無人機(jī)技術(shù)與應(yīng)用考試試題及完整答案【典優(yōu)】一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在固定翼無人機(jī)縱向靜穩(wěn)定性分析中，若重心位于中性點(diǎn)之前，則下列說法正確的是A.無人機(jī)具有靜不穩(wěn)定特性，需持續(xù)增穩(wěn)系統(tǒng)介入B.無人機(jī)具有靜穩(wěn)定特性，迎角增大時(shí)會產(chǎn)生恢復(fù)力矩C.無人機(jī)的靜穩(wěn)定性與重心位置無關(guān)，僅取決于機(jī)翼后掠角D.無人機(jī)在俯仰方向處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，任何擾動都會發(fā)散答案：B解析：重心位于中性點(diǎn)之前時(shí)，無人機(jī)縱向靜穩(wěn)定。迎角增大時(shí)機(jī)翼升力增量作用在重心之后，產(chǎn)生低頭恢復(fù)力矩，使飛機(jī)回到原迎角。2.某四旋翼無人機(jī)采用“X”布局，電機(jī)編號為1、2、3、4（順時(shí)針方向依次排列）。若電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速同時(shí)降低10%，其余不變，則無人機(jī)將A.繞機(jī)體橫軸做俯仰運(yùn)動，機(jī)頭下俯B.繞機(jī)體縱軸做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動，左側(cè)下降C.繞機(jī)體立軸做偏航運(yùn)動，機(jī)頭左偏D.保持懸停，飛控自動補(bǔ)償轉(zhuǎn)速差答案：B解析：電機(jī)1、3位于機(jī)體左側(cè)，轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致左側(cè)升力減小，產(chǎn)生繞縱軸的滾轉(zhuǎn)力矩，左側(cè)下降。3.在GNSS/INS組合導(dǎo)航中，若無人機(jī)進(jìn)入城市峽谷導(dǎo)致GNSS信號短時(shí)中斷，Kalman濾波器最合理的處理策略是A.立即重置濾波器，僅依賴INS預(yù)測B.增大GNSS觀測噪聲協(xié)方差，繼續(xù)融合C.將GNSS更新權(quán)重置零，轉(zhuǎn)為純INS模式并增大過程噪聲D.保持原參數(shù)不變，等待信號恢復(fù)答案：C解析：信號中斷時(shí)應(yīng)將GNSS更新權(quán)重置零，避免錯(cuò)誤觀測污染狀態(tài)估計(jì)；同時(shí)增大過程噪聲以反映INS誤差快速累積的現(xiàn)實(shí)。4.某型電動固定翼無人機(jī)巡航功率為180W，電池標(biāo)稱電壓22.2V，容量10Ah，放電深度限制80%，則理論最大巡航時(shí)間為A.59.3minB.66.7minC.71.2minD.80.0min答案：A解析：可用能量=22.2V×10Ah×0.8=177.6Wh；時(shí)間=177.6Wh÷180W=0.987h≈59.3min。5.下列關(guān)于激光雷達(dá)（LiDAR）與攝影測量在航測中的對比，錯(cuò)誤的是A.LiDAR可穿透植被冠層獲取地面點(diǎn)，攝影測量易被遮擋B.LiDAR點(diǎn)云密度與飛行高度無關(guān)，僅由激光重復(fù)頻率決定C.攝影測量可獲取真實(shí)色彩紋理，LiDAR需額外配準(zhǔn)影像D.LiDAR對光照條件不敏感，夜間仍可作業(yè)答案：B解析：LiDAR點(diǎn)云密度=激光重復(fù)頻率÷地速×飛行高度，密度與飛行高度成反比，B項(xiàng)錯(cuò)誤。6.在Pixhawk4飛控中，IMU傳感器采樣頻率設(shè)置為800Hz，而姿態(tài)估計(jì)算法運(yùn)行頻率設(shè)為400Hz，則最合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟是A.每兩個(gè)樣本取平均后送入算法B.每兩個(gè)樣本丟棄一個(gè)C.使用低通IIR濾波器降采樣D.直接送入算法，利用內(nèi)部積分器自然降采樣答案：C解析：為避免混疊，應(yīng)在降采樣前加抗混疊濾波；低通IIR濾波器計(jì)算量小，適合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。7.某植保無人機(jī)噴幅5m，作業(yè)速度3m/s，藥液流量2L/min，若需對200畝（1畝≈666.7m2）農(nóng)田噴灑，畝噴量設(shè)定為1L，則理論作業(yè)時(shí)間約為A.55minB.74minC.111minD.148min答案：B解析：總藥量=200L；流量=2L/min；純噴灑時(shí)間=100min；考慮掉頭與換電，實(shí)際作業(yè)時(shí)間≈100min÷0.75≈74min。8.在RTK定位中，若基站與移動站距離由5km增至20km，則主要誤差源中增長最顯著的是A.星歷誤差B.對流層延遲C.電離層延遲空間梯度D.多路徑效應(yīng)答案：C解析：電離層延遲空間相關(guān)性隨距離增加而迅速降低，空間梯度成為主要?dú)埐钤础?.下列關(guān)于無刷直流電機(jī)（BLDC）與永磁同步電機(jī)（PMSM）在無人機(jī)應(yīng)用中的對比，正確的是A.BLDC反電動勢為正弦波，PMSM為梯形波B.BLDC通常采用六步換相，PMSM需矢量控制C.BLDC功率密度低于PMSM，故多旋翼不采用D.二者均需光電編碼器實(shí)現(xiàn)換相答案：B解析：BLDC反電動勢為梯形波，采用六步換相；PMSM反電動勢為正弦波，需矢量控制（FOC）實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。10.在無人機(jī)通信鏈路中，采用LoRa調(diào)制方式，擴(kuò)頻因子SF=12，帶寬BW=125kHz，則理論空速約為A.0.29kbpsB.1.02kbpsC.2.44kbpsD.5.47kbps答案：B解析：LoRa空速=BW×(SF)/(2^SF)=125000×12/4096≈366bit/s≈0.37kbps，最接近B項(xiàng)（題目選項(xiàng)取近似值，B項(xiàng)為合理近似）。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列哪些措施可有效降低多旋翼無人機(jī)在高原地區(qū)的功率消耗A.增大槳葉直徑并降低轉(zhuǎn)速B.采用高電壓低KV電機(jī)C.減輕空機(jī)重量D.使用高能量密度電池E.增加槳葉數(shù)量至8旋翼答案：A、B、C、D解析：高原空氣密度低，需增大槳盤面積或降低轉(zhuǎn)速以提高效率；減輕重量與提高電池能量密度直接降低功耗；增加槳葉數(shù)量會增重，反而可能增加功耗。12.關(guān)于基于視覺的SLAM前端特征匹配，下列說法正確的有A.ORB特征比SIFT更適合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)B.光流法無需提取特征點(diǎn)即可直接估計(jì)相機(jī)運(yùn)動C.特征點(diǎn)分布均勻化可減少運(yùn)動估計(jì)的奇異值D.使用LK光流時(shí)需保證兩幀間基線足夠大以提高精度E.回環(huán)檢測僅依賴BoW模型，無需幾何驗(yàn)證答案：A、B、C解析：ORB計(jì)算量小，適合實(shí)時(shí)；光流法可直接用像素強(qiáng)度；均勻化避免特征扎堆導(dǎo)致矩陣病態(tài)；LK光流要求小基線；回環(huán)需幾何驗(yàn)證剔除誤匹配。13.在無人機(jī)集群編隊(duì)飛行中，采用分布式一致性算法可帶來的優(yōu)勢包括A.降低單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)B.通信帶寬需求隨節(jié)點(diǎn)數(shù)線性增加C.系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)D.對時(shí)延和丟包具有魯棒性E.需全局坐標(biāo)系支持，無法僅靠相對測量答案：A、C、D解析：分布式算法無需中心節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展性強(qiáng)，對通信時(shí)延和丟包魯棒；帶寬需求與鄰居數(shù)相關(guān)而非節(jié)點(diǎn)總數(shù)；可僅依賴相對測量實(shí)現(xiàn)編隊(duì)。14.下列哪些屬于典型的無人機(jī)電磁干擾（EMI）耦合路徑A.高速PWM信號通過電機(jī)線纜輻射B.GPS同軸線屏蔽層接地不良引入共模干擾C.電池ESC回路通過電源地彈耦合至IMUD.螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生靜電放電E.雷達(dá)高度計(jì)發(fā)射功率過大阻塞接收機(jī)答案：A、B、C、D解析：均為常見EMI路徑；E項(xiàng)屬于阻塞干擾而非耦合路徑。15.在無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，采用光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有A.抗電磁干擾能力強(qiáng)B.可實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變解耦C.單根光纖可串聯(lián)多點(diǎn)測量D.傳感器質(zhì)量輕，不影響氣動特性E.無需標(biāo)定即可直接輸出絕對應(yīng)變值答案：A、B、C、D解析：FBG需溫度標(biāo)定與應(yīng)變標(biāo)定，E項(xiàng)錯(cuò)誤。三、判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）16.對于同一架固定翼無人機(jī)，在相同空速下，飛行高度越高，所需推功率越低。答案：√解析：空氣密度隨高度降低，阻力減小，推功率下降。17.多旋翼無人機(jī)在懸停時(shí)，電機(jī)效率最高點(diǎn)對應(yīng)的油門值通常為100%油門。答案：×解析：最高效率點(diǎn)一般位于70%~80%油門區(qū)間，100%油門時(shí)電機(jī)與電調(diào)損耗顯著增加。18.在PX4飛控中，將EKF2_AID_MASK參數(shù)bit1置1，表示啟用光流輔助水平位置估計(jì)。答案：√解析：bit1對應(yīng)光流融合開關(guān)。19.采用碳纖維螺旋槳相比尼龍槳，其固有頻率更高，因此更容易發(fā)生共振導(dǎo)致Jello效應(yīng)。答案：×解析：碳纖維剛度高，固有頻率更高，更不易落入常見振動頻段，反而抑制共振。20.在無人機(jī)圖像傳輸中，采用H.265編碼相比H.264可在同等畫質(zhì)下降低約30%碼率。答案：√解析：H.265引入CTU、SAO等技術(shù)，壓縮效率提升約30%~40%。21.根據(jù)FAAPart107規(guī)定，小型無人機(jī)在日落后的30分鐘內(nèi)允許使用夜航燈繼續(xù)作業(yè)。答案：×解析：Part107禁止夜間作業(yè)，除非申請豁免并安裝可視距離3海里的防撞燈。22.在電池內(nèi)阻測試中，若1kHz交流內(nèi)阻儀測得數(shù)值為5mΩ，則該電池在50A放電時(shí)的歐姆壓降為0.25V。答案：√解析：U=IR=50A×0.005Ω=0.25V。23.采用RTK定位時(shí)，基站發(fā)送的RTCM3.x報(bào)文中，類型1005用于發(fā)送基站天線參考坐標(biāo)。答案：√解析：1005為基準(zhǔn)站ARP坐標(biāo)報(bào)文。24.在無人機(jī)氣動設(shè)計(jì)中，采用翼梢小翼可減小誘導(dǎo)阻力，但會增加翼根彎矩。答案：√解析：小翼降低尾渦強(qiáng)度，減小誘導(dǎo)阻力，同時(shí)使升力分布外移，翼根彎矩增大。25.激光雷達(dá)的測距精度與目標(biāo)反射率無關(guān)，僅由飛行時(shí)間測量誤差決定。答案：×解析：低反射率目標(biāo)回波信噪比下降，測距精度降低。四、填空題（每空2分，共20分）26.某型固定翼無人機(jī)翼載為25kg/m2，機(jī)翼面積0.8m2，則起飛重量為________kg；若升力系數(shù)C_L=1.2，空氣密度1.225kg/m3，則最小平飛速度為________m/s。（保留一位小數(shù)）答案：20；8.1解析：重量=25×0.8=20kg；由L=?ρV2SC_L得V=√(2W/ρSC_L)=√(2×20×9.81/(1.225×0.8×1.2))≈8.1m/s。27.在Pixhawk飛控中，參數(shù)MPC_XY_CRUISE用于設(shè)置________方向的最大巡航速度，其默認(rèn)單位為________。答案：水平；m/s。28.采用無刷電機(jī)時(shí)，KV值定義為________每________的轉(zhuǎn)速。答案：每伏特；空載RPM。29.某次航測中，相機(jī)焦距為35mm，像元尺寸4.2μm，飛行高度100m，則地面采樣距離GSD為________cm。（保留兩位小數(shù)）答案：1.20解析：GSD=H×像元尺寸/焦距=100×4.2×10??/(35×10?3)=0.012m=1.20cm。30.在無人機(jī)通信協(xié)議MAVLink中，心跳包（HEARTBEAT）的msgID為________，其默認(rèn)發(fā)送頻率為________Hz。答案：0；1。31.根據(jù)國際民航組織（ICAO）規(guī)定，無人機(jī)在融合空域運(yùn)行所需監(jiān)視能力最低要求為________與________兩種手段之一。答案：ADS-B；遠(yuǎn)程識別（RemoteID）。32.在電池串聯(lián)組中，若單體標(biāo)稱電壓3.7V，則6S電池滿電電壓為________V，安全放電截止電壓為________V。答案：25.2；22.2解析：滿電4.2V×6=25.2V；截止3.7V×6=22.2V（部分廠家取3.6V，但標(biāo)準(zhǔn)取3.7V）。五、簡答題（每題8分，共24分）33.闡述多旋翼無人機(jī)在強(qiáng)風(fēng)條件下懸停時(shí)，飛控如何通過前饋控制提升抗風(fēng)能力，并給出一種具體實(shí)現(xiàn)方法。答案：強(qiáng)風(fēng)懸停時(shí)，飛控需提前響應(yīng)風(fēng)擾動，避免純反饋滯后。前饋控制通過風(fēng)估計(jì)器（如加速度計(jì)殘差、光流殘差或空速管）實(shí)時(shí)估算風(fēng)速矢量V_w，將其映射為所需姿態(tài)角Δθ_ff=arctan(V_w·k_d/g)，其中k_d為阻力系數(shù)。該角度直接疊加至姿態(tài)設(shè)定值，使電機(jī)提前產(chǎn)生逆風(fēng)分量，抑制漂移。實(shí)現(xiàn)方法：在PX4中啟用“weathervane”模塊，設(shè)置參數(shù)WV_ENABLE=1，飛控根據(jù)水平速度誤差經(jīng)低通濾波后生成前饋?zhàn)藨B(tài)角，再經(jīng)速率控制器輸出，實(shí)現(xiàn)0.2s內(nèi)對5m/s突風(fēng)的抑制，位置誤差減少約40%。34.說明激光雷達(dá)與相機(jī)在無人機(jī)三維重建中的互補(bǔ)性，并給出一種外參標(biāo)定流程。答案：激光雷達(dá)提供高精度幾何結(jié)構(gòu)，無懼光照，但缺乏紋理；相機(jī)提供高分辨率紋理與顏色，但易受光照、遮擋影響。二者融合可得到帶紋理的精細(xì)點(diǎn)云。外參標(biāo)定流程：1）制作帶黑白方格的立體標(biāo)定板，角點(diǎn)三維坐標(biāo)由全站儀測得作為真值；2）無人機(jī)同步采集LiDAR點(diǎn)云與影像；3）提取影像角點(diǎn)像素坐標(biāo)，LiDAR點(diǎn)云中擬合標(biāo)定板平面，投影求角點(diǎn)三維坐標(biāo)；4）建立PnP問題，求解R、t初值；5）采用ICP精修，目標(biāo)函數(shù)∑‖X_LiDAR?(R·X_cam+t)‖2最小化；6）使用Kalibr或LI-Calib工具箱非線性優(yōu)化，得到外參矩陣，重投影誤差<0.5pixel，點(diǎn)云融合精度提升30%。35.解釋無人機(jī)電池“電壓驟降”（VoltageSag）機(jī)理，并提出兩種抑制措施。答案：電壓驟降指大電流放電瞬間端電壓快速下跌，主要源于：1）歐姆內(nèi)阻R_Ω，壓降I·R_Ω；2）電荷轉(zhuǎn)移極化，電化學(xué)反應(yīng)速率滯后；3）離子擴(kuò)散濃差極化，電解液鋰離子濃度梯度瞬間增大。措施：1）采用高倍率LiPo電池，降低R_Ω（如從5mΩ降至2mΩ），電壓提升0.15V；2）加入超級電容并聯(lián)緩沖，時(shí)間常數(shù)τ=C·R_load，可補(bǔ)償10ms級脈沖，電壓跌落減少20%；3）優(yōu)化ESCPWM策略，限制電流爬升率di/dt<50A/s，降低極化沖擊；4）預(yù)熱電池至35℃，離子電導(dǎo)率提高30%，極化減弱。六、計(jì)算題（共31分）36.（10分）某型電動固定翼無人機(jī)參數(shù)：翼展1.6m，弦長0.25m，起飛重量3kg，電池能量180Wh，電機(jī)+螺旋槳組合效率η=0.72，電池→ESC→電機(jī)系統(tǒng)效率0.85，目標(biāo)巡航速度15m/s，空氣密度1.225kg/m3，Oswald效率因子e=0.85，零升阻力系數(shù)C_D0=0.022。求：（1）翼載、展弦比；（2）升致阻力因子K；（3）巡航升力系數(shù)C_L；（4）巡航阻力與所需功率；（5）理論最大航時(shí)。答案：（1）翼面積S=b×c=1.6×0.25=0.4m2；翼載W/S=3×9.81/0.4=73.6N/m2；展弦比AR=b2/S=1.62/0.4=6.4。（2）K=1/(π·e·AR)=1/(π×0.85×6.4)=0.058。（3）C_L=W/(?ρV2S)=29.43/(0.5×1.225×152×0.4)=0.533。（4）C_D=C_D0+K·C_L2=0.022+0.058×0.5332=0.038；D=?ρV2S·C_D=0.5×1.225×152×0.4×0.038=31.4N；P_req=D·V/η_sys=31.4×15/(0.72×0.85)=771W。（5）可用能量180Wh，航時(shí)=180/0.771=233h≈14min（注：題目設(shè)定電池能量偏小，結(jié)果合理）。37.（10分）四旋翼無人機(jī)單電機(jī)懸停拉力測試數(shù)據(jù)：油門55%時(shí)拉力2.5N，油門70%時(shí)拉力4.0N，假設(shè)拉力T與轉(zhuǎn)速ω2成正比，且轉(zhuǎn)速與油門呈線性關(guān)系，求：（1）懸停總重5kg時(shí)，單電機(jī)所需油門；（2）若電機(jī)1斷電，剩余三電機(jī)最大油門100%能否安全著陸？答案：（1）設(shè)T=k·δ2，由數(shù)據(jù)得k=2.5/0.552=8.26N；單電機(jī)需拉力=5×9.81/4=12.26N；δ=√(12.26/8.26)=1.22，超出100%，故需換大槳或降低重量。（2）三電機(jī)需產(chǎn)生總拉力≥5×9.81=49N，單電機(jī)最大T_max=8.26×12=8.26N，三電機(jī)共24.78N<49N，無法安全著陸，需六旋翼冗余或降落傘回收。38.（11分）某航測項(xiàng)目要求地面采樣距離GSD≤2cm，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，相機(jī)參數(shù)：焦距24mm，像元尺寸3.9μm，圖像分辨率6000×4000像素，傳感器尺寸23.5×15.6mm。求：（1）飛行高度H；（2）單張影像地面覆蓋面積；（3）若測區(qū)2km×1km，需多少張照片；（4）飛行速度設(shè)為12m/s，單航線拍照間隔；（5）總航線數(shù)。答案：（1）GSD=H·像元尺寸/焦距→H=0.02×24×10?3/(3.9×10??)=123m。（2）單張地面寬=6000×0.02=120m，高=4000×0.02=80m，面積=120×80=9600m2。（3）有效寬=120×(1?0.7)=36m，有效高=80×(1?0.8)=16m；張數(shù)=ceil(2000/16)×ceil(1000/36)=125×28=3500張。（4）拍照間隔=16m/12m/s=1.33s。（5）航線數(shù)=ceil(1000/36)=28條。七、綜合設(shè)計(jì)題（共30分）39.設(shè)計(jì)一款用于山區(qū)長距離物資運(yùn)送的復(fù)合翼無人機(jī)，要求：（1）任務(wù)半徑100km，載重5kg，巡航速度25m/s，風(fēng)場最大15m/s逆風(fēng)，單發(fā)失效安全；（2）采用油電混合