無人機(jī)技術(shù)與應(yīng)用考試試題及完整答案（奪冠系列）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)定性設(shè)計(jì)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，誘導(dǎo)阻力減小D.靜穩(wěn)定性增強(qiáng)，臨界迎角增大答案：B解析：重心前移使氣動中心相對位置后移，靜穩(wěn)定裕度增大，縱向恢復(fù)力矩增強(qiáng)；同時(shí)升降舵操縱力臂縮短，操縱靈敏度下降。2.某多旋翼采用“X”布局，前視順時(shí)針方向第一號電機(jī)失效，飛控最優(yōu)先執(zhí)行的策略是A.立即切斷對側(cè)電機(jī)保持平衡B.提高剩余全部電機(jī)轉(zhuǎn)速并重構(gòu)力矩分配C.啟動降落傘回收系統(tǒng)D.將無人機(jī)切換至自旋模式答案：B解析：六旋翼以上平臺單發(fā)失效后，飛控通過最小二乘法重新分配剩余電機(jī)轉(zhuǎn)速，優(yōu)先保證姿態(tài)與高度穩(wěn)定，而非直接切斷對側(cè)電機(jī)。3.下列關(guān)于RTK-GNSS與PPP-GNSS的說法正確的是A.RTK需基準(zhǔn)站，PPP無需，但PPP收斂時(shí)間更長B.RTK與PPP均依賴基準(zhǔn)站，只是解算算法不同C.RTK定位精度低于PPPD.PPP在電離層活躍期精度高于RTK答案：A解析：RTK通過載波相位差分實(shí)時(shí)消除共模誤差，需基準(zhǔn)站；PPP利用全球精密星歷與鐘差產(chǎn)品，單站即可，但需30min級收斂。4.某型鋰電池標(biāo)稱容量8000mAh、倍率5C，其最大持續(xù)放電電流為A.8AB.20AC.40AD.64A答案：C解析：5C×8A·h=40A，倍率定義即一小時(shí)容量倍數(shù)。5.在Pixhawk4飛控中，IMU與磁力計(jì)數(shù)據(jù)融合主要采用A.擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF2）B.互補(bǔ)濾波C.粒子濾波D.線性卡爾曼濾波答案：A解析：PX4默認(rèn)啟用EKF2，支持非線性運(yùn)動學(xué)與多傳感器融合，對磁干擾魯棒性優(yōu)于互補(bǔ)濾波。6.某固定翼無人機(jī)翼載荷從50kg/m2降至40kg/m2，若升力系數(shù)不變，則失速速度A.增大11%B.減小11%C.增大25%D.減小20%答案：B解析：失速速度v_s∝√(翼載荷)，√(40/50)=0.894，速度降低約10.6%，即11%。7.下列關(guān)于激光雷達(dá)SLAM的說法錯(cuò)誤的是A.LOAM算法對運(yùn)動畸變敏感B.回環(huán)檢測可基于Scan-Context描述子C.IMU預(yù)積分可降低激光雷達(dá)運(yùn)動畸變D.2DSLAM無法用于三維空間定位答案：D解析：2DSLAM在三維空間若限制于近似平面運(yùn)動，仍可輸出水平位置，只是缺失高程信息，并非完全無法定位。8.在數(shù)字圖傳OFDM系統(tǒng)中，提高信道編碼碼率會A.降低誤碼率，降低吞吐量B.提高誤碼率，提高吞吐量C.降低誤碼率，提高吞吐量D.提高誤碼率，降低吞吐量答案：B解析：高碼率意味著冗余度下降，有效信息占比提高，吞吐量上升，但抗噪性能下降，誤碼率提高。9.某型四旋翼懸停功率200W，若采用4節(jié)4.2V滿電鋰電池，理論懸停電流為A.11.9AB.13.3AC.15.8AD.17.6A答案：A解析：4串電壓16.8V，I=P/U=200/16.8≈11.9A。10.在《民用無人駕駛航空器實(shí)名制登記管理規(guī)定》中，空機(jī)重量大于A.250gB.1kgC.4kgD.15kg答案：A解析：中國民航局規(guī)定空機(jī)重量≥250g的無人機(jī)須實(shí)名登記。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；每題至少兩項(xiàng)正確，多選少選均不得分）11.下列措施可同時(shí)提升多旋翼續(xù)航時(shí)間與載重能力的是A.采用盤式電機(jī)降低KV值B.增大槳徑并降低轉(zhuǎn)速C.使用高能量密度固態(tài)電池D.采用鈦合金機(jī)臂減重E.提高飛控采樣頻率至2kHz答案：A、B、C、D解析：A降低KV匹配大槳提高力效；B大槳低轉(zhuǎn)提高槳盤面積降低誘導(dǎo)功率；C能量密度提升直接增加續(xù)航與載重裕度；D減重降低懸停功率；E僅提高控制帶寬，對功率無直接收益。12.關(guān)于無人機(jī)雷達(dá)高度計(jì)，正確的有A.采用24GHzISM頻段B.對草地測量誤差大于混凝土C.在沙塵天氣可能失效D.可輔助實(shí)現(xiàn)地形跟隨E.測量精度與氣壓計(jì)無關(guān)答案：A、B、C、D解析：草地散射系數(shù)低導(dǎo)致回波弱，誤差大；沙塵顆粒產(chǎn)生多徑與衰減；地形跟隨需雷達(dá)高程；E錯(cuò)誤，部分融合算法仍參考?xì)鈮河?jì)做平滑。13.以下屬于無人機(jī)電磁兼容測試項(xiàng)目的是A.CE傳導(dǎo)發(fā)射B.RE輻射發(fā)射C.CS傳導(dǎo)抗擾D.RS輻射抗擾E.ESD靜電放電答案：A、B、C、D、E解析：EMC全項(xiàng)覆蓋發(fā)射與抗擾，含±8kV接觸放電靜電測試。14.在基于視覺的自主降落中，常用的標(biāo)志圖案有A.ApriltagB.ArUcoC.QRCodeD.環(huán)形編碼靶E.棋盤格答案：A、B、C、D解析：棋盤格用于相機(jī)標(biāo)定而非降落識別。15.下列關(guān)于氫燃料電池?zé)o人機(jī)的說法正確的有A.能量密度高于鋰電B.輸出功率響應(yīng)慢于鋰電C.需配套鋰電池做混合電源D.零排放但產(chǎn)生冷凝水E.目前成本低于鋰電系統(tǒng)答案：A、B、C、D解析：氫燃料電池比能量500-800Wh/kg，高于鋰電；電堆動態(tài)響應(yīng)慢，需鋰電削峰；反應(yīng)產(chǎn)物僅為水；E錯(cuò)誤，氫系統(tǒng)成本仍高一個(gè)量級。三、判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）16.多旋翼槳葉雷諾數(shù)通常低于固定翼主翼，因此槳葉更易出現(xiàn)層流分離。答案：√解析：雷諾數(shù)Re=ρvC/μ，槳葉弦長C小，Re普遍<5×10?，層流占比高，易分離。17.在Pixhawk中，設(shè)置EKF2_RNG_NOISE為0.1m表示激光測距噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.1m，數(shù)值越小對高度觀測信任度越低。答案：×解析：數(shù)值越小表明噪聲越小，濾波器信任度越高。18.采用碳纖維螺旋槳可提升力效，但會增大電機(jī)陀螺效應(yīng)，對高速俯仰響應(yīng)不利。答案：√解析：碳纖維密度高于塑料，轉(zhuǎn)動慣量增大，陀螺力矩增強(qiáng)。19.根據(jù)貝茨極限，理想風(fēng)輪最大風(fēng)能利用系數(shù)為59.3%，該極限同樣適用于螺旋槳型無人機(jī)槳盤。答案：×解析：貝茨極限針對風(fēng)力機(jī)，螺旋槳做功方向相反，不適用。20.在ADSB-OUT系統(tǒng)中，無人機(jī)需廣播24位ICAO地址、經(jīng)緯度、高度、速度及類別信息。答案：√解析：符合DO-260B標(biāo)準(zhǔn)。21.激光雷達(dá)采用905nm波長比1550nm更易對人眼產(chǎn)生損傷，因此1550nm系統(tǒng)可允許更高發(fā)射功率。答案：√解析：1550nm大部分被角膜吸收，無法到達(dá)視網(wǎng)膜，安全閾值高。22.在PX4中，設(shè)置COM_ARM_WO_GPS=1表示無GPS也可解鎖，適用于室內(nèi)OPTITRAK系統(tǒng)。答案：√解析：參數(shù)允許無全局定位解鎖，依賴局部定位。23.多旋翼電機(jī)KV值定義為每伏特電壓下電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速，因此KV800電機(jī)在12V下空載轉(zhuǎn)速為9600rpm。答案：√解析：KV×電壓=空載轉(zhuǎn)速，800×12=9600rpm。24.采用雙GPS天線配置可實(shí)現(xiàn)航向估計(jì)，但無法提高定位精度。答案：×解析：雙天線RTK基線解算可獲得高精度航向，同時(shí)主天線定位精度亦受益于載波差分。25.在低溫-20℃環(huán)境下，鋰電池內(nèi)阻升高，容量下降，若仍按常溫滿電起飛，電壓驟降風(fēng)險(xiǎn)增大。答案：√解析：低溫離子電導(dǎo)率下降，極化增強(qiáng)，易觸發(fā)BMS低壓保護(hù)。四、填空題（每空2分，共20分）26.某型固定翼無人機(jī)巡航升阻比為12，整機(jī)質(zhì)量8kg，滑翔比為________，若失去動力于1000m高度，最遠(yuǎn)可滑翔________km。答案：12；12解析：滑翔比=升阻比；距離=高度×滑翔比=1km×12=12km。27.多旋翼電機(jī)力效定義為________與________之比，單位常用________。答案：拉力（N）；輸入功率（W）；N/W或g/W28.在GPS系統(tǒng)中，L1頻段中心頻率為________MHz，L2頻段為________MHz。答案：1575.42；1227.6029.某四旋翼單槳最大拉力5N，懸停時(shí)總拉力需40N，則安全裕度為________，對應(yīng)最大起飛質(zhì)量為________kg。答案：100%；2解析：單槳5N，四槳20N，需40N表示設(shè)計(jì)超載100%，最大質(zhì)量=20N/9.8≈2kg。30.在激光雷達(dá)點(diǎn)云中，常用的體素濾波參數(shù)“l(fā)eafsize”設(shè)為0.1m，表示三維體素邊長為________m，其作用是________。答案：0.1；降采樣并減少計(jì)算量，同時(shí)保持幾何特征。五、簡答題（每題8分，共24分）31.闡述多旋翼無人機(jī)“動力冗余度”與“失效后力矩重構(gòu)”之間的關(guān)系，并給出六旋翼單發(fā)失效后的最小控制策略。答案：動力冗余度指系統(tǒng)在部分執(zhí)行器失效后仍可維持受控飛行的能力，冗余度R=(n-1)/n，六旋翼R=5/6。失效后力矩重構(gòu)指飛控根據(jù)剩余電機(jī)健康狀態(tài)，重新求解欠驅(qū)動系統(tǒng)的偽逆分配矩陣，使期望力矩τ_d與剩余電機(jī)轉(zhuǎn)速ω的平方成正比：τ_d=K·diag(ω2)。最小控制策略為：1）實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差，觸發(fā)失效標(biāo)志；2）凍結(jié)失效電機(jī)輸出，將其控制量設(shè)零；3）采用加權(quán)最小范數(shù)法重新分配剩余5臺電機(jī)，優(yōu)先保證橫滾與俯仰力矩，犧牲偏航跟蹤；4）限制最大總推力不超過剩余電機(jī)飽和值，降低姿態(tài)環(huán)帶寬，確保穩(wěn)定降落。32.說明激光雷達(dá)SLAM中“運(yùn)動畸變”產(chǎn)生機(jī)理，并給出IMU輔助去畸變的具體步驟。答案：激光雷達(dá)采用旋轉(zhuǎn)掃描方式，一幀點(diǎn)云采集期間無人機(jī)存在運(yùn)動，導(dǎo)致不同激光點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)系不一致，形成運(yùn)動畸變。IMU輔助去畸變步驟：1）利用IMU高頻（≥200Hz）角速度與加速度積分，獲得每束激光發(fā)射時(shí)刻的位姿變化；2）將每點(diǎn)坐標(biāo)從激光雷達(dá)坐標(biāo)系L轉(zhuǎn)換至該點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻的IMU坐標(biāo)系I：p_I=T_LI·p_L；3）再將p_I通過IMU積分得到的位姿鏈，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至幀起始時(shí)刻的參考系p_ref；4）對所有點(diǎn)云完成時(shí)間同步與坐標(biāo)變換后，重新拼接為一幀“去畸變”點(diǎn)云；5）最后將去畸變點(diǎn)云輸入配準(zhǔn)算法（如LOAM、LIO-SAM），提高建圖精度。33.對比氫燃料電池與鋰硫電池在無人機(jī)動力應(yīng)用中的優(yōu)劣，并給出適用場景建議。答案：氫燃料電池優(yōu)勢：1）質(zhì)量能量密度500-800Wh/kg，高于鋰硫400-600Wh/kg；2）放電過程平穩(wěn)，電壓平臺穩(wěn)定；3）低溫性能優(yōu)于鋰電。劣勢：1）系統(tǒng)復(fù)雜，需高壓儲氫瓶、減壓閥、電堆熱管理，體積能量密度低；2）動態(tài)響應(yīng)慢，需鋰電混合；3）成本高，基礎(chǔ)設(shè)施稀缺。鋰硫優(yōu)勢：1）體積能量密度與鋰電相當(dāng)，系統(tǒng)簡單；2）倍率性能優(yōu)于氫燃料；3）無需高壓容器，安全性高。劣勢：1）循環(huán)壽命短（<200次）；2）自放電高；3）低溫容量衰減顯著。適用場景：氫燃料適合>3h長航時(shí)、大載荷、固定翼或垂直起降復(fù)合翼，如海事巡檢、應(yīng)急通信；鋰硫適合對體積敏感、航時(shí)1-2h、成本受限的中小型多旋翼，如航拍、測繪。六、計(jì)算題（共3題，共31分）34.（10分）某型電動固定翼無人機(jī)參數(shù)：翼面積0.8m2，最大起飛質(zhì)量10kg，巡航速度20m/s，螺旋槳推進(jìn)效率η_p=0.75，電機(jī)系統(tǒng)效率η_m=0.9，電池能量密度250Wh/kg，可用能量系數(shù)0.8。若要求巡航時(shí)間≥3h，求：（1）最小所需電池質(zhì)量；（2）此時(shí)翼載荷與推重比。解：巡航升力L=mg=10×9.8=98N升力系數(shù)C_L=L/(0.5ρv2S)=98/(0.5×1.225×202×0.8)=0.50假設(shè)巡航升阻比K=12，則阻力D=L/K=98/12=8.17N需推進(jìn)功率P_shaft=Dv/η_p=8.17×20/0.75=217.9W電池輸出功率P_bat=P_shaft/η_m=217.9/0.9=242.2W需能量E=P_bat×t=242.2×3=726.6Wh可用能量E_usable=E_bat×0.8→E_bat=726.6/0.8=908.3Wh電池質(zhì)量m_bat=908.3/250=3.63kg翼載荷=W/S=10×9.8/0.8=122.5N/m2推重比=T/W=D/W=8.17/98=0.083答案：（1）3.63kg；（2）122.5N/m2；0.083。35.（10分）某四旋翼單槳葉質(zhì)量0.05kg，槳葉質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸0.18m，電機(jī)KV900，電池電壓24V，總質(zhì)量5kg。若快速打滿俯仰桿，飛控在0.2s內(nèi)將前后電機(jī)轉(zhuǎn)速從3000rpm線性增加到4800rpm，求：（1）陀螺力矩最大值；（2）該力矩對機(jī)體產(chǎn)生的角加速度；（3）若轉(zhuǎn)動慣量I_y=0.25kg·m2，0.2s后俯仰角速度。解：角速度ω_max=4800×2π/60=502.7rad/s轉(zhuǎn)動慣量單槳I_p=m·r2=0.05×0.182=1.62×10?3kg·m2陀螺力矩τ_g=I_p·ω_max·Ω，其中Ω為機(jī)體俯仰角速度，但此處求最大力矩時(shí)Ω≈0，最大陀螺力矩來自槳葉加速階段，實(shí)際應(yīng)計(jì)算科氏力：嚴(yán)格應(yīng)為陀螺力矩τ=I_p·ω·ΔΩ，但本題簡化為槳葉轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生的反扭矩差：Δω=(4800-3000)×2π/60=188.5rad/s陀螺力矩最大值τ_g=4×I_p·ω_avg·(Δω/Δt)ω_avg=(3000+4800)/2×2π/60=408.4rad/sτ_g=4×1.62×10?3×408.4×(188.5/0.2)=2.49N·m角加速度α=τ_g/I_y=2.49/0.25=9.96rad/s20.2s后角速度ω=α·t=9.96×0.2=1.99rad/s≈114°/s答案：（1）2.49N·m；（2）9.96rad/s2；（3）1.99rad/s。36.（11分）某測繪多旋翼需執(zhí)行1km2區(qū)域正射影像任務(wù)，地面分辨率要求3cm，航向重疊80%，旁向重疊70%，相機(jī)焦距24mm，像元尺寸2.4μm，畫幅6000×4000像素，飛行速度12m/s，風(fēng)忽略不計(jì)。求：（1）相對航高；（2）單張影像地面覆蓋面積；（3）航線總長度；（4）若單架次電池允許飛行時(shí)間25min，需幾個(gè)架次。解：GSD=H·p/f→H=GSD·f/p=0.03×24×10?3/(2.4×10??)=300m單張影像寬W=6000×0.03=180m，高H_img=4000×0.03=120m旁向重疊70%，有效寬=180×(1-0.7)=54m航向重疊80%，有效長=120×(1-0.8)=24m單張有效面積A_eff=54×24=1296m2總張數(shù)N=1×10?/1296≈772張航線間隔=54m，需航線數(shù)=1000/54≈18.5→19條單航線長=1000m，總長度L=19×1000=19km飛行時(shí)間t=L/v=19000/12=1583s≈26.4min>25min需2個(gè)架次（26.4/25≈1.06，取整2）答案：（1）300m；（2）180m×120m=21600m2；（3）19km；（4）2個(gè)架次。七、綜合設(shè)計(jì)題（共30分）37.設(shè)計(jì)一款用于高原海拔4500m、氣溫-10℃環(huán)境的物流無人機(jī)，要求：?載重5kg，航程≥100km，具備垂直起降與固定翼巡航能力；?需考慮低溫電池衰減、空氣密度降低、陣風(fēng)擾動；?給出總體布局、動力形式、能源配置、熱管理、可靠性措施；?繪制能量流與失效安全狀態(tài)機(jī)圖（文字描述即可）；?估算整機(jī)質(zhì)量與航時(shí)，并驗(yàn)證是否滿足航程。解答：1）總體布局：采用傾轉(zhuǎn)四旋翼+固定翼復(fù)合布局，翼展3.2m，翼面積1.5m2，前雙電機(jī)可傾轉(zhuǎn)90°，后雙電機(jī)固定垂直，巡航時(shí)前槳鎖定水平，后槳停轉(zhuǎn)折疊，降低阻力。2）動力形式：垂直起降階段由四臺無刷電機(jī)驅(qū)動24英寸碳纖維槳，巡航階段由一臺2