機(jī)器人技術(shù)水平測(cè)試三級(jí)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.在ROS2中，下列哪條指令可以查看當(dāng)前所有已激活的節(jié)點(diǎn)列表？A.ros2nodelistB.ros2topiclistC.ros2servicelistD.ros2paramlist答案：A解析：ros2nodelist用于列出所有已激活的節(jié)點(diǎn)；topic、service、param分別對(duì)應(yīng)話題、服務(wù)與參數(shù)，與節(jié)點(diǎn)列表無(wú)關(guān)。2.某六自由度機(jī)械臂采用DH法建模，若第3關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則其DH參數(shù)中θ?的取值應(yīng)為：A.0B.π/2C.變量D.任意常數(shù)答案：A解析：移動(dòng)關(guān)節(jié)沿z軸平移，θ?為相鄰x軸夾角，因x?與x?平行，故θ?=0。3.在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中，A算法與Dijkstra算法相比，核心優(yōu)勢(shì)是：A.保證最優(yōu)解B.時(shí)間復(fù)雜度更低C.引入啟發(fā)函數(shù)減少搜索節(jié)點(diǎn)D.支持動(dòng)態(tài)障礙物答案：C解析：A通過(guò)啟發(fā)函數(shù)h(n)引導(dǎo)搜索方向，顯著減少擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)量；二者均保證最優(yōu)解，但A效率更高。4.某直流電機(jī)額定電壓24V，空載電流0.3A，堵轉(zhuǎn)電流6A，則其電樞電阻約為：A.4ΩB.8ΩC.0.5ΩD.40Ω答案：A解析：堵轉(zhuǎn)時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零，R=U/I=24V/6A=4Ω。5.在視覺(jué)SLAM中，ORB特征點(diǎn)提取步驟不包括：A.尺度空間極值檢測(cè)B.方向賦值C.描述子計(jì)算D.光流跟蹤答案：D解析：光流跟蹤屬于直接法或KLT跟蹤，而非ORB特征提取流程。6.若激光雷達(dá)每圈返回720點(diǎn)，掃描頻率10Hz，則其數(shù)據(jù)率約為：A.7.2kbit/sB.72kbit/sC.720kbit/sD.7.2Mbit/s答案：D解析：每點(diǎn)通常16bit（距離+強(qiáng)度），720×10×16=115200bit=115.2kbit；但工業(yè)上常按32bit打包，實(shí)際約230.4kbit，最接近7.2Mbit/s為整體網(wǎng)絡(luò)包開(kāi)銷后的經(jīng)驗(yàn)值。7.在PX4飛控中，MAVLink消息ATTITUDE的字段順序?yàn)椋篈.time_boot_ms,roll,pitch,yaw,rollspeed,pitchspeed,yawspeedB.roll,pitch,yaw,time_boot_msC.quaternion[4],time_boot_msD.yaw,pitch,roll,thrust答案：A解析：官方MAVLink協(xié)議文檔規(guī)定ATTITUDE消息字段順序如A。8.機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS1的Master默認(rèn)端口號(hào)是：A.8080B.11311C.22D.3306答案：B解析：ROSMaster默認(rèn)監(jiān)聽(tīng)11311端口。9.若二維激光雷達(dá)觀測(cè)模型服從p(z|x)=N(z;h(x),σ2)，則采用EKF更新時(shí)，卡爾曼增益矩陣K的維度為：A.1×1B.2×2C.2×3D.3×2答案：C解析：觀測(cè)維度1（距離），狀態(tài)維度3（x,y,θ），故K為3×1；但題目為二維雷達(dá)，若同時(shí)測(cè)距與角度，觀測(cè)維度2，狀態(tài)維度3，K為3×2。10.在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中，Qlearning算法屬于：A.策略梯度方法B.值函數(shù)近似C.ActorCriticD.模型預(yù)測(cè)控制答案：B解析：Qlearning通過(guò)更新動(dòng)作值函數(shù)Q(s,a)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)策略，屬于值函數(shù)方法。11.某AGV采用兩輪差速驅(qū)動(dòng)，輪距0.4m，要求原地旋轉(zhuǎn)，則左右輪速度應(yīng)滿足：A.v_L=v_RB.v_L=v_RC.v_L=2v_RD.v_L=0答案：B解析：原地旋轉(zhuǎn)需線速度為零，角速度非零，故v_L=v_R。12.在MoveIt中，用于碰撞檢測(cè)的默認(rèn)插件是：A.FCLB.ODEC.BulletD.GJK答案：A解析：MoveIt默認(rèn)采用FCL（FlexibleCollisionLibrary）。13.若IMU加速度計(jì)量程±16g，16位ADC，則其理論分辨率為：A.0.0005gB.0.002gC.0.032gD.0.5g答案：A解析：分辨率=32g/2^16≈0.00049g。14.在Gazebo中，用于描述傳感器噪聲的標(biāo)簽是：A.<noise>B.<drift>C.<bias>D.<static>答案：A解析：<noise>標(biāo)簽內(nèi)可配置高斯噪聲參數(shù)。15.當(dāng)機(jī)器人使用AMCL定位時(shí)，粒子數(shù)從500增至2000，則定位精度通常：A.線性提升B.指數(shù)提升C.先提升后飽和D.下降答案：C解析：粒子數(shù)增加可降低蒙特卡洛誤差，但受限于傳感器噪聲與模型誤差，精度呈邊際效應(yīng)。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）16.下列哪些方法可用于解決SLAM中的回環(huán)檢測(cè)？A.BagofWordsB.ScanContextC.ICPD.DBoW3答案：A、B、D解析：ICP用于點(diǎn)云配準(zhǔn)，非回環(huán)檢測(cè)；BagofWords、ScanContext、DBoW3均為回環(huán)檢測(cè)常用技術(shù)。17.關(guān)于ROS2的QoS策略，下列說(shuō)法正確的是：A.RELIABILITY分為RELIABLE與BEST_EFFORTB.HISTORY深度可設(shè)為KEEP_LAST或KEEP_ALLC.DEADLINE用于設(shè)定最大容忍延遲D.LIVELINESS可配置為AUTOMATIC或MANUAL_BY_TOPIC答案：A、B、C、D解析：四項(xiàng)均為ROS2QoS標(biāo)準(zhǔn)策略。18.在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中，下列哪些參數(shù)屬于DH參數(shù)？A.a?B.α?C.d?D.θ?答案：A、B、C、D解析：DH四參數(shù)為a?、α?、d?、θ?。19.下列哪些傳感器可直接用于測(cè)量機(jī)器人三維姿態(tài)？A.磁力計(jì)B.陀螺儀C.加速度計(jì)D.RGBD相機(jī)答案：A、B、C解析：磁力計(jì)+陀螺儀+加速度計(jì)融合可得姿態(tài)；RGBD需結(jié)合視覺(jué)算法，非直接測(cè)量。20.在PX4中，可通過(guò)哪些方式實(shí)現(xiàn)Offboard模式控制？A.MAVROSB.MAVSDKPythonC.RTPSD.UAVCAN答案：A、B、C解析：UAVCAN主要用于機(jī)載設(shè)備通信，非Offboard控制接口。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）21.在ROS1中，roslaunch文件可嵌套包含其他launch文件。答案：√解析：<include>標(biāo)簽支持嵌套。22.擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）在線性系統(tǒng)下與標(biāo)準(zhǔn)KF等價(jià)。答案：√解析：EKF為KF在非線性系統(tǒng)的擴(kuò)展，線性時(shí)退化為KF。23.激光雷達(dá)的角分辨率與掃描頻率成正比。答案：×解析：角分辨率由固定物理結(jié)構(gòu)決定，與頻率無(wú)關(guān)。24.在MoveIt中，OMPL插件支持自定義規(guī)劃算法。答案：√解析：OMPL為開(kāi)源庫(kù)，允許用戶注冊(cè)新算法。25.強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)策略收斂速度無(wú)影響。答案：×解析：獎(jiǎng)勵(lì)塑形顯著影響探索效率與收斂速度。26.在Gazebo中，<self_collide>標(biāo)簽?zāi)J(rèn)啟用。答案：×解析：默認(rèn)禁用，需手動(dòng)設(shè)為true。27.機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS2取消了Master節(jié)點(diǎn)，采用DDS發(fā)現(xiàn)機(jī)制。答案：√解析：ROS2基于DDS，去中心化。28.在視覺(jué)伺服中，IBVS指基于圖像的視覺(jué)伺服，其控制量定義在圖像空間。答案：√解析：IBVS直接計(jì)算圖像特征誤差。29.直流電機(jī)PWM調(diào)速時(shí)，占空比與輸出扭矩呈線性關(guān)系。答案：×解析：占空比與平均電壓線性，扭矩與電流相關(guān)，非線性區(qū)存在飽和。30.在Cartographer中，Submap數(shù)量越多，實(shí)時(shí)性一定越好。答案：×解析：Submap過(guò)多增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，可能降低實(shí)時(shí)性。四、填空題（每空2分，共20分）31.在ROS2中，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)采用________協(xié)議，底層通信默認(rèn)使用________中間件。答案：DDSRTPS，F(xiàn)astDDS解析：ROS2默認(rèn)FastDDS，遵循DDSRTPS規(guī)范。32.若二維激光雷達(dá)掃描范圍為270°，角分辨率0.25°，則每圈返回________點(diǎn)。答案：1080解析：270/0.25=1080。33.在PID控制器中，引入微分項(xiàng)可________系統(tǒng)超調(diào)，但會(huì)放大________噪聲。答案：減小，高頻解析：微分提前抑制偏差變化，降低超調(diào)，但對(duì)高頻噪聲敏感。34.在視覺(jué)SLAM中，g?o優(yōu)化庫(kù)采用________圖模型，節(jié)點(diǎn)表示________，邊表示________。答案：超圖，位姿或路標(biāo)，約束解析：g?o使用超圖結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)為待優(yōu)化量，邊為誤差約束。35.某步進(jìn)電機(jī)步距角1.8°，驅(qū)動(dòng)器采用16細(xì)分，則每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為_(kāi)_______。答案：3200解析：360/1.8×16=3200。36.在PX4中，ECLEKF估計(jì)器的狀態(tài)向量維度為_(kāi)_______，其中姿態(tài)采用________參數(shù)化。答案：24，四元數(shù)解析：ECLEKF包含位置、速度、姿態(tài)、偏差等共24維，姿態(tài)用四元數(shù)。37.在MoveIt中，________類用于描述機(jī)器人末端執(zhí)行器幾何形狀，________類用于規(guī)劃場(chǎng)景碰撞體。答案：MoveGroupInterface，PlanningScene解析：MoveGroupInterface封裝末端，PlanningScene管理碰撞環(huán)境。五、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）38.簡(jiǎn)述A算法與DLite算法在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的差異，并說(shuō)明DLite如何重用先前搜索信息。答案：A為靜態(tài)環(huán)境最優(yōu)搜索，一旦環(huán)境變化需完全重規(guī)劃；DLite基于LPA思想，維護(hù)節(jié)點(diǎn)rhs與g值，通過(guò)增量更新僅重評(píng)估受障礙物影響的節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵步驟：1)反向搜索從目標(biāo)到機(jī)器人，維護(hù)優(yōu)先隊(duì)列按key值排序；2)當(dāng)檢測(cè)到障礙物變化，局部更新受影響的rhs值，將不一致節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列；3)通過(guò)ComputeShortestPath()重復(fù)擴(kuò)展最小key節(jié)點(diǎn)，直至機(jī)器人當(dāng)前位姿一致。如此重用大量先前g值，顯著減少重規(guī)劃時(shí)間，適用于未知或動(dòng)態(tài)環(huán)境。39.某六軸機(jī)械臂采用力位混合控制，在插入任務(wù)中為何需要導(dǎo)納控制而非阻抗控制？請(qǐng)給出導(dǎo)納控制框圖并解釋。答案：插入任務(wù)需機(jī)器人順應(yīng)環(huán)境力，即力→位置調(diào)整。導(dǎo)納控制以力為輸入、輸出位置修正，符合“軟機(jī)器人”需求；阻抗控制以位置誤差為輸入、輸出力，會(huì)使機(jī)器人變硬，易損壞零件?？驁D：力傳感器→低通濾波→導(dǎo)納模型Ms2+Bs+K→位置修正Δx→位置控制器→電機(jī)電流。導(dǎo)納模型將力F轉(zhuǎn)換為期望位移Δx=F/(Ms2+Bs+K)，通過(guò)調(diào)整M、B、K可改變順應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)柔性裝配。40.在視覺(jué)SLAM中，簡(jiǎn)述DBoW3回環(huán)檢測(cè)流程，并說(shuō)明如何降低perceptualaliasing導(dǎo)致的誤檢。答案：流程：1)提取當(dāng)前幀ORB特征，計(jì)算BRIEF描述子；2)將描述子轉(zhuǎn)化為視覺(jué)單詞，利用倒排索引在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索相似幀；3)計(jì)算當(dāng)前幀與候選幀的BoW得分，選取最高分及時(shí)間一致性候選；4)進(jìn)行Sim3幾何驗(yàn)證，估計(jì)尺度、旋轉(zhuǎn)、平移；5)將驗(yàn)證通過(guò)的回邊加入位姿圖優(yōu)化。降低誤檢：a)增加幾何驗(yàn)證步驟，如Sim3/Homography；b)使用共視信息，僅當(dāng)候選幀與當(dāng)前幀有足夠共視關(guān)鍵點(diǎn)才驗(yàn)證；c)采用時(shí)間一致性，連續(xù)多幀檢測(cè)到同一回環(huán)才確認(rèn)；d)訓(xùn)練更具區(qū)分性的詞匯樹(shù)，加大分支因子與深度；e)引入局部特征空間驗(yàn)證，如Epipolar約束+RANSAC。六、計(jì)算題（共31分）41.（10分）已知二維差速機(jī)器人狀態(tài)向量x=[x,y,θ]?，控制量u=[v,ω]?，采樣時(shí)間T=0.1s。采用歐拉積分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：x???=x?+v?Tcosθ?y???=y?+v?Tsinθ?θ???=θ?+ω?T初始狀態(tài)x?=[0,0,0]?，控制序列：k=0:v=0.5m/s,ω=0rad/sk=1:v=0.5m/s,ω=π/4rad/sk=2:v=0.5m/s,ω=0rad/s求k=3時(shí)機(jī)器人位姿。答案：k=0→1:x?=0+0.5×0.1×1=0.05,y?=0,θ?=0k=1→2:θ?=0+π/4×0.1=0.0785radx?=0.05+0.5×0.1×cos(0.0785)=0.05+0.0498=0.0998y?=0+0.5×0.1×sin(0.0785)=0.0039k=2→3:θ?=0.0785x?=0.0998+0.5×0.1×cos(0.0785)=0.1496y?=0.0039+0.5×0.1×sin(0.0785)=0.0078結(jié)果：x?≈0.1496m,y?≈0.0078m,θ?≈0.0785rad。42.（10分）某直流電機(jī)傳遞函數(shù)G(s)=2/(s2+4s+3)，采用單位負(fù)反饋，比例控制器K?=5。求：a)閉環(huán)傳遞函數(shù)；b)單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差。答案：a)T(s)=K?G/(1+K?G)=10/(s2+4s+3+10)=10/(s2+4s+13)b)穩(wěn)態(tài)誤差e_ss=1/(1+K?K_dc)，K_dc=lim_{s→0}G(s)=2/3e_ss=1/(1+5×2/3)=1/(13/3)=3/13≈0.2308。43.（11分）在視覺(jué)SLAM中，給定3D點(diǎn)P_w=[1,2,1]?，相機(jī)位姿T_cw為旋轉(zhuǎn)矩陣R=I，平移t=[1,0,0]?，內(nèi)參矩陣K=[[500,0,320],[0,500,240],[0,0,1]]。求：a)P在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；b)歸一化圖像坐標(biāo)；c)像素坐標(biāo)。答案：a)P_c=RP_w+t=[1,2,1]?+[1,0,0]?=[0,2,1]?b)歸一化坐標(biāo)(x_n,y_n)=(0/1,2/1)=(0,2)c)像素坐標(biāo)：u=500×0+320=320v=500×2+240=1240結(jié)果：(320,1240)。七、綜合設(shè)計(jì)題（共30分）44.場(chǎng)景：工廠AGV需從倉(cāng)庫(kù)A自主導(dǎo)航至加工站B，途中存在臨時(shí)堆放貨物導(dǎo)致局部障礙，要求定位精度≤5cm，支持動(dòng)態(tài)避障。任務(wù)：1)給出整體系統(tǒng)架構(gòu)圖，標(biāo)注傳感器、計(jì)算單元、執(zhí)行器；2)選擇定位方案并說(shuō)明理由；3)選擇路徑規(guī)劃與避障算法，給出偽代碼；4)設(shè)計(jì)安全機(jī)制，確保障礙物突然出現(xiàn)時(shí)能在0.5s內(nèi)制動(dòng)，AGV滿載質(zhì)量200kg，最大速度1.5m/s，電機(jī)減速比1:20，輪徑0.2m，峰值扭矩50N·m，路面摩擦系數(shù)μ=0.5。答案：1)架構(gòu)：激光雷達(dá)（16線，±30°俯仰）→工控機(jī)（i7+RTX3060）IMU（100Hz）→STM32驅(qū)動(dòng)板→伺服電