无人机编程挑战赛初赛试卷附答案

无人机编程挑战赛初赛试卷附答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在PX4飞控中，用于描述机体坐标系X轴正方向与地理北向夹角的参数是（）A.yaw_angleB.mag_declinationC.headingD.course_over_ground答案：C2.下列关于MAVLink2协议帧格式的描述，正确的是（）A.有效载荷最大255字节B.校验码仅覆盖有效载荷C.支持消息扩展签名D.消息ID字段固定8位答案：C3.某多旋翼无人机空载重量1.2kg，最大推力总和12N，重力加速度取9.8m/s²，其理论最大安全负载为（）A.12gB.24gC.120gD.240g答案：B4.在ROS2中，用于实现QoS策略“至少一次可靠传输”的预设是（）A.rmw_qos_profile_sensor_dataB.rmw_qos_profile_defaultC.rmw_qos_profile_servicesD.rmw_qos_profile_parameters答案：B5.下列关于光流算法Lucas-Kanade的假设，错误的是（）A.亮度恒定B.空间一致C.时间连续D.运动矢量大答案：D6.在ArduPilotSITL仿真中，默认地面站通信端口为（）A.14550UDPB.5760TCPC.22SSHD.8080HTTP答案：A7.若采用互补滤波融合加速度计与陀螺仪数据，时间常数τ=0.5s，则陀螺仪权重在1kHz采样率下约为（）A.0.9995B.0.998C.0.995D.0.95答案：A8.下列Python语句中，可在DroneKit中设置飞行器返航高度的API调用是（）A.vehicle.parameters['RTL_ALT']=3200B.vehicle.rtl(alt=20)C.vehiclemand.upload_return_alt(20)D.vehicle.mode='RTL'答案：A9.在QGroundControl中，规划一条“Takeoff→Waypoint→Land”任务，Land指令的commandID为（）A.21B.22C.183D.185答案：C10.若采用RTK-GNSS定位，基站通过4G链路播发RTCM3.2MSM4报文，则无人机端需解析的报文类型为（）A.1005B.1074C.1084D.1230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，漏选得1分，错选得0分）11.下列哪些措施可有效抑制多旋翼无人机“降落摇摆”现象（）A.降低着陆速度B.启用地面效应补偿C.增大I项增益D.采用光流辅助定位答案：ABD12.关于PX4的L1导航算法，下列说法正确的是（）A.适用于固定翼B.侧向加速度指令与L1长度成正比C.需实时估计风速D.滚转角指令由加速度限幅答案：ABD13.在ROS2节点中，下列哪些rclcpp接口可用于创建定时器（）A.create_wall_timerB.create_timerC.create_rateD.create_callback_group答案：AB14.下列哪些传感器组合可用于无GPS环境下的六自由度位姿估计（）A.IMU+单目相机B.IMU+双目相机C.IMU+激光雷达D.IMU+超声波答案：ABC15.若使用PX4的FlightTask框架开发自定义任务，需重写的虚函数包括（）A.activateB.updateC.checkGPSD.applySetpoint答案：ABD三、填空题（每空2分，共20分）16.在MAVLink消息中，用于广播系统状态的心跳包消息ID为________，其固定频率为________Hz。答案：0，117.若一四旋翼飞行器对角电机轴距为250mm，电机KV值2300，电池电压22.2V，空载转速约为________rpm（忽略损耗）。答案：5106018.在ArduPilot中，参数________控制前飞速度最大值，单位为m/s。答案：WPNAV_SPEED19.采用扩展卡尔曼滤波（EKF）时，状态向量若包含位置、速度、姿态误差及陀螺仪零偏，则状态维度至少为________。答案：1520.在PX4的uORB机制中，发布者调用________函数将数据推送到总线，订阅者通过________阻塞等待更新。答案：orb_publish，orb_check21.若激光雷达扫描频率10Hz，角分辨率0.25°，则每帧点云包含________条射线。答案：144022.在Python中，使用NumPy将四元数q=[w,x,y,z]转换为方向余弦矩阵的函数为________。答案：quaternion.as_rotation_matrix23.在Gazebo仿真中，模型SD文件内用于设置电机推力系数的标签为________。答案：<thrust_coefficient>24.当采用基于图像的视觉伺服（IBVS）时，特征点深度估计误差会导致________耦合，需引入________估计器补偿。答案：图像矩与平移，深度25.在PX4的PWM输出驱动中，电调协议DShot600的波特率为________bps。答案：600000四、判断题（每题1分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）26.在PX4中，飞行模式“Stabilized”属于内环姿态增稳，不依赖GPS信号。（）答案：√27.MAVLink1协议的消息长度字段为8位，因此单帧最大有效载荷为255字节。（）答案：×28.采用光流定位时，地面纹理越丰富，速度估计精度越高。（）答案：√29.在ArduPilot中，参数EK3_ENABLE=0表示关闭第三阶EKF，系统将退回到DCM算法。（）答案：√30.若电机KV值增大，在相同电压下推力系数必然增大。（）答案：×31.ROS2的DDS层默认使用FastDDS，可替换为CycloneDDS。（）答案：√32.在PX4的LPE（本地位置估计）模块中，超声波数据融合前需进行温度补偿。（）答案：√33.激光雷达SLAM算法LOAM仅依赖点云几何信息，无需IMU数据。（）答案：×34.在QGroundControl中，可通过“MAVLinkInspector”实时查看所有消息字段。（）答案：√35.采用基于梯度下降的姿态解算时，步长越大收敛速度越快且精度越高。（）答案：×五、简答题（共25分）36.（封闭型，6分）写出PX4中uORB发布者最小代码框架（C++），并说明如何设置消息更新频率为100Hz。答案：```cppinclude<uORB/uORB.h>include<uORB/topics/vehicle_attitude.h>intmain(){intfd=orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude),&att);orb_set_interval(fd,10);//10ms->100Hzwhile(true){att.timestamp=hrt_absolute_time();orb_publish(ORB_ID(vehicle_attitude),fd,&att);usleep(10000);}}```37.（开放型，7分）某农场需无人机沿50m×100m矩形航线自动喷洒，速度5m/s，喷头流量2L/min，作业高度2m，行间距5m。请给出航线规划策略，并估算总作业时间（忽略转弯与加减速）。答案：策略：采用“弓”字形航线，长边100m为航向，行数=50/5+1=11行，每行长度100m，总航程=11×100=1100m；时间=1100/5=220s≈3.7min。38.（封闭型，6分）解释“陀螺仪零偏不稳定性”与“随机游走”物理意义，并给出Allan方差曲线中对应读取方法。答案：零偏不instability对应Allan方差最小值τ0，单位°/h；随机游走为斜率-1/2段延长线与τ=1s交点，单位°/√h。39.（开放型，6分）在ROS2中，如何实现跨主机无人机图像数据低延迟传输？列出关键QoS参数及理由。答案：采用UDP可靠传输，QoS：history=KEEP_LAST，depth=1，reliability=BEST_EFFORT，durability=VOLATILE，deadline=100ms；理由：减少重传缓存，降低延迟，允许丢帧保持实时。六、应用题（共50分）40.（计算类，10分）已知四旋翼质量1.5kg，悬停时单电机推力3.675N，电机推力系数k_t=1.2×10⁻⁵N/(rpm)²，求悬停转速；若需实现2m/s²垂直加速度，求新总推力及单电机转速增量。答案：悬停：3.675=1.2e-5×ω²→ω=√(3.675/1.2e-5)=√306250=553.4rpm；加速：总推力=1.5×(9.8+2)=17.7N，单电机=4.425N；ω_new=√(4.425/1.2e-5)=607.7rpm；增量=54.3rpm。41.（分析类，15分）某无人机在GPS拒止走廊飞行，仅依赖IMU+单目相机。给出EKF状态向量与观测模型，并推导视觉测量更新的雅可比矩阵H。答案：状态x=[p,v,q,b_g,b_a,λ]；观测z=f(p,R,λ)=Kπ(Rᵀ(P-λd)/‖P-λd‖)，K内参，π投影；H=∂z/∂x=[∂z/∂p,0,∂z/∂q,0,0,∂z/∂λ]；∂z/∂p=K·J_π·Rᵀ/‖·‖；∂z/∂q=K·J_π·[Rᵀ(P-λd)]×；∂z/∂λ=K·J_π·(-Rᵀd)/‖·‖。42.（综合类，25分）设计一套基于PX4+ROS2的无人机空中投递系统，要求：1)任务开始由地面站一键触发；2)无人机自主起飞并飞往30m外目标点；3)到达后减速悬停，检测AprilTag，相对误差<0.2m；4)确认后下降并释放负载（舵机控制）；5)返航并降落。请给出：a)系统架构图（文字描述即可）；b)关键节点状态机；c)视觉伺服控制律（IBVS形式）；d)负载释放安全策略；e)若通信中断30s后的失效保护逻辑。答案：a)架构：地面站(QGC)←→ROS2offboard节点←→PX4viaMAVLink；相机←→ROS2image_pipeline→apriltag_node→setpoint_generator→offboard_control。b)状态机：IDLE→TAKEOFF→GOTO→LOITER→DETECT→DESCEND→RELEASE→RTL→LAND→DISARM。c)I