2025机器人技术等级考试三级实操考试试题及答案

2025机器人技术等级考试三级实操考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填在括号内）1.在STM32F103单片机中，若系统时钟为72MHz，定时器TIM2预分频寄存器PSC设置为71，自动重装载寄存器ARR设置为999，则定时器中断周期为（）A.1ms  B.10ms  C.100μs  D.1s答案：A2.某直流减速电机额定电压12V，空载电流0.2A，带载电流1.5A，减速比30:1，输出轴转速100r/min，则该电机输出轴扭矩约为（）A.0.12N·m  B.0.35N·m  C.0.57N·m  D.1.1N·m答案：C3.在ROS2中，下列命令用于查看当前活跃节点列表的是（）A.ros2nodelist  B.ros2topiclist  C.ros2servicelist  D.ros2paramlist答案：A4.某六自由度机械臂采用DH法建模，已知连杆长度a2=200mm，连杆扭角α2=90°，则其变换矩阵中第3行第3列元素为（）A.0  B.1  C.1  D.cosα2答案：C5.在MPU6050的DMP输出中，四元数q0=0.88，q1=0.15，q2=0.35，q3=0.28，则横滚角φ（rad）最接近（）A.0.20  B.0.40  C.0.60  D.0.80答案：B6.关于CAN总线，下列说法错误的是（）A.采用差分信号  B.最大节点数110  C.标准帧ID为11位  D.终端电阻120Ω答案：B7.在PID控制器中，若仅增大积分时间Ti，则系统（）A.响应变慢，超调减小  B.响应变快，超调增大  C.响应变慢，超调增大  D.响应变快，超调减小答案：A8.某激光雷达扫描频率10Hz，每帧1440点，测距精度±30mm，角分辨率0.25°，则其点云数据量约为（）A.28.8kB/s  B.57.6kB/s  C.115.2kB/s  D.230.4kB/s答案：B9.在OpenCV中，函数cv2.findContours返回的轮廓数据结构类型为（）A.tupleofndarray  B.listofndarray  C.ndarray  D.listoflist答案：B10.若某步进电机步距角1.8°，驱动器细分数16，则每转脉冲数为（）A.1600  B.2000  C.3200  D.3600答案：C二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列关于BLDC电机霍尔信号的说法正确的是（）A.每60°电角度产生一次跳变  B.可用于确定转子位置  C.可直接作为速度反馈  D.需滤波防抖动  E.与反电动势相位差30°答案：ABD12.在机器人操作系统中，下列属于ROS2中间层接口的有（）A.rclcpp  B.rclpy  C.roscpp  D.rmw  E.roslaunch答案：ABD13.关于激光SLAM，下列算法属于图优化框架的有（）A.Gmapping  B.Cartographer  C.HectorSLAM  D.LOAM  E.G2O答案：BDE14.下列传感器可用于室外GNSS拒止环境下机器人定位的有（）A.IMU  B.轮速计  C.3DLiDAR  D.视觉里程计  E.超声波答案：ABCD15.在STM32CubeMX配置中，下列外设可直接生成DMA代码的有（）A.ADC  B.USART  C.SPI  D.I2C  E.GPIO答案：ABCD三、填空题（每空2分，共20分）16.某伺服电机编码器为17位绝对式，单圈分辨率为________脉冲。答案：13107217.在PID控制器离散化公式中，若采样周期T=0.01s，积分系数Ki=2，则积分项增量Δui(k)=________×e(k)。答案：0.0218.若二维激光雷达扫描范围270°，角分辨率0.25°，则每帧数据点数为________。答案：108119.在ROS2中，节点间通信默认采用________中间件，底层协议为________。答案：DDS，UDP20.某机械臂末端执行器速度雅可比矩阵J为6×6矩阵，若关节速度向量q·为6×1，则末端速度向量v=________。答案：J·q·21.在CANopen协议中，心跳报文COBID=________h。答案：700+NodeID22.若MPU6050加速度计量程设置为±8g，则灵敏度为________LSB/g。答案：409623.在OpenCV中，函数cv2.solvePnP返回的rvec需通过________函数转换为旋转矩阵。答案：cv2.Rodrigues24.某直流电机PWM驱动频率20kHz，占空比30%，电源电压24V，则电机两端电压有效值为________V。答案：7.225.在MoveIt中，规划路径的默认算法插件为________。答案：OMPL四、简答题（共25分）26.（封闭型，6分）简述STM32中编码器接口模式的工作原理，并说明如何计算电机转速（单位：r/min）。答案：编码器接口模式利用定时器的TI1FP1与TI2FP2两路正交信号，在定时器CNT寄存器中自动增减计数。每来一个有效边沿CNT±1，方向由硬件判断。转速计算步骤：1.在已知采样周期T（s）内读取CNT变化量ΔN；2.若编码器线数P，减速比k，则电机轴转过角度Δθ=ΔN×360°/(4×P×k)；3.转速n=Δθ/(360°×T)×60=ΔN×60/(4×P×k×T)（r/min）。27.（开放型，7分）某移动机器人采用两轮差分驱动，轮距L=0.4m，车轮半径r=0.1m。试推导其运动学模型，并给出线速度v与角速度ω与左右轮速度vl、vr的关系。答案：设机器人中心为C，几何中心速度为v，角速度为ω。1.线速度：v=(vl+vr)/2；2.角速度：ω=(vrvl)/L；3.逆解：vl=vωL/2，vr=v+ωL/2。该模型假设纯滚动无滑移，适用于轨迹跟踪与航位推算。28.（封闭型，6分）说明激光雷达中“时间飞行法（ToF）”测距原理，并写出距离计算公式，指出系统误差主要来源。答案：ToF通过测量发射激光脉冲与接收回波的时间差Δt计算距离：d=c·Δt/2，其中c=3×10^8m/s。主要误差来源：1.时钟抖动与量化误差；2.激光脉冲上升沿有限带宽；3.接收电路延迟温漂；4.目标表面反射率差异导致回波幅度变化；5.多路径干扰。29.（开放型，6分）列举三种机器人避障常用局部规划算法，比较其优缺点并给出适用场景。答案：1.DWA（DynamicWindowApproach）：在速度空间采样，评价轨迹选择最优，计算快，适用于差分驱动室内机器人，但易陷入局部极小；2.TEB（TimedElasticBand）：引入时间信息，支持动力学约束，适用于阿克曼或全向机器人，计算量较大；3.APF（ArtificialPotentialField）：实现简单，实时性好，但存在抖动与极小值问题，适用于稀疏障碍物场景。五、应用题（共70分）30.（计算类，15分）某SCARA机器人大臂长度l1=300mm，小臂长度l2=250mm，关节1转角θ1=30°，关节2转角θ2=45°。求末端执行器在基坐标系下的位置坐标(x,y)，并计算该点的雅可比矩阵J（2×2）。答案：1.正解：x=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)=300cos30°+250cos75°=300×0.866+250×0.2588=259.8+64.7=324.5mmy=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2)=300sin30°+250sin75°=300×0.5+250×0.9659=150+241.5=391.5mm2.雅可比矩阵：J11=l1sinθ1l2sin(θ1+θ2)=150241.5=391.5J12=l2sin(θ1+θ2)=241.5J21=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)=324.5J22=l2cos(θ1+θ2)=64.7故J=[[391.5,241.5],[324.5,64.7]]（单位：mm/rad）。31.（分析类，15分）某AGV采用两轮差分驱动，最大线速度1.5m/s，最大角速度1.0rad/s，轮距0.5m，车轮半径0.08m。电机额定转速3000r/min，减速比20:1。试分析：（1）电机转速是否满足最大线速度要求；（2）若电机最大扭矩0.4N·m，求地面最大驱动力；（3）在0.3m/s²加速度下，满载质量50kg，是否满足加速度要求。答案：（1）车轮最大转速n_wheel=v_max/(2πr)=1.5/(2π×0.08)=2.98r/s=179r/min；电机需输出179×20=3580r/min>3000r/min，不满足，需降低速度或减小减速比。（2）减速后扭矩T_wheel=0.4×20=8N·m；驱动力F=T_wheel/r=8/0.08=100N。（3）所需牵引力F_acc=m·a=50×0.3=15N<100N，满足。32.（综合类，20分）设计一套基于ROS2的室内机器人多传感器融合定位方案。要求：（1）画出系统框架图，标注传感器、算法与数据流；（2）给出传感器时间同步策略；（3）说明误差状态卡尔曼滤波（ESKF）状态向量与观测模型；（4）给出关键launch文件片段（XML格式）。答案：（1）框架图：IMU→/imu/data→ESKF轮速计→/joint_states→ESKF2DLiDAR→/scan→ScanMatcher→ESKFESKF→/robot_pose→Nav2（2）时间同步：采用ROS2message_filters时间戳对齐，设置0.01s容忍窗，使用ApproximateTime策略。（3）状态向量x=[δθ,δv,δp,δb_g,δb_a]（误差角、速度、位置、陀螺仪零偏、加速度计零偏）；观测模型：位置观测：z_p=p_scanp_pred，H_p=[0,0,I3,0,0]；角度观测：z_θ=θ_scanθ_pred，H_θ=[I3,0,0,0,0]。（4）launch片段：<nodepkg="robot_localization"exec="ekf_node"name="eskf"><paramname="frequency"value="50"/><paramname="sensor_timeout"value="0.1"/><paramname="odom0"value="/wheel_odometry"/><paramname="imu0"value="/imu/data"/><paramname="pose0"value="/scan_match_pose"/></node>33.（综合类，20分）给定一个STM32F407+DRV8301的BLDC电机驱动板，要求实现电流环PI控制，采样频率10kHz，PWM频率25kHz，电机极对数7，编码器线数1024。请完成：（1）给出电流采样电阻值与运放增益设计，使±8A对应ADC0~3.3V；（2）写出Clarke与Park变换C语言实现；（3）给出PI参数整定步骤，要求带宽500Hz，阻尼系数0.707；（4）列出主循环中一次电流环执行的时序流程图。答案：（1）采样电阻Rs=0.01Ω，运放增益G=(3.3/2)/0.08=20.6，选用同相放大器，R2=20kΩ，R1=1kΩ。（2）Clarke：Iα=Ia；Iβ=(Ia+2Ib)/sqrt(3)。Park：Id=Iα·cosθ+Iβ·sinθ；Iq=Iα·sinθ+Iβ·cosθ。代码：voidclarke_park(floatIa,floatIb,floattheta,floatId,floatIq){floatIalpha=Ia;floatIbeta=(Ia+2.0fIb)0.57735f;floatc