多旋翼无人机云台动力学特性分析及减振控制研究
多旋翼无人机的控制原理

多旋翼无人机的控制原理多旋翼无人机是由多个电动机和旋翼组成的飞行器,它的控制原理包括飞行器姿态控制、定位导航控制和飞行速度控制。
飞行器姿态控制是通过控制每个旋翼的转速来控制飞行器的姿态,以实现稳定的飞行。
在飞行过程中,通过改变旋翼转速可以改变飞行器的姿态,如前后倾斜、左右倾斜、俯仰和偏航等。
通过精确调整不同旋翼的转速,可以达到控制飞行器姿态的目的。
一般情况下,多旋翼无人机使用四个旋翼,即四旋翼结构,其中两个对角旋翼旋转方向相同,另外两个对角旋翼旋转方向相反。
通过不同旋翼的转速组合和调整,可以使飞行器保持平衡姿态。
定位导航控制是为了让飞行器能够按照预定的航线进行自主飞行。
无人机一般通过全球定位系统(GPS)等定位设备获取自身的位置信息,并结合惯性测量单元(IMU)获取飞行器的姿态信息,以实现精确定位和导航。
根据设定的目标点,飞行控制系统会计算飞行器当前位置与目标点之间的距离和角度偏差,然后根据这些偏差调整飞行器的转向和姿态,达到自动飞行的目的。
此外,飞行器还可以通过使用避障传感器等装置来避免与障碍物碰撞,确保安全飞行。
飞行速度控制是为了控制飞行器的速度,使其能够按照要求的速度进行飞行。
控制飞行器的速度可以通过改变旋翼的转速来实现。
增加旋翼的转速可以使飞行器加速,减小转速则可以使飞行器减速。
在控制飞行速度时,需要考虑飞行器的姿态和环境因素(如风速、气流等),以实现精确的速度控制。
多旋翼无人机的控制原理是通过调整旋翼的转速来实现姿态控制、定位导航控制和飞行速度控制。
通过合理设计控制系统和传感器装置,飞行器可以实现自主飞行、稳定飞行和精确控制的能力。
这使得无人机在各种应用领域都有着广泛的应用前景,如农业植保、物流配送、环境监测等。
当然,无人机的控制原理还可以根据具体需求进行改进和优化,以实现更高的飞行性能和控制精度。
无人机云台的设计与研究

技术创新19无人机云台的设计与研究◊哈尔滨市德强高中部翟昱博哈尔滨理工大学机械动力工程学院郝广平云台作为一种相机稳 定器,能在拍摄尤其是航 拍过程中起到平衡与稳定 的作用。
航拍是无人机技 术中非常重要的一部分,由于无人机本身在飞行过 程中的抖动会对图像采集 产生极大的影响,因此设 计好无人机的云台设备,让无人机可以获取清晰的 图像信息是非常必要的。
航拍是无人机技术中比较重要的一^ 功能,通过对相关环境中的图像摄取,可 以帮助无人机使用者获得重要的信息资 源,不管是在军事行动还是在电力设备维 护运用中,航拍都发挥着极其重要的作 用,是无人机技术中不可忽视的一部分,通过空中拍摄,使用者可以用视域更加宽 广、全面的俯视角度来观察地面的信息,这有助于其更准确的找出其中的问题,同时也极大缩减了拍摄时间,提升了效率。
1云台设计要求无人机航拍最大的问题来自于抖动,在拍摄时其镜头的抖动是全方位、全频段 的,这极大影响了图像信息的质量。
形成 抖动的原因主要有三个方面,一是无人机 自身的螺旋桨高频运动从而影响到整个机 身的振动。
二是飞行过程中形成的风阻外 力影响,且无人机自身的外形设计以及飞 行时的运动轨迹,飞行的速度都会加大风 阻的力量,产生更大的抖动能量。
三是无 人机在做出规定动作的时候会让飞行姿态 发生改变,如无人机在水平向前的状态下 做出前俯动作,那么齒飞停止刹那间无 人机会做出后仰动作来消除向前的惯性,親会对摄像■带来腹方向的扰动。
因此,云台的设计要求和设计思路都需要 围绕“隔离扰动,稳定视轴”这个方向来 进行' 设计师在设计无人机的云台时要 确保其能搭载多种传感器和光学精密仪 器,保证其在高速移动或者转向的情况下 依然能做到稳定拍摄,防止画面出现横 纹、断层现象甚至偏离拍摄目标。
就目前 的现状而言,当前市面上的无人机大都是 消费级,其摄影设备难以满足航拍所需要的高强细节图片需求,因此槪人机财的摄像设计上需要作出更好、更完善的改变,以此才能满足诸如民用航拍、地形测绘、反恐侦察、目标跟踪识别等用途。
载人多旋翼飞行器的气动特性研究

载人多旋翼飞行器的气动特性研究随着无人机技术的飞速发展,悬停航行能力强、操作灵活、适用范围广的多旋翼飞行器成为了市场热点。
尤其对于载人多旋翼飞行器,其安全性和操作性更为重要,对其气动特性的研究也更为迫切。
一、多旋翼飞行器的气动特性多旋翼飞行器可看作是在工程学中经典的气动模型-翼梢旋翼-的变形。
其气动特性受旋翼叶片数、形状、转速以及旋翼与空气流的相对运动等多种因素影响。
旋翼叶片所受到的空气力和力矩的分布规律不仅决定了多旋翼飞行器的稳定性和操纵性能,也直接影响其能飞行的高度和速度。
二、多旋翼飞行器气动特性研究方法在多旋翼飞行器的气动特性研究中,数值模拟和实验研究相辅相成。
数值模拟可以通过数学模型在计算机上模拟多旋翼飞行器的气动特性,预测不同参数下的飞行状态和带来的影响。
实验研究则通过风洞实验和试飞验证等方式,验证数值模拟结果,寻找实用性较高的优化方案。
三、多旋翼飞行器气动特性的优化方案在多旋翼飞行器的气动特性研究中,常采用模拟优化、数值优化和实验优化等方法,寻找合适的优化方案。
比如,可以采用优化旋翼叶片数和形状、调整转速、改变旋翼安装位置等方式,使多旋翼飞行器的气动性能更为稳定和高效。
四、多旋翼飞行器在实际应用中的挑战尽管多旋翼飞行器在悬停、起降和小区域飞行等场景下表现突出,但在长时间高速的运输和跨越大区域的任务中,面临着动力、能量和控制等方面的挑战。
因此,需要在高效性、节能、可靠性和安全性等方面寻求进一步创新和突破。
五、总结载人多旋翼飞行器的气动特性是其性能和安全的重要保证。
对其气动特性的研究和优化,不仅有利于提高其操作性能和经济性,更是为实现多种应用场景和未来的空中交通做准备。
因此,针对多旋翼飞行器气动特性的研究应受到更多的关注和投入。
空气动力学与飞行原理 第5章 多旋翼无人机基本飞行原理

壹 多旋翼无人机飞行性能
(四)避障性能
避障性能是指多旋翼无人机发现、识别并躲避障碍物的能力 。它是多旋翼无人机特有的飞行性能之一,也是其安全性能的重 要指标。目前只有部分多旋翼无人机具备该性能(如大疆精灵 4Pro、零度多比等)。该项性能的提出主要源于多旋翼无人机 多数情况飞行高度较低(100m以内),近地飞行时面临的地形 环境复杂,有房屋建筑、树木、室内、行人等。避障性能的主要 衡量指标为障碍物的大小、躲避障碍物的反应时间、反应距离与 躲避维度。
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壹 多旋翼无人机飞行性能
(一)飞行速度
多旋翼无人机的飞行速度性能与固定翼无人机不同,主要指最大 垂直上升速度、最大垂直下降速度和最大水平飞行速度。飞行速度对 竞速无人机、竞速航拍无人机有明显意义。但在普通消费级无人机中 ,该意义不大。目前最大垂直上升速度和下降速度均在5m/s以内。最 大水平飞行速度在28m/s以内。随着技术水平的提升,这些飞行速度 均会有所提升,同时对飞控系统、动力系统等提出更高要求
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贰 多旋翼无人机操纵及控制原理 (一)垂直运动 (六)侧向运动
(五)前后运动
(二)俯仰运动 (三)滚转运动
(四)偏航运动
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贰 多旋翼无人机操纵及控制原理
目前市场上普遍为无变距多旋翼无人机,其飞行原理与固定翼无人机和无人直升机原理不同,主要体 现在两个方面:
(1)通过调节每个旋翼的转速大小,从而调节升力大小,实现升力的大小和方向发生变化。没有自 动倾斜器,不能通过变距控制每片桨叶的攻角达到改变桨盘平面和升力的作用。
四旋翼无人机俯仰运动状态下的飞行原理示意图
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壹 多旋翼无人机飞行性能
(三)悬停性能与定位性能 多旋翼无人机的悬停性能定义与无人 直升机相同,具体见4.5节。悬停是旋翼无 人机特有的飞行性能之一,它与定位性能 一起作为衡量多旋翼飞行性能的一项指标。 一般现有无人机采用GPS定位技术、超声 波定位技术或基于双目视觉的定位技术。 悬停精度受定位技术发展的限制。抗干扰 性能一方面与定位技术相关,另一方面与 飞控算法也有一定关系。目前较好的消费 级多旋翼无人机水平定位精度为1.5m,垂 直定位精度为0.5m。
多旋翼无人机双云台任务载荷技术研究

多旋翼无人机双云台任务载荷技术研究摘要:无人机作为近年来新型技术之一,已在电力、消防、救灾、农业、气象、国土资源、城市规划等领域中广泛应用。
无人机在民用市场的应用受到越来越多的关注,其具有携带方便、操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务用途广泛、起飞降落对环境的要求低、可自主飞行等优势。
目前,国家电网公司已将无人机作为输电线路常态化巡检的重要工具,通过控制无人机搭载的云台任务设备对输电线路开展精细化、立体化巡检,全方位的保障输电线路安全稳定运行。
关键词:多旋翼无人机;输电线路;无人机巡线;双云台一、多旋翼无人机单云台巡视概述无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)根据云台搭载任务设备的不同,可对输电线路开展差异化巡检。
常见的任务设备分为可见光传感器和红外线传感器。
可见光传感器进行日常线路精细化巡视及拍照;红外传感器,对线路中的高温发热点进行快速识别,迅速确认故障点。
然而,常用的无人机通常只使用单云台,单云台的制约使得两类传感器无法同时搭载,并导致出以下问题:1.单光设备巡视的局限性无人机使用单可见光任务设备开展巡检时,通过地面显控单元难以显示出导线缺陷,例如断股、散股、磨损等微小缺陷。
对铁塔设备巡检需要对整基铁塔的每一个挂点、连接挂板等部位开展精细化检查,在故障巡视时无法有效地对铁塔上的发热点进行检测。
使用红外线传感器时,虽然可以快速发现线路发热故障点,但无法拍摄环境照片,此时往往需要无人机重复起降,更换不同光源的云台设备后再次执行巡检任务。
重复起降会造成无人机能源的大幅度消耗,提高作业风险,降低故障查找效率。
2.单光红外设备无法保证安全飞行搭载单光红外热传感器在飞行巡检过程中是无法识别无人机飞行与塔基的目视距离,一旦需要超视距飞行,就很难判断无人机与塔基本体的距离,更难于寻找可疑目标发热点。
若使用两台无人机搭载不同传感器同时飞行,容易忽略无人机之间的间距、无人机与基塔之间的安全距离及互相干扰信号,如此运行,势必也会造成运维中的不安因素,违背安全作业规程。
浅析多旋翼无人机

三、 飞行 控 制
螺旋桨规格 由 4位数 字表示 , 前两位数表示桨径 , 后两位数 表示螺距 。 桨 的材质主要有塑料 、 碳纤和木质三种 。 当然是选择 碳纤维 桨最好 , 如果 载重很大 的话可以选择榉木桨 。一般情况 , 大K V值配小桨 , 小K V值配大桨 ; 同样 K V的电机 , 使用 不同电 压的电池 , 用的螺旋桨也有 区别 , 每个 电机都会 有一个推荐 的螺 旋桨 ; 还 有天热时就要用小些 的桨 , 防止 电机过 热 , 而在北方冬 季, 可 以用大些的螺旋桨来抵消 电池低 温放 电性能下降。 ( 四) 电 子调 速 器 电子调 速器 ( E S C ) 简称电调 , 它是根据 飞控 的控 制信 号 , 将 电池的直流输入转变为一定频率 的交流输出 ,用于控制 电机 的 转速。 电调规格标 注的是其瞬时承受电流, 一般要选用高于飞行 器悬停 电流 的 4 ~ 5倍 。电调 的供 电能力是 指如果 电调上标 注 B E C 5 V 1 A,表明可以通过杜邦 线向飞控 或接 收机提供 5 V电压 和5 W 的功率 。电调接 电机的三根线中任意调换两根就 可改变 电机转 向 , 通过遥控器设置 电调时一定要接上 电机。
五、 通 讯 链 路
飞行控制器简称 飞控 , 是无人机 的核心构件。 飞控获得从机 载接收机发出的 P WM( 脉宽调制 ) 信号 , 随后把该信号转化成控 制量 , 再 经过 P I D ( 比例积分微分 ) 调 节把输 出量输送 给给各个 电机来控制飞行器的动作 。G P S卫星定 位系统检测 到 4颗 以上 卫星就可 以配合上位机输入对应坐标点读取定位数据 ,控 制系 统就会 自动生成航线 ,并且与存储的定位坐标做 实时的对 比来 修正航线 。 现在 的飞控都带有 电子陀螺仪 , 磁罗盘 , 加速度计 , 气 压计等传感器 , 在姿态稳定 的模 式下 , 通过软件算 法来解析 飞行 器姿 态 , 修正 由于飞行器安装 、 外界干扰 、 零件之间 的差异 等原 因形成 的姿态异 常 , 帮助保持稳定状态 。一些安装有 G P S的飞 控可 以在遥控失控等特殊情况下 自动返 回起 飞点 。 四、 动 力 系统
多旋翼无人机动力系统各器件的功能
多旋翼无人机动力系统各器件的功能多旋翼无人机动力系统是无人机的核心部分,由多个器件组成,各具不同功能。
下面将分别介绍多旋翼无人机动力系统中各个器件的功能。
1. 电机(Motor)电机是多旋翼无人机动力系统的关键组件之一,主要负责提供动力。
电机通过转动螺旋桨产生的推力,使无人机能够在空中飞行。
根据无人机的大小和载重要求,电机的功率和转速可以有所不同。
2. 螺旋桨(Propeller)螺旋桨是将电机的动力转化为推力的装置。
它通过旋转产生气流,从而推动无人机向前飞行或保持平衡。
螺旋桨的形状和材料也会影响无人机的性能和稳定性。
3. 电调(Electronic Speed Controller,ESC)电调是无人机动力系统中的控制装置,用于调节电机的转速和功率。
通过接收飞控系统发送的指令,电调可以控制电机的转速,从而控制无人机的飞行姿态和速度。
4. 电池(Battery)电池是无人机动力系统的能量来源,提供给电机和其他电子设备所需的电能。
电池的容量和电压决定了无人机的续航能力和飞行时间。
不同类型的电池(如锂电池、聚合物电池等)具有不同的特性和适用场景。
5. 电源管理系统(Power Distribution Board,PDB)电源管理系统用于管理和分配电能,将电池的电能供给给各个部件。
它通常包括电源输入接口、分配电路和电源输出接口等。
通过电源管理系统,可以确保各个部件能够正常工作,并提供电流和电压保护功能。
6. 电源滤波器(Power Filter)电源滤波器用于过滤电源中的干扰和噪音,保证无人机系统能够正常运行。
它可以减少电源波动对其他电子设备的影响,并提高系统的稳定性和可靠性。
7. 传感器(Sensors)传感器在无人机动力系统中起到感知和监测的作用。
常见的传感器包括加速度计、陀螺仪、罗盘等。
它们可以测量无人机的姿态、速度、方向等参数,并将这些信息传输给飞控系统,从而实现无人机的自动控制和稳定飞行。
无人机飞行器的动力学建模研究
无人机飞行器的动力学建模研究在当今科技飞速发展的时代,无人机飞行器已经成为了众多领域的重要工具,从军事侦察到民用航拍,从物流配送到环境监测,其应用范围不断扩大。
而要实现无人机的精确控制和高效运行,对其进行动力学建模是至关重要的。
无人机飞行器的动力学建模,简单来说,就是通过数学方程和物理原理来描述无人机在空间中的运动状态和受力情况。
这就好比我们要了解一辆汽车的性能,需要知道它的发动机功率、车轮摩擦力、车身重量等因素,然后建立一个数学模型来预测它在不同路况下的速度和加速度。
对于无人机也是一样,我们需要考虑它的机身结构、电机动力、螺旋桨转速、空气阻力等众多因素,来建立一个能够准确反映其运动规律的模型。
首先,让我们来了解一下无人机的基本组成和工作原理。
无人机通常由机身、电机、螺旋桨、电池、控制系统和传感器等部分组成。
电机通过驱动螺旋桨旋转产生升力,从而使无人机能够在空中飞行。
控制系统则负责接收传感器传来的信息,如姿态、位置、速度等,并根据预设的算法和指令来控制电机的转速和转向,实现无人机的稳定飞行和各种动作。
在建立动力学模型时,我们需要考虑三个主要的方面:质心运动、姿态运动和动力系统。
质心运动描述了无人机在空间中的平移运动,包括前后、左右和上下方向的位移和速度。
姿态运动则描述了无人机的旋转运动,如俯仰、滚转和偏航。
动力系统则主要涉及电机的输出功率、螺旋桨的效率以及电池的供电能力等。
对于质心运动的建模,我们可以基于牛顿第二定律,即物体所受的合力等于质量乘以加速度。
在无人机中,合力主要包括重力、升力、推力和阻力。
重力是由无人机的质量和地球引力产生的,始终向下。
升力是由螺旋桨旋转产生的,其大小与螺旋桨的转速、叶片形状和空气密度等有关。
推力则是电机通过螺旋桨产生的向前的力,阻力则包括空气阻力和其他摩擦力。
通过建立这些力的数学表达式,并结合牛顿第二定律,我们就可以得到质心运动的方程。
姿态运动的建模则相对复杂一些。
旋翼无人机姿态动力学方程
旋翼无人机姿态动力学方程无人机作为一种重要的航空器,具有广泛的应用前景。
而无人机的姿态动力学方程是研究其运动行为的基础。
本文将就旋翼无人机的姿态动力学方程展开讨论,探讨其数学表达和物理含义。
我们需要了解什么是无人机的姿态。
姿态是指无人机在空中的空间位置和方向。
旋翼无人机的姿态通常由欧拉角来描述,包括滚转角、俯仰角和偏航角。
滚转角表示无人机绕横轴旋转的角度,俯仰角表示无人机绕纵轴旋转的角度,偏航角表示无人机绕竖轴旋转的角度。
旋翼无人机的姿态动力学方程描述了其姿态随时间变化的规律。
姿态动力学方程可以通过牛顿力学和空气动力学原理来推导得到。
具体而言,方程的推导过程涉及到质心动力学方程、角动量定理和空气动力学力矩等。
在推导过程中,我们需要考虑旋翼无人机受到的力和力矩。
旋翼无人机在空中受到重力、气动力、惯性力等各种力的作用。
同时,旋翼无人机的旋翼产生的升力和阻力,以及电机转矩等也会对其姿态产生影响。
最终,我们可以得到旋翼无人机的姿态动力学方程。
该方程描述了旋翼无人机在空中的姿态变化过程。
通过求解该方程,我们可以获得无人机在不同工况和外界干扰下的姿态响应。
需要指出的是,由于旋翼无人机的姿态动力学方程涉及到复杂的数学运算,不同类型的无人机可能存在差异。
具体的方程形式需要根据无人机的结构和特性来确定。
因此,在具体研究某一型号的旋翼无人机时,需要根据具体情况进行方程的推导和求解。
总结起来,旋翼无人机的姿态动力学方程是描述其姿态变化规律的重要数学模型。
通过求解该方程,我们可以研究无人机在不同情况下的姿态响应,为无人机的控制和设计提供理论依据。
未来,随着无人机技术的不断发展,姿态动力学方程的研究将变得更加重要,为无人机飞行的安全和稳定性提供更好的保障。
多旋翼无人机及无人机传动系统的研究发展综述
多旋翼无人机及无人机传动系统的研究发展综述摘要:本文从无人机的旋翼分类出发详细介绍了国内外关于各种旋翼无人机的发展历程、发展现状,无人机按照旋翼类型分类可分为旋翼无人机以及固定翼无人机。
本文着重介绍多旋翼无人机的多个动力系统,无人机传动的动力系统通常分为油驱动、电驱动及油电混合驱动,分析了不同传动动力系统的特点以及适应的工作环境。
关键词:无人机;多旋翼;动力传动系统1引言无人机是一种可远程控制、有动力、能够携带多种设备、有效执行不同任务,并且可以多次反复利用的无人驾驶航空器。
鉴于其自身的诸多优势,在侦察、监视、通信中继、电子对抗等诸多军事领域取得了成功的运用。
当前,无人机技术除了在军事领域的广泛应用以外,在民用领域也取得了很大的进步,比如在民用领域中的植保无人机、物流无人机、航拍无人机、救灾无人机等都是对无人机的多元化利用,利用无人机可以执行高危任务或对人体伤害较大的任务,减少人员伤亡,提升效率。
它还有着操作简便、起降灵活、环境影响等优点,受到多种行业领域的青睐,成为他们重点研发的对象。
2无人机分类根据无人机的飞行方式,现有的无人机普遍可分为两类,分别为固定翼无人机旋翼无人机。
固定翼无人机的历史由来已久,在过去的战争中占有重要的地位。
其特点是续航时间长、飞行效率高、飞行速度快、载荷大,但起飞需要助跑,降落需要滑行,对起降场地的需求限制了其全面的推广。
多旋翼飞机的历史最早是在 1907 年,当时Breguet 兄弟,设计制造了世界上第一架有人驾驶的多旋翼飞机—“旋翼机一号”。
其小巧轻便﹐相较于其它飞行器具有得天独厚的优势,与固定翼飞行器相比,它具有可以垂直起降,可以定点盘旋的优点;与单旋翼飞行器相比,它采用无刷电机作为动力,并且没有尾桨装置,因此具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点.多旋翼无人机的诸多优点使其在军事、娱乐、探测、治安等多方面有所应用。
由于旋翼无人机的控制原理较固定翼复杂,难以实现旋翼无人机飞行姿态的自主控制,使得旋翼无人机的发展较为迟缓。
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多旋翼无人机云台动力学特性分析及减振控制研究
多旋翼无人机是一种能够垂直起降的无人直升机,随着多旋翼无人机在不同
行业不同领域应用的越来越广泛,也伴随着越来越多的问题的出现,在不同行业
不同领域出现各自不同的问题需要去解决。为了无人机能够更好的服务于上述的
各项应用,无人机需要一个稳定的可以挂载各种类型的拍摄设备或者其他设备的
云台系统。对减振云台进行建模,分别对云台结构中的复合材料碳纤维板、三轴
陀螺仪结构与橡胶减振球进行建模。应用ANSYS Workbench复合材料仿真模块
ACP(ANSYS Composite PrepPost)对减振云台的复合材料碳纤维板进行建模。
应用Solidworks质量属性模块计算三轴陀螺仪结构的重心、质量和转动惯
量。通过应用2参数Mooney-Rivlin超弹体模型对橡胶减振球进行建模。最终实
现对整个减振云台的建模。之后对减振云台整体结构进行静力学分析,并对碳纤
维板材进行失效分析。
对减振云台结构进行了动力学分析,应用ANSYS Workbench对减振云台进行
模态分析与谐波响应分析,模态分析确定减振云台的前20阶固有频率与振型图,
以及每一阶固有频率下产生最大位移的节点位置。通过谐波响应分析上述节点得
到频响图,并确定上述节点对应最大幅值以及对应的频率。对三种硬度橡胶减振
球,应用两种布局进行同样的分析并做结果对比。最后多旋翼无人机进行实际振
动测试,得到无人机机身三个方向的振动信号,并将得到的三个方向的加速度频
谱作为激励加载在减振云台仿真模型上,对减振云台进行响应谱分析。
采用数值模拟的方法对多旋翼无人机的减振云台进行建模与仿真,从静力学
的角度对减振云台的结构强度进行了校核,并对减振云台进行了一系列的动力学
分析,对于应用不同硬度使用不同布局的橡胶减振球进行了对比分析。虽然数值
模拟较为理想性,相对实验的方式缺少说服力,但也足以定性的说明一些问题,对
多旋翼无人机减振云台进一步设计研制具有一定的工程意义。