2025年电子学会青少年机器人技术三级等级考试试卷及答案

2025年电子学会青少年机器人技术三级等级考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共30分。每题只有一个正确答案，请将正确选项的字母填在括号内）1.在ArduinoUNO中，数字引脚D13通常连接板载LED，该LED的极性为（）A.阳极接D13，阴极接GNDB.阴极接D13，阳极接5VC.阳极接5V，阴极接D13D.阴极接GND，阳极接D13答案：A2.下列关于舵机控制信号的描述，正确的是（）A.采用PWM占空比0%～100%直接映射角度B.标准舵机角度范围0°～360°C.周期20ms、脉宽0.5ms～2.5ms对应0°～180°D.舵机电源必须与逻辑电源共地答案：C3.在MakeblockmBot中，超声波模块Trig引脚的功能是（）A.接收回波信号B.发射触发脉冲C.提供5V电源D.输出模拟电压答案：B4.某直流电机额定电压9V，空载电流0.2A，堵转电流1.8A，若使用L298N驱动，下列说法正确的是（）A.单通道最大持续电流2A，可直接驱动无需散热B.堵转时必须立即限流，否则可能烧毁驱动芯片C.启用ENA引脚高电平即可实现电机反转D.L298N内部集成续流二极管，无需外接答案：B5.在图形化编程中，使用“重复执行直到”结构，循环结束条件应放在（）A.循环体内部最上方B.循环体内部最下方C.循环结构顶部菱形框D.循环结构之后独立判断答案：C6.下列关于I²C总线的说法，错误的是（）A.需要上拉电阻B.地址冲突会导致通信失败C.时钟线缩写为SDAD.支持多主多从答案：C7.某红外巡线传感器输出为数字量，检测到黑线输出0，白线输出1。若小车左右两轮分别由M1、M2驱动，下列逻辑能使小车沿线前进的是（）A.左传感器0→M1加速，右传感器0→M2加速B.左传感器1→M1减速，右传感器0→M2加速C.左传感器0→M1减速，右传感器1→M2加速D.左传感器1→M1加速，右传感器1→M2减速答案：C8.在Arduino程序中，语句“Serial.println(val,HEX)”的作用是（）A.以十六进制格式发送val并换行B.以十进制格式发送val并换行C.以二进制格式发送val不换行D.以ASCII字符发送val答案：A9.某四线二相步进电机步距角为1.8°，驱动器设置为16细分，则每转脉冲数为（）A.200B.400C.1600D.3200答案：D10.在Pythononmicro:bit中，正确控制LED点阵显示“心形”的语句是（）A.display.show(Image.HEART)B.led.plot(2,2)C.screen.display("♥")D.OLED.drawHeart()答案：A11.下列关于锂电池安全的做法，错误的是（）A.使用保护板防止过放B.穿刺测试后继续使用C.充电时远离易燃物D.发现鼓包立即停用答案：B12.在RobotC中，语句“motor[port2]=127”表示（）A.端口2电机以50%功率正转B.端口2电机以100%功率正转C.端口2电机以约50%功率反转D.端口2电机停止答案：B13.若超声波测得时间为300μs，声速取340m/s，则距离为（）A.5.1cmB.10.2cmC.17cmD.34cm答案：A14.下列关于陀螺仪零偏的说法，正确的是（）A.零偏越大，角度积分越准确B.零偏会随温度变化C.零偏可通过加速度计完全消除D.零偏仅存在于磁力计答案：B15.在ROS2中，发布话题“/cmd_vel”使用的消息类型为（）A.std_msgs/Int32B.geometry_msgs/TwistC.sensor_msgs/LaserScanD.nav_msgs/Odometry答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）16.下列哪些传感器可用于检测机器人前方障碍物距离（）A.红外接近开关B.超声波模块HCSR04C.激光ToFVL53L0XD.干簧管答案：A、B、C17.关于PID控制器，下列说法正确的是（）A.P项越大，响应越快，但易超调B.I项可消除稳态误差C.D项对噪声敏感D.PID参数一旦设定，无需再调答案：A、B、C18.在ArduinoUNO中，可触发外部中断的引脚有（）A.D2B.D3C.D4D.D11答案：A、B19.下列哪些做法可降低直流电机碳刷火花干扰（）A.在电机端子并联104电容B.在电源端串联LC滤波C.使用屏蔽电缆传输信号D.将电机外壳接地答案：A、B、C、D20.在机器人竞赛中，符合规则的行为有（）A.使用开源代码并注明出处B.远程实时人工遥控C.更换不同容量电池以提升续航D.自动阶段使用激光雷达SLAM导航答案：A、D三、填空题（每空2分，共20分）21.ArduinoUNO的ADC分辨率为______位，默认参考电压为______V。答案：10；522.标准舵机三条线分别为______、______、______。答案：信号；电源正；电源负23.若编码器每转输出20个脉冲，减速比为1:30，则车轮转一圈，编码器共输出______个脉冲。答案：60024.在Python中，导入时间库并延时0.5秒的语句为______。答案：importtime;time.sleep(0.5)25.当L298N的IN1=1、IN2=0、ENA=1时，电机状态为______；若ENA=0，电机状态为______。答案：正转；自由停止26.某机器人质量1.2kg，重力加速度取10m/s²，则其重量为______N。答案：1227.在I²C通信中，主机发送起始条件后，首先发送的1字节包含______位地址和______位读写标志。答案：7；128.若micro:bit的加速度计量程为±2g，灵敏度为1mg/LSB，则读取值512对应加速度为______mg。答案：51229.在RobotC中，语句“until(SensorValue[sonar]<30)”中的条件含义是______。答案：超声波测距值小于30cm时退出循环30.锂电池标称3.7V，充满电电压为______V，放电截止电压为______V。答案：4.2；3.0四、判断题（每题1分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）31.数字引脚只能输出高低电平，不能读取输入。答案：×32.超声波测距时，温度越高，声速越大。答案：√33.舵机堵转不会损坏内部齿轮。答案：×34.在Arduino中，analogWrite(255)等同于digitalWrite(HIGH)。答案：√35.使用TB6612FNG驱动电机时，必须外接续流二极管。答案：×36.陀螺仪直接积分可得到精确角度，无需加速度计校正。答案：×37.在ROS中，节点名称必须唯一。答案：√38.红外遥控器调制载频通常为38kHz。答案：√39.干电池串联后容量不变，电压增加。答案：√40.使用Python编写ESP32程序时，可用MicroPython固件。答案：√五、简答题（共25分）41.（5分）简述超声波测距原理，并说明温度补偿的必要性。答案：超声波发射器发出40kHz脉冲，遇到障碍物反射，接收器捕获回波，测量时间差t，距离d=vt/2，v≈340m/s。温度升高，声速增大，v=331.4+0.6T（T为℃），若不补偿，高温下读数偏小，低温下偏大，误差可达2%/10℃。42.（5分）列举三种常见的机器人定位方法，并比较其优缺点。答案：①里程计：优点简单、成本低；缺点累计误差大。②激光SLAM：优点精度高、环境适应好；缺点成本高、算法复杂。③视觉标签（Apriltag）：优点绝对定位无累计误差；缺点需布置标签、遮挡失效。43.（5分）说明PID中积分饱和现象及常用抑制方法。答案：当误差长期存在，积分项不断累积，导致输出超过执行器极限，称为积分饱和。抑制方法：积分分离（误差大时关闭I）、抗饱和限幅（输出限幅后只累加有用部分）、变速积分（误差大时减小I增益）。44.（5分）解释“闭环控制”与“开环控制”区别，并各举一例。答案：开环无反馈，输出不修正，如定时控制舵机转到固定角度；闭环有反馈，实时修正，如编码器反馈控制电机精确转到目标角度，误差减小。45.（5分）简述I²C与SPI的主要区别。答案：I²C双线（SDA、SCL），半双工，地址寻址，多主多从，速度100kHz～1MHz；SPI四线（MOSI、MISO、SCK、SS），全双工，片选寻址，一主多从，速度可达数十MHz，硬件复杂但带宽高。六、计算题（共20分）46.（10分）某小车质量1.5kg，车轮半径0.03m，电机减速比1:20，效率80%，需以0.5m/s²加速度爬坡10°斜坡，忽略摩擦，求电机输出轴所需扭矩与总功率。答案：坡度力F1=mgsinθ=1.5×10×sin10°≈2.60N加速力F2=ma=1.5×0.5=0.75N总力F=F1+F2=3.35N轮扭矩Tw=F×r=3.35×0.03=0.1005N·m电机轴扭矩Tm=Tw/(减速比×效率)=0.1005/(20×0.8)=0.00628N·m=6.28mN·m角速度ω=v/r=0.5/0.03=16.67rad/s电机轴角速度ωm=ω×20=333.3rad/s功率P=Tm×ωm=0.00628×333.3≈2.09W答案：6.3mN·m；2.1W47.（10分）某机器人使用12V/2Ah锂电池，系统总平均电流400mA，电机启动峰值3A，持续0.5s，每小时启动20次，求理论续航时间。答案：基础功耗0.4A×1h=0.4Ah单次启动额外耗能3A×0.5s=1.5As=0.000417Ah20次耗能20×0.000417=0.00834Ah每小时总耗能0.4+0.00834=0.40834Ah续航时间=2Ah/0.40834Ah≈4.9h答案：约4.9小时七、程序设计题（共30分）48.（15分）ArduinoUNO外接超声波Trig→D4，Echo→D5，舵机→D9，要求：当检测到前方距离小于20cm时，舵机从90°转到150°并停留2s，然后回到90°。请写出完整程序。答案：```cppinclude<Servo.h>constinttrig=4,echo=5,servoPin=9;ServomyServo;longduration,distance;voidsetup(){pinMode(trig,OUTPUT);pinMode(echo,INPUT);myServo.attach(servoPin);myServo.write(90);}voidloop(){digitalWrite(trig,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(trig,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(trig,LOW);duration=pulseIn(echo,HIGH);distance=duration0.034/2;if(distance<20){myServo.write(150);delay(2000);myServo.write(90);delay(500);}delay(300);}```49.（15分）micro:bitA、B按钮控制RGB灯颜色：A键循环红→绿→蓝，B键调节亮度0%→50%→100%，用Python实现。答案：```pythonfrommicrobitimportimportneopixelnp=neopixel.NeoPixel(pin0,1)colors=[(255,0,0),(0,255,0),(0,0,255)]bright=[0,0.5,1]ci=0bi=0whileTrue:ifbutton_a.was_pressed():ci=(ci+1)%3ifbutton_b.was_pressed():bi=(bi+1)%3r,g,b=colors[ci]br=bright[bi]np[0]=(int(rbr),int(gbr),int(bbr))np.show()sleep(100)```八、综合应用题（共30分）50.（30分）设计一台自动搬运机器人，任务：从起点出发，沿黑色轨迹行驶，检测到“T”型路口后停车，机械臂下降夹取目标物（边长30mm立方体，重50g），然后倒退1m，右转90°，继续前进到终点区放下物体。已知：场地为白色PVC哑光膜，轨迹宽20mm；驱动轮直径65mm，减速电机带编码器（每转20脉冲，减速比1:30）；机械臂使用9g舵机驱动夹子，升降采用蜗杆减速电机（转速10rpm，轴径6mm，卷筒直径20mm，提升线采用0.5mm尼龙绳）；电源12V锂电池；主控ArduinoUNO。（1）画出系统结构框图，标明传感器、执行器、电源、通信接口。（5分）答案：框图含ArduinoUNO核心，输入：双灰度传感器、超声波、编码器、限位开关；输出：L298N驱动双直流电机、舵机控制夹子、升降电机MOSFET驱动；电源：12V经降压到5V与6V；通信：蓝牙可选。（2）计算升降机构将夹子从最低点到最高点提升80mm所需时间及电机转数。（5分）答案：卷筒周长C=πd=3.14×20=62.8mm，需转数n=80/62.8≈1.27转；转速10rpm，时间t=1.27/1