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Rocket Flight Simulator

License: MIT License

C++ 98.39% CMake 1.61%

prologue's Introduction

Prologue

単段 / 多段式ハイブリッドロケットの軌道シミュレーターです。

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Latest Update: 2022/08/25

Version: 1.9.8

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過去のバージョン、更新履歴

利用方法

事前準備
- Gnuplot の導入
  - Windows: ここからインストール
    gnuplot のデフォルト出力形式の選択で wxt を選択
  - macOS: Homebrewをインストール後、ターミナルで brew install gnuplot
  - Linux: ターミナルで sudo apt install gnuplot
- その他
  - Linux: --open-result オプション指定時にエラーが発生する場合があるため以下を実行
```
sudo apt install samba-common-bin
sudo mkdir -p /var/lib/samba/usershares
```
ダウンロードした Prologue の zip ファイルを展開
各パラメータの入力形式に沿ってファイルを作成する
Prologue を起動、指示に従ってシミュレーションを実行
macOS, Linux の場合はターミナル上でのみ実行可能
result/ フォルダ下に結果が格納される

コマンドラインオプション

ターミナルで実行時、./Prologue --commandのようにして以下のオプションを指定できます。

--no-save: 結果を保存しない
--no-plot: 結果をプロットしない
--dry-run: 結果を保存もプロットしない（--no-save --no-plotと同値）
--open-result: シミュレーション実行後に結果のフォルダをエクスプローラーなどで開く

For Developers

必ずこれを読んでください。

やることがなかったら Issues にあるものを消化するといいと思います。

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tsukasa-u daichi-yamashita

prologue's Issues

ユニットテスト追加

多段式ロケットにおいて、分離前の機体と分離後の上下段に関係性を持たせる

目的

現在のフォーマットではrocket1, rocket2, rocket3がどの部分のことなのかがわからないため、これを明確にする
分離後であっても多少別の機体からの影響（下段であれば上段のエンジンから受ける力）があるため、これを考慮できるようにする

実装

多段式ロケットにおいて、現在はrocket1, rocket2, rocket3をそれぞれ独立にしている。

これを、例えば

{
  "rocket": {
    ...,
    "motor_file": "motor.txt",
    "sub_rockets": {
      "lower_rocket": {
        ...,
        "motor_file": "motor_lower.txt",
      },
      "upper_rocket": {
        ...,
        "motor_file": "motor_upper.txt",
      }
  }
}

のようにする。

Apple Silicon対応

CMAKE_OSX_ARCHITECTURES を利用してUniversal Binaryをビルドする。

具体的には、CMAKE_OSX_ARCHITECTURES変数にarm64;x86_64を指定しビルドする。

バイナリがUniversal Binaryであるかどうかはlipo -info Prologueで確認できる。

開発環境をvscodeにする

開発スピードが早いためVisual Studioを採用しましたが、容量も負荷もそこそこあるため、できるならvscodeがいいかなと思ってます。

やるのであれば、windows, mac, linuxでビルド可能にし、マルチプラットフォーム化までできると良いです。
当然、開発者の負担軽減のため、Visual Studioレベルに何もしなくてもビルドできるって状態まで持ってくことが理想です。

機軸方向ベクトルのグラフ化機能の追加

簡単に言えば、機体姿勢を視覚的に描画する機能。
機体のQuaternionをベクトル化し、Gnuplotに渡すだけである。

この機能をプログラムを変更せずにソフトウェア上で設定、確認できるようにする。

16 方位風向風速の打ち上げ可否表

各方位風向 vs 風速で表作って，打ち上げ可能なところに○がつくような表またはそれがす
ぐに作れる出力があったほうがいい

Detailシミュレーションにおいて、落下地点をGnuplotで地図と一緒に表示する

べき法則の基準高度を設定できるようにする

prologue.settings.jsonにおいて、wind_model.power_low_base_altキーを追加する。

"wind_model": {
  "power_constant": 6.0,
  "power_low_base_alt": 2.0, // [m]
  "type": "original",
  "realdata_filename": "sample.csv"
}

べき法則の式は以下の通り
$$ v' = v * ({h \over h_0}) ^ {1 \over k} $$

諸元JSONファイルをExcelの諸元と統合する

Excelから直接読み込めるようなフォーマット、プログラムを作成できれば、単一の諸元Excelファイルのみで完結する。
現在は諸元Excel作成→シミュ用JSON作成を繰り返しており面倒。

参考：C++用Excelライブラリ

軌道や着水点をGoogle EARTHで閲覧可能にする（kmlファイルで出力）

微分方程式の精度向上

現在の一次精度から二次、または三次精度に精度を上げる。
式は以下の通り。

二次精度
$$f^{n+1} = f^n + \delta t {3g^n - g^{n-1}\over 2}$$

三次精度
$$f^{n+1} = f^n + \delta t {23g^n - 16g^{n-1} + 5g^{n-2} \over 12}$$

GitHub Actionsを利用したCI/CD

テスト・リリースを自動化することで生産効率が上がる

結果間引き機能追加

現在はシミュレーション結果を全ステップ出力しているが、出力ファイルが巨大になってしまうため、dtを細かくし精度を担保しつつ、出力としては全てではなく 1/10（指定可能）だけ出力するようにしファイルが巨大化しないようにする。

パラシュートの終端速度をCdSで指定するように変更

質量や大気密度に応じた速度になるように修正する。
これによりカンサットの落下位置が計算できるようになる。

磁気偏角が逆向きに適用されている

諸元のJSONファイルから`info`キーを削除する

使用されておらず、必要性もないため削除する

CIにテストを追加

風モデルの設定を`prologue.settings.json`から機体諸元のJSONへ移動する

圧力中心（傾斜も），抗力係数（傾斜も），法線力係数 vs 機体速度を組み込む

圧力中心（傾斜も），抗力係数（傾斜も），法線力係数 vs 機体速度の csv ファイルを input に
加え，飛翔速度に応じて値を使うように変更する．（csv ファイル内にない値は前後を線形
近似，最大速度が csv ファイルを超える場合は最後の値を使うように設定．）また csv ファ
イルが存在しない場合は json の定数で扱えるようにする．

抗力係数 Cd を迎え角の関数に

抗力係数は迎え角αに対し次のように変化する
（迎え角αのときの抗力係数）=（抗力係数 Cd）+（抗力係数傾斜 Cdα2）×（迎え角 rad）
×（迎え角 rad）
Cdα2 は json に新たに追加し，諸元から得る．この値が json にない場合は 0 で計算すると
いうのがあるといいかも

燃焼前後で機体の抗力係数(Cd)を変えられるようにする

機体諸元のJSONファイルにおいて、現在Cdキーで指定している抗力係数をCd_i, Cd_fで指定するようにし、Cd_iには燃焼前の抗力係数、Cd_fには燃焼終了後の抗力係数を指定する。

複数パラシュートへの対応

複数パラシュートに対応する。

現状、諸元jsonからはvel_1st、op_type_1st等の1段目のパラシュート諸元しか取得していない。
プログラム上、機体スペックのparachuteメンバーは配列として記述しているが、あらゆる場所でparachute[0]しか使ってない。

機体諸元の`airspeed_param_file`を`aero_coef_file`へ名称変更

出力ファイルの整理

主要な値（ランチクリア時の時刻、速度・最高高度）などをまとめたSummaryファイル
ステップ毎の速度・高度等シミュレーションの詳細をまとめたDetailファイル

Summaryファイル `summary.csv`

分離の有無にかかわらず、そのシミュレーションにおける唯一の値を取る。
そのためSummaryは1回のシミュレーションつき1つである。

出力される値

風速
風向
ランチクリア時刻
ランチクリア速度
最高高度
最高高度時刻
最高速度
最大対気速度
最大垂直抗力

Detailファイル `body1_detail`, `body2_detail`, `body3_detail`, ...

Scatterシミュレーションではdetailファイルの出力は行わない。

出力される値

発射からの時刻
その機体の時刻（分離した場合は2,3段目以降分離時を基準とした時刻となる）
ランチクリア True / False
燃焼中 True / False
パラシュート開傘 True / False
空気密度
重力
気圧
気温
風ベクトル
機体質量
重心（機体先端から）
慣性モーメントピッチ / ヨー
慣性モーメントロール
迎角
高度
速度
対気速度
垂直抗力
Cnp
Cny
Cmqp
Cmqy
圧力中心（機体先端から）
抗力係数
法線力係数
緯度
経度
射点からの直線距離
安定比
動圧

dtが大きすぎる場合は自動で細かくする

パラ開傘条件を実際のプログラムと同じにする

10m 落下 or 離床からの秒数で開傘にする．またこれらのどちらか一方が働かなかった場合
にも落下中に開いているかを確認できるプログラムがあるといいかも

機体速度 vs Cdについて、vs Cd_燃焼前, Cd_燃焼後とする

現在はある機体速度に対して1つのCd値を設定できるが、これを燃焼前後のCd値を設定できるようにする。

air_speed[m/s],Cp_from_nose[m],Cp_a[m/rad],Cd_i,Cd_f,Cd_a2[/rad^2],Cna
0,1,1,1,1,1,1
100,2,2,2,2,2,2
200,3,3,3,3,3,3

マップの追加

射点緯度経度、地図画像、Gnuplot表示の調整を行う

未実装：
能代陸

実装済み：
能代海
伊豆海
伊豆陸

マルチスレッド時のスレッド数を設定ファイルで指定できるようにする

スレッド数は多ければ多いほど高速になるわけではない

が、高高度かつパラシュートを使用するとそこそこの時間がかかる上、PCスペックによっても変化する。1回の解析にかかる時間が多いほどスレッド数は多くても良いとされる。
現在はスレッド数は2で固定している。

実装するときは、ハードウェアのスレッド数限界を超えないように、threadCount <= 0とならないように

if (threadCount <= 0 || std::thread::hardware_concurrency() < threadCount)
    threadCount = 1;

を忘れずに。

jsonのmotor_fileをrocket keyに移動

ジオポテンシャル高度0mにおける基準気温・気圧を設定できるようにする

結果を出力するかどうかを選択可能にする

緯度経度に磁気偏角が適用されていない

地図を回転前のものにし、風向き・射出方位を磁気偏角分回転させることで修正する。

Scatterシミュレーションにおいて、風向を北方向基準ではなく打ち上げ方位角基準にする

時刻vs機体重心をcsvファイルで指定できるようにする

横風突風時の法線力（機軸に垂直な方向の力）これは分散や軌道には影響しないのであったら便利くらいでいい

飛翔中に風速が＋9m/s された場合の法線力を計算してその最大値を出力できるようにして
くれると助かる．これはあくまで仮に+9m/s の突風が定常風に追加で吹いたらどの程度の
力が加わるか知りたいだけなので，機体の飛翔姿勢には影響させない．（理論値だけでオッ
ケー）

落下地点の緯度経度算出方法について

現在は

発射点の緯度経度における1kmあたりの度を求める

Prologue/src/env/MapCoordinate.hpp

Lines 18 to 21 in 5a5d9a4

 MapCoordinate(double latitude, double longitude) : m_latitude(latitude), m_longitude(longitude) { 

 m_degPerLen_latitude = 31.0 / 0.00027778; 

 m_degPerLen_longitude = 6378150.0 * std::cos(latitude / 180.0 * Constant::PI) * 2.0 * Constant::PI / 360.0; 

 }

発射点から落下点の距離から落下点の緯度経度を求める

Prologue/src/env/MapCoordinate.hpp

Lines 31 to 37 in 5a5d9a4

 double latitudeAt(double length) const { // length: from here 

 return m_latitude + length / m_degPerLen_latitude; 

 } 

 double longitudeAt(double length) const { // length: from here 

 return m_longitude + length / m_degPerLen_longitude; 

 }

という計算を経て落下点の緯度経度を求めているが、これが正しいのかどうかがよくわからない（参考資料はあったが紛失した）

燃焼実験における大気圧をp1、推力をT1とすると、
T0 = T1 + (p1 - p0) * Ae

	MapCoordinate(double latitude, double longitude) : m_latitude(latitude), m_longitude(longitude) {
	m_degPerLen_latitude = 31.0 / 0.00027778;
	m_degPerLen_longitude = 6378150.0 * std::cos(latitude / 180.0 * Constant::PI) * 2.0 * Constant::PI / 360.0;
	}

	double latitudeAt(double length) const { // length: from here
	return m_latitude + length / m_degPerLen_latitude;
	}

	double longitudeAt(double length) const { // length: from here
	return m_longitude + length / m_degPerLen_longitude;
	}

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出力される値

Detailファイル body1_detail, body2_detail, body3_detail, ...

出力される値

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