2025年高职无人机操控与维护（飞行姿态控制）试题及答案.doc

2025年高职无人机操控与维护（飞行姿态控制）试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题，共40分）
答题要求：本卷共20小题，每小题2分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确答案的序号填在括号内。

1. 无人机飞行姿态控制中，姿态角不包括以下哪个？（ ）
A. 滚转角 B. 偏航角 C. 迎角 D. 俯仰角
2. 当无人机处于稳定飞行状态时，其姿态控制系统主要作用是（ ）
A. 不断改变姿态 B. 保持姿态不变 C. 随机调整姿态 D. 只调整俯仰姿态
3. 以下哪种传感器常用于测量无人机的滚转角？（ ）
A. 加速度计 B. 陀螺仪 C. 磁力计 D. 气压计
4. 无人机姿态控制的核心算法是（ ）
A. PID算法 B. 卡尔曼滤波算法 C. 神经网络算法 D. 遗传算法
5. 姿态控制中，关于比例控制作用描述正确的是（ ）
A. 加快响应速度，减小稳态误差 B.only减小稳态误差 C.only加快响应速度 D. 与响应速度和稳态误差无关
6. 当无人机受到外界干扰导致姿态偏移时，姿态控制系统首先做出反应的是（ ）
A. 积分控制 B. 比例控制 C. 微分控制 D. 都不是
7. 无人机飞行姿态控制中，关于积分控制说法错误的是（ ）
A. 能消除稳态误差 B. 可能会引起系统超调 C. 单独使用效果好 D. 与比例控制配合使用
8. 微分控制在姿态控制中的主要作用是（ ）
A. 预测偏差变化趋势 B. 消除稳态误差 C. 减小超调量 D. 加快响应速度
9. 以下哪种情况会使无人机姿态控制系统的控制难度增加？（ ）
A. 飞行速度慢 B. 外界干扰小 C. 飞行高度低 D.飞行环境复杂
10. 姿态控制中，比例系数过大可能导致（ ）
A. 系统不稳定振荡 B. 响应速度变慢 C. 稳态误差增大 D. 无影响
1-10答案：1.C 2.B 3.B 4.A 5.A 6.B 7.C 8.A 9.D 10.A

11. 对于无人机姿态控制，以下哪种说法正确？（ ）
A. 姿态控制只影响飞行高度 B. 姿态控制与飞行速度无关 C. 良好的姿态控制有助于飞行稳定性 D. 姿态控制只针对水平姿态
12. 姿态控制系统中，反馈环节的作用是（ ）
A. 只反馈姿态角 B. 提供控制信号 C. 将实际姿态与期望姿态比较 D. 只反馈角速度
13. 当无人机进行转弯飞行时，姿态控制系统需要调整的姿态角主要是（ ）
A. 俯仰角 B. 滚转角和偏航角 C. 只有偏航角 D. 只有滚转角
14. 以下哪种情况会降低姿态控制系统的精度？（ ）
A. 传感器精度高 B. 控制算法优化 C. 外界电磁干扰 D. 飞行姿态平稳
15. 姿态控制中，积分时间常数过大可能会（ ）
A. 使系统响应更快 B. 减小稳态误差 C. 导致积分饱和 D. 提高控制精度
11-15答案：11.C 12.C 13.B 14.C 15.C

16. 无人机姿态控制中，关于传感器校准说法正确的是（ ）
A. 校准一次即可 B. 定期校准 C. 校准与姿态控制无关 D. 只校准加速度计
17. 当无人机在风中飞行时，姿态控制系统需要额外考虑的因素是（ ）
A. 风的大小 B. 风的方向 C. 风的稳定性 D. 以上都是
18. 姿态控制中，微分系数过大可能会（ ）
A. 放大噪声干扰 B. 减小稳态误差 C. 加快响应速度 D. 增强系统稳定性
19. 对于多旋翼无人机姿态控制，以下哪个说法错误？（ ）
A. 各旋翼转速影响姿态 B. 姿态控制与电池电量无关 C. 不同姿态对应不同旋翼转速组合 D. 姿态控制影响飞行轨迹
20. 姿态控制系统的硬件组成不包括以下哪个？（ ）
A. 处理器 B. 传感器 C. 电机 D. 执行机构
16-20答案：16.B 17.D 18.A 19.B 20.C

第II卷（非选择题，共60分）

（一）填空题（共10分）
答题要求：请在横线上填上合适的内容，每空1分。

1. 无人机姿态控制主要包括对滚转角、俯仰角和______的控制。
2. 姿态控制系统中的传感器主要有加速度计、陀螺仪、______等三种。
3. PID算法中，P代表______，I代表积分，D代表微分。
4. 姿态控制中，比例控制通过调整控制量与______的比例关系来实现控制。
5. 当无人机姿态出现偏差时，积分控制会不断累积偏差，直到偏差______。
6. 微分控制根据偏差的______来调整控制量。
7. 姿态控制系统的执行机构通常包括电机、______等。
8. 为了提高姿态控制精度，需要对传感器进行______。
9. 无人机在不同飞行阶段，姿态控制的______会有所不同。
10. 姿态控制中，合理调整比例、积分、微分系数可以使系统达到较好的______。
1答案：偏航角 ; 2答案：磁力计 ; 3答案：比例 ; 4答案：偏差 ; 5答案：为零 ; 6答案：变化率 ; 7答案：舵机 ; 8答案：校准 ; 9答案：参数 ; 10答案：性能

（二）简答题（共20分）
答题要求：简要回答问题，每题5分。

1. 简述姿态控制中比例控制、积分控制和微分控制的作用及相互关系。
2. 无人机姿态控制系统中传感器的作用是什么？
3. 说明PID算法在无人机姿态控制中的工作原理。
4. 当无人机姿态出现较大偏差时，姿态控制系统是如何进行调整的？
1答案：比例控制加快响应速度，减小稳态误差；积分控制消除稳态误差；微分控制预测偏差变化趋势。三者配合，比例控制快速响应，积分控制消除稳态误差，微分控制抑制超调，共同实现良好姿态控制。
2答案：传感器用于测量无人机的姿态角（滚转角、俯仰角、偏航角）和角速度等信息，为姿态控制系统提供反馈，使系统能根据实际姿态与期望姿态的差异进行调整，确保无人机姿态稳定。
3答案：PID算法根据设定值与实际测量值的偏差，按比例、积分、微分三个环节分别计算控制量，比例环节根据偏差大小成比例输出控制量，积分环节累积偏差消除稳态误差，微分环节根据偏差变化率调整控制量，最终综合三者得到控制信号控制执行机构调整姿态。
4答案：首先比例控制快速响应，根据偏差大小输出控制量，使姿态向期望方向调整。同时积分控制开始累积偏差，逐渐消除稳态误差。微分控制预测偏差变化趋势，辅助调整，共同作用使姿态偏差逐渐减小，恢复到稳定状态。

（三）分析题（共15分）
答题要求：分析以下材料，回答问题，每题5分。

材料：在一次无人机飞行测试中，发现无人机姿态出现不稳定情况，时而向左倾斜，时而向右倾斜，飞行轨迹也不规则。经过检查，发现姿态控制系统的传感器数据有波动，且控制算法中的比例系数设置过大。

1. 请分析传感器数据波动对姿态控制的影响。
2. 比例系数过大为何会导致无人机姿态不稳定？
3. 针对这种情况，应如何调整姿态控制系统？
1答案：传感器数据波动会使姿态控制系统获取的姿态信息不准确，导致控制算法无法准确判断实际姿态与期望姿态的偏差，从而使控制信号输出错误，无法有效稳定无人机姿态，造成姿态不稳定。
2答案：比例系数过大，会使控制量对偏差的响应过于敏感，稍有偏差就会产生过大的控制作用，容易导致系统振荡，无法稳定在期望姿态，进而造成无人机姿态不稳定。
3答案：首先对传感器进行校准，确保数据准确可靠。然后适当减小比例系数，使其与系统其他参数相匹配，同时检查积分和微分系数是否合适，必要时进行相应调整，以优化姿态控制系统，使无人机姿态恢复稳定。

（四）综合题（共15分）
答题要求：结合所学知识，综合分析并回答问题，每题5分。

材料：某多旋翼无人机在进行复杂任务飞行时，需要精确控制姿态以完成特定动作。已知该无人机姿态控制系统采用PID算法，且在飞行过程中遇到了外界气流干扰。

1. 阐述PID算法如何应对外界气流干扰对无人机姿态的影响。
2. 说明在这种情况下，如何调整PID算法参数来提高姿态控制的稳定性。
3. 除了调整算法参数，还可以采取哪些措施来增强无人机姿态控制系统抵抗外界气流干扰的能力？
1答案：PID算法通过比例环节根据姿态偏差快速响应，输出初步控制量对抗气流干扰引起的姿态变化。积分环节累积偏差，逐渐消除因气流持续干扰导致的稳态误差。微分环节根据偏差变化率提前调整控制量，预测并抑制气流干扰造成的姿态突变，从而综合调整姿态，尽量减小气流干扰影响。
2答案：适当增大积分时间常数，增强积分控制作用，更好地消除气流干扰产生的稳态误差，但要防止积分饱和。减小比例系数，避免控制量因气流干扰引起的偏差过大而过度响应导致振荡。微调微分系数，使其能更精准地预测气流干扰下姿态的快速变化趋势并有效抑制。
3答案：优化无人机外形设计，减少气流对机身的冲击。增加姿态传感器冗余度，提高姿态信息准确性。采用更先进的滤波算法对传感器数据进行处理，去除干扰噪声。加强无人机与地面站通信，实时获取气流信息并反馈给姿态控制系统进行动态调整。

（五）设计题（共10分）
答题要求：根据题目要求，设计一个无人机姿态控制方案，每题10分。

假设你要设计一款用于农业喷洒的无人机姿态控制系统，要求在飞行过程中能稳定保持姿态，适应不同地形和风速条件。请阐述你的设计思路，包括选用的传感器、控制算法以及如何应对不同情况的调整措施。
答案：选用高精度加速度计、陀螺仪和磁力计作为传感器，获取准确姿态信息。采用PID算法作为控制算法，根据姿态偏差进行比例（快速响应）、积分（消除稳态误差）、微分（预测变化趋势）控制。针对不同地形，在起飞和降落阶段适当调整比例系数，减小响应速度，增强稳定性；飞行中根据地形起伏微调积分系数，确保姿态平稳。对于不同风速条件，风速较大时增大比例系数，加快响应速度对抗风干扰；同时调整微分系数，更好地预测风引起的姿态变化，确保姿态稳定，实现农业喷洒任务中无人机姿态的稳定控制。