【Unity】フライトシミュレーターを作る：新機体の実装

Unityを使って作成した鳥人間コンテストの滑空機部門を想定したフライトシミュレーターに新機体を実装するやり方についての開発者用の備忘録

実際に作成したフライトシミュレーターはこれ

keywords: Unity，物理演算，フライトシミュレーター，人力飛行機，微小擾乱理論

はじめに
新機体実装の手順
3Dモデルを作って.objで出力する
機体諸元を計算する
objファイルをUnityにインポートする
インポートしたモデルをシーンに追加する
オブジェクトの親子関係を整理する
機体のオブジェクトの設定を行う
垂直尾翼と水平尾翼のオブジェクトの設定を行う
機体オブジェクトにカメラを追加する
モデル選択画面のサムネ画像を撮影する
モデル選択ボタンを追加する
機体諸元を入力する
おわりに

はじめに

Unityを使って作成した鳥人間コンテストの滑空機部門を想定したフライトシミュレーターに新機体を実装するやり方について説明する

Unityのバージョンは2020.3.8f1

Unityについては多くの入門サイトがあったが，今回特に参考にしたのはこちら

Unityの全般的な知識は上のサイトで，物理演算の基本については下のサイトを参考にした

≫Unity入門【初心者為の使い方講座】【実際にゲームを作って解説】 _ ゲームの作り方！
≫Unity カテゴリーの記事一覧 - エフアンダーバー

↓鳥人間コンテストのフライトシミュレーターの先駆者様

みえ日記

メインページは外部リンクから

↓今回作成したプログラム

mtkbirdman.com/BirdmanRallySim at master · mtkbirdman/mtkbirdman.com

人力飛行機設計日記＠mtk_birdman. Contribute to mtkbirdman/mtkbirdman.com development by creating an account on GitHub.

↓その他の解説記事

それではいってみよう

新機体実装の手順

BRSimulatorに新しい機体を実装するときは以下の手順で行う

3Dモデルを作って.objで出力する
機体諸元を計算する
objファイルをUnityにインポートする
インポートしたモデルをシーンに追加する
オブジェクトの親子関係を整理してMesh Colliderを追加する
機体のオブジェクトの設定を行う
垂直尾翼と水平尾翼のオブジェクトの設定を行う
機体オブジェクトにカメラを追加する
モデル選択画面のサムネ画像を撮影する
モデル選択ボタンを追加する
機体諸元を入力する

それでは1つずつ説明していく

3Dモデルを作って.objで出力する

以下の条件を満たす3Dモデルを製作する

機体後方にx軸，機体上向きにy軸，左翼側にz軸
エレベーター，ラダー，それ以外のすべて(本体)，の3つのパーツ構成
主翼翼根の桁中心にモデルの原点
上の原点から計測したエレベーター，ラダーの回転軸の位置
上の原点から計測した重心位置および重心位置まわりの慣性モーメント

1．の条件は機体をきちんとした向きでゲーム内に配置するための必須条件である

座標系や回転についての詳細は下の記事を参照

2．，3．，4．の条件は舵面を動かすために必要な項目で，5．の条件は物理演算に必要になる

これらの条件を満たした3Dモデルを.obj形式で出力する

ボディを右クリック>メッシュで保存>形式:OBJ>リファインメント:高>OK

ちなみに.objファイルは色のデータを保持しないので，モデルの色は特に気にしなくていい

Wavefront .objファイル - Wikipedia

できればフライト中の翼がたわんだ状態のモデルのほうが現実味があって良い

機体諸元を計算する

機体の物理演算を行うために，以下の点に注意して機体諸元を計算する

諸元を計算するときに地面効果は考慮しない
地面効果は物理演算内で考慮する（\(C_{GE_{min}} = 0.2 \sim 0.4\)）
カウルや胴体の有害抗力係数はだいたい\((C_{D_{p}})_{body}=0.200\)として計算する

必要な諸元の一覧は以下のとおり

変数名	型	説明	単位
Rigidbody.mass	float	全備重量	kg
Rigidbody.centerOfMass	Vector3	重心位置	m
Rigidbody.inertiaTensor	Vector3	重心まわりの主慣性モーメント	kg m^2
Rigidbody.inertiaTensorRotation	Quaternion	慣性主軸への回転を表すクォータニオン	-
Airspeed0	float	設計速度	m/s
alpha0	float	設計迎角	deg
CDp0	float	全機有害抗力係数の最小値	-
Cmw0	float	主翼空力中心回りの主翼ピッチングモーメント係数	-
CLMAX	float	主翼および尾翼の最大揚力係数（共通）	-
Sw	float	主翼翼面積	m^2
bw	float	主翼翼幅	m
cMAC	float	主翼平均空力翼弦長	m
aw	float	主翼三次元揚力傾斜	1/deg
hw	float	主翼空力中心と全機重心の距離（cMACで無次元化）	-
ew	float	主翼翼効率（楕円翼を1としたときの誘導抗力の大きさ）	-
Downwash	bool	吹きおろしの計算を行うかどうか（通常配置: true，T字尾翼: false）	-
St	float	水平尾翼面積	m^2
at	float	水平尾翼三次元揚力傾斜	1/deg
lt	float	水平尾翼空力中心と全機重心の距離	m
deMAX	float	エレベーターの最大舵角	deg
tau	float	舵面の効きを表す係数（白本:p.83）	-
drMAX	float	ラダーの最大舵角	deg
CGEMIN	float	地面効果係数の最小値（0<CGEMIN<1）	-
Cyb，Clb，Cnb	float	横滑りに関する安定微係数	1/deg
Cyp, Clp, Cnp	float	ロール角速度に関する安定微係数	1/rad
Cyr，Clr，Cnr	float	ヨー角速度に関する安定微係数	1/rad
Cydr，Cldr，Cndr	float	ラダー舵角に関する安定微係数	1/deg

実際にシミュレーターに入力されている値はこれ

AerodynamicCalculator.cs

void InputSpecifications()
{
    if(MyGameManeger.instance.PlaneName == "QX-18"){
        // Plane
        PlaneRigidbody.mass = 93.875f; // [kg]
        PlaneRigidbody.centerOfMass = new Vector3(0f,0.221f,0f); // [m]
        PlaneRigidbody.inertiaTensor = new Vector3(876f,947f,76f);
        PlaneRigidbody.inertiaTensorRotation = Quaternion.AngleAxis(-4.833f, Vector3.forward);
        // Specification At Cruise without Ground Effect
        Airspeed0 = 9.700f; // Magnitude of ground speed [m/s]
        alpha0 = 1.682f; // Angle of attack [deg]
        CDp0 = 0.018f; // Parasitic drag [-]
        Cmw0 = -0.164f; // Pitching momentum [-]
        CLMAX = 1.700f;
        // Wing
        Sw = 18.042f; // Wing area of wing [m^2]
        bw = 25.133f; // Wing span [m]
        cMAC = 0.757f; // Mean aerodynamic chord [m]
        aw = 0.108f; // Wing Lift Slope [1/deg]
        hw = (0.323f-0.250f); // Length between Wing a.c. and c.g.
        ew = 0.949f; // Wing efficiency
        AR = (bw*bw)/Sw; // Aspect Ratio
        // Tail
        Downwash = true; // Conventional Tail: True, T-Tail: False
        St = 1.375f; // Wing area of tail
        at = 0.076f; // Tail Lift Slope [1/deg]
        lt = 4.200f; // Length between Tail a.c. and c.g.
        deMAX = 10.000f; // Maximum elevator angle
        tau = 1.000f; // Control surface angle of attack effectiveness [-]
        VH = (St*lt)/(Sw*cMAC); // Tail Volume
        // Fin
        drMAX = 10.000f; // Maximum rudder angle            
        // Ground Effect
        CGEMIN = 0.215f; // Minimum Ground Effect Coefficient [-]
        // Stability derivatives
        Cyb = -0.002410f; // [1/deg]
        Cyp = -0.228437f; // [1/rad]
        Cyr = 0.090542f; // [1/rad]
        Cydr = 0.001908f; // [1/deg]
        Clb = -0.002002f; // [1/deg]
        Clp = -0.877559f; // [1/rad]
        Clr = 0.237651f; // [1/rad]
        Cldr = 0.000052f; // [1/deg]
        Cnb = -0.000059f; // [1/deg]
        Cnp = -0.142441f; // [1/rad]
        Cnr = -0.000491f; // [1/rad]
        Cndr = -0.000262f; // [1/deg]
    }else if(MyGameManeger.instance.PlaneName == "QX-19"){
        // Plane
        PlaneRigidbody.mass = 96.631f;
        PlaneRigidbody.centerOfMass = new Vector3(0f,0.294f,0f);
        PlaneRigidbody.inertiaTensor = new Vector3(991f,1032f,60f);
        PlaneRigidbody.inertiaTensorRotation = Quaternion.AngleAxis(-9.134f, Vector3.forward);
        // Specification At Cruise without Ground Effect
        Airspeed0 = 8.800f; // Magnitude of ground speed [m/s]
        alpha0 = 1.554f; // Angle of attack [deg]
        CDp0 = 0.019f; // Parasitic drag [-]
        Cmw0 = -0.170f; // Pitching momentum [-]
        CLMAX = 1.700f;
        // Wing
        Sw = 18.275f; // Wing area of wing [m^2]
        bw = 26.418f; // Wing span [m]
        cMAC = 0.736f; // Mean aerodynamic chord [m]
        aw = 0.105f; // Wing Lift Slope [1/deg]
        hw = (0.323f-0.250f); // Length between Wing a.c. and c.g.
        ew = 1.010f; // Wing efficiency
        AR = (bw*bw)/Sw; // Aspect Ratio
        // Tail
        Downwash = true; // Conventional Tail: True, T-Tail: False
        St = 1.548f; // Wing area of tail
        at = 0.082f; // Tail Lift Slope [1/deg]
        lt = 3.200f; // Length between Tail a.c. and c.g.
        deMAX = 10.000f; // Maximum elevator angle
        tau = 1.000f; // Control surface angle of attack effectiveness [-]
        VH = (St*lt)/(Sw*cMAC); // Tail Volume
        // Fin
        drMAX = 10.000f; // Maximum rudder angle            
        // Ground Effect
        CGEMIN = 0.361f; // Minimum Ground Effect Coefficient [-]
        // Stability derivatives
        Cyb = -0.005300f; // [1/deg]
        Cyp = -0.567798f; // [1/rad]
        Cyr = 0.225280f; // [1/rad]
        Cydr = 0.001721f; // [1/deg]
        Clb = -0.005118f; // [1/deg]
        Clp = -0.827488f; // [1/rad]
        Clr = 0.296796f; // [1/rad]
        Cldr = 0.000050f; // [1/deg]
        Cnb = -0.000808f; // [1/deg]
        Cnp = -0.165533f; // [1/rad]
        Cnr = 0.001675f; // [1/rad]
        Cndr = -0.000208f; // [1/deg]
    }else if(MyGameManeger.instance.PlaneName == "QX-20"){
        // Plane
        PlaneRigidbody.mass = 98.797f;
        PlaneRigidbody.centerOfMass = new Vector3(0f,0.29f,0f);
        PlaneRigidbody.inertiaTensor = new Vector3(1003f,1045f,58f);
        PlaneRigidbody.inertiaTensorRotation = Quaternion.AngleAxis(-9.112f, Vector3.forward);
        // Specification At Cruise without Ground Effect
        Airspeed0 = 9.600f; // Magnitude of ground speed [m/s]
        alpha0 = 1.459f; // Angle of attack [deg]
        CDp0 = 0.016f; // Parasitic drag [-]
        Cmw0 =-0.114f; // Pitching momentum [-]
        CLMAX = 1.700f;
        // Wing
        Sw = 18.816f; // Wing area of wing [m^2]
        bw = 26.679f; // Wing span [m]
        cMAC = 0.755f; // Mean aerodynamic chord [m]
        aw = 0.108f; // Wing Lift Slope [1/deg]
        hw = (0.323f-0.250f); // Length between Wing a.c. and c.g.
        ew = 0.986f; // Wing efficiency
        AR = (bw*bw)/Sw; // Aspect Ratio
        // Tail
        Downwash = false; // Conventional Tail: True, T-Tail: False
        St = 1.526f; // Wing area of tail
        at = 0.088f; // Tail Lift Slope [1/deg]
        lt = 3.200f; // Length between Tail a.c. and c.g.
        deMAX = 10.000f; // Maximum elevator angle
        tau = 1.000f; // Control surface angle of attack effectiveness [-]
        VH = (St*lt)/(Sw*cMAC); // Tail Volume
        // Fin
        drMAX = 10.000f; // Maximum rudder angle            
        // Ground Effect
        CGEMIN = 0.293f; // Minimum Ground Effect Coefficient [-]
        // Stability derivatives
        Cyb = -0.003555f; // [1/deg]
        Cyp = -0.455493f; // [1/rad]
        Cyr = 0.143466f; // [1/rad]
        Cydr = 0.000888f; // [1/deg]
        Clb = -0.004049f; // [1/deg]
        Clp = -0.829690f; // [1/rad]
        Clr = 0.227736f; // [1/rad]
        Cldr = 0.000016f; // [1/deg]
        Cnb = -0.000500f; // [1/deg]
        Cnp = -0.132307f; // [1/rad]
        Cnr = 0.000942f; // [1/rad]
        Cndr = -0.000106f; // [1/deg]
    }
}

XFLR5とFusion360を使って諸元を計算する方法はこちら