src/FDM/YASim/Airplane.cpp

   1 #include "Atmosphere.hpp"
   2 #include "ControlMap.hpp"
   3 #include "Gear.hpp"
   4 #include "Math.hpp"
   5 #include "Glue.hpp"
   6 #include "RigidBody.hpp"
   7 #include "Surface.hpp"
   8 #include "Rotorpart.hpp"
   9 #include "Thruster.hpp"
  10 #include "Hitch.hpp"
  11 #include "Airplane.hpp"
  12
  13 namespace yasim {
  14
  15 // gadgets
  16 inline float norm(float f) { return f<1 ? 1/f : f; }
  17 inline float abs(float f) { return f<0 ? -f : f; }
  18
  19 // Solver threshold.  How close to the solution are we trying
  20 // to get?  Trying too hard can result in oscillations about
  21 // the correct solution, which is bad.  Stick this in as a
  22 // compile time constant for now, and consider making it
  23 // settable per-model.
  24 const float STHRESH = 1;
  25
  26 // How slowly do we change values in the solver.  Too slow, and
  27 // the solution converges very slowly.  Too fast, and it can
  28 // oscillate.
  29 const float SOLVE_TWEAK = 0.3226;
  30
  31 Airplane::Airplane()
  32 {
  33     _emptyWeight = 0;
  34     _pilotPos[0] = _pilotPos[1] = _pilotPos[2] = 0;
  35     _wing = 0;
  36     _tail = 0;
  37     _ballast = 0;
  38     _cruiseP = 0;
  39     _cruiseT = 0;
  40     _cruiseSpeed = 0;
  41     _cruiseWeight = 0;
  42     _cruiseGlideAngle = 0;
  43     _approachP = 0;
  44     _approachT = 0;
  45     _approachSpeed = 0;
  46     _approachAoA = 0;
  47     _approachWeight = 0;
  48     _approachGlideAngle = 0;
  49
  50     _dragFactor = 1;
  51     _liftRatio = 1;
  52     _cruiseAoA = 0;
  53     _tailIncidence = 0;
  54 }
  55
  56 Airplane::~Airplane()
  57 {
  58     int i;
  59     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  60         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  61     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  62         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  63     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  64         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  65     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
  66         GearRec* g = (GearRec*)_gears.get(i);
  67         delete g->gear;
  68         delete g;
  69     }
  70     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  71         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  72     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
  73         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
  74         delete c->gear;
  75         delete c;
  76     }
  77     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++)
  78         delete (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
  79     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++)
  80         delete (Control*)_cruiseControls.get(i);
  81     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
  82         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
  83         if(c != &_approachElevator)
  84             delete c;
  85     }
  86     delete _wing;
  87     delete _tail;
  88     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
  89         delete (Wing*)_vstabs.get(i);
  90     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
  91         delete (WeightRec*)_weights.get(i);
  92 }
  93
  94 void Airplane::iterate(float dt)
  95 {
  96     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  97     updateGearState();
  98
  99     _model.iterate();
 100 }
 101
 102 void Airplane::calcFuelWeights()
 103 {
 104     for(int i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 105         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 106         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->fill);
 107     }
 108 }
 109
 110 ControlMap* Airplane::getControlMap()
 111 {
 112     return &_controls;
 113 }
 114
 115 Model* Airplane::getModel()
 116 {
 117     return &_model;
 118 }
 119
 120 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
 121 {
 122     State* s = _model.getState();
 123
 124     // Gravity
 125     Glue::geodUp(s->pos, out);
 126     Math::mul3(-9.8f, out, out);
 127
 128     // The regular acceleration
 129     float tmp[3];
 130     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
 131     Math::add3(tmp, out, out);
 132
 133     // Convert to aircraft coordinates
 134     Math::vmul33(s->orient, out, out);
 135
 136     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
 137 }
 138
 139 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
 140 {
 141     int i;
 142     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 143 }
 144
 145 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 146 {
 147     int i;
 148     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 149 }
 150
 151 int Airplane::numGear()
 152 {
 153     return _gears.size();
 154 }
 155
 156 Gear* Airplane::getGear(int g)
 157 {
 158     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 159 }
 160
 161 Hook* Airplane::getHook()
 162 {
 163     return _model.getHook();
 164 }
 165
 166 Launchbar* Airplane::getLaunchbar()
 167 {
 168     return _model.getLaunchbar();
 169 }
 170
 171 Rotorgear* Airplane::getRotorgear()
 172 {
 173     return _model.getRotorgear();
 174 }
 175
 176 void Airplane::updateGearState()
 177 {
 178     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 179         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 180         float ext = gr->gear->getExtension();
 181
 182         gr->surf->setXDrag(ext);
 183         gr->surf->setYDrag(ext);
 184         gr->surf->setZDrag(ext);
 185     }
 186 }
 187
 188 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa, float fuel, float gla)
 189 {
 190     _approachSpeed = speed;
 191     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 192     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 193     _approachAoA = aoa;
 194     _approachFuel = fuel;
 195     _approachGlideAngle = gla;
 196 }
 197
 198 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude, float fuel, float gla)
 199 {
 200     _cruiseSpeed = speed;
 201     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 202     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 203     _cruiseAoA = 0;
 204     _tailIncidence = 0;
 205     _cruiseFuel = fuel;
 206     _cruiseGlideAngle = gla;
 207 }
 208
 209 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 210 {
 211     _approachElevator.control = control;
 212     _approachElevator.val = 0;
 213     _approachControls.add(&_approachElevator);
 214 }
 215
 216 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 217 {
 218     Control* c = new Control();
 219     c->control = control;
 220     c->val = val;
 221     _approachControls.add(c);
 222 }
 223
 224 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 225 {
 226     Control* c = new Control();
 227     c->control = control;
 228     c->val = val;
 229     _cruiseControls.add(c);
 230 }
 231
 232 void Airplane::addSolutionWeight(bool approach, int idx, float wgt)
 233 {
 234     SolveWeight* w = new SolveWeight();
 235     w->approach = approach;
 236     w->idx = idx;
 237     w->wgt = wgt;
 238     _solveWeights.add(w);
 239 }
 240
 241 int Airplane::numTanks()
 242 {
 243     return _tanks.size();
 244 }
 245
 246 float Airplane::getFuel(int tank)
 247 {
 248     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 249 }
 250
 251 float Airplane::setFuel(int tank, float fuel)
 252 {
 253     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill = fuel;
 254 }
 255
 256 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 257 {
 258     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 259 }
 260
 261 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 262 {
 263     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 264 }
 265
 266 void Airplane::setWeight(float weight)
 267 {
 268     _emptyWeight = weight;
 269 }
 270
 271 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 272 {
 273     _wing = wing;
 274 }
 275
 276 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 277 {
 278     _tail = tail;
 279 }
 280
 281 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 282 {
 283     _vstabs.add(vstab);
 284 }
 285
 286 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 287                            float taper, float mid,
 288                            float cx, float cy, float cz, float idrag)
 289 {
 290     Fuselage* f = new Fuselage();
 291     int i;
 292     for(i=0; i<3; i++) {
 293         f->front[i] = front[i];
 294         f->back[i]  = back[i];
 295     }
 296     f->width = width;
 297     f->taper = taper;
 298     f->mid = mid;
 299     f->_cx=cx;
 300     f->_cy=cy;
 301     f->_cz=cz;
 302     f->_idrag=idrag;
 303     _fuselages.add(f);
 304 }
 305
 306 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 307 {
 308     Tank* t = new Tank();
 309     int i;
 310     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 311     t->cap = cap;
 312     t->fill = cap;
 313     t->density = density;
 314     t->handle = 0xffffffff;
 315     return _tanks.add(t);
 316 }
 317
 318 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 319 {
 320     GearRec* g = new GearRec();
 321     g->gear = gear;
 322     g->surf = 0;
 323     _gears.add(g);
 324 }
 325
 326 void Airplane::addHook(Hook* hook)
 327 {
 328     _model.addHook(hook);
 329 }
 330
 331 void Airplane::addHitch(Hitch* hitch)
 332 {
 333     _model.addHitch(hitch);
 334 }
 335
 336 void Airplane::addLaunchbar(Launchbar* launchbar)
 337 {
 338     _model.addLaunchbar(launchbar);
 339 }
 340
 341 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 342 {
 343     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 344     t->thruster = thruster;
 345     t->mass = mass;
 346     int i;
 347     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 348     _thrusters.add(t);
 349 }
 350
 351 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 352 {
 353     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 354     _ballast += mass;
 355 }
 356
 357 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 358 {
 359     WeightRec* wr = new WeightRec();
 360     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 361
 362     wr->surf = new Surface();
 363     wr->surf->setPosition(pos);
 364     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 365     _model.addSurface(wr->surf);
 366     _surfs.add(wr->surf);
 367
 368     return _weights.add(wr);
 369 }
 370
 371 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 372 {
 373     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 374
 375     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 376
 377     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 378     // how we simulate droppable stores.
 379     if(mass == 0) {
 380         wr->surf->setXDrag(0);
 381         wr->surf->setYDrag(0);
 382         wr->surf->setZDrag(0);
 383     } else {
 384         wr->surf->setXDrag(1);
 385         wr->surf->setYDrag(1);
 386         wr->surf->setZDrag(1);
 387     }
 388 }
 389
 390 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 391 {
 392     int i;
 393     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 394         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 395         t->fill = frac * t->cap;
 396         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 397     }
 398 }
 399
 400 float Airplane::getDragCoefficient()
 401 {
 402     return _dragFactor;
 403 }
 404
 405 float Airplane::getLiftRatio()
 406 {
 407     return _liftRatio;
 408 }
 409
 410 float Airplane::getCruiseAoA()
 411 {
 412     return _cruiseAoA;
 413 }
 414
 415 float Airplane::getTailIncidence()
 416 {
 417     return _tailIncidence;
 418 }
 419
 420 const char* Airplane::getFailureMsg()
 421 {
 422     return _failureMsg;
 423 }
 424
 425 int Airplane::getSolutionIterations()
 426 {
 427     return _solutionIterations;
 428 }
 429
 430 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, float gla, State* s)
 431 {
 432     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 433     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 434     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 435     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 436     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 437
 438     s->v[0] = speed*Math::cos(gla); s->v[1] = -speed*Math::sin(gla); s->v[2] = 0;
 439
 440     int i;
 441     for(i=0; i<3; i++)
 442         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 443
 444     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 445     // Model goes nuts
 446     s->pos[2] = 1;
 447 }
 448
 449 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 450 {
 451     ContactRec* c = new ContactRec;
 452     c->gear = 0;
 453     c->p[0] = pos[0];
 454     c->p[1] = pos[1];
 455     c->p[2] = pos[2];
 456     _contacts.add(c);
 457 }
 458
 459 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 460 {
 461     // The tip of the wing is a contact point
 462     float tip[3];
 463     w->getTip(tip);
 464     addContactPoint(tip);
 465     if(w->isMirrored()) {
 466         tip[1] *= -1;
 467         addContactPoint(tip);
 468     }
 469
 470     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 471     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 472     // want.
 473     w->compile();
 474
 475     float wgt = 0;
 476     int i;
 477     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 478         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 479
 480         float td = s->getTotalDrag();
 481         s->setTotalDrag(td);
 482
 483         _model.addSurface(s);
 484
 485         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 486         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 487         float pos[3];
 488         s->getPosition(pos);
 489         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 490         wgt += mass;
 491     }
 492     return wgt;
 493 }
 494
 495 void Airplane::compileRotorgear()
 496 {
 497     getRotorgear()->compile();
 498 }
 499
 500 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 501 {
 502     // The front and back are contact points
 503     addContactPoint(f->front);
 504     addContactPoint(f->back);
 505
 506     float wgt = 0;
 507     float fwd[3];
 508     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 509     float len = Math::mag3(fwd);
 510     float wid = f->width;
 511     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 512     float segWgt = len*wid/segs;
 513     int j;
 514     for(j=0; j<segs; j++) {
 515         float frac = (j+0.5f) / segs;
 516
 517         float scale = 1;
 518         if(frac < f->mid)
 519             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 520         else
 521             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 522
 523         // Where are we?
 524         float pos[3];
 525         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 526         Math::add3(f->back, pos, pos);
 527
 528         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 529         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 530         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 531         wgt += mass;
 532
 533         // Make a Surface too
 534         Surface* s = new Surface();
 535         s->setPosition(pos);
 536         float sideDrag = len/wid;
 537         s->setYDrag(sideDrag*f->_cy);
 538         s->setZDrag(sideDrag*f->_cz);
 539         s->setTotalDrag(scale*segWgt*f->_cx);
 540         s->setInducedDrag(f->_idrag);
 541
 542         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 543         float o[9];
 544         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 545         Math::unit3(fwd, x);
 546         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 547         Math::cross3(x, y, z);
 548         Math::unit3(z, z);
 549         Math::cross3(z, x, y);
 550         s->setOrientation(o);
 551
 552         _model.addSurface(s);
 553         _surfs.add(s);
 554     }
 555     return wgt;
 556 }
 557
 558 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 559 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 560 {
 561     Gear* g = gr->gear;
 562
 563     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 564     Surface* s = new Surface();
 565     gr->surf = s;
 566
 567     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 568     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 569     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 570     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 571     float pos[3], cmp[3];
 572     g->getCompression(cmp);
 573     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 574     g->getPosition(pos);
 575     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 576     Math::add3(pos, cmp, pos);
 577
 578     s->setPosition(pos);
 579     s->setTotalDrag(length*length);
 580
 581     _model.addGear(g);
 582     _model.addSurface(s);
 583     _surfs.add(s);
 584 }
 585
 586 void Airplane::compileContactPoints()
 587 {
 588     // Figure it will compress by 20cm
 589     float comp[3];
 590     float DIST = 0.2f;
 591     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 592
 593     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 594     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 595     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 596     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 597     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 598
 599     int i;
 600     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 601         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
 602
 603         Gear* g = new Gear();
 604         c->gear = g;
 605         g->setPosition(c->p);
 606
 607         g->setCompression(comp);
 608         g->setSpring(spring);
 609         g->setDamping(damp);
 610         g->setBrake(1);
 611
 612         // I made these up
 613         g->setStaticFriction(0.6f);
 614         g->setDynamicFriction(0.5f);
 615         g->setContactPoint(1);
 616
 617         _model.addGear(g);
 618     }
 619 }
 620
 621 void Airplane::compile()
 622 {
 623     RigidBody* body = _model.getBody();
 624     int firstMass = body->numMasses();
 625
 626     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 627     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 628     // make the weight right.
 629     float aeroWgt = 0;
 630
 631     // The Wing objects
 632     if (_wing)
 633       aeroWgt += compileWing(_wing);
 634     if (_tail)
 635       aeroWgt += compileWing(_tail);
 636     int i;
 637     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
 638         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 639
 640
 641     // The fuselage(s)
 642     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
 643         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 644
 645     // Count up the absolute weight we have
 646     float nonAeroWgt = _ballast;
 647     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 648         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 649
 650     // Rescale to the specified empty weight
 651     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 652     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 653         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 654
 655     // Add the thruster masses
 656     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 657         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 658         body->addMass(t->mass, t->cg);
 659     }
 660
 661     // Add the tanks, empty for now.
 662     float totalFuel = 0;
 663     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 664         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 665         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 666         totalFuel += t->cap;
 667     }
 668     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 669     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 670
 671     body->recalc();
 672
 673     // Add surfaces for the landing gear.
 674     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 675         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 676
 677     // The Thruster objects
 678     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 679         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 680         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 681     }
 682
 683     // Ground effect
 684     if(_wing) {
 685         float gepos[3];
 686         float gespan = 0;
 687         gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 688         _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 689     }
 690
 691     solveGear();
 692     if(_wing && _tail) solve();
 693     else
 694     {
 695        // The rotor(s) mass:
 696        compileRotorgear();
 697        solveHelicopter();
 698     }
 699
 700     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 701     // we don't want to affect.
 702     compileContactPoints();
 703 }
 704
 705 void Airplane::solveGear()
 706 {
 707     float cg[3], pos[3];
 708     _model.getBody()->getCG(cg);
 709
 710     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 711     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 712     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 713     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 714     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 715     float total = 0;
 716     int i;
 717     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 718         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 719         Gear* g = gr->gear;
 720         g->getPosition(pos);
 721         Math::sub3(cg, pos, pos);
 722         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 723         if (!g->getIgnoreWhileSolving())
 724             total += gr->wgt;
 725     }
 726
 727     // Renormalize so they sum to 1
 728     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 729         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 730
 731     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 732     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 733     // a 3 degree approach.
 734     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 735
 736     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 737     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 738     // each gear.
 739     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 740
 741     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 742         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 743         float e = energy * gr->wgt;
 744         float comp[3];
 745         gr->gear->getCompression(comp);
 746         float len = Math::mag3(comp)*(1+2*gr->gear->getInitialLoad());
 747
 748         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 749         float k = 2 * e / (len*len);
 750
 751         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 752
 753         // Critically damped (too damped, too!)
 754         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 755                              * gr->gear->getDamping());
 756     }
 757 }
 758
 759 void Airplane::initEngines()
 760 {
 761     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 762         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 763         tr->thruster->init();
 764     }
 765 }
 766
 767 void Airplane::stabilizeThrust()
 768 {
 769     int i;
 770     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 771         _model.getThruster(i)->stabilize();
 772 }
 773
 774 void Airplane::setupWeights(bool isApproach)
 775 {
 776     int i;
 777     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
 778         setWeight(i, 0);
 779     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++) {
 780         SolveWeight* w = (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
 781         if(w->approach == isApproach)
 782             setWeight(w->idx, w->wgt);
 783     }
 784 }
 785
 786 void Airplane::runCruise()
 787 {
 788     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed,_approachGlideAngle, &_cruiseState);
 789     _model.setState(&_cruiseState);
 790     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 791                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 792
 793     // The control configuration
 794     _controls.reset();
 795     int i;
 796     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 797         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 798         _controls.setInput(c->control, c->val);
 799     }
 800     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 801
 802     // The local wind
 803     float wind[3];
 804     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 805     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 806
 807     setFuelFraction(_cruiseFuel);
 808     setupWeights(false);
 809
 810     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 811     // stabilizes.
 812     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 813         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 814         t->setWind(wind);
 815         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 816                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 817     }
 818     stabilizeThrust();
 819
 820     updateGearState();
 821
 822     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 823     _model.getBody()->recalc();
 824     _model.getBody()->reset();
 825     _model.initIteration();
 826     _model.calcForces(&_cruiseState);
 827 }
 828
 829 void Airplane::runApproach()
 830 {
 831     setupState(_approachAoA, _approachSpeed,_approachGlideAngle, &_approachState);
 832     _model.setState(&_approachState);
 833     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 834                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 835
 836     // The control configuration
 837     _controls.reset();
 838     int i;
 839     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 840         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 841         _controls.setInput(c->control, c->val);
 842     }
 843     _controls.applyControls(1000000);
 844
 845     // The local wind
 846     float wind[3];
 847     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 848     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 849
 850     setFuelFraction(_approachFuel);
 851
 852     setupWeights(true);
 853
 854     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 855     // this is lots of wasted work.
 856     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 857         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 858         t->setWind(wind);
 859         t->setAir(_approachP, _approachT,
 860                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 861     }
 862     stabilizeThrust();
 863
 864     updateGearState();
 865
 866     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 867     _model.getBody()->recalc();
 868     _model.getBody()->reset();
 869     _model.initIteration();
 870     _model.calcForces(&_approachState);
 871 }
 872
 873 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 874 {
 875     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 876     _dragFactor *= applied;
 877     if(_wing)
 878       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 879     if(_tail)
 880       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 881     int i;
 882     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 883         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 884         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 885     }
 886     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 887         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 888         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 889     }
 890 }
 891
 892 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 893 {
 894     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 895     _liftRatio *= applied;
 896     if(_wing)
 897       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 898     if(_tail)
 899       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 900     int i;
 901     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 902         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 903         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 904     }
 905 }
 906
 907 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 908 {
 909     if(val < min) return min;
 910     if(val > max) return max;
 911     return val;
 912 }
 913
 914 float Airplane::normFactor(float f)
 915 {
 916     if(f < 0) f = -f;
 917     if(f < 1) f = 1/f;
 918     return f;
 919 }
 920
 921 void Airplane::solve()
 922 {
 923     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 924
 925     float tmp[3];
 926     _solutionIterations = 0;
 927     _failureMsg = 0;
 928
 929     while(1) {
 930         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 931             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 932             return;
 933         }
 934
 935         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 936         runCruise();
 937
 938         _model.getThrust(tmp);
 939         float thrust = tmp[0] + _cruiseWeight * Math::sin(_cruiseGlideAngle) * 9.81;
 940
 941         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 942         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 943         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 944         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 945
 946         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 947         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 948         float pitch0 = tmp[1];
 949
 950         // Run an approach iteration, and do likewise
 951         runApproach();
 952
 953         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 954         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 955         double apitch0 = tmp[1];
 956
 957         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 958         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 959         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 960
 961         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 962         _cruiseAoA += ARCMIN;
 963         runCruise();
 964         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 965
 966         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 967         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 968         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 969
 970         // Do the same with the tail incidence
 971         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 972         runCruise();
 973         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 974
 975         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 976         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 977         float pitch1 = tmp[1];
 978
 979         // Now calculate:
 980         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 981
 982         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 983         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 984         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 985         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 986
 987         // Sanity:
 988         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 989             break;
 990
 991         // And the elevator control in the approach.  This works just
 992         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 993         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 994         // variable).
 995         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 996         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 997         runApproach();
 998         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 999
1000         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
1001         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
1002         double apitch1 = tmp[1];
1003         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
1004
1005         // Now apply the values we just computed.  Note that the
1006         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
1007         // numbers in the right ballpark.
1008
1009         applyDragFactor(dragFactor);
1010         applyLiftRatio(liftFactor);
1011
1012         // DON'T do the following until the above are sane
1013         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
1014            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
1015         {
1016             continue;
1017         }
1018
1019         // OK, now we can adjust the minor variables:
1020         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
1021         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
1022
1023         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
1024         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
1025
1026         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1027            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1028            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
1029            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1030         {
1031             // If this finaly value is OK, then we're all done
1032             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1033                 break;
1034
1035             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1036             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1037             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1038                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1039                 break;
1040             }
1041         }
1042     }
1043
1044     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1045         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1046         return;
1047     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1048         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1049         return;
1050     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1051         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1052         return;
1053     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1054         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1055         return;
1056     }
1057 }
1058
1059 void Airplane::solveHelicopter()
1060 {
1061     _solutionIterations = 0;
1062     _failureMsg = 0;
1063     if (getRotorgear()!=0)
1064     {
1065         Rotorgear* rg = getRotorgear();
1066         applyDragFactor(Math::pow(rg->getYasimDragFactor()/1000,
1067             1/SOLVE_TWEAK));
1068         applyLiftRatio(Math::pow(rg->getYasimLiftFactor(),
1069             1/SOLVE_TWEAK));
1070     }
1071     else
1072     //huh, no wing and no rotor? (_rotorgear is constructed,
1073     //if a rotor is defined
1074     {
1075         applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1076         applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1077     }
1078     setupState(0,0,0, &_cruiseState);
1079     _model.setState(&_cruiseState);
1080     setupWeights(true);
1081     _controls.reset();
1082     _model.getBody()->reset();
1083     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
1084                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
1085
1086 }
1087
1088 }; // namespace yasim