src/FDM/JSBSim/FGRotation.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGRotation.cpp
   4  Author:       Jon Berndt
   5  Date started: 12/02/98
   6  Purpose:      Integrates the rotational EOM
   7  Called by:    FGFDMExec
   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 integrates the rotational EOM.
  31
  32 HISTORY
  33 --------------------------------------------------------------------------------
  34 12/02/98   JSB   Created
  35
  36 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  37 COMMENTS, REFERENCES,  and NOTES
  38 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  39 [1] Cooke, Zyda, Pratt, and McGhee, "NPSNET: Flight Simulation Dynamic Modeling
  40     Using Quaternions", Presence, Vol. 1, No. 4, pp. 404-420  Naval Postgraduate
  41     School, January 1994
  42 [2] D. M. Henderson, "Euler Angles, Quaternions, and Transformation Matrices",
  43     JSC 12960, July 1977
  44 [3] Richard E. McFarland, "A Standard Kinematic Model for Flight Simulation at
  45     NASA-Ames", NASA CR-2497, January 1975
  46 [4] Barnes W. McCormick, "Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics",
  47     Wiley & Sons, 1979 ISBN 0-471-03032-5
  48 [5] Bernard Etkin, "Dynamics of Flight, Stability and Control", Wiley & Sons,
  49     1982 ISBN 0-471-08936-2
  50
  51   The order of rotations used in this class corresponds to a 3-2-1 sequence,
  52   or Y-P-R, or Z-Y-X, if you prefer.
  53
  54 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  55 INCLUDES
  56 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  57
  58 #include "FGRotation.h"
  59 #include "FGAtmosphere.h"
  60 #include "FGState.h"
  61 #include "FGFDMExec.h"
  62 #include "FGFCS.h"
  63 #include "FGAircraft.h"
  64 #include "FGMassBalance.h"
  65 #include "FGTranslation.h"
  66 #include "FGPosition.h"
  67 #include "FGAuxiliary.h"
  68 #include "FGOutput.h"
  69
  70 static const char *IdSrc = "$Id$";
  71 static const char *IdHdr = ID_ROTATION;
  72
  73 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  74 CLASS IMPLEMENTATION
  75 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  76
  77
  78 FGRotation::FGRotation(FGFDMExec* fdmex) : FGModel(fdmex),
  79         vPQR(3),
  80         vPQRdot(3),
  81         vMoments(3),
  82         vEuler(3),
  83         vEulerRates(3),
  84         vlastPQRdot(3)
  85 {
  86   Name = "FGRotation";
  87   cTht=cPhi=cPsi=1.0;
  88   sTht=sPhi=sPsi=0.0;
  89
  90   if (debug_lvl & 2) cout << "Instantiated: " << Name << endl;
  91 }
  92
  93 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  94
  95 FGRotation::~FGRotation()
  96 {
  97   if (debug_lvl & 2) cout << "Destroyed:    FGRotation" << endl;
  98 }
  99
 100 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 101
 102 bool FGRotation::Run(void)
 103 {
 104   double L2, N1;
 105   double tTheta;
 106
 107   if (!FGModel::Run()) {
 108     GetState();
 109
 110     L2 = vMoments(eL) + Ixz*vPQR(eP)*vPQR(eQ) - (Izz-Iyy)*vPQR(eR)*vPQR(eQ);
 111     N1 = vMoments(eN) - (Iyy-Ixx)*vPQR(eP)*vPQR(eQ) - Ixz*vPQR(eR)*vPQR(eQ);
 112
 113     vPQRdot(eP) = (L2*Izz - N1*Ixz) / (Ixx*Izz - Ixz*Ixz);
 114     vPQRdot(eQ) = (vMoments(eM) - (Ixx-Izz)*vPQR(eP)*vPQR(eR) - Ixz*(vPQR(eP)*vPQR(eP) - vPQR(eR)*vPQR(eR)))/Iyy;
 115     vPQRdot(eR) = (N1*Ixx + L2*Ixz) / (Ixx*Izz - Ixz*Ixz);
 116
 117     vPQR += dt*rate*(vlastPQRdot + vPQRdot)/2.0;
 118
 119     State->IntegrateQuat(vPQR, rate);
 120     State->CalcMatrices();
 121     vEuler = State->CalcEuler();
 122
 123     cTht = cos(vEuler(eTht));   sTht = sin(vEuler(eTht));
 124     cPhi = cos(vEuler(ePhi));   sPhi = sin(vEuler(ePhi));
 125     cPsi = cos(vEuler(ePsi));   sPsi = sin(vEuler(ePsi));
 126
 127     vEulerRates(eTht) = vPQR(2)*cPhi - vPQR(3)*sPhi;
 128     if (cTht != 0.0) {
 129       tTheta = sTht/cTht;       // what's cheaper: / or tan() ?
 130       vEulerRates(ePhi) = vPQR(1) + (vPQR(2)*sPhi + vPQR(3)*cPhi)*tTheta;
 131       vEulerRates(ePsi) = (vPQR(2)*sPhi + vPQR(3)*cPhi)/cTht;
 132     }
 133
 134     vlastPQRdot = vPQRdot;
 135
 136     if (debug_lvl > 1) Debug();
 137
 138     return false;
 139   } else {
 140     return true;
 141   }
 142 }
 143
 144 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 145
 146 void FGRotation::GetState(void)
 147 {
 148   dt = State->Getdt();
 149   vMoments = Aircraft->GetMoments();
 150
 151   Ixx = MassBalance->GetIxx();
 152   Iyy = MassBalance->GetIyy();
 153   Izz = MassBalance->GetIzz();
 154   Ixz = MassBalance->GetIxz();
 155 }
 156
 157 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 158
 159 void FGRotation::Debug(void)
 160 {
 161   if (debug_lvl & 16) { // Sanity check variables
 162     if (fabs(vPQR(eP)) > 100)
 163       cout << "FGRotation::P (Roll Rate) out of bounds: " << vPQR(eP) << endl;
 164     if (fabs(vPQR(eQ)) > 100)
 165       cout << "FGRotation::Q (Pitch Rate) out of bounds: " << vPQR(eQ) << endl;
 166     if (fabs(vPQR(eR)) > 100)
 167       cout << "FGRotation::R (Yaw Rate) out of bounds: " << vPQR(eR) << endl;
 168   }
 169 }
 170