src/FDM/JSBSim/models/FGAerodynamics.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGAerodynamics.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 09/13/00
   6  Purpose:      Encapsulates the aerodynamic forces
   7
   8  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jon@jsbsim.org) -------------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
  12  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  13  version.
  14
  15  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  16  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  17  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with
  21  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  22  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  23
  24  Further information about the GNU Lesser General Public License can also be found on
  25  the world wide web at http://www.gnu.org.
  26
  27 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  28 --------------------------------------------------------------------------------
  29
  30 HISTORY
  31 --------------------------------------------------------------------------------
  32 09/13/00   JSB   Created
  33 04/22/01   JSB   Moved code into here from FGAircraft
  34
  35 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  36 INCLUDES
  37 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  38
  39 #include <iostream>
  40 #include <sstream>
  41 #include <iomanip>
  42 #include <cstdlib>
  43 #include "FGFDMExec.h"
  44 #include "FGAerodynamics.h"
  45 #include "input_output/FGPropertyManager.h"
  46
  47 using namespace std;
  48
  49 namespace JSBSim {
  50
  51 static const char *IdSrc = "$Id: FGAerodynamics.cpp,v 1.45 2012/04/13 13:25:52 jberndt Exp $";
  52 static const char *IdHdr = ID_AERODYNAMICS;
  53
  54 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  55 CLASS IMPLEMENTATION
  56 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  57
  58
  59 FGAerodynamics::FGAerodynamics(FGFDMExec* FDMExec) : FGModel(FDMExec)
  60 {
  61   Name = "FGAerodynamics";
  62
  63   AxisIdx["DRAG"]   = 0;
  64   AxisIdx["SIDE"]   = 1;
  65   AxisIdx["LIFT"]   = 2;
  66   AxisIdx["ROLL"]   = 3;
  67   AxisIdx["PITCH"]  = 4;
  68   AxisIdx["YAW"]    = 5;
  69
  70   AxisIdx["AXIAL"]  = 0;
  71   AxisIdx["NORMAL"] = 2;
  72
  73   AxisIdx["X"] = 0;
  74   AxisIdx["Y"] = 1;
  75   AxisIdx["Z"] = 2;
  76
  77   axisType = atNone;
  78
  79   AeroFunctions = new AeroFunctionArray[6];
  80
  81   impending_stall = stall_hyst = 0.0;
  82   alphaclmin = alphaclmax = 0.0;
  83   alphahystmin = alphahystmax = 0.0;
  84   clsq = lod = 0.0;
  85   alphaw = 0.0;
  86   bi2vel = ci2vel = 0.0;
  87   AeroRPShift = 0;
  88   vDeltaRP.InitMatrix();
  89
  90   bind();
  91
  92   Debug(0);
  93 }
  94
  95 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  96
  97 FGAerodynamics::~FGAerodynamics()
  98 {
  99   unsigned int i,j;
 100
 101   for (i=0; i<6; i++)
 102     for (j=0; j<AeroFunctions[i].size(); j++)
 103       delete AeroFunctions[i][j];
 104
 105   delete[] AeroFunctions;
 106
 107   delete AeroRPShift;
 108
 109   Debug(1);
 110 }
 111
 112 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 113
 114 bool FGAerodynamics::InitModel(void)
 115 {
 116   if (!FGModel::InitModel()) return false;
 117
 118   impending_stall = stall_hyst = 0.0;
 119   alphaclmin = alphaclmax = 0.0;
 120   alphahystmin = alphahystmax = 0.0;
 121   clsq = lod = 0.0;
 122   alphaw = 0.0;
 123   bi2vel = ci2vel = 0.0;
 124   AeroRPShift = 0;
 125   vDeltaRP.InitMatrix();
 126
 127   return true;
 128 }
 129 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 130
 131 bool FGAerodynamics::Run(bool Holding)
 132 {
 133
 134   if (FGModel::Run(Holding)) return true;
 135   if (Holding) return false; // if paused don't execute
 136
 137   unsigned int axis_ctr, ctr;
 138   const double twovel=2*in.Vt;
 139
 140   RunPreFunctions();
 141
 142   // calculate some oft-used quantities for speed
 143
 144   if (twovel != 0) {
 145     bi2vel = in.Wingspan / twovel;
 146     ci2vel = in.Wingchord / twovel;
 147   }
 148   alphaw = in.Alpha + in.Wingincidence;
 149   qbar_area = in.Wingarea * in.Qbar;
 150
 151   if (alphaclmax != 0) {
 152     if (in.Alpha > 0.85*alphaclmax) {
 153       impending_stall = 10*(in.Alpha/alphaclmax - 0.85);
 154     } else {
 155       impending_stall = 0;
 156     }
 157   }
 158
 159   if (alphahystmax != 0.0 && alphahystmin != 0.0) {
 160     if (in.Alpha > alphahystmax) {
 161        stall_hyst = 1;
 162     } else if (in.Alpha < alphahystmin) {
 163        stall_hyst = 0;
 164     }
 165   }
 166
 167   vFw.InitMatrix();
 168   vFnative.InitMatrix();
 169
 170   for (axis_ctr = 0; axis_ctr < 3; axis_ctr++) {
 171     for (ctr=0; ctr < AeroFunctions[axis_ctr].size(); ctr++) {
 172       vFnative(axis_ctr+1) += AeroFunctions[axis_ctr][ctr]->GetValue();
 173     }
 174   }
 175
 176   // Note that we still need to convert to wind axes here, because it is
 177   // used in the L/D calculation, and we still may want to look at Lift
 178   // and Drag.
 179
 180   switch (axisType) {
 181     case atBodyXYZ:       // Forces already in body axes; no manipulation needed
 182       vFw = in.Tb2w*vFnative;
 183       vForces = vFnative;
 184       break;
 185     case atLiftDrag:      // Copy forces into wind axes
 186       vFw = vFnative;
 187       vFw(eDrag)*=-1; vFw(eLift)*=-1;
 188       vForces = in.Tw2b*vFw;
 189       break;
 190     case atAxialNormal:   // Convert native forces into Axial|Normal|Side system
 191       vFw = in.Tb2w*vFnative;
 192       vFnative(eX)*=-1; vFnative(eZ)*=-1;
 193       vForces = vFnative;
 194       break;
 195     default:
 196       cerr << endl << "  A proper axis type has NOT been selected. Check "
 197                    << "your aerodynamics definition." << endl;
 198       exit(-1);
 199   }
 200
 201   // Calculate lift coefficient squared
 202   if ( in.Qbar > 0) {
 203     clsq = vFw(eLift) / (in.Wingarea*in.Qbar);
 204     clsq *= clsq;
 205   }
 206
 207   // Calculate lift Lift over Drag
 208   if ( fabs(vFw(eDrag)) > 0.0) lod = fabs( vFw(eLift) / vFw(eDrag) );
 209
 210   // Calculate aerodynamic reference point shift, if any. The shift
 211   // takes place in the structual axis. That is, if the shift is positive,
 212   // it is towards the back (tail) of the vehicle. The AeroRPShift
 213   // function should be non-dimensionalized by the wing chord. The
 214   // calculated vDeltaRP will be in feet.
 215   if (AeroRPShift) vDeltaRP(eX) = AeroRPShift->GetValue()*in.Wingchord;
 216
 217   vDXYZcg(eX) = in.RPBody(eX) - vDeltaRP(eX); // vDeltaRP is given in the structural frame
 218   vDXYZcg(eY) = in.RPBody(eY) + vDeltaRP(eY);
 219   vDXYZcg(eZ) = in.RPBody(eZ) - vDeltaRP(eZ);
 220
 221   vMoments = vDXYZcg*vForces; // M = r X F
 222
 223   for (axis_ctr = 0; axis_ctr < 3; axis_ctr++) {
 224     for (ctr = 0; ctr < AeroFunctions[axis_ctr+3].size(); ctr++) {
 225       vMoments(axis_ctr+1) += AeroFunctions[axis_ctr+3][ctr]->GetValue();
 226     }
 227   }
 228
 229   RunPostFunctions();
 230
 231   return false;
 232 }
 233
 234 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 235
 236 bool FGAerodynamics::Load(Element *element)
 237 {
 238   string parameter, axis, scratch;
 239   string scratch_unit="";
 240   string fname="", file="";
 241   Element *temp_element, *axis_element, *function_element;
 242
 243   string separator = "/";
 244
 245   fname = element->GetAttributeValue("file");
 246   if (!fname.empty()) {
 247     file = FDMExec->GetFullAircraftPath() + separator + fname;
 248     document = LoadXMLDocument(file);
 249     if (document == 0L) return false;
 250   } else {
 251     document = element;
 252   }
 253
 254   FGModel::Load(document); // Perform base class Pre-Load
 255
 256   DetermineAxisSystem(); // Detemine if Lift/Side/Drag, etc. is used.
 257
 258   Debug(2);
 259
 260   if ((temp_element = document->FindElement("alphalimits"))) {
 261     scratch_unit = temp_element->GetAttributeValue("unit");
 262     if (scratch_unit.empty()) scratch_unit = "RAD";
 263     alphaclmin = temp_element->FindElementValueAsNumberConvertFromTo("min", scratch_unit, "RAD");
 264     alphaclmax = temp_element->FindElementValueAsNumberConvertFromTo("max", scratch_unit, "RAD");
 265   }
 266
 267   if ((temp_element = document->FindElement("hysteresis_limits"))) {
 268     scratch_unit = temp_element->GetAttributeValue("unit");
 269     if (scratch_unit.empty()) scratch_unit = "RAD";
 270     alphahystmin = temp_element->FindElementValueAsNumberConvertFromTo("min", scratch_unit, "RAD");
 271     alphahystmax = temp_element->FindElementValueAsNumberConvertFromTo("max", scratch_unit, "RAD");
 272   }
 273
 274   if ((temp_element = document->FindElement("aero_ref_pt_shift_x"))) {
 275     function_element = temp_element->FindElement("function");
 276     AeroRPShift = new FGFunction(PropertyManager, function_element);
 277   }
 278
 279   axis_element = document->FindElement("axis");
 280   while (axis_element) {
 281     AeroFunctionArray ca;
 282     axis = axis_element->GetAttributeValue("name");
 283     function_element = axis_element->FindElement("function");
 284     while (function_element) {
 285       string current_func_name = function_element->GetAttributeValue("name");
 286       try {
 287         ca.push_back( new FGFunction(PropertyManager, function_element) );
 288       } catch (string const str) {
 289         cerr << endl << fgred << "Error loading aerodynamic function in "
 290              << current_func_name << ":" << str << " Aborting." << reset << endl;
 291         return false;
 292       }
 293       function_element = axis_element->FindNextElement("function");
 294     }
 295     AeroFunctions[AxisIdx[axis]] = ca;
 296     axis_element = document->FindNextElement("axis");
 297   }
 298
 299   PostLoad(document, PropertyManager); // Perform base class Post-Load
 300
 301   return true;
 302 }
 303
 304 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 305 //
 306 // This private class function checks to verify consistency in the choice of
 307 // aerodynamic axes used in the config file. One set of LIFT|DRAG|SIDE, or
 308 // X|Y|Z, or AXIAL|NORMAL|SIDE must be chosen; mixed system axes are not allowed.
 309 // Note that if the "SIDE" axis specifier is entered first in a config file,
 310 // a warning message will be given IF the AXIAL|NORMAL specifiers are also given.
 311 // This is OK, and the warning is due to the SIDE specifier used for both
 312 // the Lift/Drag and Axial/Normal axis systems.
 313
 314 void FGAerodynamics::DetermineAxisSystem()
 315 {
 316   Element* axis_element = document->FindElement("axis");
 317   string axis;
 318   while (axis_element) {
 319     axis = axis_element->GetAttributeValue("name");
 320     if (axis == "LIFT" || axis == "DRAG") {
 321       if (axisType == atNone) axisType = atLiftDrag;
 322       else if (axisType != atLiftDrag) {
 323         cerr << endl << "  Mixed aerodynamic axis systems have been used in the"
 324                      << " aircraft config file. (LIFT DRAG)" << endl;
 325       }
 326     } else if (axis == "SIDE") {
 327       if (axisType != atNone && axisType != atLiftDrag && axisType != atAxialNormal) {
 328         cerr << endl << "  Mixed aerodynamic axis systems have been used in the"
 329                      << " aircraft config file. (SIDE)" << endl;
 330       }
 331     } else if (axis == "AXIAL" || axis == "NORMAL") {
 332       if (axisType == atNone) axisType = atAxialNormal;
 333       else if (axisType != atAxialNormal) {
 334         cerr << endl << "  Mixed aerodynamic axis systems have been used in the"
 335                      << " aircraft config file. (NORMAL AXIAL)" << endl;
 336       }
 337     } else if (axis == "X" || axis == "Y" || axis == "Z") {
 338       if (axisType == atNone) axisType = atBodyXYZ;
 339       else if (axisType != atBodyXYZ) {
 340         cerr << endl << "  Mixed aerodynamic axis systems have been used in the"
 341                      << " aircraft config file. (XYZ)" << endl;
 342       }
 343     } else if (axis != "ROLL" && axis != "PITCH" && axis != "YAW") { // error
 344       cerr << endl << "  An unknown axis type, " << axis << " has been specified"
 345                    << " in the aircraft configuration file." << endl;
 346       exit(-1);
 347     }
 348     axis_element = document->FindNextElement("axis");
 349   }
 350   if (axisType == atNone) {
 351     axisType = atLiftDrag;
 352     cerr << endl << "  The aerodynamic axis system has been set by default"
 353                  << " to the Lift/Side/Drag system." << endl;
 354   }
 355 }
 356
 357 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 358
 359 string FGAerodynamics::GetAeroFunctionStrings(const string& delimeter) const
 360 {
 361   string AeroFunctionStrings = "";
 362   bool firstime = true;
 363   unsigned int axis, sd;
 364
 365   for (axis = 0; axis < 6; axis++) {
 366     for (sd = 0; sd < AeroFunctions[axis].size(); sd++) {
 367       if (firstime) {
 368         firstime = false;
 369       } else {
 370         AeroFunctionStrings += delimeter;
 371       }
 372       AeroFunctionStrings += AeroFunctions[axis][sd]->GetName();
 373     }
 374   }
 375
 376   string FunctionStrings = FGModelFunctions::GetFunctionStrings(delimeter);
 377
 378   if (FunctionStrings.size() > 0) {
 379     if (AeroFunctionStrings.size() > 0) {
 380       AeroFunctionStrings += delimeter + FunctionStrings;
 381     } else {
 382       AeroFunctionStrings = FunctionStrings;
 383     }
 384   }
 385
 386   return AeroFunctionStrings;
 387 }
 388
 389 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 390
 391 string FGAerodynamics::GetAeroFunctionValues(const string& delimeter) const
 392 {
 393   ostringstream buf;
 394
 395   for (unsigned int axis = 0; axis < 6; axis++) {
 396     for (unsigned int sd = 0; sd < AeroFunctions[axis].size(); sd++) {
 397       if (buf.tellp() > 0) buf << delimeter;
 398       buf << AeroFunctions[axis][sd]->GetValue();
 399     }
 400   }
 401
 402   string FunctionValues = FGModelFunctions::GetFunctionValues(delimeter);
 403
 404   if (FunctionValues.size() > 0) {
 405     if (buf.str().size() > 0) {
 406       buf << delimeter << FunctionValues;
 407     } else {
 408       buf << FunctionValues;
 409     }
 410   }
 411
 412   return buf.str();
 413 }
 414
 415 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 416
 417 void FGAerodynamics::bind(void)
 418 {
 419   typedef double (FGAerodynamics::*PMF)(int) const;
 420
 421   PropertyManager->Tie("forces/fbx-aero-lbs", this,1,
 422                        (PMF)&FGAerodynamics::GetForces);
 423   PropertyManager->Tie("forces/fby-aero-lbs", this,2,
 424                        (PMF)&FGAerodynamics::GetForces);
 425   PropertyManager->Tie("forces/fbz-aero-lbs", this,3,
 426                        (PMF)&FGAerodynamics::GetForces);
 427   PropertyManager->Tie("moments/l-aero-lbsft", this,1,
 428                        (PMF)&FGAerodynamics::GetMoments);
 429   PropertyManager->Tie("moments/m-aero-lbsft", this,2,
 430                        (PMF)&FGAerodynamics::GetMoments);
 431   PropertyManager->Tie("moments/n-aero-lbsft", this,3,
 432                        (PMF)&FGAerodynamics::GetMoments);
 433   PropertyManager->Tie("forces/fwx-aero-lbs", this,1,
 434                        (PMF)&FGAerodynamics::GetvFw);
 435   PropertyManager->Tie("forces/fwy-aero-lbs", this,2,
 436                        (PMF)&FGAerodynamics::GetvFw);
 437   PropertyManager->Tie("forces/fwz-aero-lbs", this,3,
 438                        (PMF)&FGAerodynamics::GetvFw);
 439   PropertyManager->Tie("forces/lod-norm", this,
 440                        &FGAerodynamics::GetLoD);
 441   PropertyManager->Tie("aero/cl-squared", this,
 442                        &FGAerodynamics::GetClSquared);
 443   PropertyManager->Tie("aero/qbar-area", &qbar_area);
 444   PropertyManager->Tie("aero/alpha-max-rad", this,
 445                        &FGAerodynamics::GetAlphaCLMax,
 446                        &FGAerodynamics::SetAlphaCLMax,
 447                        true);
 448   PropertyManager->Tie("aero/alpha-min-rad", this,
 449                        &FGAerodynamics::GetAlphaCLMin,
 450                        &FGAerodynamics::SetAlphaCLMin,
 451                        true);
 452   PropertyManager->Tie("aero/bi2vel", this,
 453                        &FGAerodynamics::GetBI2Vel);
 454   PropertyManager->Tie("aero/ci2vel", this,
 455                        &FGAerodynamics::GetCI2Vel);
 456   PropertyManager->Tie("aero/alpha-wing-rad", this,
 457                        &FGAerodynamics::GetAlphaW);
 458   PropertyManager->Tie("systems/stall-warn-norm", this,
 459                         &FGAerodynamics::GetStallWarn);
 460   PropertyManager->Tie("aero/stall-hyst-norm", this,
 461                         &FGAerodynamics::GetHysteresisParm);
 462 }
 463
 464 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 465 //    The bitmasked value choices are as follows:
 466 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 467 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 468 //       the config files as they are read. If the environment
 469 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 470 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 471 //       whatsoever.
 472 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 473 //       startup messages
 474 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 475 //       a class is instantiated
 476 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 477 //       FGModel object executes its Run() method
 478 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 479 //       are printed out periodically
 480 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 481 //       a message is printed out when they go out of bounds
 482
 483 void FGAerodynamics::Debug(int from)
 484 {
 485   if (debug_lvl <= 0) return;
 486
 487   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 488     if (from == 2) { // Loader
 489       switch (axisType) {
 490         case (atLiftDrag):
 491           cout << endl << "  Aerodynamics (Lift|Side|Drag axes):" << endl << endl;
 492           break;
 493         case (atAxialNormal):
 494           cout << endl << "  Aerodynamics (Axial|Side|Normal axes):" << endl << endl;
 495           break;
 496         case (atBodyXYZ):
 497           cout << endl << "  Aerodynamics (X|Y|Z axes):" << endl << endl;
 498           break;
 499       case (atNone):
 500           cout << endl << "  Aerodynamics (undefined axes):" << endl << endl;
 501           break;
 502       }
 503     }
 504   }
 505   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 506     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGAerodynamics" << endl;
 507     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGAerodynamics" << endl;
 508   }
 509   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 510   }
 511   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 512   }
 513   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 514   }
 515   if (debug_lvl & 64) {
 516     if (from == 0) { // Constructor
 517       cout << IdSrc << endl;
 518       cout << IdHdr << endl;
 519     }
 520   }
 521 }
 522
 523 } // namespace JSBSim