無人機技術(shù)與應(yīng)用考試試題附答案（精練）一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某型四旋翼無人機在懸停狀態(tài)下，四個電機轉(zhuǎn)速分別為n?、n?、n?、n?，若機體出現(xiàn)順時針偏航，則下列關(guān)系正確的是A.n?+n?>n?+n?B.n?+n?<n?+n?C.n?+n?>n?+n?D.n?+n?>n?+n?答案：B解析：順時針偏航說明反扭矩不足，需降低順時針旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速（n?、n?）或提高逆時針旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速（n?、n?），故n?+n?<n?+n?。2.在GNSS拒止環(huán)境中，為保持定點懸停，優(yōu)先融合的視覺慣性里程計算法通常采用A.EKF-SLAMB.MSCKFC.LSD-SLAMD.ORB-SLAM3答案：B解析：MSCKF（Multi-StateConstraintKalmanFilter）在計算量與精度之間折中，適合機載實時運行，且對短期GNSS缺失魯棒。3.某鋰電池標(biāo)稱容量8000mAh，常溫下以2C放電，實際可用容量約為A.8000mAhB.7600mAhC.7200mAhD.6800mAh答案：C解析：高倍率放電極化加劇，能量效率下降，經(jīng)驗值2C時容量衰減約10%，故8000×0.9≈7200mAh。4.下列關(guān)于RTK定位的描述，錯誤的是A.基站與移動站距離超過30km，固定解精度仍可達厘米級B.載波相位整周模糊度固定失敗會退化為浮點解C.電離層活躍時，RTK初始化時間顯著延長D.多頻接收機可有效抑制周跳答案：A解析：基線過長導(dǎo)致空間相關(guān)誤差去相關(guān)，超過20km后固定解精度迅速下降至分米級。5.在Pixhawk4飛控中，IMU數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置低通濾波后進入EKF2，若陀螺儀白噪聲密度為0.01°/s/√Hz，截止頻率設(shè)為30Hz，則輸出角度隨機游走約為A.0.17°/√sB.0.35°/√sC.0.50°/√sD.0.71°/√s答案：A解析：θ_RW=σ√(πf_c/2)=0.01×√(π×30/2)≈0.17°/√s。6.某型固定翼無人機巡航升阻比為12，翼載荷35kg/m2，若需將盤旋半徑從200m降至100m，則所需傾斜角增量約為A.5°B.10°C.15°D.20°答案：B解析：盤旋半徑R=V2/(gtanφ)，速度不變時R減半→tanφ加倍，原φ=arctan(V2/gR)，計算得Δφ≈10°。7.采用DShot600協(xié)議時，電調(diào)向飛控回傳的遙測幀包含A.電流、電壓、溫度、累計功耗B.轉(zhuǎn)速、溫度、占空比、故障碼C.轉(zhuǎn)速、電流、電壓、溫度D.占空比、溫度、母線電壓、MOSFET溫度答案：C解析：DShot600回傳幀格式為16位，其中12位有效數(shù)據(jù)依次存放轉(zhuǎn)速、eRPM、電流、電壓、溫度。8.在激光雷達SLAM中，為消除運動畸變，最常用的時間同步方法是A.線性插值IMU位姿B.分段勻速模型C.高斯-牛頓迭代D.貝葉斯濾波答案：A解析：IMU高頻位姿通過線性插值可補償激光點云掃描周期內(nèi)的運動，簡單高效。9.某型植保無人機噴幅6m，作業(yè)速度5m/s，畝噴量1.2L，則理論流量為A.1.8L/minB.3.6L/minC.5.4L/minD.7.2L/min答案：C解析：畝=666.7m2，每秒作業(yè)面積30m2，畝噴量1.2L對應(yīng)30m2需0.054L，故0.054×60≈3.24L/min，考慮重疊系數(shù)1.67，得5.4L/min。10.在Mavlinkv2協(xié)議中，用于傳輸高精度GPS的報文ID是A.24B.33C.124D.232答案：C解析：GPS_RAW_INT報文ID為24，HIL_GPS為74，GPS2_RAW為124，故選C。二、多項選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列措施可有效抑制多旋翼電機諧振對IMU的干擾A.在槳葉根部增加黏彈性阻尼環(huán)B.將IMU布置在機體彈性節(jié)點處C.采用陷波濾波器濾除特征頻率D.提高EKF過程噪聲協(xié)方差答案：A、B、C解析：D項會降低濾波精度，無法抑制諧振。12.關(guān)于Li-ion與Li-Po電池對比，正確的是A.Li-ion能量密度更高B.Li-Po可做成異形結(jié)構(gòu)C.Li-ion循環(huán)壽命更長D.Li-Po自放電率更低答案：A、B、C解析：Li-Po自放電率略高于Li-ion。13.在視覺SLAM中，造成尺度漂移的因素包括A.純旋轉(zhuǎn)運動B.IMU偏置未標(biāo)定C.特征點深度初值誤差D.相機-IMU外參未標(biāo)定答案：A、B、C、D解析：四項均會導(dǎo)致尺度可觀性下降。14.下列屬于無人機AeroSense協(xié)議物理層特性的是A.采用OFDM調(diào)制B.工作頻段1.4GHzC.最大帶寬10MHzD.支持MIMO2×2答案：B、C、D解析：AeroSense采用SC-FDE單載波頻域均衡，非OFDM。15.關(guān)于毫米波雷達在無人機避障中的優(yōu)勢，正確的是A.雨雪天氣性能衰減小B.可測速直接輸出多普勒信息C.角分辨率高于激光雷達D.對黑色物體不敏感答案：A、B、D解析：毫米波角分辨率通常低于激光雷達。三、判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯誤打“×”）16.四旋翼無人機在電池電壓驟降時，電調(diào)自動進入低壓保護會立即關(guān)閉輸出，導(dǎo)致墜機。答案：×解析：多數(shù)電調(diào)采用逐級降功率策略，非立即關(guān)斷。17.采用RTK-lib進行后處理時，若基站數(shù)據(jù)采樣率為1Hz，移動站為5Hz，仍可固定整周模糊度。答案：√解析：RTK-lib支持不同采樣率，通過插值對齊。18.在PX4中，L1控制器對固定翼的滾轉(zhuǎn)通道也適用。答案：×解析：L1僅用于側(cè)向/航向，滾轉(zhuǎn)采用級聯(lián)PID。19.激光雷達的“近場盲區(qū)”主要由發(fā)射接收同軸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。答案：√解析：同軸結(jié)構(gòu)最短探測距離受限于光學(xué)隔離度。20.無人機使用4G鏈路時，運營商APN采用“公網(wǎng)靜態(tài)IP”比“專網(wǎng)動態(tài)IP”延遲更低。答案：×解析：專網(wǎng)路由跳數(shù)少，延遲反而更低。21.在OpenCV中，solvePnP使用EPnP算法需要至少4對非共面點。答案：√解析：EPnP理論最小4點，且需非共面。22.采用鈦合金螺旋槳可顯著提升多旋翼氣動效率。答案：×解析：鈦合金密度高，增加轉(zhuǎn)動慣量，效率下降。23.無人機電池內(nèi)阻測試時，交流四線法比直流脈沖法更能反映高頻特性。答案：√解析：交流法可測得阻抗譜，含電荷轉(zhuǎn)移阻抗。24.在Mavlink中，HEARTBEAT報文的custom_mode字段對ArduPilot與PX4含義相同。答案：×解析：custom_mode枚舉值兩飛控定義不同。25.毫米波雷達通過MUSIC算法可提高角度分辨率。答案：√解析：MUSIC為超分辨算法，可突破瑞利限。四、填空題（每空2分，共20分）26.某型電機KV值880，配6S電池滿電25.2V，空載轉(zhuǎn)速為________rpm，若帶20inch槳效率系數(shù)0.72，則理論懸停拉力________N。答案：22176；8.96解析：n=KV×U=880×25.2=22176rpm；懸停需功率P=mg^(3/2)/√(2ρA)，代入A=0.162m2，m=2kg，得P≈124W，拉力T=P/v_i，v_i=√(T/2ρA)，迭代得T≈8.96N。27.在PX4中，參數(shù)EKF2_MAG_YAWLIM默認值為________度，其作用是________。答案：15；限制磁偏航創(chuàng)新量，防止磁干擾導(dǎo)致航向漂移。28.激光雷達波長1550nm相比905nm的優(yōu)勢是________，缺點是________。答案：人眼安全閾值高；需InGaAs探測器，成本高。29.采用DSM2協(xié)議時，每幀數(shù)據(jù)占用________μs，最多支持________通道。答案：22；12解析：DSM2每通道11bit，幀長22×11=242bit，2Mbps速率，約121μs，含間隔共22μs/通道，幀間隔2ms，故最多12通道。30.某型固定翼失速速度16m/s，若翼載增加20%，則新失速速度為________m/s。答案：17.54解析：V_s∝√(W/S)，增加20%→√1.2=1.095，16×1.095≈17.54。五、簡答題（每題8分，共24分）31.簡述多旋翼無人機“動力飽和”現(xiàn)象產(chǎn)生機理及在線緩解策略。答案：當(dāng)總需求拉力超過電機/電調(diào)最大輸出能力時，控制器被迫按比例削減各電機占空比，導(dǎo)致姿態(tài)失控。機理：角速度環(huán)輸出拉力矢量超出物理極限。緩解：1.采用動態(tài)逆分配，優(yōu)先保證橫滾俯仰，犧牲偏航；2.設(shè)置優(yōu)先級權(quán)重矩陣；3.在線估計剩余拉力裕度，提前限制加速度指令；4.結(jié)合電池電壓實時修正最大拉力模型；5.引入外環(huán)保護，當(dāng)飽和持續(xù)>200ms自動降低期望角速率。32.說明基于事件相機的無人機高速避障流程，并給出與傳統(tǒng)幀相機對比的優(yōu)缺點。答案：流程：1.事件相機輸出異步事件流；2.采用eFAST提取邊緣事件簇；3.利用連續(xù)時間模型估計光流；4.構(gòu)建半稠密深度圖；5.采用MPC預(yù)測碰撞時間；6.生成避障速度矢量。優(yōu)點：>10kHz更新率、動態(tài)范圍120dB、無運動模糊；缺點：易受紋理缺失影響、算法復(fù)雜度高、需重新標(biāo)定內(nèi)參、對光源閃爍敏感。33.闡述無人機集群“分布式一致性”算法在目標(biāo)圍捕任務(wù)中的實現(xiàn)步驟，并給出通信拓撲失效時的魯棒策略。答案：步驟：1.構(gòu)建無向圖拓撲，鄰接矩陣A；2.每機廣播自身位置與目標(biāo)估計；3.采用一致性協(xié)議：?_i=-∑a_ij(x_i-x_j)+k_t(x_t-x_i)；4.引入虛擬力場形成包圍圈；5.通過Lyapunov函數(shù)證明收斂。魯棒：1.采用k-連通拓撲，允許k-1節(jié)點失效；2.引入自適應(yīng)權(quán)重，通信丟失時切換至預(yù)測狀態(tài)；3.采用事件觸發(fā)通信，降低帶寬；4.基于局部觀測器重構(gòu)全局狀態(tài)；5.當(dāng)孤立節(jié)點>50%時切換至leader-follower模式。六、計算題（共31分）34.（11分）某型四旋翼質(zhì)量2.4kg，轉(zhuǎn)動慣量I_xx=I_yy=0.028kg·m2，I_zz=0.048kg·m2，電機最大拉力8N，臂長0.18m。設(shè)計PD控制器使?jié)L轉(zhuǎn)角階躍響應(yīng)超調(diào)<5%，調(diào)節(jié)時間<0.6s。求比例增益K_p與微分增益K_d，并驗證是否飽和。答案：1.滾轉(zhuǎn)通道傳遞函數(shù)：G(s)=τ/I_xx，τ=L·ΔT，ΔT_max=8-2.4×9.8/4=2.12N，τ_max=0.18×2.12=0.3816N·m。2.二階系統(tǒng)：ω_n=√(K_p·L/I_xx)，ζ=(K_d·L/I_xx)/(2ω_n)。3.指標(biāo)：超調(diào)5%→ζ=0.707；調(diào)節(jié)時間0.6s→ω_n=4.5/0.6=7.5rad/s。4.解得：K_p=ω_n2·I_xx/L=7.52×0.028/0.18=8.75；K_d=2ζω_n·I_xx/L=2×0.707×7.5×0.028/0.18=4.15。5.驗證：最大誤差角θ_e=π/6rad，所需力矩τ_d=K_p·θ_e=8.75×0.523=4.58N·m>0.3816N·m，飽和。6.修正：限幅θ_e_max=0.3816/8.75=0.0436rad（2.5°），滿足小角度假設(shè)，需降低期望角速率或增大電機裕量。35.（10分）激光雷達水平視場360°，垂直30°，角分辨率0.2°，轉(zhuǎn)速10Hz，測距精度±2cm，無人機以8m/s直線飛行，前方出現(xiàn)直徑10cm的電線，求最小可檢測距離，并判斷是否滿足避障要求（反應(yīng)時間0.3s，安全制動距離2m）。答案：1.垂直方向需至少2點：0.2°×2=0.4°，電線張角θ=0.1/d，d=0.1/θ=0.1/(0.4°×π/180)=14.3m。2.水平方向：線寬10cm，點間距Δα=0.2°，弧長s=d·Δα=14.3×0.2×π/180=0.05m<0.1m，滿足。3.考慮測距誤差：2σ=4cm，需14.3+0.04=14.34m。4.飛行0.3s后距離=14.34-8×0.3=12.14m>2m，滿足。36.（10分）某型太陽能無人機翼展12m，弦長0.8m，光伏效率22%，電池比能260Wh/kg，需晝夜續(xù)航，當(dāng)?shù)叵闹寥照諘r長14h，平均太陽輻照800W/m2，夜間平均功率180W，求最小電池質(zhì)量與光伏面積，并驗證翼面是否足夠。答案：1.可用翼面積S_w=12×0.8=9.6m2。2.日間能量：E_day=800×0.22×S_p×14=2464S_pWh。3.夜間耗能：E_night=180×10=1800Wh。4.日間需同時供飛與充電：P_day=180W，剩余2464S_p-180×14=2464S_p-2520。5.能量平衡：2464S_p-2520≥1800→S_p≥(1800+2520)/2464=1.76m2。6.電池質(zhì)量：m_b=1800/260=6.92kg。7.翼面9.6m2>1.76m2，滿足，可鋪光伏面積遠大于需求，可減小至2m2留余量。七、綜合設(shè)計題