2025年机器人竞赛题库与参考答案解析

2025年机器人竞赛题库与参考答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在机器人路径规划中，A算法与Dijkstra算法相比，其主要优势在于A.时间复杂度更低B.空间占用更小C.引入启发函数，搜索方向性更强D.无需构建图结构答案：C解析：A通过启发函数h(n)引导搜索，减少无效扩展，速度通常快于Dijkstra。2.某六自由度机械臂采用DH法建模，若第3关节为移动关节，则其θ3参数应设为A.0B.变量q3C.常数0且d3为变量D.任意非零常数答案：C解析：移动关节沿Zi轴平移，DH表中θ为常量0，d为关节变量。3.在ROS2中，下列命令可用于查看节点间实时数据流拓扑的是A.ros2nodelistB.ros2topicinfoC.ros2doctorD.ros2runrqt_graphrqt_graph答案：D解析：rqt_graph以图形化方式展示节点与话题的订阅发布关系。4.采用增量式PID控制舵轮转向时，积分饱和现象会导致A.稳态误差增大B.超调量减小C.系统滞后减小D.执行器进入饱和区后响应迟缓答案：D解析：积分项持续累加使输出超限，退出饱和需较长时间，造成响应滞后。5.激光SLAM中，占据栅格地图的分辨率提高一倍，则地图存储空间约增加A.1倍B.2倍C.4倍D.8倍答案：C解析：二维栅格数量与分辨率平方成正比。6.在机器人操作系统安全规范中，符合ISO102181要求的紧急停止回路应满足A.单通道常闭B.双通道冗余带自检C.软件中断即可D.仅需复位按钮答案：B解析：标准规定紧急停止须双回路冗余并具备回路监测。7.若麦克纳姆轮平台要实现原地逆时针旋转，四轮辊子方向与转速关系正确的是A.对角轮同速同向B.对角轮同速反向C.四轮等速且对角反向D.四轮等速且相邻反向答案：C解析：对角轮反向产生绕中心的力偶矩。8.使用YOLOv5n进行实时检测时，降低输入分辨率会直接导致A.mAP显著上升B.推理延迟下降C.模型参数量减少D.锚框数量增加答案：B解析：分辨率降低，计算量减小，延迟下降，但mAP通常下降。9.在机器人伦理审查中，"可验证有益性"原则最先由哪份文件明确提出A.AsilomarAIPrinciplesB.EUAIActC.IEEE70002021D.UNESCORecommendation答案：A解析：2017年Asilomar原则第1条即提出"可验证有益性"。10.若直流电机额定电压24V，空载电流0.3A，电枢电阻0.8Ω，则其堵转电流约为A.7.5AB.15AC.30AD.60A答案：C解析：堵转时反电动势为零，I=U/R=24/0.8=30A。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.关于机器人柔性执行器（SEA）的特点，正确的有A.引入弹性元件提高力控精度B.可降低外部冲击对齿轮箱的损伤C.固有刚度高于传统谐波减速机D.便于实现能量回收E.控制带宽一定高于刚性驱动答案：A、B、D解析：弹性元件使力信号可测，吸收冲击，并具备被动储能能力；带宽通常低于刚性驱动。12.下列措施可有效降低视觉SLAM的累积漂移A.加入闭环检测B.使用全局优化框架C.提高帧率至500fpsD.引入IMU做松耦合E.采用鱼眼镜头扩大视场答案：A、B、D、E解析：闭环与全局优化直接消除漂移；IMU提供短期高精度位姿；广角增加特征冗余。单纯提高帧率不直接降低漂移。13.在机器人远程操作系统中，符合双边控制稳定性的条件包括A.通信时延小于采样周期B.采用无源控制理论设计C.波变量法保证无源D.主从端质量惯量完全一致E.使用预测算法补偿时延答案：B、C、E解析：无源理论与波变量可在时延下保持稳定性；质量惯量无需一致。14.关于强化学习在机器人抓取中的应用，下列说法正确的有A.奖励稀疏问题可用curiosity模块缓解B.DDPG属于onpolicy算法C.域随机化可提高simtoreal迁移成功率D.使用HER可解决目标变化下的策略泛化E.连续控制任务通常采用策略梯度而非Q学习答案：A、C、D、E解析：DDPG为offpolicy，B错误。15.机器人使用锂离子电池组时，为延长循环寿命，应避免A.每次充满至4.2VB.长期存放于40°C环境C.放电截止电压设为3.0VD.采用0.5C充电E.电量保持在10%以下长期静置答案：A、B、E解析：高电压、高温、低电量静置均加速老化；3.0V截止与0.5C充电属常规操作。三、填空题（每空2分，共20分）16.若某SCARA机器人末端在基坐标系下的齐次变换矩阵为T=[010350;100200;0010;0001]（单位mm），则其姿态为绕Z轴旋转________度，位置矢量p=(________,________,________)mm。答案：90；350；200；0解析：旋转子矩阵为[01;10]，对应90°；最后一列前三个元素即位置。17.在机器人操作系统中，节点A发布话题/cmd_vel，消息类型为geometry_msgs/Twist，若线速度x分量2m/s，角速度z分量0.5rad/s，则该消息在Python中的赋值语句为msg.linear.x=________；msg.angular.z=________。答案：2；0.518.某步进电机步距角1.8°，驱动器采用32细分，则每转脉冲数为________；若要求平台以0.3m/s直线运动，丝杠导程6mm，则脉冲频率为________Hz。答案：6400；1600解析：360/1.832=6400；0.3m/s=300mm/s，300/66400=1600。19.在机器人抓取质量检测中，采用二指夹持力闭环控制，若期望夹持力10N，传感器噪声标准差0.1N，则3σ准则下，力控稳态误差允许范围±________N；若采用PID，积分增益Ki过大易引起________现象。答案：0.3；积分饱和或震荡20.根据ISO9283，机器人位姿重复性测试需在额定负载与________速度下进行，采样点数不少于________，测试路径为________形。答案：额定；30；立方体或Cubic四、判断题（每题1分，共10分，正确写"T"，错误写"F"）21.在机器人视觉中，使用深度相机获取的点云数据一定包含RGB信息。答案：F解析：部分ToF相机仅输出深度。22.对于相同连杆长度，六自由度机械臂的可达工作体积一定大于四自由度。答案：F解析：自由度多不一定体积大，还与关节布置有关。23.在Gazebo中，若模型SDF文件未设置标签，则该link默认质量为零且静止。答案：T解析：无inertial标签时，Gazebo视为静态模型。24.机器人使用CAN总线通信时，终端电阻120Ω应放置于总线两端。答案：T25.强化学习中，PPO算法的剪切参数ε越大，策略更新越保守。答案：F解析：ε越大允许更大更新，保守性降低。26.采用RRT算法规划的路径一定比RRT短。答案：T解析：RRT通过重布线渐进最优。27.在机器人操作系统中，launch文件可以同时启动多个节点并设置参数。答案：T28.对于相同减速比的谐波减速机，RV减速机的扭转刚度通常更高。答案：T解析：RV采用摆线针轮，多齿啮合，刚度大。29.机器人末端执行器更换后，必须重新标定工具坐标系。答案：T30.在机器人焊接中，采用脉冲MIG比短路MIG飞溅更少，适合薄板铝合金。答案：T五、简答题（封闭型，每题6分，共18分）31.说明机器人采用阻抗控制与导纳控制的核心区别，并给出各自适用的典型场景。答案：阻抗控制将末端运动偏差作为输入，输出力，适用于高刚度、高精度力跟踪场景如打磨；导纳控制以接触力为输入，输出修正运动，适用于低惯量、需柔顺交互场景如协作机器人拖动示教。核心区别在"输入输出"因果关系相反。32.列举三种常见的机器人里程计误差来源，并给出对应的补偿方法。答案：1.轮子打滑：采用视觉/IMU融合，或加入轮速异常检测；2.轮胎周长变化：在线标定半径，温度补偿；3.轴间距误差：出厂标定并写入配置文件，定期校准。33.简述激光雷达在玻璃幕墙环境中出现定位漂移的原因，并提出两种工程解决方案。答案：玻璃对近红外激光透射率高，导致回波弱或无效，特征稀疏，扫描匹配退化。方案：1.在玻璃表面贴哑光膜增加漫反射；2.融合IMU与视觉，采用多传感器SLAM。六、开放型简答题（每题8分，共16分）34.某工厂计划部署50台AMR组成集群，要求单小时吞吐量不少于1200箱，区域为120m×80m，通道双向宽度2m。请从路径规划、交通管制、充电策略三方面提出系统级优化思路，并给出可量化指标。答案：路径规划：采用分层拓扑图，主干道4m、次干道2m，动态加权A，拥堵系数实时反馈，目标平均路径长度≤180m。交通管制：基于时空reservation表，节点锁定粒度1m×1m×2s，死锁检测采用银行家算法，目标冲突等待时间≤5s/次。充电策略：电量<30%触发，引入排队论模型，充电站12个双枪快充，服务强度ρ=0.75，等待概率≤10%，目标充电空闲率>20%。综合指标：通过离散事件仿真，验证50台AMR在峰值箱率0.8箱/s下，吞吐量≥1220箱/h，平均任务周期≤5min。35.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方案，包括数据采集、标注策略、模型选型、部署优化与误差处理，要求可在嵌入式GPU上达到10fps，检测精度mAP≥0.85。答案：数据采集：分三个时段（早、中、晚）采集RGB与NIR图像各8000张，涵盖逆光、遮挡、雨滴情况；采用多角度环形支架，高度0.31.2m。标注策略：成熟度分三级（未熟、适熟、过熟），使用多边形细粒度标注，并额外标注遮挡属性；采用双人标注+仲裁，一致性IoU>0.9。模型选型：YOLOv5s为骨干，引入CBAM注意力，通道剪枝40%，知识蒸馏由YOLOv5x教师模型指导，蒸馏温度T=4。部署优化：TensorRTINT8量化，缓存批量=4，使用CUDA流并行，NMS插件化，输入分辨率640×640，单帧推理时间85ms。误差处理：对连续5帧结果采用滑动窗口投票，若三级分类置信度均<0.6，触发光谱传感器辅助判别；夜间使用主动近红外补光，光强150lux。指标验证：在JetsonXavierNX上测试，mAP=0.87，帧率11.2fps，满足要求。七、计算题（共30分）36.（8分）某差速移动机器人轮距L=0.4m，轮子半径r=0.1m，要求以线速度v=1m/s、角速度ω=0.5rad/s沿圆弧行驶。求左右轮转速（rpm）及行驶10s后的姿态变化（Δx,Δy,Δθ），初始位姿(0,0,0)。答案：vl=vωL/2=10.50.2=0.9m/svr=v+ωL/2=1+0.1=1.1m/snl=vl/(2πr)60=0.9/(0.2π)60≈85.9rpmnr=1.1/(0.2π)60≈105.0rpm转弯半径R=v/ω=2m10s弧长s=v10=10mΔθ=s/R=5radΔx=RsinΔθ=2sin5≈1.92mΔy=R(1cos5)≈2(10.2837)≈1.43m结果：nl≈86rpm，nr≈105rpm，位姿(1.92m,1.43m,5rad)。37.（10分）某伺服电机经减速比i=50的谐波减速机驱动连杆，连杆质量m=8kg，质心距关节轴d=0.3m，减速机效率η=0.8，电机转子惯量Jm=0.0008kg·m²，连杆绕关节惯量Jl=0.72kg·m²。求等效到电机轴的总惯量Je；若电机在0.1s内从0匀加速到3000rpm，求所需电磁转矩Te（忽略摩擦）。答案：Je=Jm+Jl/(i²η)=0.0008+0.72/(25000.8)=0.0008+0.00036=0.00116kg·m²角加速度α=(30002π/60)/0.1=3141.6rad/s²Te=Jeα=0.001163141.6≈3.64N·m。38.（12分）机器人抓取金属零件投入分拣箱，需计算最小夹持力防止滑落。已知：零件质量m=2kg，重心距离夹持面垂直距离dc=0.05m，摩擦系数μ=0.4，重力加速度g=9.8m/s²，安全系数k=1.5，冲击加速度a=3g。求单指最小正压力Fn；若采用真空吸盘替代，吸盘直径D=60mm，真空度70kPa，安全因数相同，验证是否满足。答案：滑落条件：2μFn≥m(a+g)kFn≥29.8(3+1)1.5/(20.4)=29.841.5/0.8=147N单指Fn≥147/2=73.5N吸盘力F=π(D/2)²0.710^5=π0.03²70000≈198NFs=198/1.5=132N>mg(a/g+1)=29.84=78.4N，满足。八、综合应用题（共41分）39.（20分）某四旋翼无人机需在GPS拒止的地下矿道完成巡检，矿道宽5m、高4m，全长2km，存在多金属支护导致磁干扰。请设计一套自主导航与安全保障系统，要求：1.硬件拓扑图与传感器选型；2.状态估计框架，给出数据融合流程图与关键公式；3.路径规划与避障策略，确保与壁面距离≥1m；4.失效保护与返航逻辑；5.给出实验验证方案与评价指标。答案：1.硬件：采用IntelNUC+STM32双控制器，传感器包括16线激光雷达、双目相机、IMU（ADIS16470）、UWB（Decawave）四基站、气压计、TOF测高。拓扑：NUC运行ROS2，通过Ethernet连接雷达，USB3接相机，STM32采集IMU与电机PWM，UWB串口接入NUC。2.状态估计：采用紧耦合LIO，误差状态卡尔曼滤波（ESKF），预测模型：δx=Fδx+w，F=[[ω×]I0;000;000]，观测：激光扫描匹配给出相对位姿ΔT，更新协方差P=(IKH)P。3.路径规划：以前方30m激光点云构建2.5D栅格（0.2m），采用SOTA版本SCP（SparseConditionalPaths）算法，约束与壁面距离≥1m，代价函数f=λ1length+λ2smooth+λ3risk，其中risk=Σexp(d/0.5)。局部避障用TimedElasticBand，重规划周期100ms。4.失效保护：IMU异常方差>阈值触发降落；UWB丢包率>30%切换至纯LIO；电量<25%启动返航，记录最近安全点，采用Dubins路径返回；通信中断30s触发自动悬停并声光报警。5.实验：在150m试验矿道布置反光板作为真值，用全站仪测基准。指标：位置漂移<0.3%（450mm），平均速度1.5m/s，最小壁距1.2m，任务成功率>95%，紧急降落冲击<0.5g。40.（21分）设计一款面向家庭场景的社交机器人，满足老人陪护与远程医疗需求。要求：1.功能