無人機(jī)技術(shù)與應(yīng)用考試試題及完整答案【名校卷】一、單項選擇題（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，若重心前移，則A.靜穩(wěn)定性減弱，操縱靈敏度提高B.靜穩(wěn)定性增強(qiáng)，操縱靈敏度降低C.靜穩(wěn)定性不變，操縱靈敏度降低D.靜穩(wěn)定性增強(qiáng)，操縱靈敏度提高答案：B解析：重心前移使俯仰恢復(fù)力矩增大，靜穩(wěn)定性增強(qiáng)；同時升降舵操縱力臂縮短，操縱靈敏度降低。2.某多旋翼采用4114400kV電機(jī)配15×5碳纖維槳，在6S鋰聚電池滿電（25.2V）下懸停，電機(jī)效率85%，則單電機(jī)理論消耗功率約為A.210WB.245WC.280WD.315W答案：C解析：懸停時單槳需升力為總重/槳數(shù)，假設(shè)總重12kg、八旋翼，單槳升力15N；由動量理論得誘導(dǎo)速度約7.8m/s，理想功率P_ideal=F·v_i≈117W；考慮η=0.85，實(shí)際輸入P_in=117/0.85≈138W；再留30%操縱裕度，實(shí)際工程值約280W。3.下列關(guān)于RTK-GNSS與PPP-RTK差異的描述，正確的是A.RTK需持續(xù)基站鏈路，PPP-RTK無需B.PPP-RTK收斂時間通常短于RTKC.RTK水平精度高于PPP-RTKD.二者均依賴L1單頻觀測答案：A解析：PPP-RTK通過全球改正產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)單站絕對定位，無需持續(xù)基站鏈路；收斂時間30s–2min，長于RTK的1–5s；精度相當(dāng)（1–2cm）；PPP-RTK需多頻多系統(tǒng)。4.在基于視覺的SLAM中，出現(xiàn)“尺度漂移”的根本原因是A.相機(jī)畸變未校正B.單目視覺缺乏深度觀測C.IMU零偏不穩(wěn)定D.回環(huán)檢測失敗答案：B解析：單目視覺無法直接觀測場景絕對深度，導(dǎo)致估計軌跡與地圖尺度隨時間漂移。5.某型垂直起降固定翼無人機(jī)采用“傾轉(zhuǎn)雙旋翼+尾推”布局，若前翼傾轉(zhuǎn)舵機(jī)卡死在45°，最可能出現(xiàn)的故障模式是A.無法進(jìn)入多旋翼模式，墜機(jī)B.無法進(jìn)入固定翼模式，持續(xù)懸停至電量耗盡C.切固定翼后劇烈抬頭失速D.切固定翼后劇烈低頭俯沖答案：C解析：傾轉(zhuǎn)舵機(jī)卡死45°使前槳拉力產(chǎn)生抬頭力矩，固定翼模式下升降舵不足以克服，導(dǎo)致失速。6.關(guān)于鋰聚電池內(nèi)阻與老化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)容量保持率降至80%時，內(nèi)阻約增加A.30%B.50%C.80%D.120%答案：B解析：文獻(xiàn)統(tǒng)計，容量衰減20%對應(yīng)內(nèi)阻上升中位值50%，且呈非線性加速趨勢。7.在無人機(jī)編隊一致性算法中，若通信拓?fù)浯嬖谏蓸涞侨B通，則A.無法達(dá)成位置一致B.可達(dá)成速度一致但無法位置一致C.仍可漸近達(dá)成位置一致D.系統(tǒng)必然發(fā)散答案：C解析：只要存在全局可達(dá)節(jié)點(diǎn)（生成樹），采用一致性協(xié)議即可漸近達(dá)成位置一致，僅收斂速度降低。8.采用光流法進(jìn)行室內(nèi)定位時，若地面為純色光滑瓷磚，定位誤差主要來源于A.陀螺儀零偏B.光流算法計算復(fù)雜度C.圖像紋理缺失導(dǎo)致特征匹配失敗D.超聲波測高誤差答案：C解析：光流依賴圖像梯度，純色瓷磚缺乏紋理，導(dǎo)致速度觀測失效。9.在雷達(dá)高度計測高中，若無人機(jī)突然飛越金屬屋頂，可能出現(xiàn)A.高度跳變偏低B.高度跳變偏高C.高度不變D.信號完全丟失答案：B解析：金屬屋頂產(chǎn)生多徑，雷達(dá)提前接收反射波，導(dǎo)致測高值偏大，飛控誤判為“爬升”。10.根據(jù)DO-178C標(biāo)準(zhǔn)，無人機(jī)飛控軟件中“自動返航”功能屬于A.失效狀態(tài)類別“災(zāi)難”B.失效狀態(tài)類別“重大”C.失效狀態(tài)類別“輕微”D.失效狀態(tài)類別“無安全影響”答案：B解析：返航失效可能導(dǎo)致可控撞地，屬“重大”（Major）等級，需DALB級驗(yàn)證。二、多項選擇題（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抑制多旋翼“渦環(huán)狀態(tài)”發(fā)生A.增大槳盤載荷B.設(shè)置下降率上限C.采用變距槳D.引入槳尖小翼答案：B、C、D解析：渦環(huán)狀態(tài)由快速垂直下降誘發(fā)，限制下降率直接有效；變距槳可快速改變誘導(dǎo)流；槳尖小翼削弱渦脫落。增大槳盤載荷反而易進(jìn)入渦環(huán)。12.關(guān)于無人機(jī)5G專網(wǎng)切片，以下說法正確的是A.uRLLC切片可保障空口時延<10msB.eMBB切片適合高清圖傳C.切片隔離基于QoS等級標(biāo)識QCID.網(wǎng)絡(luò)切片需核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、無線網(wǎng)端到端協(xié)同答案：A、B、D解析：QCI為4G概念，5G采用5QI，切片隔離基于S-NSSAI及端到端資源預(yù)留。13.在基于卡爾曼濾波的姿態(tài)估計中，過程噪聲協(xié)方差Q矩陣過大將導(dǎo)致A.濾波器帶寬降低B.估計滯后減小C.對IMU噪聲更敏感D.收斂速度加快答案：C、D解析：Q大意味著更信任預(yù)測，濾波器增益增大，收斂快但對噪聲敏感，帶寬提高，滯后減小。14.下列哪些屬于無人機(jī)“電子圍欄”核心技術(shù)模塊A.地理網(wǎng)格索引引擎B.實(shí)時航跡預(yù)測算法C.協(xié)議層劫持模塊D.動態(tài)凈空評估服務(wù)答案：A、B、D解析：電子圍欄需地理索引、航跡預(yù)測、凈空評估；協(xié)議層劫持屬非法入侵，非技術(shù)模塊。15.在激光雷達(dá)SLAM中，為減少運(yùn)動畸變可采取A.采用機(jī)械式高速掃描頭B.使用IMU進(jìn)行幀內(nèi)去畸變C.引入輪式里程計D.提高掃描幀率至20Hz以上答案：B、D解析：幀內(nèi)去畸變與提高幀率直接減少畸變；高速掃描頭成本高昂且非根本；輪式里程計對無人機(jī)不適用。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.對于同一架固定翼無人機(jī)，在相同迎角下，飛行高度增加會導(dǎo)致誘導(dǎo)阻力系數(shù)減小。答案：√解析：高度增加空氣密度降低，同一升力系數(shù)需更大真速，誘導(dǎo)阻力系數(shù)C_di與升力系數(shù)平方成正比，與展弦比、密度無關(guān)，故不變；但題目問“誘導(dǎo)阻力系數(shù)”，嚴(yán)格不變，實(shí)際工程常認(rèn)為“減小”屬誤解，應(yīng)×。更正答案：×解析：C_di=CL2/(π·e·AR)，與密度無關(guān)，故不變。17.多旋翼電機(jī)KV值越高，則對應(yīng)最大扭矩越大。答案：×解析：KV高表示每伏轉(zhuǎn)速高，反電動勢大，扭矩常數(shù)KT=1/KV，扭矩反而減小。18.在PX4飛控中，ECLEKF2默認(rèn)使用雙天線航向觀測以抑制磁干擾。答案：√解析：ECLEKF2支持GPS航向（雙天線）融合，提高磁擾動環(huán)境魯棒性。19.采用TCP協(xié)議傳輸無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)可天然抵抗鏈路丟包。答案：×解析：TCP重傳機(jī)制導(dǎo)致時延抖動，對實(shí)時遙測不利，且無法解決“過期”問題。20.根據(jù)Bernoulli方程，固定翼無人機(jī)在俯沖過程中，機(jī)翼前緣靜壓一定小于遠(yuǎn)場靜壓。答案：√解析：俯沖時流速增大，前緣駐點(diǎn)附近靜壓低于遠(yuǎn)場，符合Bernoulli。21.在深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)YOLOv5中，引入Focus切片層可降低計算量并提升小目標(biāo)檢測。答案：√解析：Focus將空間信息移至通道，減少下采樣損失，提升小目標(biāo)精度。22.無人機(jī)采用氫燃料電池系統(tǒng)時，其能量密度（Wh/kg）主要受限于儲氫瓶質(zhì)量。答案：√解析：氫氣質(zhì)量能量密度高，但35MPaTypeIII瓶的儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅5%左右，系統(tǒng)級能量密度瓶頸在瓶。23.在Mavlink協(xié)議中，消息ID0代表心跳包，其固定長度為17字節(jié)。答案：×解析：心跳包長度9字節(jié)（含CRC），17字節(jié)為舊版誤解。24.采用RTK定位時，基站與移動站距離超過50km仍可維持厘米級精度。答案：×解析：50km導(dǎo)致差分大氣殘余誤差>2cm，需VRS或區(qū)域網(wǎng)RTK。25.多旋翼槳葉“翼刀”結(jié)構(gòu)可延緩槳尖失速并降低噪聲。答案：√解析：翼刀抑制展向流動，推遲失速，降低寬頻噪聲。四、簡答題（每題8分，共24分）26.闡述固定翼無人機(jī)“Phugoid”模態(tài)的物理成因，并給出通過飛控增穩(wěn)的設(shè)計要點(diǎn)。答案：Phugoid為長周期模態(tài)，表現(xiàn)為高度與速度緩慢交換、迎角近似恒定。成因：當(dāng)速度增加→升力>重量→爬升→重力減速→升力<重量→下降→加速，形成能量守恒振蕩。增穩(wěn)設(shè)計：①引入速度反饋至升降舵，形成Δθ=KΔV，增加阻尼；②采用TECS（總能量控制系統(tǒng)）協(xié)調(diào)油門與升降舵，抑制能量交換；③配置P-I控制器對高度誤差進(jìn)行相位超前補(bǔ)償，抑制長周期振蕩；④通過參數(shù)辨識獲得精確氣動導(dǎo)數(shù)，優(yōu)化控制律零極點(diǎn)配置，保證阻尼比ζ≥0.35。27.某型電動垂直起降無人機(jī)最大起飛質(zhì)量35kg，采用4臺傾轉(zhuǎn)旋翼+1臺尾推，翼展3.2m，機(jī)翼面積1.8m2。試估算其固定翼模式最小平飛功率，并分析傾轉(zhuǎn)過渡段操縱策略。答案：1.最小平飛功率對應(yīng)最大升阻比。假設(shè)巡航升力系數(shù)CL=0.8，展弦比AR=b2/S=5.7，奧斯瓦爾德效率e=0.85，得誘導(dǎo)阻力系數(shù)C_di=0.82/(π·5.7·0.85)=0.042。取零升阻力系數(shù)C_d0=0.025，總阻力系數(shù)Cd=0.067。升阻比L/D=0.8/0.067≈11.9。2.最小功率速度Vmp=√(2W/(ρS√(3·C_d0/(π·e·AR))))=√(2·343/(1.225·1.8·√(3·0.025/15.2)))=22.4m/s。3.此時總阻力D=W/(L/D)=343/11.9=28.8N，所需功率P=D·V=28.8·22.4=645W；考慮尾推效率η=0.78，電機(jī)電調(diào)效率0.92，電池輸出約645/(0.78·0.92)=900W。操縱策略：過渡段分三階段——①減速前飛至0.7V_stall，同時逐步前傾旋翼至75°；②尾推逐步加速至維持空速，旋翼傾轉(zhuǎn)至90°，升降舵配平俯仰變化；③當(dāng)尾推承擔(dān)80%推力，旋翼卸載至懸停推力20%，切換為多旋翼模式，完成過渡。采用增益調(diào)度PID，對俯仰角速率和高度變化率進(jìn)行前饋補(bǔ)償，抑制耦合振蕩。28.描述激光雷達(dá)“鬼影”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，并給出工程抑制方案。答案：鬼影指在雨霧、揚(yáng)塵等顆粒環(huán)境中，激光脈沖被多次散射后提前返回，形成虛假近距離點(diǎn)云。機(jī)理：米氏散射使部分能量沿短路徑回波，時間飛行計算誤判為近距目標(biāo)。抑制方案：①采用多回波技術(shù)，記錄首末回波，濾除中間回波；②引入反射強(qiáng)度閾值，鬼影強(qiáng)度通常低于實(shí)體目標(biāo)，設(shè)置I_min=30%·ρ_max可剔除；③利用時空一致性濾波，對相鄰幀進(jìn)行最近鄰匹配，刪除速度異常點(diǎn)；④融合IMU預(yù)測位姿，建立局部地圖一致性檢驗(yàn)，剔除與地圖不兼容的點(diǎn)；⑤硬件層面采用1550nm激光，降低散射系數(shù)，提高穿透性；⑥在雨霧天啟動“動態(tài)ROI”縮小視場，集中能量提高SNR。五、計算題（共31分）29.（10分）某六旋翼無人機(jī)單槳直徑0.76m，總重18kg，海平面懸停，電機(jī)效率88%，電調(diào)效率97%，電池12S25C16000mAh，標(biāo)稱電壓44.4V，內(nèi)阻24mΩ。求：(1)懸停時單槳誘導(dǎo)功率；(2)整機(jī)理論懸停時間；(3)若電池老化內(nèi)阻翻倍，懸停時間縮短百分比。答案：(1)單槳升力F=18·9.81/6=29.4N，槳盤面積A=π·0.382=0.453m2，誘導(dǎo)速度v_i=√(F/(2ρA))=√(29.4/(2·1.225·0.453))=4.85m/s，理想功率P_ideal=F·v_i=142.6W；考慮圖損失k=1.15，P_profile=?ρCd0A_tip·(ΩR)3，取Cd0=0.015，Ω=540rad/s，得P_profile≈45W；單槳總功率P_rotor=142.6·1.15+45=209W。(2)整機(jī)輸入功率P_in=6·209/(0.88·0.97)=1470W；電池可用能量E=16Ah·44.4V=710.4Wh；理論時間t=710.4/1.47=483s≈8.0min。(3)新內(nèi)阻R=48mΩ，懸停電流I=1470/44.4=33.1A，壓降ΔU=I·R=1.59V，有效電壓42.8V，功率不變則電流增至34.3A，能量損耗P_loss=I2R=34.32·0.048=56.5W，可用功率降至1413W，時間縮短率=1–1413/1470=3.9%。30.（11分）固定翼無人機(jī)從海拔500m機(jī)場起飛，目標(biāo)在正東50km、海拔1800m山頂，任務(wù)高度2200mAGL，巡航CL=0.65，Cd=0.028，翼載W/S=380N/m2，燃油比耗0.42kg/(kW·h)。求：(1)爬升段能量；(2)巡航段需燃油質(zhì)量；(3)若采用電動動力，電池能量密度250Wh/kg，等效電池質(zhì)量是燃油的多少倍。答案：(1)爬升高度Δh=2200+(1800-500)=3500m，勢能E_p=m·g·Δh，假設(shè)m=25kg，E_p=25·9.81·3500=858kJ。(2)巡航動壓q=?ρV2，由W/S=CL·q得q=380/0.65=585Pa，V=√(2q/ρ)=30.9m/s；升阻比L/D=0.65/0.028=23.2；巡航距離50km，時間t=50000/30.9=1618s；需推力T=W/(L/D)=245/23.2=10.6N；功率P=T·V=327W；燃油質(zhì)量m_f=P·t/(η·H_f)，取η=0.30，H_f=43MJ/kg，得m_f=327·1618/(0.3·43e6)=0.041kg。(3)電動需能量E_e=P·t=327·1618=529kJ=147Wh；電池質(zhì)量m_b=147/250=0.59kg；倍數(shù)=0.59/0.041≈14.4倍。31.（10分）某無人機(jī)采用單目+IMU的VIO方案，相機(jī)幀率30Hz，IMU200Hz，已知相機(jī)內(nèi)參fx=fy=400pix，重力加速度g=9.81m/s2。在懸停時，特征點(diǎn)平均深度d=8m，圖像坐標(biāo)系下特征平均速度v_img=6pix/frame，求：(1)機(jī)體角速度估計值；(2)若IMU零偏為0.02rad/s，持續(xù)10s，估算姿態(tài)誤差；(3)采用閉環(huán)檢測后誤差降至0.5°，求閉環(huán)校正所需最小回環(huán)幀間隔。答案：(1)角速度ω=v_img·d/(f·Δt)=6·8/(400·0.033)=3.64rad/s≈208°/s，顯然異常；實(shí)際應(yīng)為ω=v_img/(f·Δt)=6/(400·0.033)=0.455rad/s≈26°/s。(2)零偏ε=0.02rad/s，10s積分誤差θ=ε·t=0.2rad≈11.5°。(3)目標(biāo)誤差0.5°，允許漂移速率=0.5°/10s=0.05°/s；零偏0.02rad/s=1.15°/s，需每0.5/1.15=0.43s校正一次；閉環(huán)檢測幀間隔≤0.43·30≈13幀。六、綜合設(shè)計題（共30分）32.設(shè)計一款用于海上風(fēng)電巡檢的復(fù)合翼無人機(jī)，要求：①巡檢半徑>80km，航時>3h；②可在6級海況（風(fēng)速13–17m/s，浪高3–4m）下從無人船甲板自主起降；③具備毫米級裂紋檢測能力；④單舵面故障仍可安全返航。請給出：(1)總體布局與動力系統(tǒng)方案；(2)抗風(fēng)起降控制策略；(3)裂紋檢測載荷配置與數(shù)據(jù)鏈路；(4)故障重構(gòu)飛控架構(gòu)。答案：(1)布局：采用“傾轉(zhuǎn)四旋翼+尾推”復(fù)合翼，翼展4.5m，機(jī)翼面積2.4m2，展弦比8.4，翼載160N/m2；尾推槳可折疊，減少垂尾面積；機(jī)身碳纖