基于3D打印結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的四旋翼無(wú)人機(jī)

摘要

四旋翼無(wú)人機(jī)因具備垂直起降，自由懸停，體積小，用途多樣且成本低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。目前制約四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一就是其續(xù)航時(shí)間較短，載重小。現(xiàn)階段工業(yè)制造中普遍通過(guò)提升動(dòng)力的方法來(lái)延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，而對(duì)于機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究較少。本文將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)四旋翼的機(jī)架部分進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)了四旋翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減重設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值分析的方法，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析和固有模態(tài)分析。并通過(guò)增材技術(shù)完成優(yōu)化后機(jī)架的制作，對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。該研究為四旋翼的輕量化設(shè)計(jì)及延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī)，拓?fù)鋬?yōu)化，增材技術(shù)

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目錄

摘要 1

一、緒論 

（一）選題背景及研究意義 

（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 

（三）本文研究?jī)?nèi)容及目的 

二、無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)及初始模型建立 

（一）機(jī)架材質(zhì)及構(gòu)型選擇 

1、機(jī)架材質(zhì)選擇 

2、初始構(gòu)型確定 

（二）動(dòng)力及飛控系統(tǒng)選擇 

1、動(dòng)力系統(tǒng) 

2、飛控系統(tǒng) 

（三）仿真分析 

1、四旋翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化工況分析 

2、模型仿真分析 

三、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及仿真分析 

（一）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及優(yōu)化模型確定 

1、模型1拓?fù)鋬?yōu)化分析 

2、模型2拓?fù)鋬?yōu)化分析 

（二）優(yōu)化結(jié)構(gòu)重構(gòu) 

（三）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析 

四、應(yīng)用前景分析 

結(jié)論 

參考文獻(xiàn) 

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一、緒論

（一）選題背景及研究意義

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是多旋翼無(wú)人機(jī)，在面向中小型飛行應(yīng)用領(lǐng)域，多旋翼無(wú)人機(jī)相比固定翼和直升機(jī)具有很多優(yōu)勢(shì)，如尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等。小型多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于航拍、森林防火、搜救等各個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖 1  小型多旋翼無(wú)人機(jī)典型應(yīng)用場(chǎng)景

普通小型四旋翼飛行器的性能與有效載荷負(fù)載能力、續(xù)航時(shí)間和飛行控制系統(tǒng)緊密相關(guān)，為了提高飛行器的飛行性能，可以從設(shè)計(jì)更先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)，以及對(duì)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重優(yōu)化兩方面進(jìn)行。

由于小型四旋翼無(wú)人機(jī)本身結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較輕，當(dāng)前旋翼動(dòng)力系統(tǒng)可使小型四旋翼飛行器產(chǎn)生較大推重比，而目前國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)對(duì)小型四旋翼飛行器飛行性能的研究主要集中在飛行控制系統(tǒng)領(lǐng)域。在機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往采用較為粗放，通過(guò)提升動(dòng)力系統(tǒng)性能的方式彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足，關(guān)于無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的研究較為薄弱。

因此，針對(duì)小型無(wú)人機(jī)對(duì)于負(fù)載能力、續(xù)航時(shí)間、可靠性、經(jīng)濟(jì)型等方面要求的不斷提升，采用特定方法對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要。

（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

拓?fù)鋬?yōu)化不依賴于設(shè)計(jì)師得到工程經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)的初始構(gòu)型，可以得到意想不到的全新構(gòu)型，因此受到國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)人員的青睞。該方法脫離了原有的經(jīng)驗(yàn)思路，根據(jù)一定的力學(xué)約束方法迅速得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，在航空宇航、機(jī)械設(shè)計(jì)加工、傳播設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)成為減輕結(jié)構(gòu)重量的重要手段，發(fā)展較為成熟。

現(xiàn)有的增材制造結(jié)構(gòu)，絕大部分仍然采用面向傳統(tǒng)制造工藝的設(shè)計(jì)構(gòu)型。這樣所制備的結(jié)構(gòu)并未充分利用增材制造所提供的新型設(shè)計(jì)空間，性能無(wú)法在本質(zhì)上得到飛躍。甚至受限于增材制造技術(shù)的不成熟，其性能劣于傳統(tǒng)制造工藝所制備的結(jié)構(gòu)。

目前國(guó)外已經(jīng)有將拓?fù)鋬?yōu)化與3D打印技術(shù)融合的案例，例如空中客車集團(tuán) APWorks GmbH發(fā)布的世界上第一輛3D打印摩托車Light Rider，具有重量輕、結(jié)構(gòu)優(yōu)的特點(diǎn)，其車身總重量?jī)H為35公斤，比普通的電動(dòng)摩托車輕30%；美國(guó)知名運(yùn)動(dòng)品牌Under Armour出品的3D打印限量款跑鞋Architect；ROBOT BIKE CO(RBC)公司設(shè)計(jì)的可定制3D打印自行車；以及在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一些3D打印航天部件等等。在這些成功案例的背后，均離不開(kāi)拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造技術(shù)的交叉融合、協(xié)同應(yīng)用。

對(duì)于目前的小型四旋翼飛行器機(jī)架結(jié)構(gòu)，由于小型多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求并不高，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中一方面并未廣泛引入拓?fù)鋬?yōu)化方式對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，另一方面幾乎不存在利用增材制造方式對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工。

但隨著小型旋翼無(wú)人機(jī)研究及商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，其結(jié)構(gòu)的性能、成本及制造必定逐漸受到人們的關(guān)注。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用增材制造將拓?fù)鋬?yōu)化后的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，將拓?fù)鋬?yōu)化與3D打印技術(shù)結(jié)合的思路對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與制造有著重要的意義。

（三）本文研究?jī)?nèi)容及目的

本文針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，首先對(duì)典型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定其載荷、工況、約束條件和允許的最大位移；然后通過(guò)商用軟件Inspire和ANSYS對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其靜強(qiáng)度、剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求；最后對(duì)優(yōu)化后的無(wú)人機(jī)機(jī)架進(jìn)行3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)3D打印整體成形最優(yōu)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證。

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二、無(wú)人機(jī)配置及優(yōu)化工況

（一）機(jī)架材質(zhì)及構(gòu)型選擇

1、機(jī)架材質(zhì)選擇

基于設(shè)計(jì)需求，對(duì)市面上的四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架進(jìn)行了調(diào)研，并按材質(zhì)進(jìn)行了分類。

名稱	圖示	特點(diǎn)
尼龍塑膠機(jī)架		具有一定的強(qiáng)度和韌性且價(jià)格便宜
玻纖機(jī)架		由玻璃纖維制成，和塑膠機(jī)架相比具有更高的強(qiáng)度，而價(jià)格相比碳纖維材料便宜很多
碳纖維機(jī)架		碳纖維相比尼龍、玻纖兩種機(jī)架具有更高的強(qiáng)度和剛度，而且重量更輕，缺點(diǎn)就是價(jià)格偏高

表 1  市面上四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架材質(zhì)

從經(jīng)費(fèi)、必要性等方面來(lái)考慮，選用F450的機(jī)架構(gòu)型。材料選用尼龍，彈性模量1.6GPa,泊松比0.28，材料密度1120kg/m3，屈服強(qiáng)度100MPa性能參數(shù)來(lái)自3D打印商實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（二）動(dòng)力及飛控系統(tǒng)選擇

1、動(dòng)力系統(tǒng)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，把所有電機(jī)動(dòng)力的50%作為無(wú)人機(jī)自身平衡的動(dòng)力，剩余的50%作為無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)飛行和抵抗風(fēng)力的動(dòng)力儲(chǔ)備^[1]。據(jù)此，選擇大疆精靈2212/920KV自鎖電機(jī)和好盈20A電調(diào)，搭配1045螺旋槳。電池選用3S 2200mAh鋰電池。

圖 5  2212/920KV電機(jī)及20A電調(diào)1045螺旋槳圖

2、飛控系統(tǒng)

因?yàn)楸疚膶Ｗ⒅攸c(diǎn)在于機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為了不把過(guò)多時(shí)間用到飛控的調(diào)試上，故選擇NAZA-M Lite閉源飛控。

圖 6  NAZA-M Lite飛控

（三）優(yōu)化工況確立

四旋翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化工況分析

四旋翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式主要包括懸停，平飛，俯仰，滾轉(zhuǎn)，偏航，前飛，升降等。其中，進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)及俯仰運(yùn)動(dòng)的目的是姿態(tài)調(diào)整，運(yùn)動(dòng)加速度較小，缺乏優(yōu)化價(jià)值。俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)于本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱構(gòu)型而言在受力上是等價(jià)的。四旋翼在起飛階段要迅速加速克服重力實(shí)現(xiàn)起飛，結(jié)構(gòu)易受破壞，故本文選取起飛上升階段作為優(yōu)化的工況。

工況	單個(gè)電機(jī)的升力/N	飛控和動(dòng)力總重/kg	有效載荷/kg
上升階段	6.86	0.433	1

表 2  上升階段工況

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三、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及仿真分析

（一）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及優(yōu)化模型確定

分別利用solidThinking Inspire和ANSYS基于設(shè)計(jì)工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)以減重為優(yōu)化目標(biāo)，動(dòng)力及控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為433g的力作用于四旋翼的中心位置。優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如下：

圖 7  優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

考慮到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果和設(shè)計(jì)域的關(guān)系，避免由于主觀因素限制拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，最初模型建立只確定四旋翼非設(shè)計(jì)域軸距為450mm，電機(jī)座直徑為34mm，中心設(shè)備區(qū)為85mm正方形，整體厚度為5cm，模型如下。

圖8 初始設(shè)計(jì)模型

分別利用solidThinking Inspire和ANSYS對(duì)初始模型基于設(shè)計(jì)工況進(jìn)行減重優(yōu)化，二者優(yōu)化結(jié)果隨減重比變化情況如下：

圖9   初始設(shè)計(jì)模型Inspire系列優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)第一次拓?fù)鋬?yōu)化系列結(jié)果，尋找兩種仿真軟件的共同點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)初始模型隨減重比變化的共同趨勢(shì)是呈現(xiàn)X型。基于此重新建立第二代優(yōu)化初始模型如下。

圖12  初始設(shè)計(jì)模型二——三視圖

對(duì)初始模型利用ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)分析，其最大等效應(yīng)力為4.7892MPa,小于100MPa的屈服強(qiáng)度，最大等效位移為0.0029958m,滿足設(shè)計(jì)要求。由第一次模型優(yōu)化過(guò)程發(fā)現(xiàn)Inspire軟件結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)高度離散化的現(xiàn)象較ANSYS好，故利用Inspire進(jìn)行后續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化工作。

圖13  初始設(shè)計(jì)模型二——等效應(yīng)力圖

圖14  初始設(shè)計(jì)模型二——等效位移圖

通過(guò)不斷調(diào)整減重比和對(duì)結(jié)果進(jìn)行力學(xué)分析，最終選定減重比為30%的結(jié)果作為最后拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，此時(shí)結(jié)構(gòu)重量為50.15g(不帶起落架)，優(yōu)化結(jié)果圖如下：

圖15   最終優(yōu)化模型

（二）最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)重構(gòu)

首先利用Inspire模塊中自帶的Polynurbs的自適應(yīng)模塊進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，而后借鑒打開(kāi)UG NX軟件，新建一個(gè)文件，導(dǎo)入拓?fù)鋬?yōu)化的STL文件，以旋轉(zhuǎn)大臂頂部為基準(zhǔn)面建立草圖，繪制拓?fù)鋬?yōu)化形狀，最后拉伸裁剪，得到最終模型的方法，將最終優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入solidworks進(jìn)行細(xì)致的模型重構(gòu)。并再對(duì)中心區(qū)域挖孔進(jìn)行減重設(shè)計(jì)及優(yōu)化起落架。最終模型重構(gòu)結(jié)果如下。

圖 16  模型重構(gòu)圖

（三）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析

利用Inspire中的分析模塊，對(duì)優(yōu)化的結(jié)果就起飛工況和懸停工況和多工況分析進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證其合理性。結(jié)構(gòu)都滿足強(qiáng)度和剛度要求。

1.起飛工況

 圖18  優(yōu)化結(jié)構(gòu)起飛Inpire計(jì)算等效應(yīng)變圖

2.懸停工況

圖19  優(yōu)化結(jié)構(gòu)懸停Inpire計(jì)算等效應(yīng)力圖

圖20  優(yōu)化結(jié)構(gòu)懸停Inpire計(jì)算等效應(yīng)變圖

3.多工況分析

圖21  優(yōu)化結(jié)構(gòu)多工況Inpire計(jì)算等效應(yīng)力圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，再利用ANSYS對(duì)優(yōu)化重構(gòu)后的模型就起飛工況進(jìn)行了受力分析。靜力學(xué)結(jié)果從圖中可以看出滿足設(shè)計(jì)要求，模態(tài)分析結(jié)果中，可以看到其易產(chǎn)生共振的頻率，而電機(jī)正常工作頻率在90Hz，不在共振范圍。

圖22  優(yōu)化重構(gòu)結(jié)構(gòu)ANSYS等效應(yīng)力圖

圖23  優(yōu)化重構(gòu)結(jié)構(gòu)ANSYS等效應(yīng)變圖

圖24  優(yōu)化重構(gòu)結(jié)構(gòu)8-11階振型圖

圖25  優(yōu)化重構(gòu)結(jié)構(gòu)自由模態(tài)前20階振動(dòng)頻率

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四、應(yīng)用前景分析

四旋翼無(wú)人機(jī)廣泛運(yùn)用于航拍、森林防火、搜救，運(yùn)送物資等領(lǐng)域，與傳統(tǒng)方法相比具有巨大優(yōu)勢(shì)。四旋翼無(wú)人機(jī)的性能與其重量息息相關(guān)，在以往的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化并不細(xì)致。

3D打印是一種以三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的新型制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的減材制造方式不同，3D打印技術(shù)運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方法來(lái)構(gòu)造物體，又被稱為增材制造。3D打印最大的優(yōu)勢(shì)在于幾乎可以用于制造任意形狀的三維實(shí)體，讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程不在受到加工工藝的束縛，可以根據(jù)最高效的傳力路徑實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，為設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案設(shè)計(jì)方案提供了可能。

與此同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)最大程度的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是另外一大重點(diǎn)問(wèn)題。多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)完成，設(shè)計(jì)人員根據(jù)已有的結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計(jì)出無(wú)人機(jī)機(jī)架的初始模型，然后通過(guò)設(shè)計(jì)需求和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、校核、修正，由于小型無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程比較粗放，因此得到的結(jié)構(gòu)一般留有很大的優(yōu)化空間。目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬分析，然后通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效提升四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行性能和續(xù)航時(shí)間，使得四旋翼無(wú)人機(jī)更加輕量化。同時(shí)隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論和方法越來(lái)越完善，獲得具有可制造性的優(yōu)質(zhì)構(gòu)型，已成為當(dāng)今設(shè)計(jì)師和研究人員所面臨的新課題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間理論的積累，以及對(duì)于優(yōu)質(zhì)構(gòu)型設(shè)計(jì)上豐富的研究，將拓?fù)鋬?yōu)化與3D打印技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工有著重要的發(fā)展前景。

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結(jié)論

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款基于3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的四旋翼無(wú)人機(jī)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)小型對(duì)四旋翼機(jī)架設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

在無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，選取典型飛行狀態(tài)確定優(yōu)化工況，在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方面，利用商用軟件solidThinking Inspire和ANSYS基于選定工況，以最大化剛度以及最大化頻率為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化并對(duì)結(jié)果進(jìn)行多次迭代得到最終的優(yōu)化結(jié)果總重為124.1g，再對(duì)最后優(yōu)化結(jié)構(gòu)利用solidworks進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)。利用Inspire和ANSYS對(duì)優(yōu)化的模型進(jìn)行受力分析驗(yàn)證其可行性。

在整個(gè)研究過(guò)程中，項(xiàng)目研究成果為四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造提供一種新的思路，為實(shí)現(xiàn)綠色化、輕量化的四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一條新的道路。

優(yōu)化2.zip

優(yōu)化1模型靜力學(xué)分析.zip

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