幾種多旋翼式無人機(jī)精確空間定位方式的討論

雍　巍（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,南京　211156）

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幾種多旋翼式無人機(jī)精確空間定位方式的討論

雍巍
（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,南京211156）

摘 要：多旋翼式無人機(jī)的起飛和降落對場地的要求較低，可以適用于各種空間環(huán)境中。無論應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行哪項(xiàng)工作，進(jìn)行空中定位懸停這一基本的飛行姿態(tài)總是不可或缺的。無論是在起始階段的待命狀態(tài)，工作階段的監(jiān)控狀態(tài)，或是結(jié)束階段的回收狀態(tài)，無人機(jī)都需要以完成定位懸停飛行姿態(tài)為基礎(chǔ)。在如今無人機(jī)正被逐漸應(yīng)用的階段，對其進(jìn)行精確的空間定位方法的研究尤為重要。本文介紹了幾種較為常規(guī)的旋翼無人機(jī)空間定位方案，并在此基礎(chǔ)上提出了一種用于實(shí)現(xiàn)超高精度空間定位的方案，并對幾種方式進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：旋翼式無人機(jī)；定位懸停；討論

1　緒論

無人機(jī)即所謂的無人駕駛飛機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是指不需要飛行員在機(jī)上駕駛，而是利用無線電遙控設(shè)備以及自備的程序控制裝置實(shí)行對飛行器的控制。無人機(jī)在接收到地面?zhèn)鬟_(dá)的遙控信息后，可以完成一些自主控制功能。位于控制站的人員可以通過各種設(shè)備，通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程巡視，監(jiān)控，定位，打擊等操作。如今，隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)了成本低，體積小，重量輕與飛行靈活等特點(diǎn)，越來越多的政府和機(jī)構(gòu)開始關(guān)注起它來。

在本文中所討論的無人機(jī)的定位懸停動(dòng)作，是以多旋翼式無人機(jī)為平臺(tái)的。

定位懸停是指將無人機(jī)固定在預(yù)先設(shè)定的高度位置和水平位置上。這是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需的一個(gè)基本的飛行姿態(tài)。

以最近亞馬遜公司推出的無人機(jī)配送貨物服務(wù)為例，亞馬遜公司所提交的方案細(xì)節(jié)中表示：

（1）無人機(jī)會(huì)直接把貨物送到客戶個(gè)人所在地，并在下單時(shí)啟用定位系統(tǒng)；

（2）無人機(jī)需要特定感應(yīng)器來確定路線以及準(zhǔn)確著陸，比如相機(jī)和紅外感應(yīng)裝置。

在亞馬遜公司所構(gòu)想的無人機(jī)配送貨物方案中，有兩個(gè)關(guān)鍵詞，一是定位系統(tǒng)，二是精準(zhǔn)著陸，而在無人機(jī)定位懸停動(dòng)作的研究中，定位系統(tǒng)是研究的出發(fā)點(diǎn)，精準(zhǔn)著陸是研究可以收獲的成果。可見，幾乎在所有無人機(jī)應(yīng)用中，對精確的定位懸停姿態(tài)控制的研究都是一項(xiàng)十分重要的課題。

2　無人機(jī)的幾種高精度定位方案

現(xiàn)如今，無人機(jī)定位懸停的精度并不高，大疆公司的最新型無人機(jī)Phantom 3可實(shí)現(xiàn)誤差在垂直10厘米，水平1米精度范圍內(nèi)的自動(dòng)懸停，當(dāng)需要更高精度時(shí)，便需要在“專家模式”下手動(dòng)來進(jìn)行微調(diào)。

無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸停實(shí)質(zhì)上便是將其固定在預(yù)先設(shè)定好的高度位置與水平位置上，這也就是說，要實(shí)現(xiàn)懸停這一動(dòng)作，事先讀取自身的位置，即產(chǎn)生一組三維坐標(biāo)這一步顯得至關(guān)重要。比較準(zhǔn)確地確定無人機(jī)的位置信息是無人機(jī)完成定位懸停這一動(dòng)作的前提與基礎(chǔ)。

2.1以GPS模塊為主的定位

2.1.1無人機(jī)GPS定位工作原理

GPS在綜合至少4顆衛(wèi)星的位置信息后，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的空間定位。利用以GPS為中心，輔助以各種傳感器的定位方法是如今無人機(jī)所采用的主流定位方案。無人機(jī)在懸停之前首先需要明確自身的高度信息和水平信息，而在以GPS模塊為主的定位方式中，GPS模塊主要負(fù)責(zé)提供無人機(jī)的水平位置坐標(biāo)，而其高度位置坐標(biāo)一般來講是通過氣壓計(jì)，利用不同高度上大氣壓力的變化來計(jì)算提供。同樣，GPS模塊也可以提供高度信息，但是在主流無人機(jī)上很少使用，因?yàn)榈统杀镜腉PS數(shù)據(jù)的刷新率不高，無人機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致GPS讀取的數(shù)據(jù)滯后，引起高度跌落。

2.1.2差分GPS（DGPS）的應(yīng)用

為了應(yīng)對GPS系統(tǒng)中選擇可用性技術(shù)（Selective availability，SA）造成的誤差，無人機(jī)所搭載的GPS通常利用差分GPS技術(shù)來提高定位精度。GPS的差分技術(shù)有兩種，分別是坐標(biāo)差分技術(shù)與偽距差分技術(shù)。無人機(jī)所搭載的GPS常采用的技術(shù)是偽距差分技術(shù)。該技術(shù)是通過計(jì)算已知點(diǎn)偽距與真實(shí)距離之間差值以修正誤差。所以機(jī)載GPS常需要兩個(gè)接收器同時(shí)接收同一衛(wèi)星組發(fā)出的信號。這種方案的定位精度較高，但對地面設(shè)施有一定要求，不利于快速部署。

2.2運(yùn)用視覺系統(tǒng)的定位

目前出現(xiàn)了較新的定位技術(shù)采用了視覺定位系統(tǒng)，如深圳大疆公司最新型號的無人機(jī)Phantom 3便采用了這種方式。

2.2.1視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所謂的視覺系統(tǒng)定位是指為搭載了攝像頭的無人機(jī)提出的一個(gè)基于影像的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是僅靠機(jī)載攝像機(jī)拍攝提供的圖像數(shù)據(jù)來分析，控制無人機(jī)；二是結(jié)合運(yùn)用慣性測量部件和視覺里程計(jì)，這種結(jié)合工作的視覺系統(tǒng)可以有效地減少系統(tǒng)的工作量，而且可以為無人機(jī)提供更精確的定位。如圖1是結(jié)合各種傳感器的視覺定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

視覺控制在機(jī)器人技術(shù)的研究里是一個(gè)很活躍的領(lǐng)域。而在無人機(jī)的研究中，視覺里程計(jì)被用作幫助實(shí)現(xiàn)飛行器的自主控制。常利用搭載的三維影像幫助提高無人機(jī)的穩(wěn)定性，并指示無人機(jī)與所處環(huán)境中有關(guān)物體之間的相對位置關(guān)系，達(dá)到定位的目的。

2.2.2視覺系統(tǒng)的定位原理

機(jī)載攝像機(jī)的持續(xù)拍攝，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供連續(xù)的圖像幀。在圖像特征匹配的計(jì)算程序中，特征追蹤器從連續(xù)的兩個(gè)圖像幀中獲取自然地標(biāo)信息，并在一對自然特征中測出位移。通過周期性地記錄新特征點(diǎn)，并比較重復(fù)的特征點(diǎn)，便可以測算出各圖像捕捉序列之間用作3D幾何投影的單應(yīng)性矩陣，從而可以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的定位。

2.3無線電加激光定點(diǎn)的高精度定位方案

本文作者構(gòu)想了一種用于定點(diǎn)位的高精度懸停方案。預(yù)想結(jié)合無線電技術(shù)與激光傳感器，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高精度定位懸停。

2.3.1無線電定位

無線電定位是在已知導(dǎo)航臺(tái)的精確位置下，通過接收器對導(dǎo)航臺(tái)所發(fā)出的無線電信號進(jìn)行接收，計(jì)算信號發(fā)出到接收之間間隔的時(shí)間，以處理得到導(dǎo)航臺(tái)至目標(biāo)物之間的相對距離來達(dá)成位置的確定。除了延遲時(shí)間外接收器還會(huì)處理所接收到無線電信號的一系列電參量，比如頻率，相位或振幅，根據(jù)電波傳播的特性，轉(zhuǎn)換得到實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航所需要的數(shù)據(jù)。

但僅通過一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)是不能確定目標(biāo)物體的位置的，通常會(huì)運(yùn)用“幾何原理”來實(shí)現(xiàn)對一點(diǎn)的位置確定。所謂的“幾何原理”是指，當(dāng)接收器只接收一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)所發(fā)出的無線電參量時(shí)，僅僅可以確定目標(biāo)點(diǎn)相對于導(dǎo)航臺(tái)的軌跡線，當(dāng)用兩個(gè)及以上的信號量時(shí)，便可以利用幾何線相交來完成定位的工作。當(dāng)有兩個(gè)導(dǎo)航參量時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)平面上的定位；當(dāng)有三個(gè)及以上的導(dǎo)航參量時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)空間上的定位。

2.3.2激光傳感器

所謂的激光傳感器是指利用激光來實(shí)現(xiàn)測距的傳感器。由于激光具有高單色性，高方向性與抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，對于精確測量技術(shù)來說是很關(guān)鍵的一部分。激光傳感器的工作原理其實(shí)與無線電雷達(dá)是相似的。在發(fā)射器將激光對目標(biāo)物發(fā)射出去后，計(jì)算激光往返的時(shí)間，利用光在空氣中的傳播速度便可以得到與目標(biāo)物之間的距離，便可以實(shí)現(xiàn)精確測高的目的。

一個(gè)激光傳感器常由三部分組成，一是激光器；二是激光檢測器；三是測量電路。激光器可以分為固體激光器，氣體激光器，液體激光器和半導(dǎo)體激光器四種類型。其中半導(dǎo)體激光器是一種比較新型的種類，較成熟的是砷化鎵激光器。該種類的激光器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，比較適合在無人機(jī)上配備。

2.3.3定位實(shí)現(xiàn)方案

無人機(jī)搭載有無線電模塊，半導(dǎo)體式激光器。

A.陸基無線電引導(dǎo)粗定位。無線電模塊負(fù)責(zé)提供一個(gè)第一階段的定位懸停控制信息。利用無線電范圍傳播的特點(diǎn)，可以在一個(gè)范圍內(nèi)對無人機(jī)進(jìn)行初步的引導(dǎo)定位工作。根據(jù)“幾何原理”，預(yù)定地點(diǎn)位置布置三個(gè)導(dǎo)航臺(tái)，無人機(jī)上接收器在接收三個(gè)信號量后實(shí)現(xiàn)其空間上的定位。利用空間散布面積較大的無線電信號，可讓無人機(jī)實(shí)現(xiàn)快速的定位信號截獲而進(jìn)入定位程序。因?yàn)闊o線電波長較大且易受干擾，并不適用于超高精確定位的目的，這時(shí)便需要激光傳感器進(jìn)行第二階段的精確調(diào)整。

B.激光引導(dǎo)高精度定位。由于激光直線傳播的特點(diǎn)，為了簡化設(shè)備，可以預(yù)先安置于所需要進(jìn)行懸停的水平點(diǎn)位處，進(jìn)行垂直高度的測距。考慮到無人機(jī)底部并非整塊平面，存在高度差，這種情況下，如果僅采用單一的信號量提供高度信息，此高度信息必然會(huì)有偏差，并不能保證無人機(jī)中心位置的高度與之相符。而且在單一的信息量下，僅可以提供高度信息，無法二次限制無人機(jī)的水平位置。

考慮到該方面的不足，為了在無線電的基礎(chǔ)上盡可能提高水平方向的精度，安排無人機(jī)上與地面兩個(gè)激光傳感器同時(shí)進(jìn)行測距。地面激光器四周需平坦，而無人機(jī)底置的激光器四周也需要小塊平面以提供測量精度。兩臺(tái)激光器將測量到的高度信號以無線電的形式發(fā)送到終端電腦，控制無人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)的微調(diào)，直到兩信號量達(dá)到一致且符合預(yù)定值后，停止調(diào)整，保持無人機(jī)懸停的飛行狀態(tài)。

安排兩臺(tái)激光器進(jìn)行信號量對比的目的主要有兩個(gè)：

（1）為了確保測量高度與無人機(jī)中心點(diǎn)位距離地面的高度量一致。由于所測高度量有地面距無人機(jī)底部高度與無人機(jī)中心點(diǎn)高度兩方面，此種情況下即使由于粗定位的偏差，使地面激光器是通過與無人機(jī)底部非中心點(diǎn)處構(gòu)成的預(yù)定高度值，這樣機(jī)載激光器數(shù)值必然與預(yù)定值有偏差，不會(huì)結(jié)束定位過程，直至無人機(jī)中心點(diǎn)位距地面高度與預(yù)定值一致。

（2）為了提高二次定位精度，在高度基礎(chǔ)上，進(jìn)行水平修正。無人機(jī)底部設(shè)計(jì)是中心點(diǎn)處相對四周凸起，表面平滑，且凸起處嵌入機(jī)載激光器。這樣當(dāng)兩高度量一致時(shí)，地面激光器采集的高度信息必然為地面相對于無人機(jī)底部凸起平面的距離。當(dāng)?shù)孛婕す馄魉鶞y高度并非距無人機(jī)底部凸起平面距離時(shí)，必然會(huì)有兩個(gè)高度量的不一致，也就是說，雙激光器測距的設(shè)計(jì)，間接限制了無人機(jī)的水平位置。

當(dāng)兩信號量完全一致后，此刻無人機(jī)處于精確點(diǎn)位，完成懸停動(dòng)作。如圖2是該方式實(shí)現(xiàn)的示意圖。

2.3.4利用摩爾斯碼對陸基臺(tái)站的識(shí)別

考慮到在同一地區(qū)放置多個(gè)該種精確定位設(shè)備，無人機(jī)在返航階段可能無法確定某一專屬的定位設(shè)備。為解決該問題，可以嘗試在裝置粗定位階段所用的無線電信號中加入摩爾斯碼，每一架無人機(jī)設(shè)定識(shí)別相應(yīng)裝置的摩爾斯碼，這樣可以進(jìn)一步提高多陸基臺(tái)站情況下多無人機(jī)在返航階段的自動(dòng)化程度，從而實(shí)現(xiàn)在較小區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行高密度的多無人機(jī)起降控制。

2.3.5激光充電技術(shù)

激光充電是美國的洛克希德·馬丁公司與美國激光動(dòng)力公司合作，測試成功的一種新型的充電方式。該技術(shù)初始研究階段的目的便是希望實(shí)現(xiàn)無人機(jī)永久地滯留在空中。洛克希德·馬丁公司與激光動(dòng)力公司對一架美國特種部隊(duì)使用的小型無人機(jī)Stalker進(jìn)行改造，配備了激光充電系統(tǒng)，最后測試發(fā)現(xiàn)，該無人機(jī)的續(xù)航能力提高了2400%。

利用激光充電技術(shù)，在本方案中可以在無人機(jī)利用激光傳感器進(jìn)行第二階段的高精度定位時(shí)發(fā)揮作用，在定位的同時(shí)為無人進(jìn)進(jìn)行電量的補(bǔ)充，從而提高無人機(jī)的續(xù)航能力。

3　不同方案的比較與分析

3.1各定位方案的應(yīng)用性能比較

從可適用的廣泛性來講，GPS定位>視覺系統(tǒng)定位>無線電引導(dǎo)，輔助激光定位。由于GPS信號的全球性，并且只需要接收四顆衛(wèi)星信號便可以完成一個(gè)精度不錯(cuò)的定位，非常的方便。而視覺系統(tǒng)定位受光亮與地形特征的限制，就廣泛性來講，不如GPS定位。最后的無線電引導(dǎo)，輔助激光系統(tǒng)定位，相比于前兩種來講，廣泛性最低，因?yàn)樵摲桨竷H僅適用于某一些特殊的工作任務(wù)中。

從各方案應(yīng)對周圍變化環(huán)境的靈活性來講，視覺系統(tǒng)定位>GPS定位>無線電引導(dǎo)，輔助激光定位。視覺系統(tǒng)定位可以從采集的圖像信息中讀取出無人機(jī)相對于四周物體的方位，就對四周環(huán)境的反應(yīng)靈活性來講，是最高的。GPS定位僅對線路有一個(gè)認(rèn)識(shí)，對四周環(huán)境無法感知，靈活性不高。無線電引導(dǎo)，輔助激光定位的靈活性最低，因?yàn)樵摲桨妇窒抻谀骋活A(yù)定方位實(shí)行定位，并不可做出其它反應(yīng)。

從戰(zhàn)時(shí)可靠性來講，無線電引導(dǎo)，輔助激光定位>視覺系統(tǒng)定位>GPS定位。考慮到戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，多變性，無線電引導(dǎo)，輔助激光定位方案的可靠性最高，因?yàn)樵摲桨甘莾煞N定位階段的結(jié)合，穩(wěn)定，可靠。視覺系統(tǒng)定位由于對環(huán)境的特征度有要求，考慮到戰(zhàn)場炮火引發(fā)的煙霧環(huán)境可能會(huì)對其辨識(shí)度造成干擾，可靠性次之。GPS定位的可靠性最低，因?yàn)閼?zhàn)時(shí)情況下，GPS衛(wèi)星很可能被關(guān)閉，使得該方案失效。

3.2各定位方案的應(yīng)用場合

3.2.1GPS定位

GPS信號的接收易受建筑物，樹木的阻隔而被干擾，并且由于多路徑效應(yīng)，接收機(jī)會(huì)接收到經(jīng)過建筑物或者水面等一系列反射面反射后的干擾信號，使得信號的路徑變長了，偽距產(chǎn)生系統(tǒng)偏差，最后導(dǎo)致定位不準(zhǔn)。由此可以分析出，當(dāng)無人機(jī)的工作環(huán)境處于空曠無遮擋地帶，并且四周水域不算多時(shí)，比如在廣場，田地，沙漠等地區(qū)，GPS定位可以達(dá)到比較好的效果。

GPS定位的定位懸停方式適用于一些對懸停精度要求不是太高的工作任務(wù)，比如對電網(wǎng)情況巡視，監(jiān)控等一些在相對空曠地區(qū)進(jìn)行的任務(wù)。

3.2.2視覺系統(tǒng)定位

由于視覺系統(tǒng)擺脫了需要接收GPS信號的束縛，可以在沒有GPS信號的情況下通過與慣性傳感器等部件的配合，保持無人機(jī)的穩(wěn)定，所以使用該方案的無人機(jī)可以運(yùn)用在一些環(huán)境特征明顯的地區(qū)，如附近有河流，房屋等一些工作環(huán)境中。

最近提出的無人機(jī)送貨物方式，顧客一般居住在小區(qū)之中，而小區(qū)之中房屋林立，對GPS信號的接收有影響，這種情況下，便比較適合運(yùn)用視覺系統(tǒng)幫助定位。并且需要無人機(jī)在封閉空間內(nèi)完成懸停監(jiān)控的任務(wù)，也比較適合通過利用視覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3無線電引導(dǎo)，激光精確定位

根據(jù)該方案高精度，但工作位置固定的特點(diǎn)，比較適合用作無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)前或者執(zhí)行完任務(wù)后的方位待命工作。

比如說現(xiàn)在嘗試的利用無人機(jī)完成農(nóng)藥噴灑任務(wù)的設(shè)想，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到效率問題，一片田會(huì)用到多架無人機(jī)同時(shí)工作，那么在工作完成后，無人機(jī)的回收工作便出現(xiàn)在了面前。如果進(jìn)行人為的一架架進(jìn)行手動(dòng)遙控回收便會(huì)大大增加工作的繁瑣度。此時(shí)在固定點(diǎn)位布置激光傳感器，采用無線電引導(dǎo)，激光定點(diǎn)的方案使無人機(jī)定位懸停達(dá)到回收的目的，便可以大大的提高任務(wù)的自動(dòng)化程度，提高工作效率。并且由于該構(gòu)想方案定位精確的特點(diǎn)，可以避免無人機(jī)在回收過程中在空中發(fā)生碰撞的事故風(fēng)險(xiǎn)。

甚至在作戰(zhàn)時(shí)期，對數(shù)架出外執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)進(jìn)行回收工作時(shí)，同樣可利用無線電引導(dǎo)，激光定點(diǎn)的方案提高戰(zhàn)時(shí)效率與作戰(zhàn)秩序，并且結(jié)合在懸停狀態(tài)下的激光充電能力，可以增加無人機(jī)的續(xù)航能力。如表1是對各定位方式的總結(jié)。

表1　幾種不同定位方案的比較

4　總結(jié)與展望

本文所歸納的三種定位方案，各有特征點(diǎn)，可以滿足不同工作環(huán)境的需求。未來繼續(xù)對無人機(jī)定位方面工作的研究，可以從如下的幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）所運(yùn)用的視覺系統(tǒng)，運(yùn)用攝像機(jī)采集圖像信息，而攝像機(jī)有限的測量范圍，當(dāng)無人機(jī)飛行超過一定高度時(shí)，便不能測算高度信息，要進(jìn)一步研究視覺系統(tǒng)的工作高度，探究與氣壓傳感器測高的結(jié)合方法。

（2）提高控制算法下，無人機(jī)的響應(yīng)速度，以進(jìn)一步增加無人機(jī)響應(yīng)的及時(shí)性。

對本文作者所構(gòu)想的一種運(yùn)用無線電加激光定點(diǎn)的高精度懸停定位方案，在今后的工作中，可以從以下的幾個(gè)方面展開，對該方案進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

（1）為解決同一地點(diǎn)多無人機(jī)懸停時(shí)，對地面裝置的識(shí)別問題，未來的工作中可以嘗試在粗定位階段的無線電信號中，加入摩爾斯碼，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與相應(yīng)的地面裝置的匹配。

（2）當(dāng)今無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)中，能耗是必須考慮的問題之一。為提高無人機(jī)的續(xù)航問題，在本方案第二階段激光引導(dǎo)高精度定位中，可以考慮加入激光充電功能，使得無人機(jī)即使在懸停時(shí)，也可以得到能耗補(bǔ)充，短時(shí)間得以重新投入新工作中。

（3）本文構(gòu)想方案如今最大的不足是需要提前安置地面設(shè)備，這樣設(shè)備安置問題會(huì)造成對工作地點(diǎn)的限制。為解決該不足，在未來的研究工作中，可以從兩方面考慮，一是考慮與其他定位方案的結(jié)合作業(yè)，比如GPS+本方案，視覺系統(tǒng)+本方案等等，二是考慮工作環(huán)境，將本方案拆分作業(yè)，如單無線電方式或者單激光方式。在一些空間廣闊，且對無人機(jī)懸停精度并不是很高的工作中，可以單純使用無線電方案，而在深井等一些狹小區(qū)域的無人機(jī)懸停，則可以省略無線電粗定位階段，單純使用激光方案。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.250