山东大学威海分校愤怒的小车技术报告.docx
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山东大学威海分校愤怒的小车技术报告
第六届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校:
山东大学威海分校
队伍名称:
愤怒的小车
参赛队员:
杜涛
闫扬
阎晓宁
带队教师:
王小利
郑亚民
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定,即:
参赛作品著作权归参赛者本人,比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料,并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。
参赛队员签名:
带队教师签名:
日期:
引言
该智能寻迹小车以MC9S12单片机最小系统为核心,辅以电源模块、传感器模块、舵机控制模块、电机控制模块、速度控制模块和运行调试模块,通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测。
采用Q值高、灵敏度好、易于购买的工字电感感应电磁场信号,通过信号调理电路滤波放大后输入单片机AD口,单片机通过转向控制策略与增量式PID算法驱动电机速度与舵机转角,实现路径的检测与识别。
同时通过调整小车的重心、前轮机械结构参数,使小车的制动性、稳定性与行进速度达到最优。
系统属于以能量转换为主,由直流电机输入能量与电机,通过小车不同的运动输出能量,是典型的机电一体化系统。
这份技术报告中,我们小组通过对整体方案、硬件电路、软件算法、机械结构、调试参数等方面进行介绍,详尽地阐述了我们的思想和创意,具体表现了我们在电路的创新设计,以及算法方面的独特想法。
这份报告凝聚着我们的心血和智慧,是我们共同努力后的成果。
关键词:
智能汽车MC9S12电磁
第一章绪论
1.1智能车竞赛背景
汽车作为现代的交通工具,为社会的发展和进步做出了很大的贡献。
现阶段,汽车工业的发展水平和汽车的持有量已经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。
二十一世纪,汽车研究的主要方向是智能化汽车。
专家们普遍认为,新一轮汽车产业竞争的焦点,将是基于信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术等的智能汽车的研究设计开发。
大学生智能模型车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以单片机为核心的大学生课外科技竞赛。
大赛要求使用组委会统一提供的车模,采用飞思卡尔16位单片机MC9S12DG128作为核心控制单元,参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车,在专门设计的跑道上自动识别道路行驶,跑完整个赛道用时最短,而且技术报告评分较高的参赛队就是获胜者。
2006年,我国举办了第一届智能车竞赛。
首届比赛采用MC9S12DG128作为主控芯片,相比于MC9S12DP256有256K的程序存储空间,MC9S12DG128只有128K程序存储空间。
赛车模型、舵机和驱动电机与韩国2005年汉阳大学比赛时几乎相同。
首届智能车竞赛共有来自全国57所高校的112支参赛队参加。
随着赛事的逐年开展,竞赛由原先前四届比赛分为摄像头组和光电组外,第五届比赛新增了电磁组,扩大创意组规模;赛道变窄,提高小车控制难度。
1.2智能车比赛意义
全国智能车大赛也就是初步模拟了一个人驾驶汽车的思维和控制过程,智能车比赛就是要求参赛人员能够去进行这样的研究,专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科,以实现让车模能够自动寻迹并自动控制运动,最终实现小车智能化。
该竞赛综合性很强,在提高参赛大学生的动手能力和创新能力的同时,也在一定程度上推动了智能汽车产业的发展与进步。
1.3本文的主要内容及安排
本文首先介绍了研究背景、比赛规则和设计构思。
阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器——MC9S12单片机寄存器资源。
相比于其它类型的单片机,16位的MC9S12的功能更加强大,引脚较多,能够很好地满足智能车控制系统的需要。
通过对智能模型车寻迹方案分析,我们确定使用电磁传感器作为识别路线的手段进行线路寻迹。
单片机内部的A/D转换器把采集到的传感器数据转换为离散的数字量,用PID算法控制舵机、电机输出,在保证稳定性的前提下,尽量提高模型车行驶的速度。
速度检测模块实现速度的闭环控制,提高模型车运行的稳定性。
本文的第一章为绪论。
第二章是介绍了整体方案的设计,简要介绍了针对特定路线的控制思想和策略。
第三章是智能车机械结构的调整,包括舵机的安装调整、车体重心的调整、前轮定位的调整、齿轮传动机构的调整、后轮差速机构的调整。
第四章是智能车系统的硬件设计,包括路径检测传感器的选用、速度检测传感器的设计、MCU控制模块的设计、驱动模块的设计、电源模块的设计、显示模块的设计。
第五章分析了软件系统的设计,包括传感器采集、归一化和线性化拟合和整体路径识别策略分析及控制算法的介绍。
第六章是对系统调试的介绍。
第七章是总结。
第二章整体方案设计
本章简要地介绍了智能车系统总体方案的选定和总体设计思路,在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。
2.1系统总体方案的选定
本设计是一个典型的机电一体化系统。
机电一体化又称机械电子学,字面上表示机械学与电子学两学科的综合。
其特征是给“机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制),因此是一个要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。
机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统五个子系统组成。
图2.1机电一体化结构图
智能模型车是典型的机电一体化结构,单片机通过传感器采集路面信息,通过算法控制电机、舵机运行,以达到寻迹的目的。
系统属于以能量转换为主,输入能量和信息,输出不同形式能量的系统。
其中由直流电机输入能量,输出的能量是小车的运动。
2.2设计构思
制作智能车,需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件和在线开发手段,以飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128作为核心控制单元,自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器控制软件的编程等。
系统结构简图见图2.2,图中箭头方向表示信号传递方向。
图2.2系统结构简图
2.2.1单片机控制模块
系统核心为单片机最小系统,是数据采集和输出控制的最重要的部分。
单片机最小系统以MC9S12XS128单片机为核心,主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口等。
通过丰富的I/O接口和内部强大的数据处理能力,实现信号采集和系统控制。
2.2.2电源模块
整个设计中,电源采用7.2V电压、2000mAh电池容量、Ni-cd镍镉蓄电池作为系统能源。
电源模块是系统的能量来源,它分别向电机、舵机、传感器模块和单片机模块提供独立的电源,防止相互之间的电源干扰。
2.2.3传感器模块
传感器模块包括路径传感器、速度传感器和起点检测传感器。
路径传感器以电磁传感器阵列为核心,用安装在智能车车头支架上的电磁感应线圈,检测赛道黑线下通有20kHz交流电流的导线所产生磁场的磁感应强度和方向,通过信号选频放大检波后,送入单片机进行AD转换。
单片机对采集的信息进行处理,通过算法优化和PID控制运行调试。
速度检测传感器是电机闭环控制中的重要部分,在传感器选型上,充分考虑了传感器的精度、控制延时、体积和重量等方面。
在满足系统要求的基础上,以简化结构为主要条件,选择合适的速度检测传感器,并设计了相应的硬件电路。
起点传感器为一组干簧管组成的阵列,利用干簧管在磁场中通电导通的性质,通过检测安放在起点处的强力磁铁的磁性而判断当前车辆所跑过的圈数,同时判断比赛是否完成。
2.2.4舵机控制模块
舵机是模型车转向的控制对象,舵机控制模块利用转向控制策略,判断车体与漆包线的位置关系,改变输出转角实现模型车车轮的转向,以控制智能车前进方向。
2.2.5电机控制模块
电机是模型车的动力源。
直流电机驱动模块接收速度控制信号,驱动芯片采用由MOS管搭建的H桥作为驱动,利用速度控制策略,控制电机正反转,以控制智能车前进与后退。
2.2.6速度测量模块
速度测量模块包括无线串口模块、LED显示等,为模型车参数确定提供试验条件。
速度检测模块通过光电编码器实时测量智能车车速,用于系统车速的闭环控制,以精确控制车速。
2.2.7运行调试模块
运行调试模块采用Metroworks公司的CodeWarriorIDE软件集成运行环境作为开发工具对飞思卡尔的MC9S12XS微控制器进行软件开发。
并且通过CodeWarriorIDE的在线调试工具,对传感器不同排布的特性进行详细的了解,并辅助制定控制策略。
经过多次试跑可以得到小车运行参数,包括运行速率、传感器探测值、输出转向值、输出速度值等,然后将运行参数发送至电脑,在电脑上运用matlab作图分析。
第三章智能车机械结构调整
在智能车比赛中,最主要的比赛内容是速度和稳定性,而模型车的机械结构无疑是影响速度和稳定性的关键因素之一。
因此我们对模型车的机械结构做了大量的调整,使其达到理想的效果。
车模主要机械参数见表3.1。
.
图3.1B型车模
项目
参数
车模几何尺寸(长、宽、高)(毫米)
650mm250mm150mm
车模轴距/轮距(毫米)
轴距200mm轮距135mm
电机型号
540
伺服器型号
S-A6
车模平均电流(匀速行驶)(毫安)
700mA
车模重量(带有电池)(千克)
1.8kg
表3.1车模主要机械参数
3.1车体重心的调整
汽车重心是指汽车重力的作用点,汽车重心的位置会影响汽车的动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性、通过性和舒适性等重要特性。
通过物理知识可知,为了保证智能汽车在高速入弯时不发生侧翻,重心越低越好。
所以,我们在安放主控电路板的时候尽可能的低。
且为减轻车体重量,绘制PCB板以小巧、简洁为重要指标。
同时,使用轻便的碳素杆固定前置传感器装置杠杆,使用亚克力板(有机玻璃)制作固定装置,在满足刚性要求的同时,减轻车体重量。
关于重心前后位置的调整,根据汽车理论,车体重心前移,会增加转向,对模型车制动性和操纵稳定性有益,但是降低转向的灵敏度,同时降低后轮的抓地力;重心后移,会减少转向,但是增大转向灵敏度,后轮抓地力也会增加,对模型车动力性能有益。
通过大量实验,我们发现:
将车体重心调整到中间偏前的位置,智能车的各项性能均较好。
3.2智能车前轮参数调整
在小车过弯时,转向舵机的负载会因为车轮转向角度的增大而增大。
为了尽可能降低转向舵机的负载,我们对前轮的安装角度,即前轮定位进行了调整。
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性,转向轻便和减少轮胎的磨损。
前轮参数主要定位参数包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束四个内容。
3.2.1主销后倾角
当站在车身左侧,观察车的左前轮,我们会发现主销是向后倾倒的。
这样做的主要目的是为了让主销的延长线与地面的交点在车轮触地点的前面。
这种设计是为了使车轮在滚动的过程中保持稳定,不致左右摇摆。
主销后倾角越大,车速越高,车轮偏转后自动回正力也就越强;但同时回正力矩过大,将会引起前轮回正过猛,加速前轮摆振,并使转向沉重。
通常后倾角为1°-3°,如图3-2所示。
图3.2主销后倾
3.2.2主销内倾角
主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角成为主销内倾角,即从车前后方向看轮胎时,主销轴向车身内侧倾斜的角度。
举一个生活中的例子:
就像高速运动的滑冰运动员,当在拐弯的时候会向所转向的方向倾斜,学过物理的人都知道,这是为了加大向心力,减小侧滑。
但主销内倾角过大时,会使汽车转向时轮胎与地面产生较大滑动,使转向沉重,还将加速轮胎磨损。
通常主销内倾角不大于8°。
图3.3主销内倾角
3.2.3车轮外倾角
除了上述的主销后倾和内倾两个角度以保证汽车稳定直线行驶外,车轮中心平面也不是垂直于地面的,而是向外倾斜一个角度,称为车轮外倾角。
当车轮上下跳动时,车轮平面没有倾斜,发生侧滑的可能性较大。
调试过程中主要调节了前轮的外倾角,通过车轮中心的车轮横向平面与车轮平面的交线和地面垂线之间的夹角称为前轮外倾角。
从前后方向看车轮时,轮胎并非垂直,而是稍微倾倒呈现“八”字形张开,称为负外倾,而反向张开呈“V”字形时称为正外倾。
前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套、轴承等处理的装配间隙,使车轮接近垂直路面滚动而滑动,同时减小转向阻力,使汽车转向轻便。
图3.4前轮外倾角
3.2.4车轮前束
车轮有了外倾以后,在滚动时就会导致两侧车轮向外滚开。
由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开,于是车轮在无法按照自己的预想轨迹滚动的情况下,势必产生横向滑动,从而加重了轮胎的磨损。
为了消除这种不良影响,在安装车轮时,使汽车两前轮并不平行,俯视车轮,会发现两前轮就象人的内八字脚一样。
这称为车轮前束。
图3.5车轮前束
3.3舵机安装
舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节,为了减小此时间常数,通过改变舵机的安装位置可以提高舵机的响应速度。
经过实验分析,我们将舵机立起来安装在车的中轴线上,舵机连接杆与转向摇臂在水平方向连接,从而使舵机大部分力臂用于转向;同时将舵机前置,使其重心基本保持在前轮轴距上,增加了车头重量,为转向提供了足够大的摩擦力。
并且我们加长了舵机的连接杆,利用增大力臂长度,可提高线速度的原理,使舵机输出力臂增加,即让舵机转动一个小角度即可使前轮转动大角度,可更好的满足舵机灵敏度,利于小车转向。
图3.6舵机安装
3.4齿轮传送机构的调整
车模后轮采用RS385S电机驱动,由竞赛主办方提供。
齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。
调整的原则是:
两传动齿轮轴保持平行,齿轮之间的配合间隙要合适,过松容易打坏齿轮,过紧又会增加传动阻力,浪费动力;传动部分要轻松,顺畅,容易转动,不能有卡住等现象。
判断齿轮传动是否调整好的依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。
声音刺耳响亮,说明齿轮间的配合间隙过大,传动中有撞齿现象;声音闷而且有迟滞,则说明齿轮间的配合间隙过小,或者两齿轮轴不平行,电机负载加大。
调整好的齿轮传动噪音小,并且不会有碰撞类的杂音。
第四章智能车硬件部分
智能车系统主要分为以下几个部分:
中央处理器单元、路经检测单元、速度检测单元、直流电机驱动单元、舵机驱动单元、调试电路单元、电源单元等。
4.1路经检测传感器设计
路径检测传感器是针对于特种路线识别的传感器,工业上应用与自动导引小车(AutomaticGuidedVehicles)的定线寻迹。
电磁车要检测的赛道环境是由通有20kHz、100mA交变电流的导线所产生的电磁场。
经过前述理论分析可知,采用线圈作为传感器有很强的适应能力,能够满足电磁场检测的要求,并且容易实现,比较适合检测变化的电磁场。
根据传感器总体结构图,设计传感器电路图包括LC串联谐振电路感应电磁场信号,经过后级放大电路放大弱小信号,通过半桥检波和低通滤波器后输出直流信号。
4.1.1探头部分
电感使用市场上比较方便购买的工字形电感,这类电感体积小,Q值高,具有开放的磁芯,可以感应周围交变的磁场。
如图4.1所示。
图4.1LC电路
使用LC串并联电路实现选频,中心频率为:
(公式4.1)
从公式中可以看出,在频率一定的情况下电感与电容成反比,减小电容容量可以增加谐振电感的容量,从而使分布电容相对于谐振频率影响较小。
但是这样会降低谐振电路的Q值,减小系统的灵敏度。
折中之后,最终选定参数:
L=10mH,C=6.3nF(故电容最终选择市面上最接近的6.8nF)。
整车效果图如图4.2所示:
图4.2整车效果图
4.1.2放大调理电路
本方案使用三个10mH电感置于车模头部作为小车位置的传感器。
使用下图(图4.3)模拟电路对电感得到的电动势信号进行采集、模拟、放大。
该电路采用电压并联负反馈电路,采用电感和电容谐振放大感应电动势。
使用三极管进行放大后,利用肖特基二极管检波后送入MCU进行AD转换。
图4.3放大调理电路
4.2速度检测传感器设计
在智能车竞速系统中,速度控制是至关重要的一个步骤,无论是直道加速还是弯道减速,都涉及到对电机速度的检测,而对电机转速的检测则有多种方法。
4.2.1速度检测传感器选择与安装
速度传感器常见的有以下三种方案:
方案一:
霍尔传感器。
霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压经过信号变换器整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。
方案二:
光电编码盘。
在后轮齿轮传动上粘贴一个黑白相间的光码盘,通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。
方案三:
测速发电机。
输出电动势与转速成比例的微特电机。
改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。
在被测机构与测速发电机同轴联接时,只要检测出输出电动势,就能获得被测机构的转速。
通过比较以上三种,我们测速装置采用一个小型的欧姆龙E6A2-CWZ3C旋转编码器。
电机转动时带动传动盘转动,测速装置就产生一系列脉冲,把这一系列的高低电平送到单片机的ECT接口,单片机捕捉到这一系列高低电平的上升沿和下降沿。
通过累积到一定时间内的脉冲个数,可以计数出相应的速度值。
编码器示波器输出波形如图4.4,安装方式如图4.5。
图4.4编码器示波器输出波形
图4.5编码器安装
4.2.2速度检测传感器电路设计
测速传感器通过与主驱动电机的啮合得到当前电机的转速,然后通过内置的光电编码盘输出占空比可调的TTL电平。
图4.6中的三端精密可调电阻用于控制输出信号中的占空比,在调出最满意的波形信号之后电路的输出端就能输出TTL电平,然后通过MCU的计数器直接计算累加的脉冲数量(单位时间内累计的脉冲数量与电机转速成正比)。
图4.6速度检测传感器设计
4.3起始线检测模块设计
按照比赛规则要求,跑完一圈后赛车需要自动停止在起始线之后三米之内的赛道内。
如图4.7所示,起始线是导引线两边的长度10cm的黑色线,起始线中间安装有永久磁铁,每一边各三只。
磁铁参数:
直径7.5-15mm,高度1-3mm,表面磁场强度3000-5000Gs。
图4.7赛道起始线示意图
针对上述要求,利用干簧管设计起始线检测电路如图4.8。
干簧管是磁机械效应的磁场传感器,其内部是一个常开触点开关,在磁场强度超过其阈值时,开关闭合。
智能车中使用六个干簧管并联为“线或”关系,任何一个干簧管检测到磁铁,GGAN端都会输出正脉冲,引发中断程序使赛车停车。
图4.8干簧管电路图
4.4MCU控制模块
控制模块主体是单片机MC9S12XS128最小系统,主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口等。
S12XS产品满足了用户对设计灵活性和平台兼容性的需求,并在一系列汽车平台上实现了硬件和软件可重用性。
图4.9S12XS128核心控制板实物图
4.4.1MCU控制模块电路设计
MCU最小系统包括其5V电源输入电路、时钟电路、复位电路、RS232电平转换电路、BDM调试电路等。
MCU内部最高总线速度为40MHz
本设计在最小系统的基础上,开发设计了外围电路,包括传感器采集电路、驱动电路、调试电路、电源电路、显示电路等。
图4.103.3V电源无线模块
图4.11BDM调试接口电路
图4.12单片机最小系统板
4.5驱动模块设计
在往届比赛中,绝大多数队伍采用的方案是通过并联多片MC33886驱动芯片提高电机的驱动能力。
但是由于设计电路的不合理性使得流过多片MC33886驱动芯片的电流不均匀,经常出现一片过流,而另外的没有满载的情况。
我们采用由MOS管搭建而成的H桥电路来提高整体电路的驱动能力。
通过单片机输出占空比可调的脉冲信号,控制MOSFET导通时间实现对电机转速的控制。
这样电路的内阻很小,而且允许通过的电流很大,可以提供很强的驱动能力。
图4.13电机驱动H桥电路图
4.6电源模块设计
电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。
设计中,除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外,还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
图4.14电源分配图
4.6.15V供电电源
5V电压用来供给MC9S12单片机、串口、传感器驱动等,因此采用LM2941的稳压芯片。
LM2941具有大电流、低功耗、电路简单可靠的优点。
图4.155V数字、模拟供电电路
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第五章智能车软件部分
高效稳定的软件程序是智能车平稳快速寻线的基础。
本智能车采用工字电感线圈作为寻迹传感器,传感器数据处理就成为了整个软件系统的核心内容。
在智能车的转向和速度控制方面,我们使用的是经典的PID控制算法,配合使用理论计算和实际参数补偿的方法,使在寻迹中智能车达到了稳定快速的效果。
5.1MC9S12XS128片内资源简介
MC9S12XS微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机,包括16位中央处理器、128KB的Flash存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、3个增强型CAN总线接口。
同时,单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。
图5.1MC9S12XS128片内资源
在整个系统设计中,用到了6个单片机基本功能模块:
PWM输出模块、ECT模块、AD模块、串口通信模块、外部中断模块以及普通I/O模块。
根据系统实际需求,对各个模块进行了初始化配置,通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写,实现相应的功能。
5.2智能车控制系统总体方案
软件设计时控制系统的核心,在具有良好的硬件基础上,好的算法才能充分发挥作用,粗略思想则更进一步决定了比赛的成绩。
算法上的灵活运用可以用来弥补硬件上的一些不足,所以硬件基础和策略算法是相辅相成的,最终目的是实现算法和硬件的相协调。
磁导航智能车系统的控制算法及软件设计由以下几个部分组成:
路径识别检测、速度检测、PWM电机控制算法、速度控制策略、控制舵机的转向控制策略等。
道路检测由电感传感器完成,其中使用了MC9S12XS128的ATD模块。
电机、舵机驱动和测速部分使用了单片机的PWM模块、SPI模块和外部中断等。
小车主程序框图如图5.2。
图5.2主程序框图
控制策略的选择对智能小车的行驶性能也是至关重要的。
速度固然越快越好,但也要使小车能够平稳完成比赛。
譬如,直道入弯前速度需要减慢,以免冲出赛道;而从弯入直时则应让小车加速,在直道上能以较高速度完成。
5.3整体程序流程图
图5.3整体程序流程图
图5.4中断程序流程图
5.4路径识别模块软件设计
路径识别是智能小车的核心内容,是决定小车能否顺利完成比赛的关键部分。
路径识别模块将智能车前端电感传感器对20kHz交变电磁场的采样值进行处理,并将所得出的值控制舵机转向与电机转速。
路径
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