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 "Airplane.hpp"
  11
  12 namespace yasim {
  13
  14 // gadgets
  15 inline float norm(float f) { return f<1 ? 1/f : f; }
  16 inline float abs(float f) { return f<0 ? -f : f; }
  17
  18 // Solver threshold.  How close to the solution are we trying
  19 // to get?  Trying too hard can result in oscillations about
  20 // the correct solution, which is bad.  Stick this in as a
  21 // compile time constant for now, and consider making it
  22 // settable per-model.
  23 const float STHRESH = 1;
  24
  25 // How slowly do we change values in the solver.  Too slow, and
  26 // the solution converges very slowly.  Too fast, and it can
  27 // oscillate.
  28 const float SOLVE_TWEAK = 0.3226;
  29
  30 Airplane::Airplane()
  31 {
  32     _emptyWeight = 0;
  33     _pilotPos[0] = _pilotPos[1] = _pilotPos[2] = 0;
  34     _wing = 0;
  35     _tail = 0;
  36     _ballast = 0;
  37     _cruiseP = 0;
  38     _cruiseT = 0;
  39     _cruiseSpeed = 0;
  40     _cruiseWeight = 0;
  41     _approachP = 0;
  42     _approachT = 0;
  43     _approachSpeed = 0;
  44     _approachAoA = 0;
  45     _approachWeight = 0;
  46
  47     _dragFactor = 1;
  48     _liftRatio = 1;
  49     _cruiseAoA = 0;
  50     _tailIncidence = 0;
  51 }
  52
  53 Airplane::~Airplane()
  54 {
  55     int i;
  56     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  57         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  58     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  59         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  60     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  61         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  62     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
  63         GearRec* g = (GearRec*)_gears.get(i);
  64         delete g->gear;
  65         delete g;
  66     }
  67     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  68         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  69     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
  70         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
  71         delete c->gear;
  72         delete c;
  73     }
  74     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++)
  75         delete (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
  76     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++)
  77         delete (Control*)_cruiseControls.get(i);
  78     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
  79         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
  80         if(c != &_approachElevator)
  81             delete c;
  82     }
  83     delete _wing;
  84     delete _tail;
  85     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
  86         delete (Wing*)_vstabs.get(i);
  87     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
  88         delete (WeightRec*)_weights.get(i);
  89 }
  90
  91 void Airplane::iterate(float dt)
  92 {
  93     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  94     updateGearState();
  95
  96     _model.iterate();
  97 }
  98
  99 void Airplane::calcFuelWeights()
 100 {
 101     for(int i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 102         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 103         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->fill);
 104     }
 105 }
 106
 107 ControlMap* Airplane::getControlMap()
 108 {
 109     return &_controls;
 110 }
 111
 112 Model* Airplane::getModel()
 113 {
 114     return &_model;
 115 }
 116
 117 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
 118 {
 119     State* s = _model.getState();
 120
 121     // Gravity
 122     Glue::geodUp(s->pos, out);
 123     Math::mul3(-9.8f, out, out);
 124
 125     // The regular acceleration
 126     float tmp[3];
 127     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
 128     Math::add3(tmp, out, out);
 129
 130     // Convert to aircraft coordinates
 131     Math::vmul33(s->orient, out, out);
 132
 133     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
 134 }
 135
 136 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
 137 {
 138     int i;
 139     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 140 }
 141
 142 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 143 {
 144     int i;
 145     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 146 }
 147
 148 int Airplane::numGear()
 149 {
 150     return _gears.size();
 151 }
 152
 153 Gear* Airplane::getGear(int g)
 154 {
 155     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 156 }
 157
 158 Hook* Airplane::getHook()
 159 {
 160     return _model.getHook();
 161 }
 162
 163 Launchbar* Airplane::getLaunchbar()
 164 {
 165     return _model.getLaunchbar();
 166 }
 167
 168 Rotorgear* Airplane::getRotorgear()
 169 {
 170     return _model.getRotorgear();
 171 }
 172
 173 void Airplane::updateGearState()
 174 {
 175     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 176         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 177         float ext = gr->gear->getExtension();
 178
 179         gr->surf->setXDrag(ext);
 180         gr->surf->setYDrag(ext);
 181         gr->surf->setZDrag(ext);
 182     }
 183 }
 184
 185 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa, float fuel)
 186 {
 187     _approachSpeed = speed;
 188     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 189     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 190     _approachAoA = aoa;
 191     _approachFuel = fuel;
 192 }
 193
 194 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude, float fuel)
 195 {
 196     _cruiseSpeed = speed;
 197     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 198     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 199     _cruiseAoA = 0;
 200     _tailIncidence = 0;
 201     _cruiseFuel = fuel;
 202 }
 203
 204 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 205 {
 206     _approachElevator.control = control;
 207     _approachElevator.val = 0;
 208     _approachControls.add(&_approachElevator);
 209 }
 210
 211 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 212 {
 213     Control* c = new Control();
 214     c->control = control;
 215     c->val = val;
 216     _approachControls.add(c);
 217 }
 218
 219 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 220 {
 221     Control* c = new Control();
 222     c->control = control;
 223     c->val = val;
 224     _cruiseControls.add(c);
 225 }
 226
 227 void Airplane::addSolutionWeight(bool approach, int idx, float wgt)
 228 {
 229     SolveWeight* w = new SolveWeight();
 230     w->approach = approach;
 231     w->idx = idx;
 232     w->wgt = wgt;
 233     _solveWeights.add(w);
 234 }
 235
 236 int Airplane::numTanks()
 237 {
 238     return _tanks.size();
 239 }
 240
 241 float Airplane::getFuel(int tank)
 242 {
 243     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 244 }
 245
 246 float Airplane::setFuel(int tank, float fuel)
 247 {
 248     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill = fuel;
 249 }
 250
 251 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 252 {
 253     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 254 }
 255
 256 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 257 {
 258     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 259 }
 260
 261 void Airplane::setWeight(float weight)
 262 {
 263     _emptyWeight = weight;
 264 }
 265
 266 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 267 {
 268     _wing = wing;
 269 }
 270
 271 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 272 {
 273     _tail = tail;
 274 }
 275
 276 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 277 {
 278     _vstabs.add(vstab);
 279 }
 280
 281 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 282                            float taper, float mid)
 283 {
 284     Fuselage* f = new Fuselage();
 285     int i;
 286     for(i=0; i<3; i++) {
 287         f->front[i] = front[i];
 288         f->back[i]  = back[i];
 289     }
 290     f->width = width;
 291     f->taper = taper;
 292     f->mid = mid;
 293     _fuselages.add(f);
 294 }
 295
 296 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 297 {
 298     Tank* t = new Tank();
 299     int i;
 300     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 301     t->cap = cap;
 302     t->fill = cap;
 303     t->density = density;
 304     t->handle = 0xffffffff;
 305     return _tanks.add(t);
 306 }
 307
 308 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 309 {
 310     GearRec* g = new GearRec();
 311     g->gear = gear;
 312     g->surf = 0;
 313     _gears.add(g);
 314 }
 315
 316 void Airplane::addHook(Hook* hook)
 317 {
 318     _model.addHook(hook);
 319 }
 320
 321 void Airplane::addLaunchbar(Launchbar* launchbar)
 322 {
 323     _model.addLaunchbar(launchbar);
 324 }
 325
 326 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 327 {
 328     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 329     t->thruster = thruster;
 330     t->mass = mass;
 331     int i;
 332     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 333     _thrusters.add(t);
 334 }
 335
 336 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 337 {
 338     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 339     _ballast += mass;
 340 }
 341
 342 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 343 {
 344     WeightRec* wr = new WeightRec();
 345     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 346
 347     wr->surf = new Surface();
 348     wr->surf->setPosition(pos);
 349     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 350     _model.addSurface(wr->surf);
 351     _surfs.add(wr->surf);
 352
 353     return _weights.add(wr);
 354 }
 355
 356 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 357 {
 358     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 359
 360     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 361
 362     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 363     // how we simulate droppable stores.
 364     if(mass == 0) {
 365         wr->surf->setXDrag(0);
 366         wr->surf->setYDrag(0);
 367         wr->surf->setZDrag(0);
 368     } else {
 369         wr->surf->setXDrag(1);
 370         wr->surf->setYDrag(1);
 371         wr->surf->setZDrag(1);
 372     }
 373 }
 374
 375 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 376 {
 377     int i;
 378     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 379         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 380         t->fill = frac * t->cap;
 381         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 382     }
 383 }
 384
 385 float Airplane::getDragCoefficient()
 386 {
 387     return _dragFactor;
 388 }
 389
 390 float Airplane::getLiftRatio()
 391 {
 392     return _liftRatio;
 393 }
 394
 395 float Airplane::getCruiseAoA()
 396 {
 397     return _cruiseAoA;
 398 }
 399
 400 float Airplane::getTailIncidence()
 401 {
 402     return _tailIncidence;
 403 }
 404
 405 char* Airplane::getFailureMsg()
 406 {
 407     return _failureMsg;
 408 }
 409
 410 int Airplane::getSolutionIterations()
 411 {
 412     return _solutionIterations;
 413 }
 414
 415 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 416 {
 417     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 418     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 419     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 420     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 421     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 422
 423     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 424
 425     int i;
 426     for(i=0; i<3; i++)
 427         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 428
 429     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 430     // Model goes nuts
 431     s->pos[2] = 1;
 432 }
 433
 434 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 435 {
 436     ContactRec* c = new ContactRec;
 437     c->gear = 0;
 438     c->p[0] = pos[0];
 439     c->p[1] = pos[1];
 440     c->p[2] = pos[2];
 441     _contacts.add(c);
 442 }
 443
 444 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 445 {
 446     // The tip of the wing is a contact point
 447     float tip[3];
 448     w->getTip(tip);
 449     addContactPoint(tip);
 450     if(w->isMirrored()) {
 451         tip[1] *= -1;
 452         addContactPoint(tip);
 453     }
 454
 455     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 456     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 457     // want.
 458     w->compile();
 459
 460     float wgt = 0;
 461     int i;
 462     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 463         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 464
 465         float td = s->getTotalDrag();
 466         s->setTotalDrag(td);
 467
 468         _model.addSurface(s);
 469
 470         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 471         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 472         float pos[3];
 473         s->getPosition(pos);
 474         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 475         wgt += mass;
 476     }
 477     return wgt;
 478 }
 479
 480 float Airplane::compileRotorgear()
 481 {
 482     return getRotorgear()->compile(_model.getBody());
 483 }
 484
 485 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 486 {
 487     // The front and back are contact points
 488     addContactPoint(f->front);
 489     addContactPoint(f->back);
 490
 491     float wgt = 0;
 492     float fwd[3];
 493     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 494     float len = Math::mag3(fwd);
 495     float wid = f->width;
 496     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 497     float segWgt = len*wid/segs;
 498     int j;
 499     for(j=0; j<segs; j++) {
 500         float frac = (j+0.5f) / segs;
 501
 502         float scale = 1;
 503         if(frac < f->mid)
 504             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 505         else
 506             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 507
 508         // Where are we?
 509         float pos[3];
 510         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 511         Math::add3(f->back, pos, pos);
 512
 513         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 514         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 515         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 516         wgt += mass;
 517
 518         // Make a Surface too
 519         Surface* s = new Surface();
 520         s->setPosition(pos);
 521         float sideDrag = len/wid;
 522         s->setYDrag(sideDrag);
 523         s->setZDrag(sideDrag);
 524         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 525
 526         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 527         float o[9];
 528         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 529         Math::unit3(fwd, x);
 530         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 531         Math::cross3(x, y, z);
 532         Math::unit3(z, z);
 533         Math::cross3(z, x, y);
 534         s->setOrientation(o);
 535
 536         _model.addSurface(s);
 537         _surfs.add(s);
 538     }
 539     return wgt;
 540 }
 541
 542 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 543 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 544 {
 545     Gear* g = gr->gear;
 546
 547     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 548     Surface* s = new Surface();
 549     gr->surf = s;
 550
 551     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 552     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 553     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 554     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 555     float pos[3], cmp[3];
 556     g->getCompression(cmp);
 557     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 558     g->getPosition(pos);
 559     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 560     Math::add3(pos, cmp, pos);
 561
 562     s->setPosition(pos);
 563     s->setTotalDrag(length*length);
 564
 565     _model.addGear(g);
 566     _model.addSurface(s);
 567     _surfs.add(s);
 568 }
 569
 570 void Airplane::compileContactPoints()
 571 {
 572     // Figure it will compress by 20cm
 573     float comp[3];
 574     float DIST = 0.2f;
 575     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 576
 577     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 578     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 579     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 580     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 581     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 582
 583     int i;
 584     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 585         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
 586
 587         Gear* g = new Gear();
 588         c->gear = g;
 589         g->setPosition(c->p);
 590
 591         g->setCompression(comp);
 592         g->setSpring(spring);
 593         g->setDamping(damp);
 594         g->setBrake(1);
 595
 596         // I made these up
 597         g->setStaticFriction(0.6f);
 598         g->setDynamicFriction(0.5f);
 599
 600         _model.addGear(g);
 601     }
 602 }
 603
 604 void Airplane::compile()
 605 {
 606     RigidBody* body = _model.getBody();
 607     int firstMass = body->numMasses();
 608
 609     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 610     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 611     // make the weight right.
 612     float aeroWgt = 0;
 613
 614     // The Wing objects
 615     if (_wing)
 616       aeroWgt += compileWing(_wing);
 617     if (_tail)
 618       aeroWgt += compileWing(_tail);
 619     int i;
 620     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
 621         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 622
 623     // The rotor(s)
 624     aeroWgt += compileRotorgear();
 625
 626     // The fuselage(s)
 627     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
 628         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 629
 630     // Count up the absolute weight we have
 631     float nonAeroWgt = _ballast;
 632     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 633         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 634
 635     // Rescale to the specified empty weight
 636     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 637     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 638         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 639
 640     // Add the thruster masses
 641     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 642         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 643         body->addMass(t->mass, t->cg);
 644     }
 645
 646     // Add the tanks, empty for now.
 647     float totalFuel = 0;
 648     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 649         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 650         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 651         totalFuel += t->cap;
 652     }
 653     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 654     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 655
 656     body->recalc();
 657
 658     // Add surfaces for the landing gear.
 659     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 660         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 661
 662     // The Thruster objects
 663     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 664         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 665         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 666     }
 667
 668     // Ground effect
 669     if(_wing) {
 670         float gepos[3];
 671         float gespan = 0;
 672         gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 673         _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 674     }
 675
 676     solveGear();
 677     if(_wing && _tail) solve();
 678     else solveHelicopter();
 679
 680     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 681     // we don't want to affect.
 682     compileContactPoints();
 683 }
 684
 685 void Airplane::solveGear()
 686 {
 687     float cg[3], pos[3];
 688     _model.getBody()->getCG(cg);
 689
 690     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 691     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 692     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 693     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 694     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 695     float total = 0;
 696     int i;
 697     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 698         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 699         Gear* g = gr->gear;
 700         g->getPosition(pos);
 701         Math::sub3(cg, pos, pos);
 702         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 703         total += gr->wgt;
 704     }
 705
 706     // Renormalize so they sum to 1
 707     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 708         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 709
 710     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 711     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 712     // a 3 degree approach.
 713     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 714
 715     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 716     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 717     // each gear.
 718     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 719
 720     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 721         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 722         float e = energy * gr->wgt;
 723         float comp[3];
 724         gr->gear->getCompression(comp);
 725         float len = Math::mag3(comp);
 726
 727         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 728         float k = 2 * e / (len*len);
 729
 730         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 731
 732         // Critically damped (too damped, too!)
 733         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 734                              * gr->gear->getDamping());
 735
 736         // These are pretty generic
 737         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 738         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 739     }
 740 }
 741
 742 void Airplane::initEngines()
 743 {
 744     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 745         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 746         tr->thruster->init();
 747     }
 748 }
 749
 750 void Airplane::stabilizeThrust()
 751 {
 752     int i;
 753     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 754         _model.getThruster(i)->stabilize();
 755 }
 756
 757 void Airplane::setupWeights(bool isApproach)
 758 {
 759     int i;
 760     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
 761         setWeight(i, 0);
 762     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++) {
 763         SolveWeight* w = (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
 764         if(w->approach == isApproach)
 765             setWeight(w->idx, w->wgt);
 766     }
 767 }
 768
 769 void Airplane::runCruise()
 770 {
 771     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 772     _model.setState(&_cruiseState);
 773     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 774                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 775
 776     // The control configuration
 777     _controls.reset();
 778     int i;
 779     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 780         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 781         _controls.setInput(c->control, c->val);
 782     }
 783     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 784
 785     // The local wind
 786     float wind[3];
 787     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 788     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 789
 790     setFuelFraction(_cruiseFuel);
 791     setupWeights(false);
 792
 793     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 794     // stabilizes.
 795     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 796         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 797         t->setWind(wind);
 798         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 799                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 800     }
 801     stabilizeThrust();
 802
 803     updateGearState();
 804
 805     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 806     _model.getBody()->recalc();
 807     _model.getBody()->reset();
 808     _model.initIteration();
 809     _model.calcForces(&_cruiseState);
 810 }
 811
 812 void Airplane::runApproach()
 813 {
 814     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 815     _model.setState(&_approachState);
 816     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 817                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 818
 819     // The control configuration
 820     _controls.reset();
 821     int i;
 822     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 823         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 824         _controls.setInput(c->control, c->val);
 825     }
 826     _controls.applyControls(1000000);
 827
 828     // The local wind
 829     float wind[3];
 830     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 831     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 832
 833     setFuelFraction(_approachFuel);
 834
 835     setupWeights(true);
 836
 837     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 838     // this is lots of wasted work.
 839     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 840         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 841         t->setWind(wind);
 842         t->setAir(_approachP, _approachT,
 843                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 844     }
 845     stabilizeThrust();
 846
 847     updateGearState();
 848
 849     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 850     _model.getBody()->recalc();
 851     _model.getBody()->reset();
 852     _model.initIteration();
 853     _model.calcForces(&_approachState);
 854 }
 855
 856 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 857 {
 858     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 859     _dragFactor *= applied;
 860     if(_wing)
 861       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 862     if(_tail)
 863       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 864     int i;
 865     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 866         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 867         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 868     }
 869     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 870         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 871         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 872     }
 873 }
 874
 875 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 876 {
 877     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 878     _liftRatio *= applied;
 879     if(_wing)
 880       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 881     if(_tail)
 882       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 883     int i;
 884     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 885         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 886         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 887     }
 888 }
 889
 890 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 891 {
 892     if(val < min) return min;
 893     if(val > max) return max;
 894     return val;
 895 }
 896
 897 float Airplane::normFactor(float f)
 898 {
 899     if(f < 0) f = -f;
 900     if(f < 1) f = 1/f;
 901     return f;
 902 }
 903
 904 void Airplane::solve()
 905 {
 906     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 907
 908     float tmp[3];
 909     _solutionIterations = 0;
 910     _failureMsg = 0;
 911
 912     while(1) {
 913         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 914             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 915             return;
 916         }
 917
 918         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 919         runCruise();
 920
 921         _model.getThrust(tmp);
 922         float thrust = tmp[0];
 923
 924         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 925         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 926         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 927         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 928
 929         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 930         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 931         float pitch0 = tmp[1];
 932
 933         // Run an approach iteration, and do likewise
 934         runApproach();
 935
 936         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 937         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 938         double apitch0 = tmp[1];
 939
 940         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 941         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 942         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 943
 944         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 945         _cruiseAoA += ARCMIN;
 946         runCruise();
 947         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 948
 949         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 950         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 951         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 952
 953         // Do the same with the tail incidence
 954         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 955         runCruise();
 956         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 957
 958         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 959         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 960         float pitch1 = tmp[1];
 961
 962         // Now calculate:
 963         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 964
 965         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 966         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 967         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 968         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 969
 970         // Sanity:
 971         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 972             break;
 973
 974         // And the elevator control in the approach.  This works just
 975         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 976         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 977         // variable).
 978         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 979         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 980         runApproach();
 981         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 982
 983         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 984         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 985         double apitch1 = tmp[1];
 986         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 987
 988         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 989         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 990         // numbers in the right ballpark.
 991
 992         applyDragFactor(dragFactor);
 993         applyLiftRatio(liftFactor);
 994
 995         // DON'T do the following until the above are sane
 996         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
 997            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
 998         {
 999             continue;
1000         }
1001
1002         // OK, now we can adjust the minor variables:
1003         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
1004         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
1005
1006         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
1007         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
1008
1009         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1010            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1011            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
1012            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1013         {
1014             // If this finaly value is OK, then we're all done
1015             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1016                 break;
1017
1018             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1019             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1020             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1021                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1022                 break;
1023             }
1024         }
1025     }
1026
1027     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1028         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1029         return;
1030     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1031         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1032         return;
1033     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1034         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1035         return;
1036     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1037         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1038         return;
1039     }
1040 }
1041
1042 void Airplane::solveHelicopter()
1043 {
1044     _solutionIterations = 0;
1045     _failureMsg = 0;
1046     if (getRotorgear()!=0)
1047     {
1048         Rotorgear* rg = getRotorgear();
1049         applyDragFactor(Math::pow(rg->getYasimDragFactor()/1000,
1050             1/SOLVE_TWEAK));
1051         applyLiftRatio(Math::pow(rg->getYasimLiftFactor(),
1052             1/SOLVE_TWEAK));
1053     }
1054     else
1055     //huh, no wing and no rotor? (_rotorgear is constructed,
1056     //if a rotor is defined
1057     {
1058         applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1059         applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1060     }
1061     setupState(0,0, &_cruiseState);
1062     _model.setState(&_cruiseState);
1063     setupWeights(true);
1064     _controls.reset();
1065     _model.getBody()->reset();
1066     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
1067                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
1068
1069 }
1070
1071 }; // namespace yasim