2025年電子學會青少年機器人技術(五級)等級考試試卷及答案1.單選題（每題2分，共20分）1.在ArduinoUNO中，若將數(shù)字引腳3設置為INPUT_PULLUP，則該引腳懸空時digitalRead(3)的返回值是A.0??B.1??C.隨機??D.高阻答案：B2.下列關于I2C總線的描述，正確的是A.需上拉電阻??B.時鐘由從設備產生??C.最大速率1Mb/s??D.僅需一根數(shù)據線答案：A3.某直流減速電機額定電壓12V，空載電流200mA，堵轉電流2A。若用L298N驅動，芯片每通道最大持續(xù)電流為2A，則驅動兩臺該電機同時滿速正轉時，L298N邏輯供電建議取A.3.3V??B.5V??C.7V??D.12V答案：B4.在ROS2中發(fā)布話題“/scan”數(shù)據類型為sensor_msgs/LaserScan，下列字段必須填充的是A.header.stamp??B.intensities[]??C.range_min>range_max??D.angle_increment=0答案：A5.某四旋翼飛行器質量1.2kg，重力加速度取9.8m/s2，若懸停時總拉力等于重力，則每根旋翼所需平均拉力為A.2.94N??B.3.92N??C.4.90N??D.11.76N答案：A6.在Python3中，語句`print(0b1010^0b1100)`的輸出為A.0b110??B.0b1010??C.0b1100??D.0b110答案：D7.利用超聲波HCSR04測距時，若echo引腳高電平持續(xù)時間為29400μs，聲速取340m/s，則實測距離為A.5cm??B.50cm??C.500cm??D.5m答案：B8.某樹莓派4B已啟用I2C接口，命令`i2cdetecty1`返回地址表，其中“”表示A.地址被占用??B.地址無應答??C.地址保留??D.地址沖突答案：B9.在SolidWorks2022中，對同一零件進行“拉伸切除”與“旋轉切除”的先后次序不同，則最終體積A.一定相同??B.一定不同??C.可能相同??D.軟件報錯答案：C10.下列關于PID位置式與增量式的比較，錯誤的是A.增量式對積分飽和更敏感??B.位置式需記錄歷史偏差和??C.增量式輸出為Δu??D.位置式可直接得執(zhí)行量答案：A2.多選題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.關于MPU6050，正確的有A.集成三軸加速度計??B.集成三軸陀螺儀??C.內置DMP可輸出四元數(shù)??D.僅支持SPI接口??E.供電范圍2.375–3.46V答案：ABCE12.下列措施可提高輪式機器人直線行駛穩(wěn)定性的有A.加入陀螺儀閉環(huán)??B.左右輪獨立PID調速??C.降低重心??D.增大輪胎直徑??E.增加輪胎花紋深度答案：ABC13.在FreeRTOS中，可觸發(fā)任務切換的事件有A.阻塞態(tài)任務超時??B.中斷中調用portYIELD_FROM_ISR??C.更高優(yōu)先級任務就緒??D.調用taskENTER_CRITICAL??E.調用vTaskDelay答案：ABCE14.關于鋰電池1C放電，正確的有A.指1小時放完標稱容量??B.2C電流是1C的兩倍??C.放電倍率越大容量保持率越低??D.與電池內阻無關??E.與容量單位無關答案：ABC15.在RobotOperatingSystem2中，節(jié)點生命周期狀態(tài)包括A.unconfigured??B.inactive??C.active??D.finalized??E.errorprocessing答案：ABCDE3.填空題（每空2分，共20分）16.某步進電機步距角1.8°，驅動器細分數(shù)設為32，則控制器每發(fā)一個脈沖，電機軸轉動________°。答案：0.0562517.若串口波特率115200，數(shù)據位8，停止位1，無奇偶校驗，則每傳輸1字節(jié)需________位幀長度。答案：1018.在OpenCV中，函數(shù)cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2HSV)將圖像從BGR空間轉換到________空間。答案：HSV19.某直流電機編碼器每轉輸出20個脈沖，減速比為1:30，則車輪轉1圈對應輸出________個脈沖。答案：60020.若激光雷達掃描頻率為10Hz，每圈采樣1800點，則數(shù)據更新周期為________ms。答案：10021.在Arduino中，語句`uint16_tval=analogRead(A0);`返回值為0–1023，若參考電壓5V，則分辨率約為________mV。答案：4.8922.某機器人主控為ESP32S3，其ADC最大采樣率為________ksps（官方標稱）。答案：10023.在Gazebo仿真中，模型SD文件中的標簽<inertial>必須包含<origin>、<mass>與________。答案：<inertia>24.若四元數(shù)q=[w,x,y,z]=[0.707,0,0.707,0]，則對應歐拉角俯仰角θ≈________°。答案：9025.在Pythonthreading模塊中，線程對象t調用t.join(2.0)表示主線程最大阻塞________秒。答案：2.04.判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯誤打“×”）26.電容式循跡傳感器對黑色與白色賽道輸出電壓差異原理是介電常數(shù)不同。答案：×27.在STM32CubeMX中啟用FreeRTOS后，SysTick中斷頻率默認1kHz。答案：√28.激光SLAM中，回環(huán)檢測可有效抑制前端里程計的累積漂移。答案：√29.當舵機供電電壓升高時，其最大扭矩一定增大但響應速度不變。答案：×30.在Python中，列表推導式[iforiinrange(5)ifi%2]生成[1,3]。答案：√31.若兩相同電池并聯(lián)，總容量加倍，但最大持續(xù)放電倍率不變。答案：√32.在SolidWorks中，使用“評估”里的“質量屬性”可查看零件質心坐標。答案：√33.ROS2Launch文件必須采用Python格式，XML格式已被廢棄。答案：×34.對于直流電機，PWM頻率越高，電樞電流紋波一定越小。答案：×35.在MATLAB中，命令zeros(3,4)生成3行4列的全零矩陣。答案：√5.簡答題（封閉型，每題5分，共15分）36.說明超聲波測距模塊HCSR04在溫度0℃與30℃時聲速變化對測距誤差的影響，并給出誤差百分比。答案：0℃聲速v0=331.3m/s，30℃聲速v30=331.3+0.6×30=349.3m/s。若模塊在0℃校準，30℃時仍用331.3計算，則測得距離d’=(t×331.3)/2，真實距離d=(t×349.3)/2，誤差Δ=d’–d=–(t×18)/2=–18t/2，相對誤差=Δ/d=–18/349.3≈–5.15%，即讀數(shù)偏小約5.15%。37.列舉PID控制器積分飽和的兩種危害，并給出一種軟件抗飽和方法。答案：危害：1.系統(tǒng)超調增大，調節(jié)時間延長；2.在設定值下降時輸出遲遲不能回落，造成滯后。抗飽和方法：積分分離——當誤差絕對值大于閾值時暫停積分，或采用抗飽和反饋將執(zhí)行器飽和差值反饋到積分項。38.簡述利用單目攝像頭實現(xiàn)二維碼測距的原理，并指出需提前標定的參數(shù)。答案：原理：二維碼實際邊長已知，通過圖像檢測獲得像素邊長，利用相似三角形得距離Z=f×L/p，其中f為焦距，L為實際邊長，p為像素邊長。需標定：相機焦距f、像素尺寸（或等效焦距）、畸變系數(shù)。6.簡答題（開放型，每題10分，共20分）39.某救援機器人需自主通過一段未知崎嶇地形，請設計一種融合IMU、輪速計與激光雷達的低成本定位方案，說明傳感器配置、數(shù)據融合框架與預期精度。答案：傳感器配置：1.六軸IMU（MPU6050）100Hz輸出角速度與加速度；2.兩路增量編碼器（500PPR）50Hz；3.單線激光雷達（RPLIDARA2）10Hz，掃描角0–360°，測距范圍0.15–12m。融合框架：采用擴展卡爾曼濾波（EKF），狀態(tài)向量[x,y,θ,v,ω,ba,bg]，其中ba、bg為加速度計與陀螺儀零偏。預測步：用輪速計計算線速度v與角速度ω，IMU積分預測位姿；更新步：激光雷達采用掃描匹配（ICP）獲得相對位姿Δx,Δy,Δθ，作為觀測更新。預期精度：在20m×20m范圍內閉環(huán)漂移<0.5%，角度誤差<2°，滿足災后搜救場景。40.討論在FLL（FIRSTLEGOLeague）競賽中，機器人采用“顏色分區(qū)”與“時間開環(huán)”兩種策略完成黑線循跡的優(yōu)缺點，并給出一種混合策略偽代碼。答案：顏色分區(qū)：優(yōu)點抗光線變化強、路徑可任意彎曲；缺點對傳感器數(shù)量要求高、算法復雜。時間開環(huán)：優(yōu)點程序簡單、運行速度快；缺點對電池電壓、地面摩擦敏感，累積誤差大?；旌喜呗裕合扔妙伾謪^(qū)粗定位，進入直道后切換時間開環(huán)加速，末端用顏色校準。偽代碼：while(true){?error=get_color_error();?if(abs(error)>THRESHOLD){??mode=COLOR;??v=PID(error);?}?elseif(straight_counter>ENTER_STRAIGHT){??mode=TIME;??v=MAX_SPEED;??straight_counter++;?}?if(detect_end_marker()){??mode=COLOR;??break;?}?motor_set(v,v);}7.計算題（共30分）41.（8分）某機器人小車質量m=2kg，車輪半徑r=0.05m，電機減速比1:20，效率η=0.7，需以加速度a=0.4m/s2在水平地面起步，忽略空氣阻力，求電機輸出軸所需扭矩。答案：輪緣力F=m·a=2×0.4=0.8N；輪緣扭矩Tw=F·r=0.8×0.05=0.04N·m；電機軸扭矩Tm=Tw/(減速比×η)=0.04/(20×0.7)≈0.00286N·m=2.86mN·m。42.（10分）某舵機扭矩系數(shù)為1.6kg·cm/V，供電6V時堵轉扭矩為1.6×6=9.6kg·cm，若臂長L=4cm，末端負載質量m=0.3kg，重力加速度g=9.8m/s2，求該舵機能否保持水平靜止，并計算安全裕度。答案：負載扭矩Tl=m·g·L=0.3×9.8×0.04=0.1176N·m=1.2kg·cm；堵轉扭矩9.6kg·cm；裕度=(9.6–1.2)/1.2×100%=700%，可保持靜止。43.（12分）某機器人采用兩節(jié)18650鋰電池串聯(lián)供電，單節(jié)標稱3.7V、容量2.5Ah、內阻30mΩ，負載平均電流3A，峰值5A持續(xù)10s。計算：(1)電池組滿電(4.2V×2)與放空(3.0V×2)時的端壓差；(2)峰值電流下總內阻壓降；(3)若低壓報警閾值設為3.4V/節(jié)，求報警時電池組總端壓；(4)理論上3A放電可運行多久。答案：(1)端壓差=8.4–6.0=2.4V；(2)內阻壓降=5A×(0.03×2)=0.3V；(3)報警端壓=3.4×2–0.3=6.5V；(4)理論時間=2.5Ah/3A×60≈50min。8.綜合應用題（共40分）44.（20分）設計一款“智能垃圾分類回收機器人”的控制系統(tǒng)，要求：a)列出硬件清單（主控、傳感器、執(zhí)行器、通信）；b)給出軟件流程圖（含視覺識別、路徑規(guī)劃、投放控制）；c)說明如何實現(xiàn)滿載檢測與云端數(shù)據上報；d)估算整機成本（人民幣）。答案：a)硬件：樹莓派4B（主控）+IntelNeuralComputeStick2（加速）、OpenMVCamH7（輔助視覺）、激光雷達A1、超聲波陣列、HX711稱重、MG996R舵機×4、TT電機×2、ESP8266（WiFi）、12V/5V電源管理、亞克力底盤。b)流程：開機自檢→激光建圖→接收用戶語音“可回收”→OpenMV顏色+形狀初篩→樹莓派YOLOv5細分類→規(guī)劃路徑→行駛到桶前→稱重→滿載？→若否則舵機開蓋投放→回航；若滿載則上傳“桶滿”并返回待命。c)滿載檢測：稱重>8kg觸發(fā)，同時紅外對管檢測桶口遮擋率>90%雙重確認；云端：ESP8266通過MQTT上傳“l(fā)ocation,timestamp,fill_level”到阿里云，平臺推送清潔工單。d)成本：樹莓派4B400元+NCS2500元+OpenMV300元+激光雷達400元+其余350元≈1950元。45.（20分）閱讀以下Arduino代碼段，回答問題：```cppvolatilel