2025年大学《海洋机器人-自主水下机器人(AUV)设计与控制》考试备考题库及答案解析

2025年大学《海洋机器人-自主水下机器人（AUV）设计与控制》考试备考题库及答案解析单位所属部门：________姓名：________考场号：________考生号：________一、选择题1.海洋机器人自主水下机器人（AUV）的主要工作环境是（）A.沙漠B.森林C.海洋D.草原答案：C解析：AUV是专门设计用于在海洋环境中执行任务的机器人，其主要工作环境是海洋，包括深海、浅海等多种海洋环境。2.自主水下机器人（AUV）的主要动力来源是（）A.太阳能电池B.风力发电机C.液压系统D.电池答案：D解析：AUV通常在海洋深处工作，远离阳光，因此主要依靠电池作为动力来源。太阳能电池和风力发电机在海洋环境中难以应用，液压系统不是AUV的主要动力来源。3.自主水下机器人（AUV）在进行水下探测时，通常使用哪种传感器（）A.红外传感器B.声学传感器C.超声波传感器D.可见光传感器答案：B解析：声学传感器是AUV在水下探测的主要传感器，因为水对声波的传导效果好，而可见光和红外线在水下衰减很快，超声波在短距离内可以较好地探测水下环境。4.自主水下机器人（AUV）的导航系统通常包括哪些部分（）A.惯性导航系统、声学导航系统、视觉导航系统B.惯性导航系统、声学导航系统、重力导航系统C.惯性导航系统、视觉导航系统、重力导航系统D.惯性导航系统、声学导航系统、气压导航系统答案：A解析：AUV的导航系统通常包括惯性导航系统、声学导航系统和视觉导航系统。惯性导航系统提供基础的姿态和位置信息，声学导航系统用于在水下进行高精度的定位，视觉导航系统用于在水面或浅水区域进行导航。5.自主水下机器人（AUV）的控制系统通常采用哪种控制策略（）A.开环控制B.闭环控制C.滑模控制D.神经网络控制答案：B解析：AUV的控制系统通常采用闭环控制策略，通过实时反馈传感器数据来调整机器人的运动状态，确保其按照预定路径精确航行。6.自主水下机器人（AUV）的能源管理系统的主要功能是（）A.提供电力B.监控能源消耗C.储存能源D.转换能源答案：B解析：AUV的能源管理系统的主要功能是监控能源消耗，确保机器人在任务执行过程中有足够的能源支持，同时优化能源使用效率，延长续航时间。7.自主水下机器人（AUV）在进行深海探测时，通常面临的主要挑战是（）A.水上交通干扰B.海洋生物干扰C.深海高压环境D.水面风力干扰答案：C解析：AUV在进行深海探测时，通常面临的主要挑战是深海高压环境，随着深度的增加，水压会急剧上升，对AUV的结构和材料提出很高的要求。8.自主水下机器人（AUV）的通信系统通常采用哪种通信方式（）A.有线通信B.无线电通信C.水声通信D.红外通信答案：C解析：AUV的通信系统通常采用水声通信方式，因为无线电波在水中衰减很快，而声波可以在水中进行有效传播。9.自主水下机器人（AUV）的自主性主要体现在（）A.自动驾驶B.自动导航C.自动决策D.以上都是答案：D解析：AUV的自主性主要体现在自动驾驶、自动导航和自动决策等方面，能够在没有人工干预的情况下完成复杂的任务。10.自主水下机器人（AUV）的设计通常需要考虑哪些因素（）A.结构强度B.能源效率C.传感器精度D.以上都是答案：D解析：AUV的设计通常需要考虑结构强度、能源效率和传感器精度等多个因素，以确保机器人在水下环境中能够稳定、高效地执行任务。11.自主水下机器人（AUV）的主要优势之一是（）A.可以长时间在水下工作B.可以进行高空侦察C.成本低廉D.速度快答案：A解析：AUV的主要优势之一是可以在没有缆绳限制的情况下长时间在水下独立工作，执行各种探测和任务。相比载人潜水器，AUV的成本较低，但长时间自主工作的能力是其显著特点。12.自主水下机器人（AUV）的导航精度通常受哪些因素影响（）A.水下环境复杂性B.传感器精度C.任务持续时间D.以上都是答案：D解析：AUV的导航精度受多种因素影响，包括水下环境的复杂性（如水流、地形）、所使用的传感器（如惯性导航系统、声学导航系统）的精度以及任务持续的时间（长时间运行可能导致累积误差增大）。13.自主水下机器人（AUV）的推进系统通常采用哪种动力（）A.柴油机B.氢燃料电池C.电动机D.内燃机答案：C解析：AUV的推进系统通常采用电动机作为动力来源，因为电动机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低等优点，适合用于水下环境。14.自主水下机器人（AUV）在进行水下作业时，通常需要具备哪些能力（）A.定位导航B.作业操作C.数据传输D.以上都是答案：D解析：AUV在进行水下作业时，需要具备定位导航能力以确定自身位置和路径，作业操作能力以执行具体任务（如采样、布放设备等），以及数据传输能力将采集到的数据发送到水面或岸基。15.自主水下机器人（AUV）的防水密封设计需要满足什么要求（）A.防止水进入机体内部B.保证机体外部清洁C.减少水阻力D.以上都不是答案：A解析：AUV的防水密封设计的主要要求是防止水进入机体内部，保护内部的电子设备和其他关键部件免受水的侵蚀和损坏，确保机器人在水下环境的正常工作和运行。16.自主水下机器人（AUV）的传感器通常需要具备哪些特性（）A.高精度B.高可靠性C.抗干扰能力强D.以上都是答案：D解析：AUV的传感器需要具备高精度、高可靠性和抗干扰能力强等特性，以确保能够准确、稳定地采集水下环境的数据信息，为机器人的导航、决策和作业提供可靠依据。17.自主水下机器人（AUV）的控制系统通常采用哪种架构（）A.集中式控制B.分布式控制C.网络化控制D.以上都不是答案：B解析：AUV的控制系统通常采用分布式控制架构，将控制任务分配给多个控制器或处理单元，以提高系统的可靠性、灵活性和处理能力，适应复杂的水下环境和任务需求。18.自主水下机器人（AUV）的能源管理系统的设计重点是什么（）A.增加能源容量B.降低能源消耗C.提高能源转换效率D.以上都是答案：D解析：AUV的能源管理系统的设计重点包括增加能源容量以支持长时间任务、降低能源消耗以提高续航能力，以及提高能源转换效率以充分利用能源，确保机器人在水下环境中有足够的能源支持。19.自主水下机器人（AUV）的通信系统通常采用哪种方式传输数据（）A.有线连接B.无线电波C.水声信号D.红外线答案：C解析：由于无线电波在水中衰减迅速，AUV的通信系统通常采用水声信号进行数据传输，利用声波在水中的传播特性实现与水面或岸基之间的通信联系。20.自主水下机器人（AUV）的设计通常需要考虑环境适应性，主要体现在（）A.抗压能力B.抗腐蚀能力C.抗震能力D.以上都是答案：D解析：AUV的设计需要考虑环境适应性，以应对复杂多变的水下环境。这包括具备足够的抗压能力以承受深海高压环境，良好的抗腐蚀能力以抵抗海水侵蚀，以及一定的抗震能力以应对水下环境的振动和冲击。二、多选题1.自主水下机器人（AUV）的主要组成部分通常包括哪些（）A.载体结构B.动力系统C.导航系统D.传感器系统E.通信系统答案：ABCDE解析：AUV是一个复杂的系统，其主要组成部分包括载体结构、用于提供动力的动力系统、用于确定自身位置和路径的导航系统、用于感知环境和采集数据的传感器系统，以及用于与外界进行信息交互的通信系统。2.自主水下机器人（AUV）在进行深海探测时，通常需要克服哪些挑战（）A.水下高压环境B.能源供应限制C.通信传输延迟D.环境噪声干扰E.导航定位精度低答案：ABCDE解析：AUV在进行深海探测时，需要克服诸多挑战，包括深海的高压环境对机体结构和材料的要求极高，能源供应受限导致续航时间有限，水声通信的传输延迟较大，水下环境噪声干扰严重影响传感器和通信效果，以及深海环境中导航定位精度难以保证等问题。3.自主水下机器人（AUV）的导航系统通常包括哪些子系统（）A.惯性导航系统B.水声导航系统C.气压导航系统D.视觉导航系统E.惯性约束导航系统答案：ABCD解析：AUV的导航系统通常是一个综合系统，结合了多种导航技术，常用的包括惯性导航系统、水声导航系统（如多波束测深、侧扫声呐匹配导航）、气压导航系统（主要用于水面或浅水）和视觉导航系统（主要用于水面或浅水区域），以实现高精度、高可靠性的导航定位。4.自主水下机器人（AUV）的控制系统通常需要具备哪些功能（）A.路径规划B.定位跟踪C.运动控制D.状态估计E.决策制定答案：ABCDE解析：AUV的控制系统是一个复杂的实时系统，需要具备路径规划功能以确定最优航行路线，定位跟踪功能以精确保持在水下预定位置或沿预定路径航行，运动控制功能以驱动AUV执行各种机动和作业操作，状态估计功能以实时获取和融合传感器数据，对AUV的运行状态进行准确判断，以及决策制定功能以根据环境和任务情况做出智能决策。5.自主水下机器人（AUV）的能源管理系统通常需要考虑哪些因素（）A.能源类型选择B.能源容量C.能源消耗管理D.能源转换效率E.充电设计答案：ABCDE解析：AUV的能源管理系统是影响其续航能力和任务执行的关键，需要综合考虑能源类型（如电池、燃料电池）的选择，能源容量的确定，能源消耗的实时监测与管理，能源转换效率（如电到机械能的转换）的提升，以及在条件允许时考虑充电设计（如与水面平台对接充电）等各个方面。6.自主水下机器人（AUV）的传感器系统通常包括哪些类型的传感器（）A.声学传感器B.光学传感器C.惯性传感器D.探测传感器E.化学传感器答案：ABCDE解析：为了全面感知水下环境和执行任务，AUV的传感器系统通常集成多种类型的传感器，包括用于探测声学信号的水声传感器，用于捕捉图像和视频的光学传感器，用于测量姿态和速度的惯性传感器，用于探测目标或地形的环境探测传感器，以及用于分析水样化学成分的化学传感器等。7.自主水下机器人（AUV）的设计需要满足哪些性能要求（）A.工作深度B.续航能力C.导航精度D.作业能力E.成本效益答案：ABCDE解析：AUV的设计需要根据具体任务需求满足一系列性能要求，包括能够在规定的工作深度下运行，具备足够的续航能力以完成任务，达到要求的导航定位精度，具备满足任务需求的作业能力（如采样、布放等），并且需要在满足性能要求的前提下，考虑成本效益，实现经济性。8.自主水下机器人（AUV）的通信系统通常面临哪些挑战（）A.传输距离有限B.传输速率较低c.噪声干扰严重D.延迟较大E.多径效应答案：ABCDE解析：AUV的水声通信系统由于声波在水中的传播特性，通常面临传输距离有限、传输速率相对较低的挑战，同时水下的噪声环境会对通信信号造成严重干扰，导致信号质量下降，通信延迟也较大，此外，水声信号的传播还会受到多径效应的影响，这些都是AUV通信系统需要克服的技术难题。9.自主水下机器人（AUV）的控制系统通常采用哪些控制策略（）A.传统控制B.自适应控制C.神经网络控制D.滑模控制E.鲁棒控制答案：ABCDE解析：为了应对水下环境的复杂性和不确定性，AUV的控制系统通常融合多种控制策略，包括基于经典控制理论的传统控制方法，能够在线调整参数以适应环境变化的自适应控制，模仿人脑功能进行控制的神经网络控制，在强干扰下仍能保持稳定性的滑模控制，以及能够在不确定环境下保持性能的鲁棒控制等。10.自主水下机器人（AUV）的设计通常需要考虑哪些环境适应性因素（）A.高压B.腐蚀C.粘附D.冲击E.温度变化答案：ABCDE解析：AUV在水下运行，其设计必须充分考虑各种环境因素对其的影响，包括深海的高压环境对结构和材料的挑战，海水对金属和电子设备的腐蚀作用，海底沉积物可能造成的附着问题，水下航行和作业过程中可能遇到的冲击振动，以及水体温度变化对材料性能和设备运行的影响等。11.自主水下机器人（AUV）在进行任务规划时，通常需要考虑哪些因素（）A.任务目标B.资源限制C.环境条件D.时间窗口E.安全约束答案：ABCDE解析：AUV的任务规划是一个复杂的优化问题，需要综合考虑多种因素。任务目标明确要完成的具体任务内容和指标，资源限制包括能源、时间、传感器能力等可用资源的限制，环境条件涉及水下地形、水流、光照、噪声等环境因素，时间窗口规定了任务完成的时间要求，安全约束则考虑了避免碰撞、极端环境等风险的要求。所有这些因素都需要在任务规划中进行权衡和优化。12.自主水下机器人（AUV）的惯性导航系统（INS）通常面临哪些挑战（）A.误差累积B.传感器漂移C.量测噪声D.短时失准E.长时失准答案：ABCDE解析：AUV的惯性导航系统主要依靠惯性传感器（如陀螺仪和加速度计）来测量自身的运动状态，但由于传感器本身的误差、噪声以及外部干扰等因素，INS会存在误差累积问题。这种误差累积包括短时失准（短期误差）和长时失准（长期误差累积），并且传感器漂移和量测噪声是导致这些误差的主要原因，严重影响AUV的导航精度。13.自主水下机器人（AUV）的水声通信系统通常有哪些类型（）A.基带通信B.调制解调通信C.串行通信D.并行通信E.水声扩频通信答案：ABE解析：AUV的水声通信系统用于在水下传输数据，通常采用基带通信、调制解调通信或水声扩频通信等技术来实现。串行通信和并行通信是数据传输的方式，并非水声通信系统的类型。基带通信直接传输数字信号，调制解调通信通过调制信号频率或幅度来传输信息，水声扩频通信将信号能量扩散到更宽的频带，以提高抗干扰能力。14.自主水下机器人（AUV）的传感器融合通常需要考虑哪些因素（）A.传感器匹配B.数据同步C.融合算法D.信息冗余E.系统误差答案：ABCDE解析：AUV的传感器融合技术旨在将来自不同传感器的信息进行组合，以获得更精确、更可靠的环境感知结果。传感器融合需要考虑传感器之间的匹配度、数据采集和传输的同步性、选择合适的融合算法（如卡尔曼滤波、粒子滤波等）、利用信息冗余来提高可靠性，以及识别和补偿系统误差（如传感器bias）等多种因素。15.自主水下机器人（AUV）的能源管理系统通常有哪些功能模块（）A.能源状态监测B.能源消耗预测C.能源分配控制D.充电管理E.电池健康管理答案：ABCDE解析：AUV的能源管理系统是一个复杂的控制单元，其功能模块通常包括对当前能源状态（如电量、温度）的实时监测，对未来一段时间内能源消耗的预测，根据任务需求和优先级进行能源资源的智能分配和控制，在条件允许时进行充电管理，以及对电池本体进行健康状态评估和维护管理。16.自主水下机器人（AUV）的导航系统通常需要融合哪些信息源（）A.惯性导航系统（INS）数据B.水声定位系统（LBL/UWA）数据C.水下地形数据D.视觉导航信息E.多普勒计程仪（DVL）数据答案：ABCDE解析：为了提高AUV导航的精度和可靠性，通常需要融合多种信息源。惯性导航系统提供基础的姿态和速度信息，但会随时间累积误差。水声定位系统（如长基线LBL或超短基线UWA）提供绝对位置信息，但布设复杂且易受多径干扰。水下地形数据可用于地形匹配导航。视觉导航信息在水面或浅水区域可用。多普勒计程仪（DVL）提供相对速度信息。融合这些不同类型、不同特点的信息源可以有效互补，提高导航系统的整体性能。17.自主水下机器人（AUV）的设计通常需要考虑哪些结构材料（）A.高强度钢B.铝合金C.不锈钢D.塑料复合材料E.钛合金答案：BCDE解析：AUV的结构材料选择对其性能至关重要。由于需要承受深海高压环境，材料必须具备良好的抗压强度和耐腐蚀性。不锈钢和钛合金都具有优异的高强度和耐腐蚀性，是常用的深海AUV结构材料。塑料复合材料（如玻璃钢）重量轻、耐腐蚀，也常用于部分结构件或表面覆盖层。铝合金相对较轻，但在深海高压下性能不如不锈钢和钛合金，有时用于较浅水层或非关键部件。高强度钢虽然强度高，但耐腐蚀性相对较差，在深海应用需配合有效的防腐措施。18.自主水下机器人（AUV）的控制系统通常需要具备哪些鲁棒性（）A.抗干扰能力B.容错能力C.复位能力D.自适应能力E.鲁棒跟踪能力答案：ABDE解析：AUV的控制系统需要在复杂多变的水下环境中稳定可靠地运行，因此需要具备一定的鲁棒性。抗干扰能力指系统抵抗外部噪声和干扰影响的能力。容错能力指系统在部分部件失效时仍能继续运行或安全停止的能力。自适应能力指系统能够根据环境变化或模型不确定性调整控制参数的能力。鲁棒跟踪能力指系统在参数变化或外部扰动下仍能精确跟踪预定轨迹的能力。复位能力虽然重要，但更多是指系统在异常后恢复原状的能力，而非控制本身的鲁棒性。19.自主水下机器人（AUV）的作业系统通常包括哪些设备（）A.机械臂B.机械手C.采样器D.布放器E.探测仪答案：ABCD解析：AUV的作业系统是用于执行具体任务的工具或设备集合。机械臂和机械手是常见的用于抓取、操作物体的装置。采样器用于从海底或水体中采集样品（如岩石、水样、生物样本）。布放器用于将传感器、标记或其他设备部署到海底或水中。探测仪（如声学探测设备）虽然也用于感知环境，但其主要功能是信息获取而非直接作业操作，因此通常不归入作业系统设备范畴。20.自主水下机器人（AUV）的设计和制造需要遵循哪些原则（）A.模块化设计B.可靠性优先C.轻量化设计D.维护便利性E.经济性答案：ABCDE解析：AUV的设计和制造需要遵循多方面原则以确保其性能和实用性。模块化设计有助于系统的集成、维护和升级。可靠性优先原则要求在设计和制造中充分考虑各种故障模式和冗余设计，确保系统在恶劣环境下的稳定运行。轻量化设计对于提高AUV的续航能力和载荷能力至关重要。维护便利性原则要求在设计和制造中考虑易于检修、更换部件等因素。同时，经济性也是重要原则，需要在满足性能要求的前提下，控制研发和制造成本。三、判断题1.自主水下机器人（AUV）与遥控水下机器人（ROV）的主要区别在于AUV具有自主性，而ROV需要人工实时远程控制。（）答案：正确解析：自主水下机器人（AUV）的核心特征是其自主性，能够在没有缆绳连接的情况下，根据预设的任务规划和传感器信息自主执行任务，包括导航、避障和作业等。而遥控水下机器人（ROV）则需要通过水下的缆绳与水面控制站保持连接，接受操作员的实时指令进行控制，其运动和作业都依赖于操作员的远程操作，不具备AUV的自主决策能力。这是两者最根本的区别。2.惯性导航系统（INS）是自主水下机器人（AUV）最核心的导航传感器，可以提供高精度的绝对位置信息。（）答案：错误解析：惯性导航系统（INS）确实是AUV的关键导航传感器之一，用于测量和积分陀螺仪和加速度计的信号，提供载体姿态、速度信息，并在短时间内具有较高的导航精度。但是，INS存在误差随时间累积的特性，导致其无法单独提供长时间高精度的绝对位置信息。AUV通常需要融合其他导航传感器（如水声定位系统、地形匹配导航、视觉导航等）来修正INS的累积误差，提供更精确、更可靠的绝对位置信息。3.自主水下机器人（AUV）的能源管理系统主要关注如何提高电池的能量密度。（）答案：错误解析：AUV的能源管理系统是一个复杂的综合性系统，其关注点不仅仅是提高电池的能量密度（即单位重量或体积存储的能量），还包括能源的优化分配、实时消耗监控、充电管理（如果具备充电能力）、电池健康状态管理以及整体能源效率的提升等多个方面，目的是在有限的能源约束下，最大限度地延长AUV的续航时间和任务执行能力。4.水声通信是自主水下机器人（AUV）与水面或岸基进行数据通信的主要方式，其传输速率相对较高。（）答案：错误解析：水声通信是AUV在水下与水面或岸基进行通信的主要手段，这是由于电磁波在水中衰减极快，而声波可以在水中进行有效传播。然而，水声通信的物理特性决定了其传输速率远低于陆地上的电磁通信（如光纤、无线电），带宽有限，传输速率相对较低，且易受水中噪声和多径效应的影响。5.自主水下机器人（AUV）的控制系统通常采用集中式架构，将所有控制任务都处理在中央处理单元上。（）答案：错误解析：现代AUV的控制系统为了提高可靠性、可扩展性和处理能力，通常采用分布式控制架构。即将控制任务分解，由多个分布式处理单元（节点）协同工作来完成，而不是将所有任务都集中在单一的中央处理单元上。这种分布式架构可以在部分节点失效时提供冗余备份，提高系统的整体鲁棒性。6.自主水下机器人（AUV）在进行深海探测时，通常面临的主要挑战是海水对光学传感器的强烈衰减。（）答案：正确解析：光在水中传播会因吸收和散射而迅速衰减，尤其是在深海环境中，波长较长的红光和黄光衰减更快，蓝光衰减相对较慢，但总体衰减仍然非常显著。这导致基于光学原理的传感器（如相机、光谱仪等）在水下探测的有效距离受到很大限制，是深海光学观测面临的主要挑战之一。7.自主水下机器人（AUV）的导航定位精度主要取决于所使用的导航传感器的类型和数量。（）答案：错误解析：AUV的导航定位精度确实与所使用的导航传感器类型（如INS、声学定位、地磁匹配等）和数量有关，但并非唯一决定因素。传感器的精度、质量以及更关键的是传感器融合策略、算法的优劣、环境因素（如水流、地形）的影响、任务规划（如路径选择）等都会共同影响最终的导航定位精度。8.自主水下机器人（AUV）的设计需要考虑防水密封性能，以防止内部电子设备受到海水腐蚀。（）答案：正确解析：AUV工作在海洋环境中，必须承受不同程度的水压和接触海水，因此其结构设计必须具备良好的防水密封性能。这不仅是为了防止海水进入机体内部导致电子设备等核心部件被淹没和损坏，也是为了防止水汽侵入影响设备绝缘性能和材料稳定性，确保AUV能够在预定水深下安全可靠地运行。9.自主水下机器人（AUV）的任务规划是一个静态过程，一旦规划完成就不能再修改。（）答案：错误解析：AUV的任务规划通常是一个动态或半动态的过程。虽然初始任务计划是在任务开始前制定的，但在任务执行过程中，AUV可能会通过传感器感知到未预料到的环境变化（如遇到新的障碍物、发现感兴趣的目标、能源状态变化等），这时其自主决策系统需要根据实时信息对原定计划进行重新评估和调整，以适应实际情况，优化任务完成效果或确保安全。10.自主水下机器人（AUV）的传感器融合主要是将不同类型传感器的数据简单地加权平均。（）答案：错误解析：AUV的传感器融合是一个复杂的信息融合过程，其目的是综合来自不同传感器（可能测量同一物理量，也可能测量不同物理量）的信息，以获得比任何单一传感器更精确、更可靠、更全面的环境感知和自身状态估计结果。简单的数据加权平均只是传感器融合的一种非常基础的方法，通常只适用于某些特定条件。更常用的融合方法包括卡尔曼滤波、粒子滤波、神经网络融合等，这些方法能够考虑传感器之间的相关性、误差特性，并利用统计模型或智能算法进行最优估计。四、简答题1.简述自主水下机器人（AUV）的主要组成部分及其功能。答案：自主水下机器人（AUV）主要由载体结构、推进系统、导航系统、传感器系统、通信系统、能源管理系统和控制系统等部分组成。载体结构是AUV的基体，用于安装和容纳其他系统，并提供必要的物理保护；推进系统提供前进的动力，使AUV能够在水中航行；导航系统用于确定AUV的位置和姿态，并规划航路；传感器系统用于感知水下环境，采集各种数据；通信系统用于与水面支持平台或岸基进行信息交互；能源管理系统负责能源的存储、管理和分配，确保AUV有足够的能源完成任务；控制系统是AUV的“大脑”，负责整合所有信息，执行任务规划和控制指令。2.说明影