src/FDM/LaRCsimIC.cxx

   1 /*******************************************************************************
   2
   3  Header:       LaRCsimIC.cxx
   4  Author:       Tony Peden
   5  Date started: 10/9/99
   6
   7  ------------- Copyright (C) 1999  Anthony K. Peden (apeden@earthlink.net) -------------
   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
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  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
  27
  28 #include "FDM/LaRCsimIC.hxx"
  29 #include <FDM/LaRCsim/ls_cockpit.h>
  30 #include <FDM/LaRCsim/ls_generic.h>
  31 #include <FDM/LaRCsim/ls_interface.h>
  32 #include <FDM/LaRCsim/atmos_62.h>
  33 #include <FDM/LaRCsim/ls_constants.h>
  34 #include <FDM/LaRCsim/ls_geodesy.h>
  35 #include <math.h>
  36 #include <iostream>
  37
  38 LaRCsimIC::LaRCsimIC(void) {
  39   vt=vtg=vw=vc=ve=0;
  40   mach=0;
  41   alpha=beta=gamma=0;
  42   theta=phi=psi=0;
  43   altitude=runway_altitude=hdot=alt_agl=0;
  44   latitude_gd=latitude_gc=longitude=0;
  45   u=v=w=0;
  46   vnorth=veast=vdown=0;
  47   vnorthwind=veastwind=vdownwind=0;
  48   lastSpeedSet=lssetvt;
  49   lastAltSet=lssetasl;
  50   get_atmosphere();
  51   ls_geod_to_geoc( latitude_gd,altitude,&sea_level_radius,&latitude_gc);
  52
  53 }
  54
  55
  56 LaRCsimIC::~LaRCsimIC(void) {}
  57
  58 void LaRCsimIC::get_atmosphere(void) {
  59   Altitude=altitude; //set LaRCsim variable
  60   ls_atmos(Altitude, &density_ratio, &soundspeed, &T, &p);
  61   rho=density_ratio*SEA_LEVEL_DENSITY;
  62 }
  63
  64 void LaRCsimIC::SetVcalibratedKtsIC( SCALAR tt) {
  65     vc=tt*KTS_TO_FPS;
  66     lastSpeedSet=lssetvc;
  67     vt=sqrt(1/density_ratio*vc*vc);
  68 }
  69
  70 void LaRCsimIC::SetVtrueFpsIC( SCALAR tt) {
  71   vt=tt;
  72   lastSpeedSet=lssetvt;
  73 }
  74
  75 void LaRCsimIC::SetMachIC( SCALAR tt) {
  76   mach=tt;
  77   vt=mach*soundspeed;
  78   lastSpeedSet=lssetmach;
  79 }
  80
  81 void LaRCsimIC::SetVequivalentKtsIC(SCALAR tt) {
  82   ve=tt*KTS_TO_FPS;
  83   lastSpeedSet=lssetve;
  84   vt=sqrt(SEA_LEVEL_DENSITY/rho)*ve;
  85 }
  86
  87 void LaRCsimIC::SetClimbRateFpmIC( SCALAR tt) {
  88   SetClimbRateFpsIC(tt/60.0);
  89 }
  90
  91 void LaRCsimIC::SetClimbRateFpsIC( SCALAR tt) {
  92   vtg=vt+vw;
  93   cout << "vtg: " << vtg << endl;
  94   if(vtg > 0.1) {
  95     hdot = tt - vdownwind;
  96     gamma=asin(hdot/vtg);
  97     getTheta();
  98     vdown=-1*hdot;
  99     cout << "hdot: " << hdot << endl;
 100     cout << "gamma: " << gamma*RAD_TO_DEG << endl;
 101     cout << "vdown: " << vdown << endl;
 102   }
 103 }
 104
 105 void LaRCsimIC::SetFlightPathAngleRadIC( SCALAR tt) {
 106   gamma=tt;
 107   getTheta();
 108   vtg=vt+vw;
 109   hdot=vtg*sin(tt);
 110   cout << "hdot: " << hdot << endl;
 111   vdown=-1*hdot;
 112 }
 113
 114 void LaRCsimIC::SetPitchAngleRadIC(SCALAR tt) {
 115   if(alt_agl < (DEFAULT_AGL_ALT + 0.1) || vt < 10 )
 116     theta=DEFAULT_PITCH_ON_GROUND;
 117   else
 118     theta=tt;
 119   getAlpha();
 120 }
 121
 122 void LaRCsimIC::SetUVWFpsIC(SCALAR vu, SCALAR vv, SCALAR vw) {
 123   u=vu; v=vv; w=vw;
 124   vt=sqrt(u*u+v*v+w*w);
 125   lastSpeedSet=lssetuvw;
 126 }
 127
 128
 129 void LaRCsimIC::SetVNEDAirmassFpsIC(SCALAR north, SCALAR east, SCALAR down ) {
 130   vnorthwind=north; veastwind=east; vdownwind=down;
 131   vw=sqrt(vnorthwind*vnorthwind + veastwind*veastwind + vdownwind*vdownwind);
 132   vtg=vt+vw;
 133   SetClimbRateFpsIC(-1*(vdown+vdownwind));
 134 }
 135
 136 void LaRCsimIC::SetAltitudeFtIC( SCALAR tt) {
 137   if(tt > (runway_altitude + DEFAULT_AGL_ALT)) {
 138     altitude=tt;
 139   } else {
 140     altitude=runway_altitude + DEFAULT_AGL_ALT;
 141     alt_agl=DEFAULT_AGL_ALT;
 142     theta=DEFAULT_PITCH_ON_GROUND;
 143   }
 144   lastAltSet=lssetasl;
 145   get_atmosphere();
 146   //lets try to make sure the user gets what they intended
 147
 148   switch(lastSpeedSet) {
 149   case lssetned:
 150     calcVtfromNED();
 151     break;
 152   case lssetuvw:
 153   case lssetvt:
 154     SetVtrueFpsIC(vt);
 155     break;
 156   case lssetvc:
 157     SetVcalibratedKtsIC(vc*V_TO_KNOTS);
 158     break;
 159   case lssetve:
 160     SetVequivalentKtsIC(ve*V_TO_KNOTS);
 161     break;
 162   case lssetmach:
 163     SetMachIC(mach);
 164     break;
 165   }
 166 }
 167
 168 void LaRCsimIC::SetAltitudeAGLFtIC( SCALAR tt) {
 169   alt_agl=tt;
 170   lastAltSet=lssetagl;
 171   altitude=runway_altitude + alt_agl;
 172 }
 173
 174 void LaRCsimIC::SetRunwayAltitudeFtIC( SCALAR tt) {
 175   runway_altitude=tt;
 176   if(lastAltSet == lssetagl)
 177       altitude = runway_altitude + alt_agl;
 178 }
 179
 180 void LaRCsimIC::calcVtfromNED(void) {
 181   //take the earth's rotation out of veast first
 182   //float veastner = veast- OMEGA_EARTH*sea_level_radius*cos( latitude_gd );
 183   float veastner=veast;
 184   u = (vnorth - vnorthwind)*cos(theta)*cos(psi) +
 185       (veastner - veastwind)*cos(theta)*sin(psi) -
 186       (vdown - vdownwind)*sin(theta);
 187   v = (vnorth - vnorthwind)*(sin(phi)*sin(theta)*cos(psi) - cos(phi)*sin(psi)) +
 188       (veastner - veastwind)*(sin(phi)*sin(theta)*sin(psi) + cos(phi)*cos(psi)) +
 189       (vdown - vdownwind)*sin(phi)*cos(theta);
 190   w = (vnorth - vnorthwind)*(cos(phi)*sin(theta)*cos(psi) + sin(phi)*sin(psi)) +
 191       (veastner - veastwind)*(cos(phi)*sin(theta)*sin(psi) - sin(phi)*cos(psi)) +
 192       (vdown - vdownwind)*cos(phi)*cos(theta);
 193   vt = sqrt(u*u + v*v + w*w);
 194 }
 195
 196 void LaRCsimIC::calcNEDfromVt(void) {
 197   float veastner;
 198
 199   //get the body components of vt
 200   u = GetUBodyFpsIC();
 201   v = GetVBodyFpsIC();
 202   w = GetWBodyFpsIC();
 203
 204   //transform them to local axes and add on the wind components
 205   vnorth = u*cos(theta)*cos(psi) +
 206            v*(sin(phi)*sin(theta)*cos(psi) - cos(phi)*sin(psi)) +
 207            w*(cos(phi)*sin(theta)*cos(psi) + sin(phi)*sin(psi)) +
 208            vnorthwind;
 209
 210   //need to account for the earth's rotation here
 211   veastner = u*cos(theta)*sin(psi) +
 212              v*(sin(phi)*sin(theta)*sin(psi) + cos(phi)*cos(psi)) +
 213              w*(cos(phi)*sin(theta)*sin(psi) - sin(phi)*cos(psi)) +
 214              veastwind;
 215   veast = veastner;
 216   //veast = veastner + OMEGA_EARTH*sea_level_radius*cos( latitude_gd );
 217
 218   vdown =  u*sin(theta) +
 219            v*sin(phi)*cos(theta) +
 220            w*cos(phi)*cos(theta) +
 221            vdownwind;
 222 }
 223
 224 void LaRCsimIC::SetVNEDFpsIC( SCALAR north, SCALAR east, SCALAR down) {
 225   vnorth=north;
 226   veast=east;
 227   vdown=down;
 228   SetClimbRateFpsIC(-1*vdown);
 229   lastSpeedSet=lssetned;
 230   calcVtfromNED();
 231 }
 232
 233 void LaRCsimIC::SetLatitudeGDRadIC(SCALAR tt) {
 234   latitude_gd=tt;
 235   ls_geod_to_geoc(latitude_gd,altitude,&sea_level_radius, &latitude_gc);
 236 }
 237
 238 bool LaRCsimIC::getAlpha(void) {
 239   bool result=false;
 240   float guess=theta-gamma;
 241   xlo=xhi=0;
 242   xmin=-89;
 243   xmax=89;
 244   sfunc=&LaRCsimIC::GammaEqOfAlpha;
 245   if(findInterval(0,guess)){
 246     if(solve(&alpha,0)){
 247       result=true;
 248     }
 249   }
 250   return result;
 251 }
 252
 253
 254 bool LaRCsimIC::getTheta(void) {
 255   bool result=false;
 256   float guess=alpha+gamma;
 257   xlo=xhi=0;
 258   xmin=-89;xmax=89;
 259   sfunc=&LaRCsimIC::GammaEqOfTheta;
 260   if(findInterval(0,guess)){
 261     if(solve(&theta,0)){
 262       result=true;
 263     }
 264   }
 265   return result;
 266 }
 267
 268
 269
 270 SCALAR LaRCsimIC::GammaEqOfTheta( SCALAR theta_arg) {
 271   SCALAR a,b,c;
 272
 273   a=cos(alpha)*cos(beta)*sin(theta_arg);
 274   b=sin(beta)*sin(phi);
 275   c=sin(alpha)*cos(beta)*cos(phi);
 276   return sin(gamma)-a+(b+c)*cos(theta_arg);
 277 }
 278
 279 SCALAR LaRCsimIC::GammaEqOfAlpha( SCALAR alpha_arg) {
 280   float a,b,c;
 281
 282   a=cos(alpha_arg)*cos(beta)*sin(theta);
 283   b=sin(beta)*sin(phi);
 284   c=sin(alpha_arg)*cos(beta)*cos(phi);
 285   return sin(gamma)-a+(b+c)*cos(theta);
 286 }
 287
 288
 289
 290
 291
 292
 293 bool LaRCsimIC::findInterval( SCALAR x,SCALAR guess) {
 294   //void find_interval(inter_params &ip,eqfunc f,float y,float constant, int &flag){
 295
 296   int i=0;
 297   bool found=false;
 298   float flo,fhi,fguess;
 299   float lo,hi,step;
 300   step=0.1;
 301   fguess=(this->*sfunc)(guess)-x;
 302   lo=hi=guess;
 303   do {
 304     step=2*step;
 305     lo-=step;
 306     hi+=step;
 307     if(lo < xmin) lo=xmin;
 308     if(hi > xmax) hi=xmax;
 309     i++;
 310     flo=(this->*sfunc)(lo)-x;
 311     fhi=(this->*sfunc)(hi)-x;
 312     if(flo*fhi <=0) {  //found interval with root
 313       found=true;
 314       if(flo*fguess <= 0) {  //narrow interval down a bit
 315         hi=lo+step;    //to pass solver interval that is as
 316         //small as possible
 317       }
 318       else if(fhi*fguess <= 0) {
 319         lo=hi-step;
 320       }
 321     }
 322     //cout << "findInterval: i=" << i << " Lo= " << lo << " Hi= " << hi << endl;
 323   }
 324   while((found == 0) && (i <= 100));
 325   xlo=lo;
 326   xhi=hi;
 327   return found;
 328 }
 329
 330
 331
 332
 333 bool LaRCsimIC::solve( SCALAR *y,SCALAR x) {
 334   float x1,x2,x3,f1,f2,f3,d,d0;
 335   float eps=1E-5;
 336   float const relax =0.9;
 337   int i;
 338   bool success=false;
 339
 340    //initializations
 341   d=1;
 342
 343     x1=xlo;x3=xhi;
 344     f1=(this->*sfunc)(x1)-x;
 345     f3=(this->*sfunc)(x3)-x;
 346     d0=fabs(x3-x1);
 347
 348     //iterations
 349     i=0;
 350     while ((fabs(d) > eps) && (i < 100)) {
 351       d=(x3-x1)/d0;
 352       x2=x1-d*d0*f1/(f3-f1);
 353
 354       f2=(this->*sfunc)(x2)-x;
 355       //cout << "solve x1,x2,x3: " << x1 << "," << x2 << "," << x3 << endl;
 356       //cout << "                " << f1 << "," << f2 << "," << f3 << endl;
 357
 358       if(fabs(f2) <= 0.001) {
 359         x1=x3=x2;
 360       } else if(f1*f2 <= 0.0) {
 361         x3=x2;
 362         f3=f2;
 363         f1=relax*f1;
 364       } else if(f2*f3 <= 0) {
 365         x1=x2;
 366         f1=f2;
 367         f3=relax*f3;
 368       }
 369       //cout << i << endl;
 370       i++;
 371     }//end while
 372     if(i < 100) {
 373       success=true;
 374       *y=x2;
 375     }
 376
 377   //cout << "Success= " << success << " Vcas: " << vcas*V_TO_KNOTS << " Mach: " << x2 << endl;
 378   return success;
 379 }