을활용한다양한아이디어및 *HW 제어능력을배양한다. HW( 하드웨어, Hardware) : 로봇의구성물중전자장치, 기계장치와같이형체가있어눈에보이는것. 목표 : SW 코딩학습과알고리즘을통해드론을자유롭게제어하는능력개발 SW 개념과이해 코딩의시작 : Scratch 코딩의제어 : Arduino 드론제어 SW : Android / IOS / Drone Simulator 하드웨어제어 SW : Rokit Simulator 2
드론의이해 (Drone) 3
1. 드론의정의 드론 (Drone) 이란윙윙거리는소리, 수벌이란사전적의미에서기원하여원격조작기구, 무선 으로조종되는무인비행물체라는뜻으로까지정의된다. 그래서드론이란단어는거의특수목적의군사용으로쓰여왔다. 이것은조종사없이움직이는 장치들을주로지칭하였고, 원격이나자동으로조종가능하도록되었다. 점차드론의쓰임이서비스및다양한응용분야로확대되면서드론이란단어가일반화되었고 현재는상업용, 개인용등각분야에서다양하게활용되고있다. 날아다니는모든물체를드론이라고할수는없다. 드론에는로봇기술이포함된하드웨어와소 프트웨어가탑재되고, 구현하는기능에따라촬영용, 인명구조, 화재예방, 군용, 정보수집용등 으로다양하다. 현재는땅위를벗어나자유롭게이동하며볼수있는장점들이드론을통해실현되고있다고 할수있다. 특수목적의군사용 민간부분서비스용 등다양한곳에서쓰인다. 4
2. 드론의기술 드론은주로통신, 제어, 센서기술등다양한기술들이융합되어구동된다. 위치를인지하고날수있는자동항법장치, 모터제어기술, 카메라영상장치및 SW 분야 까지드론은다양한기술의융합체라고할수있다. 그중에서도가장중요시평가되는부분이바로 SW 부분이다. 자율이동, 패턴이동등단순한조종을뛰어넘어로봇의기술이융합된모든것들이 SW 를 활용하여제어된다. 현재까지도꾸준히발전하고지능화되어가는드론분야에서 SW 는가장핵심적인분야로, 정부와기업, 교육계에서큰관심을가지고있다. SW 개발 자동항법장치개발 드론제조사 ( 모듈응용기술 ) 모터, 프레임, 부품 카메라장치 5
3. 드론의구동원리 드론프로펠러의개수는 3, 4, 6, 8 등다양한종류가있지만원리는유사하다. 우리가구동할 4 개의프로펠러드론은가장기본적인형태로쿼드콥터라고부른다. 드론의구동방식은의외로단순하다. 대부분의로봇들은모터를정 역방향으로움직이지만, 쿼드콥터는 4개의프로펠러가각각정해진한방향으로만움직인다. 코드론의기체에서눈이있는부분을정면이라고가정할때, 아래그림의화살표와같은방향으로모터가회전한다. 이때재미있는점은드론의모터가프로펠러를 2가지의서로반대되는방향으로회전시킨다는것이다. 각각의프로펠러는회전할때드론위쪽의공기를아래로끌어내리고, 이러한원리로드론이날아오르게된다. 드론의모터에아래처럼각각 1 부터 4 까지의번호를매긴다면드론은모터속도가감소 하는쪽으로비행한다. - 1, 3번 : 앞쪽모터속도가감소하면전진 - 2, 4번 : 뒤쪽모터속도가감소하면후진 - 1, 2번 : 왼쪽모터속도가감소하면좌측으로이동 - 3, 4번 : 오른쪽모터속도가감소하면우측으로이동 < 정면 > 1 & 4 CW 프로펠러 2 & 3 CCW 프로펠러 6
4. 드론의기본동작 - 공통 Throttle : 상승, 하강 Pitch : 전진, 후진 Roll : 왼쪽이동, 오른쪽이동 Yaw : 좌회전, 우회전 Stop : 드론의착륙을위해서하강하는중에멈추거나, 혹은비상시드론의비행을 멈추게하는명령 7
4. 드론의기본동작 코드론의주요기능 주요기능 통신방식통신거리특이사항조종방식 블루투스 30m ( 주변환경고려및소수비행가능 ) Take Off ( 이륙 ) Landing ( 착륙 ) Hovering ( 호버링 ) Turn Over ( 뒤집기 ) 스마트폰, PC, * 스마트인벤터보드 ( 모션컨트롤, 조이스틱조종기 ) - 비행중센서상태실시간모니터링 - 코딩에의한자율비행 - 호버링 : 자이로센서, 가속도센서, 기압센서, 이미지센서로미세한호버링가능 - 자동이륙 착륙 : 자동으로이륙및착륙하는가능 - 터틀턴기능 : 비행및배틀중뒤집어져추락했을때스스로뒤집어지는기능 - 모션컨트롤 : * 스마트인벤터보드를기울이면모션에반응하여동작하는기능 CoDrone Lite 키트는인벤터보드미포함 8
5. 드론의셋팅 정면 왼쪽 오른쪽 후면 Trim : 드론이조종의지와무관하게흘러갈때, 반대방향으로값을입력하여제자리에서균형을잡을수있도록셋팅하는동작 ( 미세조정 ) * Trim은전진, 후진, 오른쪽이동, 왼쪽이동, 좌회전, 우회전, 상승, 하강총 8개의동작이있다. Trim 동작예시 오른쪽으로흐를때에는왼쪽방향 으로 Trim( 트림 ) 한다. 왼쪽으로흐를때에오른쪽방향 으로 Trim( 트림 ) 한다. 9
드론시뮬레이터 Drone Simulator 기본설명 10
1. 연결 PC USB 케이블 BLE 보드연결완료 PC USB 케이블 BLE 보드무선통신드론 (1) BLE 보드의사용을위한 USB드라이버를설치한다. - USB 드라이버를다운로드한다. (http://robolink.co.kr/download.html) - 윈도우 Windows 용 12 page 드라이버설치관련참조 - 맥 Mac Osx 용 13 page 드라이버설치관련참조 (2) 드론시뮬레이터를다운로드한다. (robolinksw.com의 [ 코드론 ] 드론시뮬레이터 ) (3) PC와 BLE 보드를 USB 케이블로연결한다. (4) PC와 BLE보드를연결한상태에서드론시뮬레이터를실행한다. - 화면의선택항목을 CoDrone으로선택한후 Connect 메뉴에서 BLE 보드포트를선택한다. Windows Mac Osx 11
2. BLE 보드드라이버설치 ( 통신포트확인 ) - Windows Windows 다운로드페이지 http://robolink.co.kr/download.html 에서해당제품 카테고리하단의 USB Helper Download 를다운로드한다. 1 2 3 COM 포트가자동으로잡히지않으면 CP210X -USB드라이버를수동으로설치한다. USBHelper.exe 를실행하여포트 (Port) 를선택하고 CP210X Driver Setup 버튼을클릭한다. 12
USBHelper 가실행되지않을때 - Windows Windows CP210x_Windows_Drivers 폴더를연다 설치하는 PC 환경에따라 32 비트는 x86, 64 비트는 x64 를설치한다 13
2. BLE 보드드라이버설치 ( 통신포트확인 ) - Mac Osx Mac Osx 다운로드페이지 http://robolink.co.kr/download.html 에서해당제품 카테고리하단의 MacOSX Download 를다운로드한다. /dev/cu.slab_usbtouart SiLabsUSBDriverDisk.dmg 를실행하여프로그램을설치한후, 프로그램에서포트 (Port) 를선택하여연결한다. 14
2. BLE 보드드라이버설치 ( 통신포트확인 ) USB 케이블로 BLE 보드와 PC 를연결한다. 보드의버튼을눌러통신모드 ( 빨간색 LED) 로바꿔준다. 15
3. 드론시뮬레이터 (Drone Simulator) 연결 (1) Drone Simulator 실행 * 다운로드한 zip 폴더의압축을해제 하여응용프로그램 (exe) 를실행한다. (2) Drone Simulator 통신연결 * 전체화면은 Alt + Enter 로전환 * 시뮬레이터실행후, CoDrone 으로연결한다. * 연결할드론을선택 하면조종화면으로 전환된다. 이전에마지막으로접속한드론이검색목록에있다면위의버튼이생성된다. 이는뜻하지않은드론으로연결되는실수를방지한다. 16
4. 페어링 (1) BLE보드페어링준비 BLE보드에위치한 Reset 버튼을누르면 LED불빛이노란색과빨간색으로바뀐다. ( 모드의변환 ) 다운로드모드 통신모드 BLE 보드를통신모드 ( 빨간 LED 점멸 ) 로설정한다. (2) BLE 보드페어링완료 페어링이되지않음 페어링이됨 코드론 : 드론의뒷부분이깜빡인다. 코드론 : 드론의뒷부분이계속켜져있다. BLE 보드 : 빨간불이점멸한다 BLE 보드 : 초록불이점멸한다 17
5. 드론시뮬레이터 (Drone Simulator) 실행 W, S, A, D 키중에서 W ( 상승 ), S ( 하강 ) 을이용하여고도조절과회전을하고, 화살표키 ( ) 를눌러원하는방향으로비행한다. 만약드론이의지와상관없는방향으로흘러간다면 U, I, O, P, J, K, L, ; 키를이용하여트림 (trim) 을실행하고, 제자리비행이안정되면다시화살표키를이용하여원하는방향으로비행한다. * Mode B 기준 고도 회전전 후 좌 우이동트림 ( 미세조정 ) <Space bar> 1 회 : 착륙 / 2 회 : 긴급착륙 반드시긴급착륙방법을 숙지한후, 비행하도록한다. 연결 / 해제 조종방식 (Mode A,B,C,D) 기본값 : Mode B 주행모드 비행모드 조종내역저장및불러오기 조종내역기록및재생 조작셀추가 / 삭제 트림 ( 미세조정 ) 버튼조종반응속도설정착륙버튼 Yaw & Throttle Roll & Pitch 조작셀리스트 ( 타임라인 ) 셀동작버튼 (1) 트림 (trim) 값모니터 (2) Image 좌표감지 (3) 드론모터출력값 (0~4095) (4) 가속도 자이로센서 (IMU) X, Y, Z : 가속도센서값 AX, AY, AZ : 드론의회전각도 (Angle) GX, GY, GZ : 자이로센서값 (Gyroscope) 18 (5) 잔여배터리양 / 드론의온도 / 기압값 / 높이값 (6) 드론기체의 LED 색상변화
6. 드론시뮬레이터 (Drone Simulator) 조작셀 Recording 하기 *Mode 를설정한다. (1) 화면오른쪽상단의 Rec 버튼을눌러조종하는값을순차적으로기억시킨다. (2) Stop 을누른후 Play 버튼을누르면 Record(Rec) 된이전동작들을불러와자동 비행하게된다. 물론기체의환경에따라완벽하게같은궤적이아님을유의하자. PC 상에서드론을조종할때에는연결되어있는키보드로조종가능하도록되어있다. 조종은 Mode B 를기준으로한다. ( 화면상단의 Mode 를 Mode B 로선택한다 ) 상승 : W 키하강 : S 키좌회전 : A 키우회전 : D 키전진 : 키 후진 : 키좌측이동 : 키우측이동 : 키착륙 : Space bar 긴급착륙 : Space bar 2회연타 T i p 일반적으로안정된고도유지상태에서상승 (W) 를살짝누르면서서히상승하고, 하강 (S) 를살짝한번눌렀다떼면서서히하강하는기능이있다. 이러한기능을이용해손을키보드에대지않고최대한공중에오래머무는연습을한다. 19 <W> <S>
7. 유의사항및기체점검 드론시뮬레이터를실행할때에다음과같은유의사항을확인한다면, 보다안정적인비 행이가능하다. 한차례비행후에는반드시잔여배터리의양, 드론의상태및호버링, 트림여부 등을체크한다. 그렇게한다면이후 SW 로드론의안정적인제어가가능하다. 가장먼저트림여부를확인하고트림키를이용하여제자리비행이가능하도록 설정한다. 비행중에도적용되며, 제자리착륙한상태에서도트림키는적용된다. 스크래치나아두이노를이용한드론제어를할때에도마찬가지로, Drone Simulator 를이용하여비행점검, 기체점검을모두거치고, Trim 등으로기체의상태를확인 한후비행하는습관을가진다. 20
드론시뮬레이터 Drone Simulator " 가상비행연습 21
1. 시작하기 화면의오른쪽상단 버튼을누르면, 실제드론을구동하기전에드론 조종법을익힐수있는 가상의비행연습 모드로진입할수있다. 실제드론과마찬가지로가상의드론역시모든기능은 이륙 후에시작된다. 상승버튼을 눌러가상의드론을공중으로띄운후, 비행연습을통해드론의구동법을익혀보자. 22
2. 조종키설명 Mode B 왼쪽 : 상하이동, 회전오른쪽 : 전후 좌우이동 드론의비행은양손으로조작하게되어있다. 왼손으로 W,A,S,D 키를조작하고, 동시에오 른손으로네개의방향키를조작한다. 비행중인드론을정지 ( 착륙 ) 시키기위해서는스페 이스바키를사용한다. 드론의비행은 전후이동, 좌우이동, 상하이동 그리고 제자리회전 의네가지동작 을조합하여원하는방향으로드론을움직이게한다. 이매뉴얼에서안내되는모드는널리쓰이는방식의 Mode B 방식이며, 이방식은왼손으 로상하이동과회전을조작하며오른손으로전후좌우이동을조작한다. * 각조종키의아이콘을클릭해도키를누른것과동일하게작동한다. 우측상단의모드버튼을클릭하면모드가 A B C D 순으로반복되며바뀐다. Mode B 가보편적이지만, 개인이이용하기편리한환경으로바꾸어서조작가능하다. 23
3. 조종모드설정 Mode A 왼쪽 : 전후이동, 회전오른쪽 : 상하 좌우이동 Mode C 왼쪽 : 전후 좌우이동오른쪽 : 상하이동, 회전 Mode D 왼쪽 : 상하 좌우이동오른쪽 : 전후이동, 회전 드론이착륙된상태에서는상승이외의모든동작이입력되지않는다. 설정한모드에서 상승버튼을눌러드론을공중으로띄워보자. 24
4. 조종환경설정 입력한계값설정 드론에가하는개별동작의힘의크기를조절할수있다. 조작상황이표시되는 UI 상의최대 최소를나타내는영역을임의로조절하면제한된크 기이상으로힘을가하지않는다. 영역을마우스로클릭한후드래그하거나, 키보드의 Ctrl 키를누른후 W A S D 키또는 방향키를눌러변형할수있다. 상단에있는 UI 에서제한된크기상으로힘을가하지않는것을확인할수있다. 예를들어, 상승 하강만미세하게움직이고싶을때사용할수있다. 25
4. 조종환경설정 드론의관점 전 후 좌 우동작은드론의관점으로움직이게된다. 드론이회전을하지않는다면조종자관점과드론의관점이같기때문에드론의전진은 조종자관점에서도전진이된다. 하지만드론이회전을한상태에서는드론의전진이조종자의관점에서는전혀다른방 향으로보여지기때문에, 우측상단의버튼을누르면드론이회전을해도조종자관점에 서조작가능하다. 버튼을클릭할때마다 Normal Absolute 로바뀐다. 4. 조종환경설정 상태표시 UI 우측상단세개의 UI 는드론의움직임에관한상태를보여준다. 왼쪽 오른쪽 첫번째 UI : 드론에가해지는힘 의방향을나타낸다. 두번째 UI : 드론이향하는방향과, 화면속공간에서드론의높이를나타낸다. 26 세번째 UI : 위에서수직으로내려다본드론의위치를나타낸다.
4. 조종환경설정 고유조종수치변경 상단의딜레이기능은디지털방식에지연되는값을입력하는것으로, 디지털방식의키 보드로조종시급격하게변동되는값을부드럽게완화시켜주는기능을한다. 키보드의 +, - 키로조작하며화면의버튼 (UI) 을클릭하여값을조종할수도있다. 버튼을눌렀을때, 실제조작되어지는각각의축들의값을아래의 X, Y 값의변화로확인 할수있다. 딜레이값은 0 부터 10 까지의단계로구성되어있으며, 딜레이값이 0이면드론에전달되는힘은최대값이적용되고, 딜레이값이올라갈수록최대값에도달하기까지소요되는시간이순차적으로누적되어길어진다. 이는 키보드 가디지털입력방식임에도미세조종을가능 하게한다. Force Slip 드론에가해지는힘의양을조절한다. 총 1부터 9까지의단계가있으며단계가높을수록가해지는힘이커진다. 키보드숫자 7, 8키로도조작가능하며화면의버튼 (UI) 을클릭하여값을조종할수도있다. 드론과공기의마찰정도를나타낸것으로써수치가클수록마찰이적다. 총 1부터 9까지의단계가있으며단계가높을수록더많이미끄러진다. 키보드의숫자 9, 0 키로도조작가능하며화면의버튼 (UI) 을클릭하여값을조종할수도있다. 27
5. 조종하기 트림조정연습 / 악조건속에서견뎌내기연습 Shaky 드론을불안정한상태로만든다. 키보드의 T 키로조작하며화면의버튼 (UI) 을클릭하여값을조종할수도있다. 버튼을한번누르면버튼의옆에 체크 표시가생기면서드론의상태가임의의수치로불안정해진다. 이기능은버튼을한번더누르면체크표시와함께사라지고, 드론이다시안정을되찾는다. 불안정해진드론을수동으로안정화시키는여덟개의트리밍버튼이다. 키보드의 U, I, O, P, J, K, L, ; 키로조작하며화면의버튼 (UI) 을클릭하여값을조종할수도있다. 앞서언급했던 Shaky 키로불안정해진드론을트리밍버튼으로조종하여안정화시킨다. 불안정한드론이치우치는반대방향으로키를입력하면서드론을안정화시킬수있는연습을한다. 트리밍기능은비행중일때는물론이고착륙중인상태에서도적용가능하다. 이기능은임의로불안정해진드론을트리밍하여수동으로안정화시키는교육의목적이 있다. Wind 바람을발행하여드론을임의의방향으로밀려나게만드는버튼이다. 키보드의 G 키로조작하며화면의버튼 (UI) 을클릭하여값을조종할수도있다. 버튼을한번누르면버튼의옆에 체크 표시가생기면서바람이임의로바뀌면서연달아발생한다. 버튼을한번더누르면체크표시가사라지면서바람이멈추게된다.. 이기능은조금더숙련된조종술을익히게하는목적이있다. 28
5. 조종하기 착륙연습 / 목적지도달연습 (1) 착륙연습 화면에표시되는착륙위치까지드론을이동시켜착륙하는연습을할수있다. 이연습은 드론의기본조종능력을학습하며, 드론이착륙위치에정확히내려오면, 다음착륙위치 가표시된다. 만약드론이너무멀리날아가화면밖으로사라졌다면, 리셋 (Reset) 버튼을눌러드론을처음위치로이동시킬수있다. 이기능은화면의버튼 (UI) 을클릭하여조종한다. (2) 고정 / 자유목표점도달연습 목표물 ( 보라색공 ) 까지드론을이동시키는연습을할수있다. 화면상단에는드론이바라보는시점이표시되고, 아래에보이는숫자는목표물까지의거리를나타낸다. 숫자로표시된목표물까지의거리와드론의위치, 드론의전면시야를이용하여목표물까지도달해야한다. 드론이목표물에도달하면상단의숫자가 1씩카운트되고, 다음목표물이표시된다. 29
시점전환버튼 메인화면 서브화면 시점변환버튼을누르면조종자시점과드론시점이서로바뀌게된다. 버튼을클릭할때 마다 View A View B 로바뀐다. 메인화면 : 조종자시점 서브화면 : 드론시점 메인화면 : 드론시점 서브화면 : 조종자시점 서브화면을클릭하면보라색목표물이 S(Stay, 고정 ) 에서 M(Movement, 움직임 ) 상태로변경된다. 움직임 (M) 상태가되면고정 (S) 되어있던보라색목표물이공간안에서자유롭게이동한다. 서브화면을클릭할때마다 S M 으로반복하여바뀐다. 목표물에도달한횟수는알파벳옆에각각카운트되고, 이기능은좀더숙련된조종술을익히게하는목적이있다. 30
드론시뮬레이터 Drone Simulator 실습하기 31
1. 실습순서 (1) 페어링및통신연결테스트 (2) 배터리잔량확인및드론색깔변경 (3) 조종 : 이륙후원하는지점에착륙미션 (4) 조종 : 이륙후지정된장애물통과후착륙미션 (5) 자동 : 2초간이륙후착륙프로그래밍 (6) 자동 : 이륙후 2초간호버링후착륙프로그래밍 (7) 자동 : 이륙후사용자의손으로착륙프로그래밍 (8) 자동 : 자율이륙및미션비행프로그래밍 32
2. 실습설명 (Record 기능 ) Rec(Record) 버튼을누르면조종하는모든액션들이기억되고아래의그림과 같이타임라인에액션들이기록된다. Stop 을누른후 Play 를하면 Record 된이전동작들을 불러와자동비행하게된다. 물론기체의환경에따라완벽하게같은궤적으로구현되지않음에유의하자. 33
3. 실습설명 (Programming 기능 ) 프로그램문법지식이없어도손쉽게프로그래밍할수있는기능이다. 이때반드시딜레이시간에유의해야한다. 딜레이시간이너무길어지거나, 작은공간에서비행해야한다면근처의가까운지형지물에부딪힐수도있으니가급적 1초미만의값을사용하고, Landing 명령없이프로그램되거나비상시일때엔, Space bar( 긴급착륙 ) 키를두번누른다. 프로그램예시 딜레이 방향 착륙 상승 하강 좌측이동 우측이동 시간은단순한 Delay가아니다. 아래의예제를살펴보자. (1) 0.5 초간상승 (2) 2초간상승 (3) Release 상태로 Landing 전진후진좌회전우회전 프로그램방법 (1) Add 버튼이나 Insert 키를눌러드론동작셀을생성한다. (2) 하단의원하는동작 을선택한다. Press : 키보드를누른상태 Release : 키보드를뗀상태 34
4. 프로그래밍에서딜레이의의미 딜레이란다음명령으로넘어가기전까지지속되는시간을의미한다. 드론은공중에서구동되므로바람이나주변지형지물의영향을많이받기때문에이런부분을고려하여딜레이값을입력하여야한다. 처음엔딜레이값이익숙하지않지만기본적인의미가파악되면, 향후 Rokit Brick (Scratch 방식의블록코딩 ) 이나 Arduino 에서도쉽게딜레이를적용할수있고, 보다쉽게프로그래밍이가능해질것이다. 조작셀동작예시전진버튼을누른채로 2 초동안지속한후뗀다. 5. 파일저장 조작셀을입력하여드론을조종한후, 조작했던셀들은 Save 기능을이용하여파일로저장할수있다. 저장한값은필요할때 Open 기능을이용하여불러오도록한다. 35
드론시뮬레이터 Drone Simulator 실습예제 36
6. 실습예제 1 ( 기초비행 : 1.5 초띄운후착륙 ) (1) (2) 1.5 초정도상승 Release 바로 Landing ( 착륙 ) 1.5 초간상승후멈춘다. 입력한셀을동작할때에, 코드론기체의특성상일정시간동안호버링기능이있는 것을감안한다. 프로그램동작예시 1.5 초간올랐다가착륙한다. (1) (2) 37
7. 실습예제 2 ( 기초비행 : 2 초간공중에띄운후착륙 ) (1) (2) (3) 0.5 초정도상승 Release 2 초후에 Landing ( 착륙 ) 드론의움직임보정 위의그림 (3) 에서, 드론이동작후공중에멈춰있지않고, 하강하거나상승할때에는두번째칸 ( UP) 의시간값을 0.1초단위로조절하면드론의움직임이보정된다. 입력한셀을동작할때에, 코드론기체의특성상일정시간동안호버링기능이있는것을감안한다. 프로그램동작예시 0.5 초간상승후, 2 초간공중에떠있다가착륙한다. (1) (2) (3) 38
8. 실습예제 3 ( 기초비행 : 원하는방향으로이동하기 ) (1) (2) (3) 이륙과동시에다양한방향명령을동시에주면곡선으로이동하기가된다. 배터리양과기체상태에따라달라지지만본인의환경에맞는딜레이값을찾아테스트해본다. 입력한셀을동작할때에, 코드론기체의특성상일정시간동안호버링기능이있는것을감안한다. 프로그램동작예시 (1) (2) (3) 39
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