电赛每日一题 · 第 19 期 ｜ 今日拆解：2025 年 H 题 野生动物巡查系统
这道题最硬核的考点是 "450cm×350cm 区域 63 格全覆盖巡查 + 9×7 栅格规划 + 厘米级 SLAM 定位 + 端侧 YOLO11n 动物识别 + 45° 俯角精准降落"。国一方案用 极摩客 M6 Ultra 上位机 + Pixhawk 6C 飞控 + Livox Mid-360 激光雷达 + Sipeed MaixCAM 视觉 + YOLO11n INT8 + 蚁群+BFS 路径规划 这套"工业级自主无人机栈"——把 ROS2 Humble + Point-LIO SLAM + YOLO 端侧推理 + 状态机循环浓缩到一台 ≤ 45cm 轴间距的四旋翼上，实测 130s 完成 63 格全覆盖巡查（满分限制 300s 内，留 130s 调试裕量）。本期从题目工程背景、SLAM 定位、路径规划、视觉识别、状态机协同、45° 俯角降落六大块一次讲透。
📌 一、赛题速览与难点剖析
一、原题再现
1. 任务
用多旋翼自主飞行无人机巡查 450cm × 350cm 区域（分成 63 个 50cm × 50cm 方格），识别、统计区域内野生动物的类型（如象、虎、狼、猴、孔雀等）、所在位置及各种动物的数量。巡查时不得飞越灰色矩形禁飞区（由数个连续方格组成，测试时现场给出方格代码）。巡查系统由无人机及地面站构成，地面站需包含但不限于微控制器、不小于 6 吋的显示屏、按键输入设备；但不允许使用通用键盘和 PC 机。无人机下方安装激光笔，巡查时激光笔垂直向下指示航线。
【官方图 1：2025 H 题 野生动物巡查系统 巡查区域示意图（9×7 栅格 + 灰色禁飞区 + 红色起飞区）】
2. 要求
1. 基本要求
（1）巡查前根据现场指定的禁飞区方格代码，用按键在地面站设置禁飞区。要求在显示屏按 9×7 方格画出覆盖禁飞区以外所有方格的巡查航线。
（2）无人机从红色起飞区域起飞，在 120 cm ± 10 cm 高度按规划的航线巡查，飞行时不得偏离航线；巡查完成时间不得超过 300s，越快越好。
（3）巡查发现某方格中有野生动物时，识别动物种类及数量；将方格代码、动物名称及数量发送到地面站实时显示并保存，要求事后能调出显示。
（4）无人机完成巡查后，在地面站显示所发现动物的名称及每种动物数量。
2. 发挥部分
（1）巡查中发现野生动物时，用机载激光笔光斑照射动物，要求机载激光笔光斑照射在动物体态轮廓上。
（2）巡查完成后，无人机以 45° ± 5° 俯角准确稳定降落到起飞区域。开始降落时用 LED 灯闪烁指示；降落后无人机中心应不偏离红色起飞区域。
（3）其他（创新点与附加功能）。
3. 说明（关键约束）
1.
巡查区域说明
▸ 巡查区域四周各空 25cm，地图为 500cm × 400cm 哑光喷绘布；
▸ 横竖间距 50cm、线宽 0.05cm 的灰色虚线划分 63 个方格，横向 A1~A9、纵向 B1~B7，方格代码 AnBm（如 A3B5）；
▸ 禁飞区为三个连续方格构成的灰色（R-180、G-180、B-180）矩形，测试时现场抽签决定位置；
▸ 动物图片按体型比例（象:虎:狼:猴:孔雀=2:1:1:1:1），象长 30cm，沿外廓剪去空白粘贴；
▸ 机载激光笔光斑扫到方格内即视为覆盖该区域，光斑轨迹与规划航线不一致判定为偏离航线；
▸ 长边、右侧短边各一条 1.8cm 宽黑色标志线可用于辅助定位；无人机以外不得有其他摄像头；
▸ 地图四周及顶部设置安全网，支架在安全网外；测试现场避免阳光直射但不排除照明灯影响。
2.
人机要求
▸ 遵守中国民用航空局的相关管理规定；
▸ 无人机最大轴间距 不大于 45cm；
▸ 桨叶必须全防护，否则不予测试。
3.
测试要求与说明
▸ 调试及测试时参赛队员必须佩戴防护眼镜、戴防护手套、穿长袖长裤；
▸ 测试前抽签决定动物图片及位置，图片方向可由参赛队员决定；
▸ 机载激光笔照射在地面的光斑直径不得大于 1cm，且必须垂直向下；
▸ 基本要求与发挥部分一次完成，起飞后中途停止已完成部分成绩有效；可测两次取综合成绩高的一次；
▸ 起飞前可手动放置到起飞区域，手动一键启动起飞后整个飞行过程中不得人为干预；
▸ 每次测试全过程不得更换电池；两次测试之间允许更换电池，更换电池时间不大于 2 分钟。
4. 评分标准（官方原始表）
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|
| 设计报告 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
小计 |
|
20 |
| 基本要求 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
小计 |
|
50 |
| 发挥部分 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
小计 |
|
50 |
| 总分 |
|
|
120 |
💡 判分关键解读：
1. 基本（3）"动物识别与上报"是这道题的"入门门票"——20 分 = 整卷的 1/6 全在"识别"上。做不出识别 = 直接出局。
2. 基本（2）"自主飞行 ≤ 300s"占 17 分——这要求飞控 + SLAM 定位 + 路径规划三者都必须稳定——任何一环崩溃都丢分。
3. 发挥（1）"激光笔照射动物"36 分是真正的分水岭——这要求"视觉伺服 + 精准定位 + 飞控微调"三合一——光是能识别还不够，必须在飞行中实时打光斑。
4. 发挥（2）"45° 俯角降落"虽然只 8 分，但工程难度大——传统降落是垂直下降，这里要"以 45° 倾斜角度直线减速触地"——需要速度控制 + 位置闭环。
二、题目工程背景：这道题不是空穴来风
很多同学第一眼看到"无人机巡查 9×7 栅格"会觉得：这不是地理信息系统的迷你版吗？其实这道题本质上是"自主无人机 + 移动机器人 + 计算机视觉"三大领域的交叉工程——把题目里的每个模块和现实产品对上号，你立刻就能理解为什么要这么考。
逐模块对应表（题目 ↔ 现实）：
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
为什么出这道题（我的理解）：
1.
"自主无人机"是机器人领域最热的子方向——2025 年全球工业无人机市场突破 500 亿美元，其中巡检 + 物流占 60%。电赛出一道无人机巡查题，就是要选拔掌握"飞行控制 + 视觉算法 + 路径规划"全栈人才。
2.
"9×7 栅格全覆盖"是机器人路径规划的经典题型——扫地机器人、AGV 仓储车、巡检机器人都是这种"在障碍物约束下走遍所有可达点"。电赛把这道题搬到无人机上，是让学生思考"立体覆盖"（高度 + 水平）而不是"平面覆盖"。
3.
"激光笔光斑 = 航线"考的是"测量与控制一致性"——无人机轨迹不能只靠飞控内部状态估计——光斑是"被测量的真实位置"——这要求视觉系统能实时定位光斑，反馈给飞控做闭环——这是"测量-控制"协同的工程实践。
4.
"45° 俯角降落"考的是"非标准姿态控制"——传统降落是垂直下降（Z 轴速度控制）——45° 倾斜降落需要同时控制 Z 轴速度 + XY 水平位置 + 俯仰角 = 三自由度耦合——这是飞控算法的"魔鬼题"。
5.
"端侧 YOLO"考的是"嵌入式 AI 部署"——不能用云端推理（题目不允许 PC）——必须在 Jetson / MaixCAM / K230 这种端侧芯片上跑 YOLO——这是"模型量化 + 推理优化"工程实践——真实部署一个 YOLO 模型比写 Python 跑通 demo 难 10 倍。
💡 延伸认知：为什么 2025 年首次出现"无人机 SLAM"题？因为2024-2025 年是 Livox Mid-360（¥6000）+ Intel NUC（¥3000）+ Jetson Orin Nano（¥2000）这套"万元级自主无人机栈"普及的拐点——电赛出这道题是"鼓励高校拥抱工业级方案"——不能再用 STM32 + OpenMV 这种"轻量玩具级"组合。所以这道题不光考技术，还考"对工业级方案的理解与工程化能力"。
三、大白话版解读：这道题到底要你干嘛？
看完上面那一堆术语，是不是有点头大？别急，咱用最接地气的方式重新讲一遍：
一句话总结：你得做一架会自己看地图、自己规划路线、自己数动物、自己精准降落的小无人机。
传统 vs 本题对比表：
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
系统模块人话版：
1. 眼睛（视觉）：机载 MaixCAM 摄像头，一眼就能认出 5 种动物——"这是大象、那是猴子"，还能数"这个方格里有 2 只孔雀"。
2. 脑子（上位机）：极摩客 M6 Ultra 微型主机，把眼睛看到的东西 + 飞控告诉它的位置——"A5B1 方格里有 1 只猴子"——发到地面站。
3. 腿（飞控）：Pixhawk 6C，控制 4 个螺旋桨转速——让飞机能悬停、转向、上升、下降。
4. 耳朵（激光雷达）：Livox Mid-360，每秒扫 20 万个激光点——告诉脑子"我现在在 A3B4 方格上方，离地 120cm"。
5. 嘴巴（地面站）：树莓派 + 显示屏 + 按键，操作员看着地图设置禁飞区、看着屏幕看动物结果。
6. 灵魂（路径规划）：蚁群算法 + BFS，自己算"我要先飞 A1→A2→…→A9，B1→B2→…→B7，避开禁飞区"。
硬骨头分级：
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
四、核心指标速查表
|
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 总分 |
|
|
120 |
|
五、最大卡脖子难点（5 条核心难点）
1. 45° 俯角精准降落的姿态-位置耦合控制——
传统垂直降落只控制 Z 轴速度，45° 俯角降落需要同时控制 X/Y 水平位置（沿 45° 直线）+ Z 下降速度（匀速 0.3m/s）+ Pitch 俯仰角（锁定 45°）。这三个自由度强耦合，纯串级 PID 调参调到怀疑人生——国一方案用"状态机切换 + 速度矢量分解"：
▸ 阶段 1：水平移动到起飞点正上方，悬停；
▸ 阶段 2：俯仰 45°，沿 45° 方向匀速前进 + 匀速下降，速度矢量 = (Vx, Vy, -Vz) = (-0.3·sin45°, 0, -0.3·cos45°)；
▸ 阶段 3：触地检测后停桨。
任何一环漂移都导致"降落后偏离起飞区"——这 8 分不是白拿的。
1. Livox Mid-360 在黑色哑光地图上的 SLAM 退化——
题目地图是"500cm × 400cm 哑光喷绘布"，黑色植被区域（图 1 大量深绿色）几乎不反射激光——Mid-360 在这些区域点云稀疏——Point-LIO SLAM 可能短暂丢失定位。国一方案用"激光雷达 + IMU 紧耦合"——IMU 在激光失效时提供短期位姿预测，激光恢复时再回扫校正。
1. 端侧 YOLO11n 推理的算力-精度平衡——
MaixCAM 1TOPS@INT8 算力很弱，YOLO11n 原始 FP32 模型 640×640 输入 30ms/帧，但 INT8 量化后掉点 3-5%。国一方案用"输入降采样到 320×320 + INT8 量化"——单帧推理 20ms，mAP 仍保持 85%+。5 种动物（象:虎:狼:猴:孔雀=2:1:1:1:1）体型差异大——象的检测框是孔雀的 4 倍——模型要在小目标和大目标间平衡。
1. 激光笔光斑垂直向下 + 光斑直径 ≤ 1cm——
激光笔安装在无人机底部，必须严格垂直于机架——任何机架振动（飞行中 5-10g 加速度）都会让光斑抖动。国一方案用"减震橡胶垫 + 激光笔刚性固定座"——减震让 5g 振动降到 1g，光斑抖动从 5cm 降到 1cm 以内。
1. ROS2 多节点时序同步——
SLAM 节点（10Hz）+ YOLO 节点（30Hz）+ 飞控节点（100Hz）+ 地面站节点（10Hz）——四个节点必须时间戳对齐——ROS2 默认 DDS 中间件有 10-50ms 延迟——国一方案用"PTP 硬件时间同步 + ROS2 message_filters 时间对齐"——把所有节点误差控制在 10ms 以内。
🛠️ 二、硬件方案
1. 系统框图（Mermaid）
2. 关键硬件模块
（1）上位机子系统：极摩客 M6 Ultra 微型主机
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
选型理由：x86_64 架构对 ROS2 生态原生兼容、Z 系列 AMD 处理器能效比高（整机功耗 35-65W）、尺寸 120×120×40mm 适合机载、重量 600g 可被四旋翼承载。
（2）飞控子系统：Holybro Pixhawk 6C
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
选型理由：STM32H7 算力是 F4 的 4 倍，能跑高级控制律；双 IMU 冗余保证飞行安全；PX4 生态成熟、Offboard 模式可被 ROS2 直接接管。
（3）视觉子系统：Sipeed MaixCAM Pro
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
选型理由：1TOPS 算力在 ¥200 价位是独一档；端侧推理不依赖上位机（即使上位机崩溃仍能识别）；功耗仅 2W 不影响无人机续航。
（4）定位子系统：Livox Mid-360 激光雷达
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
选型理由：360° 全视场避免"无人机自遮挡"；20 万点/秒保证 SLAM 精度厘米级；230g 重量在四旋翼载重范围内（整机目标 ≤ 2kg）。
（5）地面站子系统：树莓派 4B 8GB
|
|
|
|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
选型理由：8GB 内存可流畅运行 Qt GUI；HDMI 6 吋满足题目要求；WiFi 双频抗干扰强。
（6）电源板（自制，集成 ESP32）
核心元器件 BOM（仅电源板，省略通用件）：
|
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
💻 三、软件算法
1. 飞控状态机循环（Mermaid）
