破解山东大学(威海)无线充电车模LED柱的闪烁之谜

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tsinghuazhuoqing 发表于 2022/09/03 00:40:46 2022/09/03
【摘要】 ...

LED显示柱
目 录
Contents
背景介绍
测试方案
测试结果
比赛程序
LED控制软件
LED闪烁与虚亮
总 结

 

01 LED灯柱


1.1 背景介绍

  在博文 线上比赛无线充电组仲裁申请以及检查结果 记录了第十七届智能车竞赛全国总决赛中山魂八队比赛受到参赛队伍质疑的问题。为何受到质疑,主要一个原因来自于网络直播比赛过程中,远程观看山魂八队车模显示电压的 LED 灯柱出现三个一排的点亮以及所发生的的突然变亮和变暗的情况。在 对于山东威海-无线充电组技术报告中的疑问及其回复 给出了山魂八队的技术报告及其相关质疑和回复。特别是技术报告中显示了山魂八队无线充电组 LED 灯柱的硬件 原理图以及循环点亮的程序算法。

  那么,根据上面的技术资料,是否可以重现 LED 灯柱以及显示特性呢? 本文就搭建相应的实验电路进行测试。

▲ 图1.1.1  山大威海无线充电组现场测试过程

▲ 图1.1.1 山大威海无线充电组现场测试过程

1.2 测试方案

  由于只是测试山魂八队 LED 灯柱的显示特性,所以并不完全按照他们的硬件电路进行搭建,而是将其中的显示基本原理保持一致即可。 下面分别给出测试硬件和软件设计方案。

1.2.1 灯柱显示

  根据 第十七届智能车竞赛技术报告-无线充电组-山东大学(威海) 可以知道他们将灯柱中的 15 个 LED 分成5×3 的阵列,每一行由三个 LED 组成,通过一个 MOS 管驱动。 使用一片 Infineon 公司的 LED 专用驱动芯片 TLD2331 来驱动三列。 通过动态扫描的方式完成 15 个 LED 的点亮。

▲ 图1.2.1 山大威海无线组灯柱驱动电路示意图

▲ 图1.2.1 山大威海无线组灯柱驱动电路示意图

  为了简化测试的过程,这里只是在面包板上搭建了前两行 LED 显示灯柱。组成 2×3 的阵列。具体电路如下图所示。

▲ 图1.2.2 在面包板上搭建的两列LED灯柱显示测试电路

▲ 图1.2.2 在面包板上搭建的两列LED灯柱显示测试电路

1.2.2 ESP32平台

  控制信号使用了MicroPython ESP32 平台,相关的技术资料参见 ESP32-S模块转接板设计与实现 。下面是将该接口板的原理图转帖过来。

▲ 图1.2.3  ESP32测试版接口图

▲ 图1.2.3 ESP32测试版接口图

(1)端口配置

  使用其中GPIO32,33,35,26,27分别控制 LED 灯柱的行与列。实际上通过测试发现, ESP32 的所有 GPIO 中,并不是所有的 GPIO 都适合做输出端口,最终使用其中的 32,33,25,27,26 来驱动 LED 灯柱。

(2)软件编程

  根据 MicroPython ESP32 编程文档,控制六个 LED 灯柱闪烁, 闪烁的频率大约是 50Hz。 由于是软件控制,所以实际闪烁频率为 49.73Hz。

from machine                import Pin
import time

led = Pin(5, Pin.OUT)
row1 = Pin(32, Pin.OUT)
row2 = Pin(33, Pin.OUT)
row3 = Pin(25, Pin.OUT)

col1 = Pin(26, Pin.OUT)
col2 = Pin(27, Pin.OUT)

print("Test LED .")

row1.on()
row2.on()
row3.on()

while True:
    col1.on()
    col2.on()

    led.on()
    time.sleep_ms(10)

    col1.off()
    col2.off()

    led.off()

    time.sleep_ms(10)

  
 
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1.3 测试结果

1.3.1 摄像机观察结果

  通过摄像机观察闪烁的灯柱, 可以看到LED灯柱亮度平稳,没有闪烁。这与人眼观察到的现象是相同的。

▲ 图1.3.1  通过摄像机观察到的LED灯柱亮度

▲ 图1.3.1 通过摄像机观察到的LED灯柱亮度

1.3.2 通过手机观察结果

  通过手机观察 LED 灯柱亮度,可以看到 LED 灯柱在闪烁。

▲ 图1.3.2  通过手机观察LED亮度变化

▲ 图1.3.2 通过手机观察LED亮度变化

1.3.3 使用硬件中断

  由于前面利用了软件延迟,所以 LED 闪烁的频率不是准确的 50Hz,下面利用 ESP32 的硬件时钟中断,产生更加准确的 50Hz 闪烁。

(1)实验程序

from machine                import Pin,Timer
import time

led = Pin(5, Pin.OUT)
row1 = Pin(32, Pin.OUT)
row2 = Pin(33, Pin.OUT)
row3 = Pin(25, Pin.OUT)

col1 = Pin(26, Pin.OUT)
col2 = Pin(27, Pin.OUT)

print("Test LED .")

row1.on()
row2.on()
row3.on()

ledcount = 0
flag = 0

def ledflash(_):
    global ledcount,flag

    ledcount += 1
    if ledcount >= 10:
        if flag == 0:
            flag = 1
            col1.on()
            col2.on()
        else:
            flag = 0
            col1.off()
            col2.off()

        ledcount = 0

time0 = Timer(0)
time0.init(period=1, mode=Timer.PERIODIC, callback=ledflash)

while True:
    led.on()
    time.sleep_ms(10)

    led.off()

    time.sleep_ms(10)

  
 
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(2)手机观察现象

  下面是使用手机拍摄的 LED 灯柱亮度闪烁的情况。

▲ 图1.3.3  使用手机拍摄的LED亮度变化

▲ 图1.3.3 使用手机拍摄的LED亮度变化

(3)摄像头观察情况

  下面是使用 HDMI 接口的摄像头拍摄到的 LED 灯柱亮度闪烁的情况。

▲ 图1.3.4  使用HDMI接口的摄像头拍摄的LED亮度变化情况

▲ 图1.3.4 使用HDMI接口的摄像头拍摄的LED亮度变化情况

1.3.4 分析结果

  通过上面测试,可以看到 LED 灯柱如果采用高频闪烁的时候, 由于闪烁频率很高,由于视觉暂留现象,人眼看到是平均的亮度。 但是在手机摄像头中,可能观察到的是亮度闪烁的情况。这也解释了在比赛中远程观察到的 LED 灯柱呈现闪烁的情况。

 

02 赛程序


  了说明比赛中山魂八队无线充电队 LED 灯柱的如下奇特现象:

  • 观察到其 LED 灯柱似乎是三个一组同时点亮和熄灭;
  • 在运行中会出现 LED 灯虚亮 的情况;

  下面根据 第十七届智能车竞赛技术报告-无线充电组-山东大学(威海) 中给出的 LED 灯柱控制核心程序进行测试,看是否能够复现出上述现象,并进行解释。

2.1 LED控制软件

2.1.1 山魂八队原始程序

  下面是山魂八队的控制程序。从整体上分为两部分, 前面是设置控制行 MOS 管是否导通,后面部分设置 TLD2331 的三列输出。 根据程序可以知道,GPIO输出为 0 的时候, TLD2331输出高电平。

▲ 图2.1  山魂八队无线充电队LED灯柱控制程序

▲ 图2.1 山魂八队无线充电队LED灯柱控制程序

2.1.2 ESP32测试程序

  在一开始,完全根据上述单片机 C 语言程序的逻辑,编写了对应的 MicroPython 程序进行测试,发现该程序运行后, LED 灯柱点亮时出现问题。

(1)MicroPython测试程序

  下面是测试 MicroPython 程序。

from machine                import Pin,Timer
import time

print("Test LED .")

led = Pin(5, Pin.OUT)

row1 = Pin(32, Pin.OUT)
row2 = Pin(12, Pin.OUT)
row3 = Pin(13, Pin.OUT)

col1 = Pin(26, Pin.OUT)
col2 = Pin(27, Pin.OUT)
col3 = Pin(14, Pin.OUT)

col1.off()
col2.off()
col3.off()

row1.off()
row2.off()
row3.off()

ledcount = 0
flag = 0
voltage_light = 1
column_count = 0

def ledflash(_):
    global ledcount,flag,voltage_light,column_count

    column_count    += 1
    if column_count >= 4: column_count = 0

    light_row       = voltage_light//3
    light_column    = voltage_light%3

    if column_count == 0:
        if light_row >= 0:  col1.on()
        else: col1.off()
    elif column_count == 1:
        if light_row >= 1:  col2.on()
        else: col2.off()
    elif column_count == 2:
        if light_row >= 2:  col3.on()
        else: col3.off()

    if column_count < light_row:
        row1.on()
        row2.on()
        row3.on()
    elif column_count > light_row:
        row1.off()
        row2.off()
        row3.off()
    else:
        if light_column == 0:
            row1.on()
            row2.off()
            row3.off()
        elif light_column == 1:
            row1.on()
            row2.on()
            row3.off()
        elif light_column == 2:
            row1.on()
            row2.on()
            row3.on()
        else:
            row1.off()
            row2.off()
            row3.off()

time0 = Timer(0)
time0.init(period=1, mode=Timer.PERIODIC, callback=ledflash)

while True:
    led.on()
    time.sleep_ms(250)
    led.off()
    time.sleep_ms(250)

    voltage_light += 1
    if voltage_light >= 6:
        voltage_light = 0

  
 
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(2)出现的问题

  上述程序是每隔 0.5 秒,将表示电压的 voltage_light 变量增 1。当到达 6 时返回0。本希望能够看到 LED 灯柱逐步从 1 个 LED 点亮,逐步增加到 6 个 LED 都点亮。但实际运行结果是:

  • 前三个 LED 可以顺序点亮;
  • 但后面三个 LED 则同时点亮;

  这个现象与山大威海无线充电组车模在比赛时表现的状况很相似,他们比赛的时候也是三个 LED 一组同时点亮。

▲ 图2.1.2  . 测试LED灯柱运行状况

▲ 图2.1.2 . 测试LED灯柱运行状况

  下面是山大威海无线车模在对车模法拉电容放电过程,可以看到灯组的高压对应的 9 个 LED 是三个一组进行突然熄灭,最低压 3 个 LED 则是单个逐灯熄灭。从这一点来看, 他们的程序符合上面 MicroPython 复现主程序的逻辑过程。

▲ 图A2.1.3  山大威海无线充电车模放电过程

▲ 图A2.1.3 山大威海无线充电车模放电过程

2.1.3 问题解决

(1)错误分析

  上面错误来源于山大威海编程中的错误。 按照 LED 矩阵扫描原理,每一次只能够选择一个 MOS 管导通,但是按照前面论文中的程序,可以看到随着 voltage_light 增加, 导通的 MOS 管会逐步增多。这就会使得同时点亮的行之间相互干扰。 具体表现上就是除了第一行之外,其它各行的三个 LED 都是同时被点亮。

  比如: 当变量 voltage_light 在 3 ~ 5 之间时, MOS 管 T1,T2 都会导通,这样就会使得前面的 L1 ~ L6 都会被同时点亮。

▲ 图2.1.3 原始程序存在的BUG

▲ 图2.1.3 原始程序存在的BUG

(2)修改代码

  实际上,程序代码可以进行简化,根据 column_count 分别控制 col1,col2,col3 为高电平。 如下面代码所示:

col1.off()
col2.off()
col3.off()
if column_count == 0:   col1.on()
elif column_count == 1: col2.on()
elif column_count == 3: col3.on()

  
 
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(3)运行效果

  将原来的程序进行简化之后,LED灯柱的显示就正常了。随着 voltage_light 变量的增加,灯柱逐步点亮。

▲ 图2.1.4  . 修改后LED灯柱显示效果

▲ 图2.1.4 . 修改后LED灯柱显示效果

2.2 LED闪烁与虚亮

  在前面给出了 LED 灯柱在摄像头中闪烁的情况,下面再对比 LED 灯柱在摄像机和摄像头下不同的闪烁情况。设置 ESP32 测试程序定时器中断的周期为 5ms,那么程序扫描周期为 20ms,与前面测试灯柱闪烁的频率一致。

2.2.1 不同摄像头下的闪烁

(1)摄像机下的图像

  在摄像机下, 可以看到 LED 灯柱亮度是恒定的,看不出任何闪烁的情况。
▲ 图2.2.1  . 摄像机下LED灯柱亮度情况

▲ 图2.2.1 . 摄像机下LED灯柱亮度情况

(2)手机下的图像

  使用手机拍摄 LED 灯柱,可以看到它的亮度出现非常明显的闪烁现象。

▲ 图2.2.2  . 手机拍摄中的LED灯柱闪烁的情况

▲ 图2.2.2 . 手机拍摄中的LED灯柱闪烁的情况

  以上对比可以看到在普通手机摄像头里,对于扫描频率较低的LED灯柱会出现比较明显的闪烁现象。因此,为了避免这种闪烁,最简单的办法就是提高LED矩阵扫描频率,也可以通过修改扫描频率,来避免这种明显的拍频的现象。

2.2.2 虚亮现象

(1)什么是虚亮现象?

  上述程序中,还存在着一个 “虚亮现象”,也就是 LED 灯在未点亮之前会被微弱的点亮。 比如在点亮 LED1,LED2的时候,对应的 LED4,LED5 也会被 “微弱的点亮” 。 下图是截取了测试电路板在点亮 LED1、LED2 的时候,观察到 LED4、LED5 也被点亮的情况。

▲ 图2.2.3 LED灯柱出现虚亮现象

▲ 图2.2.3 LED灯柱出现虚亮现象

  由于测试电路板上的 LED 是依靠 ESP32 的端口驱动,所以输出电流很小。 如果是 TLD2331 驱动,这种虚亮 的 LED 会在瞬间变得非常亮, 根据前面闪烁现象可以知道,在手机摄像头所拍摄到的视频中,这些瞬间点亮的 LED 会被看成点亮的LED。 这种虚亮现象也就能回答在 线上比赛无线充电组仲裁申请以及检查结果 同学提示的疑问,也就是看到过 12 46 8… 这样不连续点亮的情况。

(2)怎么产生的虚亮?

  虚亮问题的产生也是由 山大威海 无线充电队 LED 灯柱程序引起的。原始程序是先对控制输出的 IO 口进行设置,然后再对控制的 IO 口进行设置。问题在于开始设置 IO 口的时候,并没有关闭 IO 口,这样就会在切换 IO 口时,前面打开的 IO 口会点亮后面一行的 LED。这样就会在行列 IO 口改变中间的时候,使得后面一行的 LED 可能会被瞬间点亮。

(3)如何消除虚亮现象?

  实际上只要在每一个进入中断进行 LED 矩阵扫描的时候,先对禁止输出,然后依次设置 IO 和 IO 状态,就可以避免“虚亮” 现象了。下面是修改后的 LED 中断扫描程序。

def ledflash(_):
    global ledcount,flag,voltage_light,column_count

    column_count    += 1
    if column_count >= 4: column_count = 0

    light_row       = voltage_light//3
    light_column    = voltage_light%3

    row1.off()
    row2.off()
    row3.off()
    col1.off()
    col2.off()
    col3.off()
    if column_count == 0:   col1.on()
    elif column_count == 1: col2.on()
    elif column_count == 3: col3.on()

    if column_count < light_row:
        row1.on()
        row2.on()
        row3.on()
    elif column_count > light_row:
        row1.off()
        row2.off()
        row3.off()
    else:
        if light_column == 0:
            row1.on()
            row2.off()
            row3.off()
        elif light_column == 1:
            row1.on()
            row2.on()
            row3.off()
        elif light_column == 2:
            row1.on()
            row2.on()
            row3.on()
        else:
            row1.off()
            row2.off()
            row3.off()

  
 
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  下面是摄像机拍摄到的程序修改后的 LED 灯柱点亮的情况,已经彻底消除了 “虚亮” 的现象了。

▲ 图2.2.4  . 消除虚亮后摄像机拍摄到的LED灯柱情况

▲ 图2.2.4 . 消除虚亮后摄像机拍摄到的LED灯柱情况

 

  结 ※


  能车竞赛山大威海无线充电队伍在远程比赛过程中,视频显示他们的 LED 灯柱出现的奇怪现象,包括有:(1) 三个 LED 同时点亮; (2) 出现 LED 虚亮的现象。 本文根据 山大威海提交的技术报告中的硬件和软件,使用自制 ESP32 电路板,利用 MicroPython 编程,测试了 LED 灯柱电路和控制软件。指出了山大威海技术报告中 LED灯柱控制软件存在的问题,并提出了修改办法。在一定程度上解释了远程比赛视频中出现的错误现象。 特别是虚亮现象,在现场人眼是不易觉察出,但通过摄像头捕捉之后就有可能显示出被超前点亮​现象。这使得远程观看比赛视频中往往会出现显示的电压​突变和虚高现象,从而引起围观​的各种的猜疑。

  比赛虽然结束了,但我们仍然忘不了其中的纷纷扰扰,争争执执。也许其中还有很多秘密我们还不知道,但行胜于言,通实验验数据验证猜测,将会让我们懂得更多,走得更远,也许这正是智能车竞赛令人着迷的地方吧。

  人们总以为眼见为实, 有图有真相。但实际过程中,眼睛看到的未必是实际情况。下面一个动图是在推文 数码内外,天壤之别 显示了某人家监控拍摄到屋檐下小鸟飞行的情况。 为何这个小鸟翅膀不动但能够灵活的左右飞行呢?

▲ 图3.1  飞行中的小鸟

▲ 图3.1 飞行中的小鸟

 
个人一旦成为群体的一员,他很难对他所作所为承担责任,这时每个人都会暴露出自己的自由放纵而不受到约束的一面。群体追求的、相信的从来不是什么真相和理性,而是盲从、残忍、偏执和狂热,只知道简单而极端的感情。—《乌合之众》


■ 相关文献链接:

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公众号(TSINGHUAZHUOQING)留言

  • eggfish :很多时候,可以选择让子弹多飞一会

  • 依落曼燃 :共2条回复
    个人一旦成为群体的一员,他很难对他所作所为承担责任,这时每个人都会暴露出自己的自由放纵而不受到约束的一面。群体追求的、相信的从来不是什么真相和理性,而是盲从、残忍、偏执和狂热,只知道简单而极端的感情。—《乌合之众》

  • 鲨鱼辣椒 :请问一下卓大,那个国赛的盖章文件啥时候发呀

    • 作者: 今天刚刚收到全部国赛成绩数据。明天就会打印发送给自动化学会盖章,然后进行公布。
  • 北海道。 :卓大,rtt创新专项奖有奖杯嘛

    • 作者: 现在已经公布的RTT获奖名单。具体奖品可以根据公布文档中的联系方式联系RT-Thread联系人。
  • Amor fati
    小鸟不动有没有可能是这样:小鸟高速移动是一个频率很大的信号,人脑对这个信号的采样率不够高,造成信号的混叠,进而使得人感知的信号造成失真,形成如此的效果。

  • RANGER :共3条回复
    卓大暗喻我们不长眼睛

  • Formation.  :看完这系列事件后现在不知该如何评价,
    总归还是一句话
    堂堂正正做车,公公正正比赛,坦诚面对质疑,从容正面回应!

  • 惊蛰 :共6条回复
    大晚上的封面真的吓到了

  • lilin :共1条回复
    山威视频已经出来了,不懂小黑子们还在质疑什么🤣

  • DavidLin :卓大这个封面选的很有深意,确实在浪潮之下,有些声音会被群体意识淹没,但是工程师还是以事实为依据进行发言,以技术点亮前路
    我其实对于重庆的那位置顶评论的同学持有一样的看法。其实大家没有站在舆论中心过,所以无法切身感受到这一点(山大威海做没作弊我不知道,我也不是充电组别的,我只是以客观的角度看待与评论这件事)我在校内比赛的时候也被人以一些莫名其妙的理由质疑过,但是学校没有像卓大那样顶着压力力求以证据说话,而是任由舆论生长、扩大。所以,我们队伍因为各种各样的因素以初赛第一名碾压第二名的成绩退出了校赛决赛。所以,我希望各位同窗们(光明正大做智能车的都是同行人)能够像卓大说的那样,工程师以事实为立脚点,而非成为群体意识中裹挟的一部分,去对待我们所尽可能掌握的事实。今天,站在舆论中心的是山大威海充电组,明天也有可能是清白的你我他!如果到那时,你我又该如何面对事实!
    至于山大威海为什么没有被组委会要求重赛,我也按照我愚钝的理解给出我对于卓大大想法的推测:如果根据并不充足的证据(至少在规则的框架下,山大威海充电组所给出的证据是合理的),而顺遂群体意识让一支队伍的重赛的话,那么每一支队伍的明天也会有可能被他人所提出的不够站得住脚的证据要求重赛,而这是不合乎情理的,也是不利于智能车的健康发展的!因此,不让山大威海重赛,更是卓大大对于智能车公平竞赛的维护!

  • :卓大,群体挑战的奖会被组委会盖章吗?

    • 作者: 会公布盖章的获奖名单。
  • 郑福根 :LED的闪屏现象,用手机或摄像机拍摄的话,是否闪屏不是跟哪款摄像头有关,而是跟现场亮度和摄像头在那种亮度下的快门速度有关。
    用手机拍摄LED屏时,如果手机有专业模式,调整快门速度,则可看到LED屏在快门速度较慢时不会闪烁,快门速度较快时,会闪烁。 而如果手机设定了固定快门速度设定最快,比如1/4000,则在室内不会闪烁,在户外如果是阴天也不会闪烁,但在户外阳光下会闪烁。 卓大,如果LED频率调到极限快的速度,是否能保证在阳光下也不会闪烁呢?
    我是在解决一个实际应用需求时碰到这个问题,因为现场使用监控摄像头抓拍LED上的文字(作为证据用),在阳光明媚的情况下,抓拍到的文字总是看不见,或者是字的一小部分。 无论如何调整摄像头的参数和LED屏(车场应用级成品)的频率参数都做不到。 摄像头因为顾及白天和晚上24小时可用,快门参数只能是自动模式。在阳光下极限快是1/4000。 LED屏的极限频率应该是芯片计算速度限制了。
    最终我的应用案例改用了成本更高的液晶屏。 但LED屏有无可能解决这个问题呢?

    • 作者: 1.您提到的LED屏在阳光下闪烁的问题很有趣,我想是否因为有了阳光,使得手机拍摄时电子快门变得更快,使得成像时只获得LED扫描屏幕的 一部分; 3. 对于抓拍到的LED屏,如何使用多张照片进行融合,恢复出LED满屏图案,应该是可以的。 这有一个条件那就是LED显示静态图片。
  • S Zn O :如果可以下次别线上了,还是觉得不是很公平

  • 布丁 :卓大大,您好,我是去年16届参赛的学生,对今年山威无线充电组这个事儿也有一些关注,看大伙儿都不太服气,山威后续也有很多自证,可大家依旧不买账,大家都可劲儿得抓着山威比赛细枝末节来说事儿,山威的比赛成绩是35秒多,排在前面的学校还有好几个,大家都没有去质疑过,但为什么都在质疑山威呢?我认为主要有以下几个原因: 1 当时比赛结束后无法复盘,驱动,接收板都烧掉了且没有备用。这里就基本失去信任了 2 后续没有及时自证,本来就是线上赛,大家都持有怀疑态度,没有及时自证的话只会让事件逐渐发酵。不耍嘴皮子的工程师都是立马拿出最直接的证明。 3 排名公布,山威再没有任何自证文章或者视频的情况下,直接保持了山威35s的成绩,这可能是引爆炸弹的最后一根导火索 至此,无论山威后续如何发言如何自证都无法补救,这时候再站出来讲道理也就讲不通了,而现在,为了不让此事件继续发酵,所以卓大大采取了净化评论区的手段也应该是无奈之举。 下面是一些我个人对于山威无线充电组的一些看法,一个有实力拿到国一的队伍,连点灯这点细节都把握不住的话,说实话我是不太瞧得起的,并且连可以用来直接替换的板子也没有,这也不太符合一个有实力的强队特征,看了看山威的点灯程序,用的最简单的语法拼凑,这也可以看出其软件方面的功底,卓大大对于以上这些应该也深有体会。 最后还是希望智能车竞赛能够越办越好,卓大身体健康万事如意,希望疫情早日过去。

文章来源: zhuoqing.blog.csdn.net,作者:卓晴,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/126637271

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