src/FDM/JSBSim/FGAuxiliary.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGAuxiliary.cpp
   4  Author:       Tony Peden, Jon Berndt
   5  Date started: 01/26/99
   6  Purpose:      Calculates additional parameters needed by the visual system, etc.
   7  Called by:    FGSimExec
   8
   9  ------------- Copyright (C) 1999  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
  10
  11  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  12  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  13  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  14  version.
  15
  16  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  17  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  18  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  19  details.
  20
  21  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  22  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  23  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  24
  25  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  26  the world wide web at http://www.gnu.org.
  27
  28 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  29 --------------------------------------------------------------------------------
  30 This class calculates various auxiliary parameters.
  31
  32 REFERENCES
  33   Anderson, John D. "Introduction to Flight", 3rd Edition, McGraw-Hill, 1989
  34                     pgs. 112-126
  35 HISTORY
  36 --------------------------------------------------------------------------------
  37 01/26/99   JSB   Created
  38
  39 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  40 INCLUDES
  41 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  42
  43 #include "FGAuxiliary.h"
  44 #include "FGAerodynamics.h"
  45 #include "FGTranslation.h"
  46 #include "FGRotation.h"
  47 #include "FGAtmosphere.h"
  48 #include "FGState.h"
  49 #include "FGFDMExec.h"
  50 #include "FGFCS.h"
  51 #include "FGAircraft.h"
  52 #include "FGPosition.h"
  53 #include "FGOutput.h"
  54 #include "FGInertial.h"
  55 #include "FGMatrix33.h"
  56 #include "FGColumnVector3.h"
  57 #include "FGColumnVector4.h"
  58 #include "FGPropertyManager.h"
  59
  60 namespace JSBSim {
  61
  62 static const char *IdSrc = "$Id$";
  63 static const char *IdHdr = ID_AUXILIARY;
  64
  65 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  66 CLASS IMPLEMENTATION
  67 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  68
  69
  70 FGAuxiliary::FGAuxiliary(FGFDMExec* fdmex) : FGModel(fdmex)
  71 {
  72   Name = "FGAuxiliary";
  73   vcas = veas = mach = qbar = pt = tat = 0;
  74   psl = rhosl = 1;
  75   earthPosAngle = 0.0;
  76
  77   vPilotAccelN.InitMatrix();
  78
  79   bind();
  80
  81   Debug(0);
  82 }
  83
  84 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  85
  86 FGAuxiliary::~FGAuxiliary()
  87 {
  88   unbind();
  89   Debug(1);
  90 }
  91
  92 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  93
  94 bool FGAuxiliary::Run()
  95 {
  96   double A,B,D;
  97
  98   if (!FGModel::Run()) {
  99     GetState();
 100
 101     //calculate total temperature assuming isentropic flow
 102     tat=sat*(1 + 0.2*mach*mach);
 103     tatc=RankineToCelsius(tat);
 104
 105     if (mach < 1) {   //calculate total pressure assuming isentropic flow
 106       pt = p*pow((1 + 0.2*machU*machU),3.5);
 107     } else {
 108       // shock in front of pitot tube, we'll assume its normal and use
 109       // the Rayleigh Pitot Tube Formula, i.e. the ratio of total
 110       // pressure behind the shock to the static pressure in front
 111
 112       B = 5.76*machU*machU/(5.6*machU*machU - 0.8);
 113
 114       // The denominator above is zero for Mach ~ 0.38, for which
 115       // we'll never be here, so we're safe
 116
 117       D = (2.8*machU*machU-0.4)*0.4167;
 118       pt = p*pow(B,3.5)*D;
 119     }
 120
 121     A = pow(((pt-p)/psl+1),0.28571);
 122     if (machU > 0.0) {
 123       vcas = sqrt(7*psl/rhosl*(A-1));
 124       veas = sqrt(2*qbar/rhosl);
 125     } else {
 126       vcas = veas = 0.0;
 127     }
 128
 129     // Pilot sensed accelerations are calculated here. This is used
 130     // for the coordinated turn ball instrument. Motion base platforms sometimes
 131     // use the derivative of pilot sensed accelerations as the driving parameter,
 132     // rather than straight accelerations.
 133     //
 134     // The theory behind pilot-sensed calculations is presented:
 135     //
 136     // For purposes of discussion and calculation, assume for a minute that the
 137     // pilot is in space and motionless in inertial space. She will feel
 138     // no accelerations. If the aircraft begins to accelerate along any axis or
 139     // axes (without rotating), the pilot will sense those accelerations. If
 140     // any rotational moment is applied, the pilot will sense an acceleration
 141     // due to that motion in the amount:
 142     //
 143     // [wdot X R]  +  [w X (w X R)]
 144     //   Term I          Term II
 145     //
 146     // where:
 147     //
 148     // wdot = omegadot, the rotational acceleration rate vector
 149     // w    = omega, the rotational rate vector
 150     // R    = the vector from the aircraft CG to the pilot eyepoint
 151     //
 152     // The sum total of these two terms plus the acceleration of the aircraft
 153     // body axis gives the acceleration the pilot senses in inertial space.
 154     // In the presence of a large body such as a planet, a gravity field also
 155     // provides an accelerating attraction. This acceleration can be transformed
 156     // from the reference frame of the planet so as to be expressed in the frame
 157     // of reference of the aircraft. This gravity field accelerating attraction
 158     // is felt by the pilot as a force on her tushie as she sits in her aircraft
 159     // on the runway awaiting takeoff clearance.
 160     //
 161     // In JSBSim the acceleration of the body frame in inertial space is given
 162     // by the F = ma relation. If the vForces vector is divided by the aircraft
 163     // mass, the acceleration vector is calculated. The term wdot is equivalent
 164     // to the JSBSim vPQRdot vector, and the w parameter is equivalent to vPQR.
 165     // The radius R is calculated below in the vector vToEyePt.
 166
 167     vPilotAccel.InitMatrix();
 168     if ( Translation->GetVt() > 1 ) {
 169        vPilotAccel =  Aerodynamics->GetForces()
 170                       +  Propulsion->GetForces()
 171                       +  GroundReactions->GetForces();
 172        vPilotAccel /= MassBalance->GetMass();
 173        vToEyePt = MassBalance->StructuralToBody(Aircraft->GetXYZep());
 174        vPilotAccel += Rotation->GetPQRdot() * vToEyePt;
 175        vPilotAccel += Rotation->GetPQR() * (Rotation->GetPQR() * vToEyePt);
 176     } else {
 177        vPilotAccel = -1*( State->GetTl2b() * Inertial->GetGravity() );
 178     }
 179
 180     vPilotAccelN = vPilotAccel/Inertial->gravity();
 181
 182     earthPosAngle += State->Getdt()*Inertial->omega();
 183     return false;
 184   } else {
 185     return true;
 186   }
 187 }
 188
 189 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 190
 191 double FGAuxiliary::GetHeadWind(void)
 192 {
 193   double psiw,vw,psi;
 194
 195   psiw = Atmosphere->GetWindPsi();
 196   psi = Rotation->Getpsi();
 197   vw = Atmosphere->GetWindNED().Magnitude();
 198
 199   return vw*cos(psiw - psi);
 200 }
 201
 202 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 203
 204 double FGAuxiliary::GetCrossWind(void)
 205 {
 206   double psiw,vw,psi;
 207
 208   psiw = Atmosphere->GetWindPsi();
 209   psi = Rotation->Getpsi();
 210   vw = Atmosphere->GetWindNED().Magnitude();
 211
 212   return  vw*sin(psiw - psi);
 213 }
 214
 215 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 216
 217 void FGAuxiliary::bind(void)
 218 {
 219   typedef double (FGAuxiliary::*PMF)(int) const;
 220   PropertyManager->Tie("velocities/vc-fps", this,
 221                        &FGAuxiliary::GetVcalibratedFPS);
 222   PropertyManager->Tie("velocities/vc-kts", this,
 223                        &FGAuxiliary::GetVcalibratedKTS);
 224   PropertyManager->Tie("velocities/ve-fps", this,
 225                        &FGAuxiliary::GetVequivalentFPS);
 226   PropertyManager->Tie("velocities/ve-kts", this,
 227                        &FGAuxiliary::GetVequivalentKTS);
 228   PropertyManager->Tie("velocities/machU", this,
 229                        &FGAuxiliary::GetMachU);
 230   PropertyManager->Tie("velocities/tat-r", this,
 231                        &FGAuxiliary::GetTotalTemperature);
 232   PropertyManager->Tie("velocities/tat-c", this,
 233                        &FGAuxiliary::GetTAT_C);
 234   PropertyManager->Tie("velocities/pt-lbs_sqft", this,
 235                        &FGAuxiliary::GetTotalPressure);
 236
 237   PropertyManager->Tie("accelerations/a-pilot-x-ft_sec2", this,1,
 238                        (PMF)&FGAuxiliary::GetPilotAccel);
 239   PropertyManager->Tie("accelerations/a-pilot-y-ft_sec2", this,2,
 240                        (PMF)&FGAuxiliary::GetPilotAccel);
 241   PropertyManager->Tie("accelerations/a-pilot-z-ft_sec2", this,3,
 242                        (PMF)&FGAuxiliary::GetPilotAccel);
 243   PropertyManager->Tie("accelerations/n-pilot-x-norm", this,1,
 244                        (PMF)&FGAuxiliary::GetNpilot);
 245   PropertyManager->Tie("accelerations/n-pilot-y-norm", this,2,
 246                        (PMF)&FGAuxiliary::GetNpilot);
 247   PropertyManager->Tie("accelerations/n-pilot-z-norm", this,3,
 248                        (PMF)&FGAuxiliary::GetNpilot);
 249   PropertyManager->Tie("position/epa-rad", this,
 250                        &FGAuxiliary::GetEarthPositionAngle);
 251   /* PropertyManager->Tie("atmosphere/headwind-fps", this,
 252                        &FGAuxiliary::GetHeadWind,
 253                        true);
 254   PropertyManager->Tie("atmosphere/crosswind-fps", this,
 255                        &FGAuxiliary::GetCrossWind,
 256                        true); */
 257 }
 258
 259 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 260
 261 void FGAuxiliary::unbind(void)
 262 {
 263   PropertyManager->Untie("velocities/vc-fps");
 264   PropertyManager->Untie("velocities/vc-kts");
 265   PropertyManager->Untie("velocities/ve-fps");
 266   PropertyManager->Untie("velocities/ve-kts");
 267   PropertyManager->Untie("velocities/machU");
 268   PropertyManager->Untie("velocities/tat-r");
 269   PropertyManager->Untie("velocities/tat-c");
 270   PropertyManager->Untie("accelerations/a-pilot-x-ft_sec2");
 271   PropertyManager->Untie("accelerations/a-pilot-y-ft_sec2");
 272   PropertyManager->Untie("accelerations/a-pilot-z-ft_sec2");
 273   PropertyManager->Untie("accelerations/n-pilot-x-norm");
 274   PropertyManager->Untie("accelerations/n-pilot-y-norm");
 275   PropertyManager->Untie("accelerations/n-pilot-z-norm");
 276   PropertyManager->Untie("position/epa-rad");
 277   /* PropertyManager->Untie("atmosphere/headwind-fps");
 278   PropertyManager->Untie("atmosphere/crosswind-fps"); */
 279
 280 }
 281
 282 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 283
 284 void FGAuxiliary::GetState(void)
 285 {
 286   qbar = Translation->Getqbar();
 287   mach = Translation->GetMach();
 288   machU= Translation->GetMachU();
 289   p = Atmosphere->GetPressure();
 290   rhosl = Atmosphere->GetDensitySL();
 291   psl = Atmosphere->GetPressureSL();
 292   sat = Atmosphere->GetTemperature();
 293 }
 294
 295 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 296 //    The bitmasked value choices are as follows:
 297 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 298 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 299 //       the config files as they are read. If the environment
 300 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 301 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 302 //       whatsoever.
 303 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 304 //       startup messages
 305 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 306 //       a class is instantiated
 307 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 308 //       FGModel object executes its Run() method
 309 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 310 //       are printed out periodically
 311 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 312 //       a message is printed out when they go out of bounds
 313
 314 void FGAuxiliary::Debug(int from)
 315 {
 316   if (debug_lvl <= 0) return;
 317
 318   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 319     if (from == 0) { // Constructor
 320
 321     }
 322   }
 323   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 324     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGAuxiliary" << endl;
 325     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGAuxiliary" << endl;
 326   }
 327   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 328   }
 329   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 330   }
 331   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 332   }
 333   if (debug_lvl & 64) {
 334     if (from == 0) { // Constructor
 335       cout << IdSrc << endl;
 336       cout << IdHdr << endl;
 337     }
 338   }
 339 }
 340
 341 } // namespace JSBSim