无人机技术与应用考试试题附答案（精练）

无人机技术与应用考试试题附答案（精练）一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某型四旋翼无人机在悬停状态下，四个电机转速分别为n₁、n₂、n₃、n₄，若机体出现顺时针偏航，则下列关系正确的是A.n₁+n₃>n₂+n₄B.n₁+n₃<n₂+n₄C.n₁+n₂>n₃+n₄D.n₁+n₄>n₂+n₃答案：B解析：顺时针偏航说明反扭矩不足，需降低顺时针旋转电机转速（n₂、n₄）或提高逆时针旋转电机转速（n₁、n₃），故n₁+n₃<n₂+n₄。2.在GNSS拒止环境中，为保持定点悬停，优先融合的视觉惯性里程计算法通常采用A.EKF-SLAMB.MSCKFC.LSD-SLAMD.ORB-SLAM3答案：B解析：MSCKF（Multi-StateConstraintKalmanFilter）在计算量与精度之间折中，适合机载实时运行，且对短期GNSS缺失鲁棒。3.某锂电池标称容量8000mAh，常温下以2C放电，实际可用容量约为A.8000mAhB.7600mAhC.7200mAhD.6800mAh答案：C解析：高倍率放电极化加剧，能量效率下降，经验值2C时容量衰减约10%，故8000×0.9≈7200mAh。4.下列关于RTK定位的描述，错误的是A.基站与移动站距离超过30km，固定解精度仍可达厘米级B.载波相位整周模糊度固定失败会退化为浮点解C.电离层活跃时，RTK初始化时间显著延长D.多频接收机可有效抑制周跳答案：A解析：基线过长导致空间相关误差去相关，超过20km后固定解精度迅速下降至分米级。5.在Pixhawk4飞控中，IMU数据经过内置低通滤波后进入EKF2，若陀螺仪白噪声密度为0.01°/s/√Hz，截止频率设为30Hz，则输出角度随机游走约为A.0.17°/√sB.0.35°/√sC.0.50°/√sD.0.71°/√s答案：A解析：θ_RW=σ√(πf_c/2)=0.01×√(π×30/2)≈0.17°/√s。6.某型固定翼无人机巡航升阻比为12，翼载荷35kg/m²，若需将盘旋半径从200m降至100m，则所需倾斜角增量约为A.5°B.10°C.15°D.20°答案：B解析：盘旋半径R=V²/(gtanφ)，速度不变时R减半→tanφ加倍，原φ=arctan(V²/gR)，计算得Δφ≈10°。7.采用DShot600协议时，电调向飞控回传的遥测帧包含A.电流、电压、温度、累计功耗B.转速、温度、占空比、故障码C.转速、电流、电压、温度D.占空比、温度、母线电压、MOSFET温度答案：C解析：DShot600回传帧格式为16位，其中12位有效数据依次存放转速、eRPM、电流、电压、温度。8.在激光雷达SLAM中，为消除运动畸变，最常用的时间同步方法是A.线性插值IMU位姿B.分段匀速模型C.高斯-牛顿迭代D.贝叶斯滤波答案：A解析：IMU高频位姿通过线性插值可补偿激光点云扫描周期内的运动，简单高效。9.某型植保无人机喷幅6m，作业速度5m/s，亩喷量1.2L，则理论流量为A.1.8L/minB.3.6L/minC.5.4L/minD.7.2L/min答案：C解析：亩=666.7m²，每秒作业面积30m²，亩喷量1.2L对应30m²需0.054L，故0.054×60≈3.24L/min，考虑重叠系数1.67，得5.4L/min。10.在Mavlinkv2协议中，用于传输高精度GPS的报文ID是A.24B.33C.124D.232答案：C解析：GPS_RAW_INT报文ID为24，HIL_GPS为74，GPS2_RAW为124，故选C。二、多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.下列措施可有效抑制多旋翼电机谐振对IMU的干扰A.在桨叶根部增加黏弹性阻尼环B.将IMU布置在机体弹性节点处C.采用陷波滤波器滤除特征频率D.提高EKF过程噪声协方差答案：A、B、C解析：D项会降低滤波精度，无法抑制谐振。12.关于Li-ion与Li-Po电池对比，正确的是A.Li-ion能量密度更高B.Li-Po可做成异形结构C.Li-ion循环寿命更长D.Li-Po自放电率更低答案：A、B、C解析：Li-Po自放电率略高于Li-ion。13.在视觉SLAM中，造成尺度漂移的因素包括A.纯旋转运动B.IMU偏置未标定C.特征点深度初值误差D.相机-IMU外参未标定答案：A、B、C、D解析：四项均会导致尺度可观性下降。14.下列属于无人机AeroSense协议物理层特性的是A.采用OFDM调制B.工作频段1.4GHzC.最大带宽10MHzD.支持MIMO2×2答案：B、C、D解析：AeroSense采用SC-FDE单载波频域均衡，非OFDM。15.关于毫米波雷达在无人机避障中的优势，正确的是A.雨雪天气性能衰减小B.可测速直接输出多普勒信息C.角分辨率高于激光雷达D.对黑色物体不敏感答案：A、B、D解析：毫米波角分辨率通常低于激光雷达。三、判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）16.四旋翼无人机在电池电压骤降时，电调自动进入低压保护会立即关闭输出，导致坠机。答案：×解析：多数电调采用逐级降功率策略，非立即关断。17.采用RTK-lib进行后处理时，若基站数据采样率为1Hz，移动站为5Hz，仍可固定整周模糊度。答案：√解析：RTK-lib支持不同采样率，通过插值对齐。18.在PX4中，L1控制器对固定翼的滚转通道也适用。答案：×解析：L1仅用于侧向/航向，滚转采用级联PID。19.激光雷达的“近场盲区”主要由发射接收同轴结构导致。答案：√解析：同轴结构最短探测距离受限于光学隔离度。20.无人机使用4G链路时，运营商APN采用“公网静态IP”比“专网动态IP”延迟更低。答案：×解析：专网路由跳数少，延迟反而更低。21.在OpenCV中，solvePnP使用EPnP算法需要至少4对非共面点。答案：√解析：EPnP理论最小4点，且需非共面。22.采用钛合金螺旋桨可显著提升多旋翼气动效率。答案：×解析：钛合金密度高，增加转动惯量，效率下降。23.无人机电池内阻测试时，交流四线法比直流脉冲法更能反映高频特性。答案：√解析：交流法可测得阻抗谱，含电荷转移阻抗。24.在Mavlink中，HEARTBEAT报文的custom_mode字段对ArduPilot与PX4含义相同。答案：×解析：custom_mode枚举值两飞控定义不同。25.毫米波雷达通过MUSIC算法可提高角度分辨率。答案：√解析：MUSIC为超分辨算法，可突破瑞利限。四、填空题（每空2分，共20分）26.某型电机KV值880，配6S电池满电25.2V，空载转速为________rpm，若带20inch桨效率系数0.72，则理论悬停拉力________N。答案：22176；8.96解析：n=KV×U=880×25.2=22176rpm；悬停需功率P=mg^(3/2)/√(2ρA)，代入A=0.162m²，m=2kg，得P≈124W，拉力T=P/v_i，v_i=√(T/2ρA)，迭代得T≈8.96N。27.在PX4中，参数EKF2_MAG_YAWLIM默认值为________度，其作用是________。答案：15；限制磁偏航创新量，防止磁干扰导致航向漂移。28.激光雷达波长1550nm相比905nm的优势是________，缺点是________。答案：人眼安全阈值高；需InGaAs探测器，成本高。29.采用DSM2协议时，每帧数据占用________μs，最多支持________通道。答案：22；12解析：DSM2每通道11bit，帧长22×11=242bit，2Mbps速率，约121μs，含间隔共22μs/通道，帧间隔2ms，故最多12通道。30.某型固定翼失速速度16m/s，若翼载增加20%，则新失速速度为________m/s。答案：17.54解析：V_s∝√(W/S)，增加20%→√1.2=1.095，16×1.095≈17.54。五、简答题（每题8分，共24分）31.简述多旋翼无人机“动力饱和”现象产生机理及在线缓解策略。答案：当总需求拉力超过电机/电调最大输出能力时，控制器被迫按比例削减各电机占空比，导致姿态失控。机理：角速度环输出拉力矢量超出物理极限。缓解：1.采用动态逆分配，优先保证横滚俯仰，牺牲偏航；2.设置优先级权重矩阵；3.在线估计剩余拉力裕度，提前限制加速度指令；4.结合电池电压实时修正最大拉力模型；5.引入外环保护，当饱和持续>200ms自动降低期望角速率。32.说明基于事件相机的无人机高速避障流程，并给出与传统帧相机对比的优缺点。答案：流程：1.事件相机输出异步事件流；2.采用eFAST提取边缘事件簇；3.利用连续时间模型估计光流；4.构建半稠密深度图；5.采用MPC预测碰撞时间；6.生成避障速度矢量。优点：>10kHz更新率、动态范围120dB、无运动模糊；缺点：易受纹理缺失影响、算法复杂度高、需重新标定内参、对光源闪烁敏感。33.阐述无人机集群“分布式一致性”算法在目标围捕任务中的实现步骤，并给出通信拓扑失效时的鲁棒策略。答案：步骤：1.构建无向图拓扑，邻接矩阵A；2.每机广播自身位置与目标估计；3.采用一致性协议：ẋ_i=-∑a_ij(x_i-x_j)+k_t(x_t-x_i)；4.引入虚拟力场形成包围圈；5.通过Lyapunov函数证明收敛。鲁棒：1.采用k-连通拓扑，允许k-1节点失效；2.引入自适应权重，通信丢失时切换至预测状态；3.采用事件触发通信，降低带宽；4.基于局部观测器重构全局状态；5.当孤立节点>50%时切换至leader-follower模式。六、计算题（共31分）34.（11分）某型四旋翼质量2.4kg，转动惯量I_xx=I_yy=0.028kg·m²，I_zz=0.048kg·m²，电机最大拉力8N，臂长0.18m。设计PD控制器使滚转角阶跃响应超调<5%，调节时间<0.6s。求比例增益K_p与微分增益K_d，并验证是否饱和。答案：1.滚转通道传递函数：G(s)=τ/I_xx，τ=L·ΔT，ΔT_max=8-2.4×9.8/4=2.12N，τ_max=0.18×2.12=0.3816N·m。2.二阶系统：ω_n=√(K_p·L/I_xx)，ζ=(K_d·L/I_xx)/(2ω_n)。3.指标：超调5%→ζ=0.707；调节时间0.6s→ω_n=4.5/0.6=7.5rad/s。4.解得：K_p=ω_n²·I_xx/L=7.5²×0.028/0.18=8.75；K_d=2ζω_n·I_xx/L=2×0.707×7.5×0.028/0.18=4.15。5.验证：最大误差角θ_e=π/6rad，所需力矩τ_d=K_p·θ_e=8.75×0.523=4.58N·m>0.3816N·m，饱和。6.修正：限幅θ_e_max=0.3816/8.75=0.0436rad（2.5°），满足小角度假设，需降低期望角速率或增大电机裕量。35.（10分）激光雷达水平视场360°，垂直30°，角分辨率0.2°，转速10Hz，测距精度±2cm，无人机以8m/s直线飞行，前方出现直径10cm的电线，求最小可检测距离，并判断是否满足避障要求（反应时间0.3s，安全制动距离2m）。答案：1.垂直方向需至少2点：0.2°×2=0.4°，电线张角θ=0.1/d，d=0.1/θ=0.1/(0.4°×π/180)=14.3m。2.水平方向：线宽10cm，点间距Δα=0.2°，弧长s=d·Δα=14.3×0.2×π/180=0.05m<0.1m，满足。3.考虑测距误差：2σ=4cm，需14.3+0.04=14.34m。4.飞行0.3s后距离=14.34-8×0.3=12.14m>2m，满足。36.（10分）某型太阳能无人机翼展12m，弦长0.8m，光伏效率22%，电池比能260Wh/kg，需昼夜续航，当地夏至日照时长14h，平均太阳辐照800W/m²，夜间平均功率180W，求最小电池质量与光伏面积，并验证翼面是否足够。答案：1.可用翼面积S_w=12×0.8=9.6m²。2.日间能量：E_day=800×0.22×S_p×14=2464S_pWh。3.夜间耗能：E_night=180×10=1800Wh。4.日间需同时供飞与充电：P_day=180W，剩余2464S_p-180×14=2464S_p-2520。5.能量平衡：2464S_p-2520≥1800→S_p≥(1800+2520)/2464=1.76m²。6.电池质量：m_b=1800/260=6.92kg。7.翼面9.6m²>1.76m²，满足，可铺光伏面积远大于需求，可减小至2m²留余量。七、综合设计题