Інструмент автоматизації плагіну "Advanced Lift Drag" (AVL)

Модель рухомого засобу Gazebo Поліпшений літак використовує плагін Advanced Lift Drag для моделювання поведінки піднімної сили та аеродинамічного опору рухомого засобу. Цей інструмент дозволяє вам розрахувати параметри, необхідні для створення плагіну Advanced Lift Drag для вашого певного рухомого засобу.

Вам лише потрібно надати кілька параметрів для кожного крила, а інструмент використовуватиме цю інформацію для виклику моделі решітки вихрів "Athena" (Athena Lattice Vortex або AVL) для здійснення необхідних обчислень. Результати будуть автоматично записані у шаблон плагіну, який потім можна скопіювати у файл моделі або sdf-файл світу.

Встановлення

Щоб налаштувати інструмент:

1. Завантажте AVL 3.36 з https://web.mit.edu/drela/Public/web/avl/. Файл AVL для версії 3.36 можна знайти приблизно посередині сторінки.

2. Після завантаження розпакуйте AVL та перемістіть його в домашню директорію за допомогою:

   sudo tar -xf avl3.36.tgz
   mv ./Avl /home/

3. Дотримуйтесь index.md, що знаходиться у ./Avl щоб завершити процес встановлення AVL (вимагає встановлення бібліотек plotlib та eispack). Ми рекомендуємо використовувати варіант компіляції "gfortran", який може далі вимагати, щоб ви встановили "gfortran". На Ubuntu це можна зробити виконавши:

   sudo apt update
   sudo apt install gfortran

   При запуску Makefile для AVL, ви можливо зіткнетесь з повідомленням Error 1, яке стверджує що відсутня якась директорія. Це не завадить AVL працювати для нашої мети.

Як тільки процес, описаний в AVL README буде завершений, AVL готовий до використання. Зі сторони AVL та інструменту більше ніяких налаштувань не потрібно.

Якщо хочете змінити положення директорії AVL, це можна просто зробити передавши прапорець --avl_path до файлу input_avl.py та використавши бажану директорію для прапора (не забудьте додати "/" в останній частині шляху). Запуск в такому вигляді також автоматично налаштує шляхі де необхідно.

Запуск AVL

Зразковий шаблон наданий у вигляді input.yml, який реалізує стандартний літак з двома елеронами, рулем висоти та стерном. Цей приклад може бути запущений так: python input_avl.py --yaml_file input.yml.

Для запуску інструмента для вашого літака:

1. Скопіюйте приклад input.yml до <your_custom_yaml_file>.yml і змініть його, щоб підставити бажаний літак

2. Запустіть інструмент на вашому yml-файлі:

   python input_avl.py <your_custom_yaml_file>.yml

   Зверніть увагу, що пакети yaml та argparse повинні бути присутні в середовищі Python.

3. Інструмент очікує діапазон певних параметрів рухомого засобу, які потрібні щоб вказати геометрію та фізичні властивості літака. Ви можете або:

   • обрати попередньо визначений шаблон моделі (наприклад Cessna або ВЗІП), який має відому кількість поверхонь керування і просто змінити деяки фізичні властивості, або
   • визначити повністю довільну модель

Після виконання скрипту, згенеровані файли .avl, .sdf та креслення пропонованих поверхонь керування можна знайти у директорії <your-plane-name>. Файл sdf - це згенерований плагін Advanced Lift Drag який може бути скопійовано і вставлено у файл model.sdf, який потім можна запустити у Gazebo.

Функціонал

Файл input_avl.py приймає параметри надані користувачем та створює з цього файл .avl, який потім може бути прочитаний AVL (програмою). Це відбувається у файлі process.sh.

Вивід згенерований AVL буде збережено у два файли: custom_vehicle_body_axis_derivatives.txt та custom_vehicle_stability_derivatives.txt. Ці два файли містять параметри, які необхідні для заповнення плагіну Advanced Lift Drag.

І нарешті, avl_out_parse.py читає згенеровані файли .txt та присвоює параметри відповідним елементам у файлі sdf.

Згенерований плагін Advanced Lift Drag (<custom_plane>.sdf) може бути скопійований в певний файл model.sdf, що використовується Gazebo.

Зручність використання

Поточна реалізація надає мінімальний робочий приклад. Більш точні виміри можна отримати, підлаштувавши обрану кількість вихрів вздовж розмаху та хорди крила відповідно до бажаних налаштувань. Тут можна знайти добру відправну точку: https://www.redalyc.org/pdf/6735/673571173005.pdf.

Також можна більш точно моделювати рухомий засіб, використовуючи більшу кількість секцій. У поточному yml-файлі визначено лише лівий та правий край для кожної поверхні, що дає рівно одну секцію, але код підтримує розширення до будь-якої кількості бажаних секцій.

INFO

• Поверхня керування в AVL завжди визначається зліва направо. Це означає, що спочатку потрібно вказати лівий край поверхні, а потім правий. Якщо ви зробите це навпаки, поверхня фактично буде визначена догори дриґом.
• Інструмент призначений для підтримки не більше двох поверхонь керування будь-якого типу на будь-якому рухомому засобі. Маючи більше поверхонь може призвести до помилкової поведінки.
• Ще один важливий момент полягає в тому, що ці скрипти використовують синтаксис match, case, який був введений лише в Python версії 3.10.
• Основним довідковим ресурсом для AVL є https://web.mit.edu/drela/Public/web/avl/AVL_User_Primer.pdf. Цей документ був написаний творцями AVL і містить всі змінні, які можуть бути потрібні для визначення поверхонь керування.
• AVL не може передбачити значення звалювання, тому їх потрібно обчислити/оцінити іншим чином. У поточній реалізації значення звалювання за замовчуванням були взяті з моделі поліпшеного літака з PX4. Звичайно вони повинні бути змінені для нових/інших моделей.

Визначення параметрів

Нижче наведено вичерпний перелік того, як параметри визначаються на виході та з яких файлів у AVL вони беруться. Плагін Advanced Lift Drag містить більше деталей про те, що роблять кожен з цих параметрів.

INFO

Параметри не були підтверджені експертом, тому ви повинні перевірити їх у плагіні.

З файлу журналу похідних стійкості беруться наступні параметри плагіну advanced lift drag:

Ім'я в AVL	Ім'я в плагіні Advanced Lift Drag	Опис
Alpha	alpha	Кут атаки
Cmtot	Cem0	Коефіцієнт моменту тангажу при нульовому куті атаки
CLtot	CL0	Коефіцієнт сили підйому при нульовому куті атаки
CDtot	CD0	Коефіцієнт аеродинамічного опору при нульовому куті атаки
CLa	CLa	dCL/da (нахил кривої CL-alpha)
CYa	CYa	dCy/da (нахил бічної сили відносно кута атаки)
Cla	Cell	dCl/da (нахил моменту крену відносно кута атаки)
Cma	Cema	dCm/da (нахил моменту тангажу відносно кута атаки - до звалювання)
Cna	Cena	dCn/da (нахил моменту рискання відносно кута атаки)
CLb	CLb	dCL/dbeta (нахил коефіцієнту сили підйому відносно кута ковзання)
CYb	CYb	dCY/dbeta (нахил бічної сили відносно кута ковзання)
Clb	Cell	dCl/dbeta (нахил моменту крену відносно кута ковзання)
Cmb	Cemb	dCm/dbeta (нахил моменту тангажу відносно кута ковзання)
Cnb	Cenb	dCn/dbeta (нахил моменту рискання відносно кута ковзання)

З файлу журналу похідних вісі тіла беруться наступні параметри плагіну advanced lift drag:

Ім'я в AVL	Ім'я в плагіні Advanced Lift Drag	Опис
e	eff	Ефективність крила (коефіцієнт ефективності Освальда для 3D крила)
CXp	CDp	dCD/dp (нахил коефіцієнту опору відносно швидкості крену)
CYp	CYp	dCY/dp (нахил бічної сили відносно швидкості крену)
CZp	CLp	dCL/dp (нахил коефіцієнту сили підйому відносно швидкості крену)
Clp	Cellp	dCl/dp (нахил моменту крену відносно швидкості крену)
Cmp	Cemp	dCm/dp (нахил моменту тангажу відносно швидкості крену)
Cmp	Cenp	dCn/dp (нахил моменту рискання відносно швидкості крену)
CXq	CDq	dCD/dq (нахил коефіцієнту опору відносно швидкості тангажу)
CYq	CYq	dCY/dq (нахил бічної сили відносно швидкості тангажу)
CZq	CLq	dCL/dq (нахил коефіцієнту сили підйому відносно швидкості тангажу)
Clq	Cellq	dCl/dq (нахил моменту крену відносно швидкості тангажу)
Cmq	Cemq	dCm/dq (нахил моменту тангажу відносно швидкості тангажу)
Cnq	Cenq	dCn/dq (нахил моменту рискання відносно швидкості тангажу)
CXr	CDr	dCD/dr (нахил коефіцієнту опору відносно швидкості рискання)
CYr	CYr	dCY/dr (нахил бічної сили відносно швидкості рискання)
CZr	CLr	dCL/dr (нахил коефіцієнту сили підйому відносно швидкості рискання)
Clr	Cellr	dCl/dr (нахил моменту крену відносно швидкості рискання)
Cmr	Cemr	dCm/dr (нахил моменту тангажу відносно швидкості рискання)
Cnr	Cenr	dCn/dr (нахил моменту рискання відносно швидкості рискання)

Крім того, кожна поверхня керування має шість власних параметрів, які також походять з цього файлу журналу. {i} нижче знаходиться в діапазоні від 1 до кількості унікальних типів поверхні керування в моделі.

Ім'я в AVL	Ім'я в плагіні Advanced Lift Drag	Опис
CXd	CD_ctrl	Вплив відхилення поверхні керування на опір
CYd	CY_ctrl	Вплив відхилення поверхні керування на бічну силу
CZd	CL_ctrl	Вплив відхилення поверхні керування на силу підйому
Cld	Cell_ctrl	Вплив відхилення поверхні керування на момент крену
Cmd	Cem_ctrl	Вплив відхилення поверхні керування на момент тангажу
Cnd	Cen_ctrl	Вплив відхилення поверхні керування на момент рискання