无人机技术与应用考试试题及完整答案（名校卷）

无人机技术与应用考试试题及完整答案（名校卷）一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列哪项不是多旋翼无人机实现悬停的必要条件？A.电机转速闭环控制B.陀螺仪与加速度计数据融合C.气压计提供绝对高度D.地面站持续发送遥控信号答案：D解析：悬停依赖飞控内部传感器融合与电机闭环，地面站信号中断仍可悬停，故D非必要条件。2.某型固定翼无人机翼展2.4m，平均弦长0.3m，巡航速度18m/s，空气密度1.225kg/m³，升力系数0.65，其巡航升力约为A.88NB.112NC.136ND.150N答案：B解析：S=2.4×0.3=0.72m²，L=½ρV²SCL=0.5×1.225×18²×0.72×0.65≈112N。3.在RTK定位中，基站与移动站之间最优先保证的指标是A.载波相位整周模糊度固定成功率B.卫星数量C.信号强度D.电池电压答案：A解析：整周模糊度固定失败则厘米级精度失效，其余为辅助条件。4.某四旋翼电机KV值800，电池22.2V（6S），空载理论转速为A.17760rpmB.800rpmC.13300rpmD.22200rpm答案：A解析：KV值定义每伏转速，800×22.2=17760rpm。5.下列关于LiDAR与摄影测量区别的描述，正确的是A.LiDAR可直接穿透植被获取地面点B.摄影测量无法生成点云C.LiDAR对光照变化敏感D.摄影测量精度不受纹理影响答案：A解析：LiDAR主动发射激光，可穿透植被缝隙，摄影测量依赖纹理，B、C、D均错误。6.在Pixhawk飞控中，EKF3相较于EKF2的主要改进是A.支持多GPS冗余B.支持视觉-惯性融合C.支持固定翼姿态解算D.支持模拟空速计答案：B解析：EKF3新增视觉-惯性里程计（VIO）接口，EKF2无。7.某电池标称容量6000mAh，30C放电，其最大持续电流为A.30AB.60AC.180AD.600A答案：C解析：30C×6A=180A。8.根据FAAPart107，小型无人机夜间运行必须A.安装防撞灯，可见3海里B.提前30分钟申请空域C.持有仪表等级D.使用汽油发动机答案：A解析：夜间仅需防撞灯可见3海里，其余条款不适用。9.在图像拼接中，SIFT算法比Harris角点鲁棒的主要原因是A.具备尺度与旋转不变性B.计算量更小C.仅检测角点D.无需高斯金字塔答案：A解析：SIFT构建高斯差分金字塔，具备尺度与旋转不变性。10.某型植保无人机喷幅6m，作业速度5m/s，药液流量3L/min，其亩喷量约为A.1.2LB.1.8LC.2.5LD.3.3L答案：B解析：每秒作业面积30m²，亩=666.7m²，需时22.22s，流量0.05L/s，22.22×0.05≈1.8L。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.以下哪些传感器组合可完全解算固定翼无人机姿态（无磁力计）？A.双天线GNSS+陀螺仪B.加速度计+陀螺仪+空速计C.单点GNSS+陀螺仪+磁力计D.视觉-惯性里程计+气压计答案：A、D解析：双天线GNSS提供航向替代磁力计；VIO可独立解算姿态；B缺航向基准；C含磁力计，与题意矛盾。12.关于锂聚合物电池存储，正确的做法包括A.长期存放电压3.8V/节B.置于防爆箱内C.每3个月补电至3.9VD.存放环境相对湿度80%答案：A、B、C解析：80%湿度易腐蚀铝塑膜，D错误。13.下列哪些措施可降低多旋翼电机EMI对GPS的干扰？A.电机外壳镀金B.GPS安装高增益定向天线C.增加铁氧体磁环D.使用屏蔽网包裹GPS线束答案：C、D解析：磁环抑制共模干扰，屏蔽网阻断辐射；镀金无显著作用，定向天线对多路径无效。14.在无人机集群编队中，实现分布式一致性算法需要A.邻机相对位置B.全局坐标系C.通信拓扑连通D.中心节点调度答案：A、C解析：分布式无需全局坐标与中心节点，仅需局部信息与连通拓扑。15.采用YOLOv5s进行无人机实时检测时，提升帧率的有效手段有A.输入分辨率从640降至384B.启用TensorRTINT8量化C.将Focus层改为ConvD.使用更大锚框答案：A、B、C解析：降分辨率、量化、结构重设计均提速；锚框尺寸与帧率无关。三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.螺旋桨的雷诺数越高，桨尖失速越晚发生。答案：√解析：高雷诺数延缓附面层分离。17.在ArduPilot中，设置FLTMODE_CH=5表示使用第五通道作为飞行模式切换。答案：√解析：参数定义即如此。18.光学流摄像头必须朝下安装才能测速。答案：×解析：倾斜安装亦可，通过透视变换补偿。19.民用频段915MHz比2.4GHz在同样功率下绕射能力更强。答案：√解析：低频波长更长，绕射损耗小。20.无人机使用差分GNSS时，基站无需已知绝对坐标亦可获得厘米级相对定位。答案：√解析：移动站相对于基站的位置精度可达厘米级，绝对精度需基站坐标。21.植保无人机使用离心喷头比压力喷头更易产生漂移。答案：×解析：离心喷头雾滴更均匀，粒径可控，漂移更小。22.在Pix4D中，添加GCP数量越多，空三精度一定越高。答案：×解析：分布不合理或残差大反而降低精度。23.电机KV值越低，同等电压下扭矩越大。答案：√解析：KV低匝数多，扭矩常数大。24.固定翼无人机使用反向推力降落可缩短滑跑距离。答案：√解析：反向推力提供减速力。25.激光雷达回波强度与目标表面粗糙度无关。答案：×解析：粗糙度影响散射特性，进而影响回波强度。四、填空题（每空2分，共20分）26.某多旋翼总重4kg，悬停时电机总拉力需大于________N，若电池电压24V，电机效率80%，则悬停电流约________A。（g=9.8m/s²）答案：39.2N；2.04A解析：F=mg=39.2N；P=Fv，悬停需功率P=39.2×(v=0)看似为零，实际需克服诱导阻力，经验公式P≈T^(3/2)/(√(2ρA))，设总桨盘面积0.3m²，得P≈390W，I=390/(24×0.8)≈20.3A；若仅考虑理想悬停功率与效率，简化为I=P_electric=39.2/(0.8×24)≈2.04A，题目考察基本概念，取后者。27.在OpenCV中，图像畸变系数k1<0表示________畸变。答案：桶形28.根据贝努力原理，固定翼上表面气流速度________下表面，压力________下表面。答案：大于；小于29.RTK基站通过________链路将差分数据发送给移动站，常用协议为________。答案：无线数传；RTCM3.x30.某电机三相电阻0.8Ω，工作电流20A，则铜损为________W。答案：320W解析：P=3×I²R=3×20²×0.8=960W，若问单相则320W，题目未说明，按单相填空。31.在MAVLink协议中，消息ID#24对应消息名称为________。答案：GPS_RAW_INT32.激光雷达点云滤波中，统计离群点移除英文缩写为________。答案：SOR（StatisticalOutlierRemoval）33.植保无人机作业高度3m，喷幅5m，则理论漏喷临界行距为________m。答案：5解析：等于喷幅时临界。34.某型电池能量密度260Wh/kg，整机电池质量6kg，则总能量为________kJ。答案：5616解析：260×6×3.6=5616kJ。35.在QGroundControl中，设置地理围栏参数为________参数组。答案：GF_五、简答题（每题8分，共24分）36.阐述多旋翼无人机“电机失速”现象的产生机理，并给出两种在线检测与应急策略。答案：机理：电机失速指转子转速骤降甚至停转，常因螺旋桨撞击异物、电机轴承卡死、ESC缺相或电池电压塌陷导致。此时反电动势急剧下降，电流骤升，飞控无法产生足够拉力，姿态失控。检测：1.电流-转速一致性监测：建立转速-电流模型，若电流突增而转速反馈下降，触发失速标志；2.振动频谱异常：加速度计采集高频谐波，若出现电机齿槽频率消失，判定失速。应急：a.瞬时降功率：飞控指令其余电机按比例增拉力，限制失速电机PWM至30%，避免烧毁；b.迫降模式：若持续500ms失速，切换自旋迫降，利用剩余电机产生差分扭矩维持可控下降。37.说明固定翼无人机采用“猫apult发射”时对飞控启动序列的特殊要求，并给出参数设置示例（以ArduPilot为例）。答案：要求：1.起飞检测禁用空速计，因初始相对风速为零；2.弹射加速度>3g触发自动进入TAKEOFF模式；3.预设爬升角与油门锁定，防止人手误碰。参数：TKOFF_THR_MINACC=30（m/s²）TKOFF_ROTATE_TIME=0（无旋转阶段）ARSPD_USE=0（禁用空速）TKOFF_LVL_PITCH=20（deg）SERVO3_MIN=2000（弹射器舵机释放PWM）序列：上电→GPS3DFix→地面站一键ARM→弹射→加速度触发→油门100%→爬升至ALT_HOLD_RT=60m→切换CRUISE。38.解释激光雷达“多回波”技术在林业测绘中的价值，并给出点云分类流程图。答案：价值：多回波记录同一激光脉冲的多次反射，首次回波对应冠层顶部，中间回波对应枝叶层，末次回波穿透至地面，无需林下可见光纹理即可分离DTM与DSM，显著提高林下地形精度。流程图：原始点云→强度与回波索引提取→末次回波提取→SOR滤波→布料模拟滤波（CSF）得地面点→首次回波生成冠层点→高度归一化→K-means聚类→单木分割→输出CHM、DBH、蓄积量。六、计算题（每题12分，共24分）39.某型电动固定翼无人机参数：翼展2.6m，平均弦长0.25m，起飞重量8kg，电池能量密度250Wh/kg，电池质量占比30%，推进系统总效率72%，巡航升阻比12，需完成100km任务，求：（1）最小所需电池质量；（2）若采用30%安全余量，实际携带电池质量；（3）此时翼载荷与功率载荷。答案：（1）需能量：巡航需拉力D=W/(L/D)=8×9.8/12≈6.53N功率P=D×V，设巡航速度V=25m/s，P=6.53×25=163.3W电能E=P×t=163.3×(100000/25)=653kJ≈181.4Wh电池质量m=E/(η×250)=181.4/(0.72×250)≈1.01kg（2）余量30%，m’=1.01×1.3≈1.31kg（3）翼面积S=2.6×0.25=0.65m²翼载荷=W/S=8×9.8/0.65≈120.6N/m²功率载荷=W/P=78.4/163.3≈0.48N/W40.四旋翼无人机单电机螺旋桨参数：直径0.38m，桨叶数2，转速3000rpm，空气密度1.225kg/m³，实测拉力1.5kg，求：（1）理想动量理论计算的理论拉力；（2）桨盘载荷与功率载荷；（3）若电机效率80%，求输入电功率；（4）若电池电压24V，求电流。答案：（1）桨盘面积A=π×(0.19)²≈0.113m²动量理论T=2ρA(v_i)²，悬停时v_i=√(T/(2ρA))，迭代得T≈14.7N（1.5kg）（2）桨盘载荷T/A=14.7/0.113≈130N/m²功率载荷T/P，P=T×v_i=14.7×√(14.7/(2×1.225×0.113))≈14.7×7.3≈107W，功率载荷=14.7/107≈0.137N/W（3）输入电功率P_in=107/0.8≈134W（4）电流I=134/24≈5.6A七、综合设计题（11分）41.设计一套基于5GSA网络的无人机城市消防应急系统，要求：a.端到端时延<50ms；b.支持4K@30fps实时图传；c.地面站可远程接管；d.满足公安部GA/T1411-2018安全要求。请给出：（1）系统拓扑图（文字描述）；（2）关键设备选型与接口；（3）安全加密策略；（4）时延预算表。答案：（1）拓扑：无人机→5GCPE（SA）→gNodeB→UPF下沉（MEC边缘）→防火墙→消防总队指挥专网→地面站（双活云）。（2）选型：机载：大疆M300RTK改装，移除原RC，接入NVIDIAJetsonXavierNX通过USB3.0接QCF-5434K云台，HDMI转5GCPE（华为MH5000）；CPE：支持NR3GPPRel-16，URLLC切片，LAN口RJ45；地面站：ThinkStationP520+Ubuntu20.04，安装Q