2025年电子学会青少年机器人技术(四级)等级考试试卷及答案

2025年电子学会青少年机器人技术(四级)等级考试试卷及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.某齿轮传动系统中，主动轮齿数为20，从动轮齿数为60，传动比为（）A.1:3B.3:1C.1:2D.2:12.步进电机与普通直流电机的主要区别是（）A.步进电机需要驱动电路，直流电机不需要B.步进电机通过脉冲信号控制角度，直流电机通过电压控制转速C.步进电机只能顺时针旋转，直流电机可双向旋转D.步进电机功率更大3.红外避障传感器的有效检测距离通常为（）A.05cmB.1080cmC.12mD.510m4.编码器AB两相输出信号的相位差为（）A.0°B.90°C.180°D.270°5.以下哪种机构能将旋转运动转换为直线运动？（）A.曲柄摇杆机构B.齿轮齿条机构C.双摇杆机构D.凸轮机构6.若PWM信号周期为20ms，高电平持续时间为2ms，则占空比为（）A.5%B.10%C.15%D.20%7.超声波测距模块的工作频率通常为（）A.20HzB.40kHzC.1MHzD.2.4GHz8.在Arduino中，数字引脚D5输出PWM信号应使用（）函数A.analogRead()B.digitalWrite()C.analogWrite()D.pinMode()9.蜗轮蜗杆传动的主要特点是（）A.传动效率高B.可实现大传动比C.传动可逆D.制造成本低10.以下哪种传感器常用于检测颜色？（）A.光敏电阻B.颜色传感器TCS3200C.红外对管D.加速度计11.若舵机的控制信号周期为20ms，0°对应高电平1ms，180°对应高电平2ms，则90°对应的高电平时间为（）A.1.2msB.1.5msC.1.8msD.2.0ms12.直流电机转速闭环控制中，编码器的作用是（）A.检测电机电流B.检测电机电压C.检测电机转速反馈D.检测电机温度13.以下哪种编程结构最适合实现“当传感器检测到障碍物时停止，否则继续前进”？（）A.for循环B.while循环C.ifelse条件判断D.switchcase14.机械臂的自由度指的是（）A.机械臂的关节数量B.机械臂可移动的方向数量C.机械臂的最大负载D.机械臂的工作半径15.在I2C通信协议中，从设备的地址通常为（）位A.4B.7C.10D.16二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，多选、错选不得分，少选得1分）1.以下属于平面连杆机构的有（）A.曲柄滑块机构B.蜗轮蜗杆机构C.双曲柄机构D.齿轮传动机构2.选择超声波传感器时需考虑的参数有（）A.检测距离范围B.工作电压C.输出信号类型D.外观颜色3.以下哪些方法可用于降低直流电机的启动电流？（）A.串联启动电阻B.使用PWM软启动C.直接连接高电压D.增加电机负载4.Arduino中，以下哪些函数可用于串口通信？（）A.Serial.begin()B.Serial.print()C.digitalRead()D.analogWrite()5.机械传动中，齿轮的失效形式包括（）A.齿面磨损B.齿根断裂C.齿轮生锈D.齿面胶合三、填空题（共5题，每空2分，共20分）1.齿轮传动的中心距计算公式为______（设主动轮齿数Z1，模数m，从动轮齿数Z2）。2.步进电机的步距角计算公式为______（设电机固有步距角为θ，细分数为n）。3.红外对管检测黑线时，接收管的输出电压会______（填“升高”或“降低”）。4.PID控制中，I（积分）环节的作用是______。5.舵机控制信号的脉宽范围通常为______ms。四、简答题（共3题，每题8分，共24分）1.简述齿轮齿条传动与蜗轮蜗杆传动的主要区别（从传动方向、传动比、自锁性三方面分析）。2.超声波测距模块的工作原理是什么？写出测距公式（设声速为340m/s，测量时间为t微秒）。3.在机器人循迹任务中，若使用双红外对管（左、右各一个），当左侧传感器检测到黑线、右侧检测到白线时，应如何控制电机？并说明控制逻辑。五、应用题（共1题，11分）设计一个避障机器人，要求：（1）硬件部分：选择主控（ArduinoUno）、传感器（超声波模块HCSR04）、执行器（双直流电机+L298N驱动板）；（2）软件部分：编写基础避障逻辑代码（要求包含串口调试输出，当距离≤30cm时，机器人停止→后退1秒→左转1秒→继续前进）；（3）分析可能导致避障失败的3个原因。答案及解析一、单项选择题1.A解析：传动比=从动轮齿数/主动轮齿数=60/20=3:1（注意传动比定义为从动轮与主动轮的转速比，齿数比与转速比成反比，故传动比为1:3）。2.B解析：步进电机通过脉冲信号控制角度，直流电机通过电压控制转速是核心区别。3.B解析：红外避障传感器有效距离通常为1080cm，过近或过远会失效。4.B解析：AB相相位差90°用于判断旋转方向。5.B解析：齿轮齿条将旋转转直线，其他为旋转或摆动。6.B解析：占空比=（高电平时间/周期）×100%=（2/20）×100%=10%。7.B解析：超声波模块常用40kHz频率，人耳不可闻。8.C解析：analogWrite()用于PWM输出，仅支持特定引脚（如D5在Uno上支持）。9.B解析：蜗轮蜗杆可实现大传动比（如1:30以上），但效率低、不可逆。10.B解析：TCS3200是专用颜色传感器，其他无法精确检测颜色。11.B解析：0°（1ms）到180°（2ms）线性变化，90°对应1.5ms。12.C解析：编码器反馈转速用于闭环控制。13.C解析：ifelse条件判断最适合实时检测决策。14.B解析：自由度指可独立运动的方向数（如XYZ三轴+旋转为6自由度）。15.B解析：I2C从地址通常为7位（部分支持10位，但主流为7位）。二、多项选择题1.AC解析：平面连杆机构包括曲柄滑块、双曲柄、双摇杆等，蜗轮蜗杆和齿轮属于齿轮传动。2.ABC解析：检测距离、电压、信号类型是关键参数，颜色无关。3.AB解析：串联电阻或PWM软启动可降低启动电流，直接高电压或增加负载会增大电流。4.AB解析：Serial.begin()初始化串口，Serial.print()输出数据，其他为IO操作。5.ABD解析：齿轮失效形式包括磨损、断裂、胶合等，生锈是腐蚀不属于机械失效。三、填空题1.(Z1+Z2)×m/22.θ/n3.降低（黑线反射率低，接收管接收到的红外光少，输出电压降低）4.消除稳态误差（积分环节累积误差，最终消除静态偏差）5.12（标准舵机脉宽1ms对应0°，2ms对应180°）四、简答题1.答案要点：传动方向：齿轮齿条可将旋转转直线（或反向）；蜗轮蜗杆只能由蜗杆驱动蜗轮（单向传动）。传动比：齿轮齿条传动比=齿数/齿条齿距（较小）；蜗轮蜗杆传动比大（通常＞10:1）。自锁性：蜗轮蜗杆通常具有自锁性（蜗杆可驱动蜗轮，反之不能）；齿轮齿条无自锁性。2.答案要点：原理：超声波模块发射超声波（40kHz），遇到障碍物反射，模块接收回波并记录时间差t；通过声速计算距离。公式：距离=（声速×时间）/2=（340m/s×t×10⁻⁶s）/2=0.017×t（cm）（t单位为微秒）。3.答案要点：控制逻辑：左侧检测到黑线（偏离路径左侧），右侧在白线上（正常），应让左电机减速或右电机加速，使机器人右转修正路径。具体操作：左电机低速，右电机高速→机器人右转，直到两侧均检测到白线（回到路径）。五、应用题（1）硬件连接：ArduinoUno→HCSR04：Trig接D2，Echo接D3；ArduinoUno→L298N：IN1接D5，IN2接D6（左电机），IN3接D7，IN4接D8（右电机）；L298N→电机：OUT1OUT2接左电机，OUT3OUT4接右电机；电源：L298N接7.4V锂电池，Arduino由L298N的5V输出供电（或独立5V电源）。（2）参考代码：```cppinclude<Servo.h>//若用舵机需包含，此处为直流电机可不加defineTRIG_PIN2defineECHO_PIN3defineIN15defineIN26defineIN37defineIN48voidsetup(){pinMode(TRIG_PIN,OUTPUT);pinMode(ECHO_PIN,INPUT);pinMode(IN1,OUTPUT);pinMode(IN2,OUTPUT);pinMode(IN3,OUTPUT);pinMode(IN4,OUTPUT);Serial.begin(9600);}voidloop(){longduration,distance;digitalWrite(TRIG_PIN,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(TRIG_PIN,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(TRIG_PIN,LOW);duration=pulseIn(ECHO_PIN,HIGH);distance=0.017duration;//单位：cmSerial.print("Distance:");Serial.print(distance);Serial.println("cm");if(distance<=30&&distance>0){//避免0值干扰stopMotor();delay(1000);backMotor();delay(1000);leftTurn();delay(1000);forwardMotor();}else{forwardMotor();}}voidforwardMotor(){digitalWrite(IN1,HIGH);digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,HIGH);digitalWrite(IN4,LOW);}voidbackMotor(){digitalWrite(IN1,LOW);digitalWrite(IN2,HIGH);digitalWrite(IN3,LOW);digitalWrite(IN4,HIGH);}voidleftTurn(){digitalWrite(IN1,LOW);//左电机停digitalWrite(IN2,LOW);digitalWrite(IN3,HIGH);//右电机转digitalWrite(IN4,LOW);}voidstopMotor(){digitalWrite(IN1,LOW);digitalWrite(IN2,LOW);digi