2025年机器人三级试题及答案

2025年机器人三级试题及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在机器人运动学中，DenavitHartenberg（DH）参数αi的物理意义是A.连杆长度B.连杆扭角C.连杆偏距D.关节角答案：B1.2某六自由度串联机器人末端执行器速度雅可比矩阵J为6×6方阵，若某时刻出现奇异位形，则A.det(J)=0B.det(J)=1C.rank(J)=6D.J的列向量线性无关答案：A1.3下列关于ROS2节点生命周期的描述，正确的是A.节点启动后默认进入inactive状态B.节点状态机中，从activating可直接跳转到shutdownC.节点状态回调函数必须返回成功才能继续迁移D.节点状态机由master节点统一维护答案：C1.4在PID控制器中引入微分先行（DerivativeonMeasurement）的主要目的是A.抑制设定值突变导致微分冲击B.提高系统型别C.消除稳态误差D.降低积分饱和答案：A1.5使用RGBD相机进行三维重建时，下列哪种误差来源与深度测量原理本身无关A.红外散斑相互干扰B.多径反射C.彩色图像色差D.深度边缘飞行像素（flyingpixel）答案：C1.6若某移动机器人采用两轮差分驱动，轮距L=0.4m，两轮速度分别为vL=0.3m/s，vR=0.5m/s，则机器人角速度ω为A.0.2rad/sB.0.25rad/sC.0.5rad/sD.1.0rad/s答案：B1.7在MoveIt中，用于碰撞检测的默认库是A.ODEB.BulletC.FCLD.PhysX答案：C1.8关于机器人谐波减速器，下列说法错误的是A.柔轮齿数比刚轮少2齿B.传动误差主要来源于波发生器轮廓误差C.空程回差理论上为零D.传动比等于刚轮齿数除以柔轮齿数答案：D1.9在强化学习中，采用εgreedy策略时，ε衰减过快可能导致A.过估计B.探索不足陷入局部最优C.策略振荡D.经验回放失效答案：B1.10下列总线中，哪一类最适合实时性要求<1ms的机器人关节伺服控制A.CANFDB.RS485C.EthernetUDPD.USB3.0答案：A2.多项选择题（每题3分，共15分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列哪些方法可用于机器人手眼标定A.AX=XB方程求解B.TsaiLenz方法C.HandeyecalibrationviadualquaternionsD.Zhang标定法单独使用答案：ABC2.2关于机器人动力学参数辨识，正确的有A.最小参数集需满足线性无关条件B.激励轨迹应使回归矩阵条件数尽可能小C.摩擦力模型必须采用Coulomb+Viscous模型D.加权最小二乘可提高参数估计鲁棒性答案：ABD2.3下列哪些特征可直接用于3D点云配准A.FPFHB.SHOTC.SIFTD.ISS关键点答案：ABD2.4在ROS2中，下列关于DDSQoS策略的描述正确的有A.RELIABILITY分为RELIABLE与BEST_EFFORTB.HISTORY深度可限制本地缓存样本数C.DEADLINE用于监测节点存活D.LIVELINESS可配置为AUTOMATIC或MANUAL_BY_TOPIC答案：ABD2.5下列哪些技术可有效降低移动机器人轮式里程计累积误差A.融合IMU进行航位推算B.在线标定轮子半径C.采用粒子滤波融合激光雷达D.提高控制周期至1kHz答案：ABC3.填空题（每空2分，共20分）3.1若某旋转矩阵R满足R的转置乘以R等于单位矩阵，且det(R)=1，则R属于________群。答案：SO(3)3.2在机器人视觉伺服中，若图像特征维度为6，机器人自由度为6，则图像雅可比矩阵维度为________。答案：6×63.3某伺服电机额定扭矩为0.64N·m，减速比为100，减速器效率为0.9，则输出轴额定扭矩为________N·m。答案：57.63.4采用A算法进行路径规划时，若启发函数h(n)恒为0，则算法退化为________算法。答案：Dijkstra3.5在MoveIt的OMPL中，PRM与PRM的主要区别在于PRM具有________性质。答案：渐近最优3.6若某激光雷达扫描频率为10Hz，角分辨率为0.25°，则每帧点云包含________条射线。答案：14403.7在机器人操作系统中，节点间通信若采用共享内存零拷贝机制，则对应的ROS2中间件层为________。答案：iceoryx3.8若某四足机器人采用对角步态，其稳定裕度可用________多边形法进行判定。答案：支撑3.9在深度强化学习中，DDPG算法使用________网络来稳定目标值估计。答案：目标（或target）3.10若某机器人末端执行器受力F=[1000]TN，力臂r=[00.10]Tm，则产生的力矩大小为________N·m。答案：14.简答题（封闭型，每题8分，共24分）4.1简述机器人奇异位形的物理含义，并给出一种避免奇异的运动规划策略。答案：奇异位形指机器人雅可比矩阵降秩，导致末端失去某方向运动能力或出现无限大关节速度。物理上表现为某些方向刚度骤降、微小关节速度产生巨大末端速度。避免策略：在轨迹优化中加入奇异指标罚函数，如条件数倒数或最小奇异值，约束其大于阈值；或采用冗余自由度机器人，在零空间内自运动远离奇异。4.2说明IMU与轮式里程计误差模型的主要差异，并指出在扩展卡尔曼滤波（EKF）中如何分别建模。答案：轮式里程计误差主要来源于轮子半径、轮距、滑移，呈系统性随距离累积；IMU误差来源于零偏、随机游走、温度漂移，呈二次积分随时间累积。EKF建模：轮式里程计误差常建模为加性高斯白噪声叠加于速度或位姿增量；IMU误差需将零偏增广为状态变量，采用一阶马尔可夫模型，随机游走驱动，测量协方差根据Allan方差参数整定。4.3列举三种常用于六自由度机械臂轨迹平滑的插值方法，并比较其优缺点。答案：1.三次多项式插值：计算简单，保证位置速度连续，但加速度不连续；2.五次多项式插值：位置速度加速度均连续，冲击小，但计算量略大；3.样条插值（B样条或NURBS）：可局部修改，曲率连续，适合复杂路径，但参数化复杂，实时性略低。5.简答题（开放型，每题10分，共20分）5.1某工厂需部署50台AMR进行物料运输，场地面积5000m²，存在动态人员与叉车混行。请提出一套多机器人调度与冲突避免方案，要求包括通信架构、路径规划层、冲突消解策略，并评估其可扩展性。答案：通信架构：采用ROS2DDS去中心化，以DDSRTPSoverWiFi6E，配置BEST_EFFORT与RELIABLE混合QoS，关键安全话题使用RELIABLE+TRANSIENT_LOCAL持久化；规划层：全局采用分层时空冲突搜索（STCBS），将时间维离散为0.5s间隔，启发函数采用曼哈顿距离+时间惩罚；局部采用TimedElasticBand动态避障，融合激光与视觉语义分割区分人与叉车，对不同障碍设置不同安全半径（人1.0m，叉车1.5m）；冲突消解：当空间冲突无法通过速度调整解决时，引入优先级拍卖，优先级=任务紧急度×等待时间权重，低优先级机器人重规划；可扩展性：STCBS在50机器人时求解时间<200ms（i712700），采用滑动窗口仅对未来30s进行冲突搜索，内存占用O(n²t)可接受；通过仿真100机器人场景，平均延迟增加<15%，证明可扩展至100台。5.2针对果蔬采摘机器人，设计一套基于深度学习的成熟度检测与轻柔抓取控制框架，需说明数据获取、模型选择、硬件适配、控制闭环，并分析在户外光照变化下的鲁棒性保障措施。答案：数据获取：自建多光谱数据集，包含可见光+近红外850nm波段，使用DJIP4Multispectral采集，共3.2万张，标注成熟度分三级；采用数据增强：随机亮度±30%、色温±500K、模拟逆光过曝；模型：主干网络采用EfficientNetB3与NIR分支融合，注意力采用CBAM，输出成熟度概率；硬件：NVIDIAJetsonOrinNano边缘计算，功耗<15W，推理时间28ms；抓取控制：采用视觉伺服+力控混合，视觉提供6cm粗定位，接近后切换至六维力传感器，阈值0.8N触发关闭夹指，夹指材料为硅胶+折纸结构，刚度可调；光照鲁棒：在模型输入中加入色温归一化与光照不变图（Retinex预处理），并在训练阶段使用对抗样本生成（PGD攻击）提升鲁棒性；现场测试：晴天10:00–15:00变化光照下，成熟度检测准确率由96.2%降至93.1%，仍高于人工分拣90%要求；抓取成功率97%，果皮损伤率<2%，满足商业需求。6.计算题（共25分）6.1已知二连平面机械臂连杆长度l1=0.4m，l2=0.3m，关节角θ1=30°，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。（10分）答案：x=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)=0.4cos30°+0.3cos75°≈0.4×0.866+0.3×0.2588≈0.3464+0.0776≈0.424my=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2)≈0.4×0.5+0.3×0.9659≈0.2+0.2898≈0.490m雅可比矩阵：J=[l1sinθ1l2sin(θ1+θ2)l2sin(θ1+θ2)][l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)l2cos(θ1+θ2)]代入得：J11=0.4×0.50.3×0.9659≈0.20.2898≈0.4898J12=0.3×0.9659≈0.2898J21=0.4×0.866+0.3×0.2588≈0.3464+0.0776≈0.424J22=0.3×0.2588≈0.0776故J≈[0.4900.290][0.4240.078](单位：m/rad)6.2某移动机器人质量m=20kg，轮子半径r=0.1m，减速比k=30，电机最大扭矩Tm=2N·m，减速器效率η=0.85。若要求机器人在0.5s内从静止加速到v=1.5m/s，忽略滑移与空气阻力，求所需电机最大扭矩是否满足要求，并计算电机峰值功率。（8分）答案：所需牵引力F=ma=20×(1.5/0.5)=60N轮扭矩Tw=Fr=60×0.1=6N·m电机输出扭矩Tmotor=Tw/(kη)=6/(30×0.85)≈0.235N·m0.235N·m<2N·m，满足。峰值功率P=Tmotor×ω，ω=vk/r=1.5×30/0.1=45