src/FDM/JSBSim/FGLGear.h

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Header:       FGLGear.h
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 11/18/99
   6
   7  ------------- Copyright (C) 1999  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
   8
   9  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  10  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  11  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  12  version.
  13
  14  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  15  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  16  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  17  details.
  18
  19  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  20  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  21  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  22
  23  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  24  the world wide web at http://www.gnu.org.
  25
  26 HISTORY
  27 --------------------------------------------------------------------------------
  28 11/18/99   JSB   Created
  29
  30 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  31 SENTRY
  32 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  33
  34 #ifndef FGLGEAR_H
  35 #define FGLGEAR_H
  36
  37 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  38 INCLUDES
  39 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  40
  41 #ifdef FGFS
  42 #  include <simgear/compiler.h>
  43 #endif
  44
  45 #include <string>
  46 #include "FGConfigFile.h"
  47 #include "FGMatrix33.h"
  48 #include "FGColumnVector3.h"
  49 #include "FGColumnVector4.h"
  50 #include "FGFDMExec.h"
  51 #include "FGJSBBase.h"
  52
  53 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  54 DEFINITIONS
  55 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  56
  57 #define ID_LGEAR "$Id$"
  58
  59 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  60 FORWARD DECLARATIONS
  61 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  62
  63 class FGAircraft;
  64 class FGPosition;
  65 class FGRotation;
  66 class FGFCS;
  67 class FGState;
  68 class FGMassBalance;
  69
  70 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  71 COMMENTS, REFERENCES, and NOTES [use "class documentation" below for API docs]
  72 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  73
  74 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  75 CLASS DOCUMENTATION
  76 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  77
  78 /** Landing gear model.
  79     Calculates forces and moments due to landing gear reactions. This is done in
  80     several steps, and is dependent on what kind of gear is being modeled. Here
  81     are the parameters that can be specified in the config file for modeling
  82     landing gear:
  83     <p>
  84     <b><u>Physical Characteristics</u></b><br>
  85     <ol>
  86     <li>X, Y, Z location, in inches in structural coordinate frame</li>
  87     <li>Spring constant, in lbs/ft</li>
  88     <li>Damping coefficient, in lbs/ft/sec</li>
  89     <li>Dynamic Friction Coefficient</li>
  90     <li>Static Friction Coefficient</li>
  91     </ol></p><p>
  92     <b><u>Operational Properties</b></u><br>
  93     <ol>
  94     <li>Name</li>
  95     <li>Steerability attribute {one of STEERABLE | FIXED | CASTERED}</li>
  96     <li>Brake Group Membership {one of LEFT | CENTER | RIGHT | NOSE | TAIL | NONE}</li>
  97     <li>Max Steer Angle, in degrees</li>
  98     </ol></p>
  99     <p>
 100     <b><u>Algorithm and Approach to Modeling</u></b><br>
 101     <ol>
 102     <li>Find the location of the uncompressed landing gear relative to the CG of
 103     the aircraft. Remember, the structural coordinate frame that the aircraft is
 104     defined in is: X positive towards the tail, Y positive out the right side, Z
 105     positive upwards. The locations of the various parts are given in inches in
 106     the config file.</li>
 107     <li>The vector giving the location of the gear (relative to the cg) is
 108     rotated 180 degrees about the Y axis to put the coordinates in body frame (X
 109     positive forwards, Y positive out the right side, Z positive downwards, with
 110     the origin at the cg). The lengths are also now given in feet.</li>
 111     <li>The new gear location is now transformed to the local coordinate frame
 112     using the body-to-local matrix. (Mb2l).</li>
 113     <li>Knowing the location of the center of gravity relative to the ground
 114     (height above ground level or AGL) now enables gear deflection to be
 115     calculated. The gear compression value is the local frame gear Z location
 116     value minus the height AGL. [Currently, we make the assumption that the gear
 117     is oriented - and the deflection occurs in - the Z axis only. Additionally,
 118     the vector to the landing gear is currently not modified - which would
 119     (correctly) move the point of contact to the actual compressed-gear point of
 120     contact. Eventually, articulated gear may be modeled, but initially an
 121     effort must be made to model a generic system.] As an example, say the
 122     aircraft left main gear location (in local coordinates) is Z = 3 feet
 123     (positive) and the height AGL is 2 feet. This tells us that the gear is
 124     compressed 1 foot.</li>
 125     <li>If the gear is compressed, a Weight-On-Wheels (WOW) flag is set.</li>
 126     <li>With the compression length calculated, the compression velocity may now
 127     be calculated. This will be used to determine the damping force in the
 128     strut. The aircraft rotational rate is multiplied by the vector to the wheel
 129     to get a wheel velocity in body frame. That velocity vector is then
 130     transformed into the local coordinate frame.</li>
 131     <li>The aircraft cg velocity in the local frame is added to the
 132     just-calculated wheel velocity (due to rotation) to get a total wheel
 133     velocity in the local frame.</li>
 134     <li>The compression speed is the Z-component of the vector.</li>
 135     <li>With the wheel velocity vector no longer needed, it is normalized and
 136     multiplied by a -1 to reverse it. This will be used in the friction force
 137     calculation.</li>
 138     <li>Since the friction force takes place solely in the runway plane, the Z
 139     coordinate of the normalized wheel velocity vector is set to zero.</li>
 140     <li>The gear deflection force (the force on the aircraft acting along the
 141     local frame Z axis) is now calculated given the spring and damper
 142     coefficients, and the gear deflection speed and stroke length. Keep in mind
 143     that gear forces always act in the negative direction (in both local and
 144     body frames), and are not capable of generating a force in the positive
 145     sense (one that would attract the aircraft to the ground). So, the gear
 146     forces are always negative - they are limited to values of zero or less. The
 147     gear force is simply the negative of the sum of the spring compression
 148     length times the spring coefficient and the gear velocity times the damping
 149     coefficient.</li>
 150     <li>The lateral/directional force acting on the aircraft through the landing
 151
 152     gear (along the local frame X and Y axes) is calculated next. First, the
 153     friction coefficient is multiplied by the recently calculated Z-force. This
 154     is the friction force. It must be given direction in addition to magnitude.
 155     We want the components in the local frame X and Y axes. From step 9, above,
 156     the conditioned wheel velocity vector is taken and the X and Y parts are
 157     multiplied by the friction force to get the X and Y components of friction.
 158     </li>
 159     <li>The wheel force in local frame is next converted to body frame.</li>
 160     <li>The moment due to the gear force is calculated by multiplying r x F
 161     (radius to wheel crossed into the wheel force). Both of these operands are
 162     in body frame.</li>
 163     </ol>
 164     @author Jon S. Berndt
 165     @version $Id$
 166     @see Richard E. McFarland, "A Standard Kinematic Model for Flight Simulation at
 167            NASA-Ames", NASA CR-2497, January 1975
 168     @see Barnes W. McCormick, "Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics",
 169            Wiley & Sons, 1979 ISBN 0-471-03032-5
 170     @see W. A. Ragsdale, "A Generic Landing Gear Dynamics Model for LASRS++",
 171      AIAA-2000-4303
 172     @see <a href="http://cvs.sourceforge.net/cgi-bin/viewcvs.cgi/jsbsim/JSBSim/FGLGear.h?rev=HEAD&content-type=text/vnd.viewcvs-markup">
 173          Header File </a>
 174     @see <a href="http://cvs.sourceforge.net/cgi-bin/viewcvs.cgi/jsbsim/JSBSim/FGLGear.cpp?rev=HEAD&content-type=text/vnd.viewcvs-markup">
 175          Source File </a>
 176 */
 177
 178 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 179 CLASS DECLARATION
 180 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 181
 182 class FGLGear : public FGJSBBase
 183 {
 184 public:
 185   /// Brake grouping enumerators
 186   enum BrakeGroup {bgNone=0, bgLeft, bgRight, bgCenter, bgNose, bgTail };
 187   /// Steering group membership enumerators
 188   enum SteerType {stSteer, stFixed, stCaster};
 189   /** Constructor
 190       @param Executive a pointer to the parent executive object
 191       @param File a pointer to the config file instance */
 192   FGLGear(FGConfigFile* File, FGFDMExec* Executive);
 193   /** Constructor
 194       @param lgear a reference to an existing FGLGear object     */
 195   FGLGear(const FGLGear& lgear);
 196   /// Destructor
 197   ~FGLGear();
 198
 199
 200   /// The Force vector for this gear
 201   FGColumnVector3& Force(void);
 202   /// The Moment vector for this gear
 203   FGColumnVector3& Moment(void) {return vMoment;}
 204
 205   /// Gets the location of the gear in Body axes
 206   FGColumnVector3& GetBodyLocation(void) { return vWhlBodyVec; }
 207   double GetBodyLocation(int idx) { return vWhlBodyVec(idx); }
 208
 209   FGColumnVector3& GetLocalGear(void) { return vLocalGear; }
 210   double GetLocalGear(int idx) { return vLocalGear(idx); }
 211
 212   /// Gets the name of the gear
 213   inline string GetName(void)      {return name;          }
 214   /// Gets the Weight On Wheels flag value
 215   inline bool   GetWOW(void)       {return WOW;           }
 216   /// Gets the current compressed length of the gear in feet
 217   inline double  GetCompLen(void)   {return compressLength;}
 218   /// Gets the current gear compression velocity in ft/sec
 219   inline double  GetCompVel(void)   {return compressSpeed; }
 220   /// Gets the gear compression force in pounds
 221   inline double  GetCompForce(void) {return Force()(3);    }
 222   inline double  GetBrakeFCoeff(void) {return BrakeFCoeff;}
 223
 224   /// Sets the brake value in percent (0 - 100)
 225   inline void SetBrake(double bp) {brakePct = bp;}
 226
 227   /** Set the console touchdown reporting feature
 228       @param flag true turns on touchdown reporting, false turns it off */
 229   inline void SetReport(bool flag) { ReportEnable = flag; }
 230   /** Get the console touchdown reporting feature
 231       @return true if reporting is turned on */
 232   inline bool GetReport(void)    { return ReportEnable; }
 233   inline double GetSteerAngle(void) { return SteerAngle;}
 234   inline double GetstaticFCoeff(void) { return staticFCoeff;}
 235
 236   inline int GetBrakeGroup(void) { return (int)eBrakeGrp; }
 237   inline int GetSteerType(void)  { return (int)eSteerType; }
 238
 239   inline bool GetRetractable(void)         { return isRetractable;   }
 240   inline bool GetGearUnitUp(void)          { return GearUp;          }
 241   inline bool GetGearUnitDown(void)        { return GearDown;        }
 242   inline double GetWheelSideForce(void)    { return SideForce;       }
 243   inline double GetWheelRollForce(void)    { return RollingForce;    }
 244   inline double GetBodyXForce(void)        { return vLocalForce(eX); }
 245   inline double GetBodyYForce(void)        { return vLocalForce(eY); }
 246   inline double GetWheelSlipAngle(void)    { return WheelSlip;       }
 247   double GetWheelVel(int axis)             { return vWhlVelVec(axis);}
 248
 249 private:
 250   FGColumnVector3 vXYZ;
 251   FGColumnVector3 vMoment;
 252   FGColumnVector3 vWhlBodyVec;
 253   FGColumnVector3 vLocalGear;
 254   FGColumnVector3 vForce;
 255   FGColumnVector3 vLocalForce;
 256   FGColumnVector3 vWhlVelVec;     // Velocity of this wheel (Local)
 257   double SteerAngle;
 258   double kSpring;
 259   double bDamp;
 260   double compressLength;
 261   double compressSpeed;
 262   double staticFCoeff, dynamicFCoeff, rollingFCoeff;
 263   double brakePct;
 264   double BrakeFCoeff;
 265   double maxCompLen;
 266   double SinkRate;
 267   double GroundSpeed;
 268   double DistanceTraveled;
 269   double MaximumStrutForce;
 270   double MaximumStrutTravel;
 271   double SideWhlVel, RollingWhlVel;
 272   double RollingForce, SideForce, FCoeff;
 273   double WheelSlip;
 274   double lastWheelSlip;
 275   bool WOW;
 276   bool lastWOW;
 277   bool FirstContact;
 278   bool Reported;
 279   bool ReportEnable;
 280   bool isRetractable;
 281   bool GearUp, GearDown;
 282   string name;
 283   string sSteerType;
 284   string sBrakeGroup;
 285   string sRetractable;
 286
 287   BrakeGroup eBrakeGrp;
 288   SteerType  eSteerType;
 289   double  maxSteerAngle;
 290
 291   FGFDMExec*  Exec;
 292   FGState*    State;
 293   FGAircraft* Aircraft;
 294   FGPosition* Position;
 295   FGRotation* Rotation;
 296   FGFCS*      FCS;
 297   FGMassBalance* MassBalance;
 298
 299   void Report(void);
 300   void Debug(int from);
 301 };
 302
 303 #include "FGAircraft.h"
 304 #include "FGPosition.h"
 305 #include "FGRotation.h"
 306 #include "FGFCS.h"
 307 #include "FGMassBalance.h"
 308
 309 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 310
 311 #include "FGState.h"
 312
 313 #endif