2025年機(jī)器人三級(jí)試題及答案一、理論知識(shí)題（共40分）（一）單項(xiàng)選擇題（每題2分，共10題，20分）1.以下哪種傳感器常用于檢測(cè)機(jī)器人與障礙物之間的精確距離？A.光敏電阻B.紅外避障傳感器C.超聲波傳感器D.溫度傳感器2.步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的主要區(qū)別在于：A.步進(jìn)電機(jī)無(wú)反饋，伺服電機(jī)有反饋B.步進(jìn)電機(jī)功率更大C.伺服電機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)D.步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)速度更快3.在機(jī)器人路徑規(guī)劃中，A算法的核心是：A.優(yōu)先探索距離起點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)B.結(jié)合啟發(fā)式函數(shù)估計(jì)目標(biāo)距離C.僅依賴全局地圖信息D.適用于動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境4.以下哪種通信協(xié)議常用于機(jī)器人內(nèi)部傳感器與主控板的短距離高速數(shù)據(jù)傳輸？A.RS-232B.I2CC.藍(lán)牙D.4G5.機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度指的是：A.關(guān)節(jié)可旋轉(zhuǎn)的最大角度B.關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方向數(shù)量C.關(guān)節(jié)的最大負(fù)載能力D.關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型6.若需要機(jī)器人識(shí)別紅色物體，應(yīng)優(yōu)先選擇以下哪種傳感器組合？A.超聲波傳感器+溫濕度傳感器B.顏色傳感器+攝像頭C.陀螺儀+加速度計(jì)D.激光雷達(dá)+紅外測(cè)距儀7.以下關(guān)于PID控制的描述，錯(cuò)誤的是：A.P（比例）環(huán)節(jié)用于減少穩(wěn)態(tài)誤差B.I（積分）環(huán)節(jié)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差C.D（微分）環(huán)節(jié)用于抑制超調(diào)D.PID參數(shù)需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試優(yōu)化8.輪式機(jī)器人的差速轉(zhuǎn)向是通過控制：A.左右輪轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向B.前輪轉(zhuǎn)向角度C.后輪驅(qū)動(dòng)方向D.四輪同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)9.以下哪種執(zhí)行器適合需要高精度位置控制的機(jī)器人關(guān)節(jié)？A.直流電機(jī)B.舵機(jī)C.步進(jìn)電機(jī)D.液壓推桿10.機(jī)器人坐標(biāo)系中，基坐標(biāo)系通常固定在：A.機(jī)器人末端執(zhí)行器B.機(jī)器人底座C.環(huán)境中的固定物體D.移動(dòng)平臺(tái)的重心（二）判斷題（每題1分，共10題，10分）1.激光雷達(dá)（LiDAR）通過發(fā)射并接收激光脈沖來(lái)構(gòu)建環(huán)境地圖。（）2.機(jī)器人的自由度越多，其運(yùn)動(dòng)靈活性一定越強(qiáng)。（）3.紅外傳感器易受環(huán)境光干擾，超聲波傳感器不受光線影響。（）4.藍(lán)牙通信的傳輸距離比Wi-Fi更遠(yuǎn)。（）5.伺服電機(jī)的閉環(huán)控制依賴編碼器反饋位置信息。（）6.機(jī)器人路徑規(guī)劃中的“避障”僅需考慮靜態(tài)障礙物。（）7.舵機(jī)的控制信號(hào)通常為PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)。（）8.慣性測(cè)量單元（IMU）可同時(shí)檢測(cè)加速度和角速度。（）9.機(jī)器人的“正運(yùn)動(dòng)學(xué)”是根據(jù)關(guān)節(jié)角度計(jì)算末端位置，“逆運(yùn)動(dòng)學(xué)”是根據(jù)末端位置求解關(guān)節(jié)角度。（）10.為降低機(jī)器人能耗，應(yīng)盡可能選擇高功率密度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。（）（三）簡(jiǎn)答題（每題5分，共2題，10分）1.簡(jiǎn)述機(jī)器人使用多傳感器融合的意義，并舉例說明兩種常用融合方法。2.說明輪式機(jī)器人“打滑”對(duì)定位精度的影響，并提出兩種解決方案。二、編程操作題（共30分）任務(wù)描述：設(shè)計(jì)一個(gè)基于Arduino的巡線避障機(jī)器人，要求實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）沿黑色引導(dǎo)線（寬度3cm，鋪設(shè)在白色地面）直線行駛；（2）當(dāng)檢測(cè)到前方50cm內(nèi)有障礙物時(shí)，停止并發(fā)出蜂鳴器警報(bào)；（3）障礙物移除后，繼續(xù)巡線行駛。硬件配置：ArduinoUNO主板、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、雙輪直流電機(jī)（帶編碼器）、TCRT5000紅外巡線傳感器（2個(gè)，左右對(duì)稱安裝）、HC-SR04超聲波傳感器（1個(gè)，前方安裝）、有源蜂鳴器（1個(gè)）。要求：寫出完整的Arduino代碼（需包含注釋），并說明關(guān)鍵模塊的參數(shù)設(shè)置邏輯。三、綜合應(yīng)用題（共30分）任務(wù)背景：某社區(qū)需設(shè)計(jì)一款智能垃圾分類機(jī)器人，用于小區(qū)公共區(qū)域的垃圾自動(dòng)分類投放。機(jī)器人需完成以下流程：（1）自主移動(dòng)至垃圾桶區(qū)域（垃圾桶分為可回收、廚余、有害、其他四類，位置固定）；（2）識(shí)別用戶投放的垃圾類型（支持塑料瓶、果皮、電池、紙巾四類）；（3）將垃圾投放至對(duì)應(yīng)垃圾桶；（4）具備低電量自動(dòng)返回充電樁充電功能。設(shè)計(jì)要求：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)：需包含移動(dòng)平臺(tái)、垃圾抓取裝置、垃圾暫存?zhèn)}；（2）傳感器系統(tǒng)：需覆蓋定位、環(huán)境感知、目標(biāo)識(shí)別；（3）控制邏輯：需包含路徑規(guī)劃、目標(biāo)檢測(cè)、動(dòng)作執(zhí)行、電量管理；（4）寫出具體設(shè)計(jì)方案（包含硬件選型、軟件流程、關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)）。答案一、理論知識(shí)題（一）單項(xiàng)選擇題1.C2.A3.B4.B5.B6.B7.A8.A9.C10.B（二）判斷題1.√2.×（自由度多可能導(dǎo)致控制復(fù)雜度增加，靈活性還與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)）3.√4.×（Wi-Fi傳輸距離通常更遠(yuǎn)）5.√6.×（需考慮動(dòng)態(tài)障礙物）7.√8.√9.√10.√（三）簡(jiǎn)答題1.意義：多傳感器融合可彌補(bǔ)單一傳感器的局限性（如視覺易受光照影響，激光雷達(dá)成本高），提高信息的可靠性和全面性。常用方法：（1）卡爾曼濾波：通過預(yù)測(cè)-更新步驟融合多源數(shù)據(jù)（如IMU與GPS的定位融合）；（2）貝葉斯估計(jì)：基于概率模型融合傳感器數(shù)據(jù)（如多攝像頭目標(biāo)跟蹤）。2.影響：輪式機(jī)器人通過編碼器計(jì)數(shù)推算位移，若車輪打滑，實(shí)際移動(dòng)距離與編碼器計(jì)數(shù)不一致，導(dǎo)致定位誤差累積。解決方案：（1）增加輔助定位傳感器（如激光雷達(dá)或視覺SLAM）修正位置；（2）使用防滑輪胎或增加輪與地面的摩擦力（如粗糙輪面、加重底盤）；（3）在控制算法中加入打滑檢測(cè)（如比較編碼器速度與IMU加速度積分速度），檢測(cè)到打滑時(shí)觸發(fā)修正。二、編程操作題```cppinclude<Servo.h>//若使用舵機(jī)需包含，此處可省略include<Ultrasonic.h>//超聲波庫(kù)，需提前安裝//定義引腳defineLEFT_SENSORA0//左紅外巡線傳感器defineRIGHT_SENSORA1//右紅外巡線傳感器defineTRIG_PIN2//超聲波觸發(fā)引腳defineECHO_PIN3//超聲波接收引腳defineBuzzer4//蜂鳴器引腳defineIN15//電機(jī)驅(qū)動(dòng)IN1（左電機(jī)正轉(zhuǎn)）defineIN26//電機(jī)驅(qū)動(dòng)IN2（左電機(jī)反轉(zhuǎn)）defineIN37//電機(jī)驅(qū)動(dòng)IN3（右電機(jī)正轉(zhuǎn)）defineIN48//電機(jī)驅(qū)動(dòng)IN4（右電機(jī)反轉(zhuǎn)）Ultrasonicultrasonic(TRIG_PIN,ECHO_PIN);//初始化超聲波對(duì)象intobstacle_flag=0;//障礙物檢測(cè)標(biāo)志voidsetup(){pinMode(LEFT_SENSOR,INPUT);pinMode(RIGHT_SENSOR,INPUT);pinMode(Buzzer,OUTPUT);pinMode(IN1,OUTPUT);pinMode(IN2,OUTPUT);pinMode(IN3,OUTPUT);pinMode(IN4,OUTPUT);Serial.begin(9600);//串口調(diào)試}voidloop(){//第一步：檢測(cè)障礙物longdistance=ultrasonic.read();//單位：厘米if(distance<50&&distance>0){//有效距離范圍0-50cmobstacle_flag=1;digitalWrite(Buzzer,HIGH);//蜂鳴器報(bào)警stopMotor();//停止電機(jī)}else{obstacle_flag=0;digitalWrite(Buzzer,LOW);//關(guān)閉報(bào)警}//第二步：若無(wú)障礙物，執(zhí)行巡線if(!obstacle_flag){intleft_val=analogRead(LEFT_SENSOR);//讀取左傳感器值（白色地面值大，黑色?。﹊ntright_val=analogRead(RIGHT_SENSOR);//巡線邏輯：黑色閾值設(shè)為500（需實(shí)際校準(zhǔn)）if(left_val<500&&right_val<500){//雙傳感器均檢測(cè)到黑線（直線段）runStraight();}elseif(left_val>=500&&right_val<500){//左傳感器偏離（向右偏）turnLeft();}elseif(left_val<500&&right_val>=500){//右傳感器偏離（向左偏）turnRight();}else{//雙傳感器均偏離（可能丟失引導(dǎo)線）stopMotor();Serial.println("Lostline!");}}delay(100);//主循環(huán)延遲}//電機(jī)控制函數(shù)voidrunStraight(){digitalWrite(IN1,HIGH);digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,HIGH);digitalWrite(IN4,LOW);}voidturnLeft(){digitalWrite(IN1,LOW);//左電機(jī)停digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,HIGH);//右電機(jī)轉(zhuǎn)digitalWrite(IN4,LOW);}voidturnRight(){digitalWrite(IN1,HIGH);//左電機(jī)轉(zhuǎn)digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,LOW);//右電機(jī)停digitalWrite(IN4,LOW);}voidstopMotor(){digitalWrite(IN1,LOW);digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,LOW);digitalWrite(IN4,LOW);}```關(guān)鍵參數(shù)說明：（1）超聲波檢測(cè)閾值設(shè)為50cm，需根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景調(diào)整（如兒童活動(dòng)區(qū)可增大至80cm）；（2）紅外巡線傳感器閾值500需通過現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)（白色地面返回值約800-1023，黑色約200-400）；（3）電機(jī)轉(zhuǎn)向邏輯基于L298N模塊接線定義，實(shí)際需根據(jù)硬件連接調(diào)整IN1-IN4的高低電平組合。三、綜合應(yīng)用題智能垃圾分類機(jī)器人設(shè)計(jì)方案1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）移動(dòng)平臺(tái)：采用四輪差速驅(qū)動(dòng)（電機(jī)：直流無(wú)刷電機(jī)+行星減速器，輪徑15cm，適應(yīng)水泥地面）；（2）垃圾抓取裝置：二自由度機(jī)械臂（關(guān)節(jié)1：旋轉(zhuǎn)（0-360°），關(guān)節(jié)2：俯仰（0-90°），末端夾爪：舵機(jī)驅(qū)動(dòng)平行夾爪，最大負(fù)載500g）；（3）垃圾暫存?zhèn)}：4格獨(dú)立倉(cāng)（可回收、廚余、有害、其他），容積0.05m3/格，倉(cāng)門由微型舵機(jī)控制開合。2.傳感器系統(tǒng)（1）定位：GPS（戶外）+UWB（室內(nèi)）融合定位，精度±10cm；（2）環(huán)境感知：激光雷達(dá)（16線，360°掃描，最大測(cè)距10m）用于建圖與避障；IMU（加速度計(jì)+陀螺儀）用于姿態(tài)穩(wěn)定；（3）目標(biāo)識(shí)別：RGB-D攝像頭（分辨率1920×1080，深度精度±1cm）+顏色傳感器（識(shí)別垃圾顏色特征）；（4）輔助傳感器：電量計(jì)（檢測(cè)電池剩余容量）、接觸式傳感器（夾爪檢測(cè)是否抓取成功）。3.控制邏輯設(shè)計(jì)（1）路徑規(guī)劃：基于SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）生成全局地圖，使用A算法規(guī)劃至垃圾桶的最短路徑；動(dòng)態(tài)避障采用DWA（動(dòng)態(tài)窗口法）實(shí)時(shí)調(diào)整路徑；（2）目標(biāo)檢測(cè)：攝像頭采集圖像輸入輕量化CNN模型（如MobileNetV3），識(shí)別垃圾類型（塑料瓶、果皮等），顏色傳感器輔助驗(yàn)證（如電池多為黑色/銀色）；（3）動(dòng)作執(zhí)行：機(jī)械臂通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算關(guān)節(jié)角度，夾爪閉合力度由壓力傳感器反饋控制（避免捏碎垃圾）；投