无人机技术与应用考试试题及参考答案【能力提升】

无人机技术与应用考试试题及参考答案【能力提升】一、单项选择题（每题2分，共20分）1.多旋翼无人机在悬停状态下，其电机转速变化主要受哪一项传感器数据直接影响？A.磁力计B.气压计C.陀螺仪D.光流计答案：C解析：陀螺仪实时测量机体角速度，飞控通过PID算法快速调节电机转速以抵消扰动，维持姿态平衡。磁力计、气压计、光流计分别用于航向、高度与水平位置辅助，不直接参与毫秒级转速闭环。2.某固定翼无人机翼展2.4m，平均弦长0.3m，若采用ClarkY翼型，设计升力系数1.2，海平面空气密度1.225kg/m³，当飞行速度15m/s时，理论升力约为：A.88NB.106NC.124ND.142N答案：B解析：升力公式L=½ρV²SCL，S=2.4×0.3=0.72m²，代入得L=0.5×1.225×15²×0.72×1.2≈106N。3.下列哪项不是RTK–GNSS相对于SBAS的主要优势？A.厘米级绝对定位B.初始化时间短C.可支持PPK后处理D.抗多路径能力更强答案：B解析：RTK需基带模糊度固定，初始化时间通常30s以上，SBAS为星基增强，开机即可亚米级定位，初始化更短。4.在锂电池6S1P、22.2V、5000mAh、30C规格中，持续最大安全电流为：A.30AB.75AC.150AD.300A答案：C解析：持续最大电流=容量×C数=5Ah×30C=150A。5.某植保无人机喷幅5m，作业速度5m/s，药液流量3L/min，亩喷量要求1.2L，理论作业效率约为：A.120亩/小时B.150亩/小时C.180亩/小时D.210亩/小时答案：B解析：每秒作业面积=5m×5m/s=25m²，亩=666.7m²，每秒0.0375亩；3600s×0.0375=135亩；再考虑90%有效利用率为150亩/小时。6.数字图传中，采用OFDM64-QAM调制，信道带宽20MHz，编码率5/6，理论净数据率约为：A.24MbpsB.36MbpsC.48MbpsD.54Mbps答案：D解析：802.11g标准，64-QAM+5/6编码+20MHz，符号速率250kHz×54bit/符号=54Mbps。7.激光雷达点云“地面点分类”最常用的几何特征是：A.回波强度B.局部法向量C.高程直方图D.扫描角答案：B解析：局部法向量可反映表面坡度，坡度突变小且朝向天空的点被判为地面，回波强度与材质相关，高程直方图需全局统计，扫描角为系统参数。8.在Pixhawk4飞控中，IMU与磁罗盘数据融合主要采用哪类滤波框架？A.互补滤波B.扩展卡尔曼滤波C.粒子滤波D.龙伯格观测器答案：B解析：PX4开源代码采用EKF2，对IMU、磁罗盘、GNSS、气压计等多源数据做状态估计。9.某红外热成像云台测温精度±2℃，当环境温度30℃、目标发射率0.95时，测得表面温度45℃，若发射率误设为0.80，则温度读数将：A.偏低约2.3℃B.偏高约2.3℃C.偏低约4.6℃D.偏高约4.6℃答案：B解析：根据普朗克辐射定律，发射率越低，辐射亮度越低，系统会高估温度以补偿，故读数偏高；经验公式ΔT≈(1/ε₁–1/ε₂)Tλ/4，计算得约2.3℃。10.城市峡谷中，无人机GPS定位漂移较大，此时最优的辅助定位策略是：A.关闭GPS仅用光流B.启用RTK–PPKC.融合视觉–惯性SLAMD.提高GNSS更新频率到50Hz答案：C解析：城市峡谷多路径严重，RTK亦可能失锁；视觉–惯性SLAM利用机载相机与IMU，不依赖外部信号，短期精度高，可有效抑制漂移。二、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）11.下列哪些措施可有效降低多旋翼无人机ESC过热风险？A.提高PWM频率到48kHzB.采用主动刹车C.增加散热片D.降低最大占空比E.使用更高内阻的电池答案：B、C、D解析：主动刹车减少持续大电流，散热片提升热对流，降低最大占空比直接减少发热；提高PWM频率反而增加开关损耗；更高内阻电池使电流减小但效率降低，并非根本办法。12.关于倾斜摄影三维建模，以下说法正确的是：A.下视镜头GSD决定模型高程精度B.旁向重叠度60%即可满足城市场景C.采用机械快门可减少果冻效应D.增加交叉航线可提高弱纹理区域匹配成功率E.激光点云可直接作为空三控制条件答案：C、D、E解析：机械快门避免卷帘畸变；交叉航线增加基线，提高匹配；激光点云提供高程控制。下视GSD主要决定平面精度，旁向重叠60%对建筑立面仍不足，需80%以上。13.在无人机物流航线规划中，需重点考虑的民航规章限制包括：A.机场障碍物限制面B.人口稠密区飞行高度C.空域分类与UOM系统D.无线电频率干扰E.适航证类别答案：A、B、C解析：机场OIS面、人口稠密区120m限高、空域UOM申报为核心；频率干扰属电磁兼容，适航证针对航空器本身，不直接限制航线。14.下列哪些属于Li-ion电池相对于Li-Po电池的优势？A.能量密度高B.循环寿命长C.放电倍率大D.形状可定制E.自放电率低答案：A、B、E解析：18650Li-ion单体能量密度达250Wh/kg，循环600次以上，自放电<3%/月；但放电倍率仅2–3C，形状圆柱不可定制。15.在FPV穿越机调参中，Betaflight的“Feedforward”功能可带来：A.降低电机温度B.提升响应速度C.减少积分饱和D.抑制噪声放大E.改善stickfeel答案：B、E解析：Feedforward即前馈，直接根据setpoint变化率输出，减少滞后，提升手感；但高频噪声可能被放大，电机温度与积分饱和主要由PID与滤波决定。三、判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）16.前拉式固定翼无人机在失速时，机翼自带头俯冲力矩，有利于自动恢复速度。答案：√解析：机翼位于重心之后，失速时升力骤降，产生低头力矩，减少迎角，恢复速度。17.多旋翼桨叶雷诺数通常低于固定翼，因此桨叶表面粗糙度对气动效率影响更小。答案：×解析：低雷诺数下层流占比高，粗糙度易触发转捩，反而使阻力激增，效率下降明显。18.采用RTK–PPK模式时，基站与移动站之间无需实时链路，因此可节省数传带宽。答案：√解析：PPK为后处理，飞行中只记录原始观测，无需实时差分链路。19.在DJIO3图传系统中，采用H.265编码可在相同码率下获得比H.264更低的延迟。答案：×解析：H.265压缩率更高，但算法复杂，编码延迟反而增加约20–40ms。20.激光雷达“多回波”功能可以在植被穿透中同时获取树冠与地表点云。答案：√解析：激光脉冲遇到半透明介质可产生多次回波，首次为树冠，末次为地面。21.根据《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》，250g以下无人机无需任何登记。答案：×解析：250g以下无需实名，但涉及商业飞行仍需经营许可与空域申请。22.在低温–10℃环境下，Li-Po电池内阻升高，同等功率下电压跌落更明显，应适当提高低电压保护阈值。答案：√解析：低温内阻翻倍，压降增大，提前保护可防止瞬间欠压坠机。23.采用“动态Home点”功能时，若遥控器信号丢失，无人机会自动返回最新记录的Home点。答案：√解析：动态Home实时更新GPS坐标，失控返航以最后记录点为准。24.在Pix4D中，将“关键图像”选项关闭，可减少空三运算时间但可能降低精度。答案：√解析：关键图像筛选减少冗余影像，关闭后参与计算图像增多，时间增加，精度提升；反之亦然。25.对于四旋翼无人机，若顺时针桨与逆时针桨互换安装，仍可正常起飞，仅偏航方向反向。答案：×解析：桨叶安装角固定，互换将产生负拉力，无法起飞。四、填空题（每空2分，共20分）26.在伯努利方程中，同一流管中流速增大，静压________，该原理被用于________翼型的升力产生。答案：减小；上表面凸起解析：上表面流速高、静压低，形成升力。27.某多旋翼总重4kg，悬停时单电机平均电流12A，6S电池电压22.2V，则悬停功率密度为________W/kg，效率约为________g/W。答案：66.6；15解析：总电功率=4×12×22.2=1065.6W，功率密度=1065.6/4≈66.6W/kg；效率=4000g/1065.6W≈3.75g/W，换算为15g/W（每电机）。28.激光雷达测距方程中，接收功率与目标距离的________次方成反比，与激光发射功率的________次方成正比。答案：2；1解析：Pr=Pt·ρ·Ar/(πR²)，故与R²成反比，与Pt线性。29.在OpenCV中，将图像坐标系转换到归一化相机坐标系，需使用________矩阵，若已知像素坐标(u,v,1)，则归一化坐标(Xc,Yc,1)等于________。答案：相机内参K的逆矩阵；K⁻¹·[uv1]ᵀ解析：通过内参逆矩阵去像素化，得到归一化平面坐标。30.根据国际民航组织Doc4444，无人机与有人机之间的最小水平间隔为________km，垂直间隔为________m。答案：5；150解析：雷达管制下，IFR飞行与无人机空中间隔标准。31.在Betaflight中，设置“setrc_smoothing_input_hz=0”表示关闭________滤波，可能导致________现象。答案：RC信号输入平滑；stick抖动或电机微振解析：关闭后遥控器原始阶跃直接进入PID，易激发高频振荡。32.某次航拍任务共获取照片1200张，空三解算后得连接点800万个，平均每张照片提取________个连接点，若重投影误差RMSE为0.48pix，则相对精度约为________倍GSD。答案：6667；0.5解析：800万/1200≈6667；经验公式相对精度≈RMSE×GSD，即0.5×GSD。33.在Mavlink协议中，消息ID#77对应________消息，其字段“time_boot_ms”单位为________。答案：COMMAND_LONG；毫秒解析：#77为COMMAND_LONG，时间戳以毫秒计。34.采用“双天线测向”方案时，基线长度1m，GPSL1波长0.19m，若整周模糊度固定成功，则理论测向精度约为________度。答案：0.2解析：σθ≈λ/(2πL·SNR½)，SNR=50，计算得≈0.2°。35.在AgisoftMetashape中，构建密集点云时，“深度图过滤”选择“________”模式可最大限度保留建筑物立面细节，但会增加________风险。答案：Mild；噪点解析：Mild过滤最弱，保留细节同时易引入噪声。五、简答题（每题8分，共24分）36.阐述多旋翼无人机“动力裕度”定义，并给出一种基于悬停电流的在线估算方法，说明其误差来源。答案：动力裕度指在当前海拔、电压、温度下，无人机最大可用拉力与悬停拉力之比，反映抗风与爬升能力。在线估算步骤：1)飞控实时记录悬停平均电流I₀与电池电压V₀；2)已知电机+桨组合拉力–电流–电压地面实验曲线，拟合得T=f(I,V)；3)当前悬停拉力T₀=mg；4)最大拉力Tmax=f(Imax,V₀)，Imax为ESC限流值；5)动力裕度=Tmax/T₀。误差来源：①电池老化导致V₀跌落快，f(I,V)偏移；②大气密度变化未修正，Tmax与实际不符；③ESC限流为瞬时保护，持续10s以上可能降额；④机臂安装角差异导致拉力损失；⑤风速突变使I₀瞬时波动，滤波延迟。37.说明激光雷达“回波强度”与“反射率”区别，并给出一种基于强度的地物分类流程。答案：回波强度为接收功率与发射功率之比的对数值，单位dB，受距离、入射角、大气衰减影响；反射率为目标固有物理属性，与波长、材质粗糙度相关，需归一化得到。分类流程：1)距离校正：Icorr=Iraw+20log10(R/Rref)；2)入射角校正：ρ=Icorr/cosθ，θ由法向量与激光束夹角计算；3)统计直方图，采用Otsu自动阈值分割高、低反射率；4)结合高程纹理，使用随机森林分类器，特征包括ρ、高程标准差、回波次数、局部平面度；5)输出道路、建筑、植被、水体四类。验证：人工标注200k点，总体精度OA=92.4%，Kappa=0.90。38.描述固定翼无人机“手掷起飞”失败常见原因，并给出改进措施。答案：失败原因：①重心偏后，俯仰不稳定，瞬间上仰失速；②投掷速度不足，雷诺数低，升力不够；③投掷角>15°，迎角过大，翼面分离；④螺旋桨预转不足，推力延迟；⑤侧风>4m/s，横滚扰动。改进：①调整电池前移，使重心位于25%MAC；②助跑3–5步，投掷初速>1.3倍失速速度；③采用“水平轻推+微下压”手法，初始迎角5–8°；④起飞模式预设70%油门，延迟0.5s爬升；⑤选择侧风≤2m/s时段，或使用弹射架。六、计算题（共11分）39.某测绘公司采用电动固定翼无人机，任务要求：测区面积30km²，南北5km，东西6km；航向重叠80%，旁向重叠70%；相机像素6000×4000，像元尺寸3.9µm，焦距35mm；设计地面分辨率GSD=5cm；巡航速度20m/s，风冷散热，单架次电池可用能量800Wh，整机功率均值420W。求解：(1)相对航高H；（2分）(2)单张像片对应地面面积S；（2分）(3)航线间隔与拍照间隔；（3分）(4)单架次可飞行时间t与可覆盖面积A；（2分）(5)完成全部测区所需架次N。（2分）答案：(1)H=f·GSD/像元=0.035m×0.05m/3.9×10⁻⁶m≈448m，取450m。(2)单张地面长=6000×0.05=300m，宽=4000×0.05=200m，S=300×200=6×10⁴m²。(3)旁向重叠70%，航线间隔D=W(1–0.7)=200×0.3=60m；航向重叠80%，拍照间隔d=L(1–0.8)=300×0.2=60m；拍照周期T=d/V=60/20=3s。(4)t=800Wh/420W≈1.9h=6840s；可拍张数n=t/T=6840/3=2280张；覆盖面积A=n·S=2280×6×10⁴=1.368×10⁸m²=13.68km²。(5)N=30/13.68≈2.2，取整3架次。七、综合设计题（共20分）40.背景：某高原地区海拔3800m，空气密度0.85kg/m³，需设计一款载重5kg、航时≥90min的垂直起降固定翼无人机，用于长距离巡检。已知：机翼参考面积S=0.9m²，Oswald效率e=0.85，展弦比AR=12；螺旋桨推进效率ηp=0.78，电池总能量E=2.4kWh，电池质量12kg；结构+航电+起落架等空机质量m₀=8kg；升力系数曲线斜率a=0.12/°，零升迎角α₀=–2°，最大升力系数CLmax=1.4；需满足抗风≥12m/s，爬升率≥3m/s。任务：(1)计算机翼诱导阻力因子K，并给出巡航升阻比最大的升力系数CLopt；（4分）(2)验证在CLopt下，巡航速度V与所需功率P；（4分）(3)计算最大起飞重量mtow，并校核载重能力是否满足5kg；（3分）(4)