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 "Rotorblade.hpp"
  10 #include "Thruster.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     _approachP = 0;
  43     _approachT = 0;
  44     _approachSpeed = 0;
  45     _approachAoA = 0;
  46     _approachWeight = 0;
  47
  48     _dragFactor = 1;
  49     _liftRatio = 1;
  50     _cruiseAoA = 0;
  51     _tailIncidence = 0;
  52 }
  53
  54 Airplane::~Airplane()
  55 {
  56     int i;
  57     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  58         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  59     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  60         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  61     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  62         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  63     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
  64         GearRec* g = (GearRec*)_gears.get(i);
  65         delete g->gear;
  66         delete g;
  67     }
  68     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  69         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  70     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
  71         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
  72         delete c->gear;
  73         delete c;
  74     }
  75     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++)
  76         delete (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
  77     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++)
  78         delete (Control*)_cruiseControls.get(i);
  79     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
  80         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
  81         if(c != &_approachElevator)
  82             delete c;
  83     }
  84     delete _wing;
  85     delete _tail;
  86     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
  87         delete (Wing*)_vstabs.get(i);
  88     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
  89         delete (WeightRec*)_weights.get(i);
  90     for(i=0; i<_rotors.size(); i++)
  91         delete (Rotor*)_rotors.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 void Airplane::updateGearState()
 172 {
 173     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 174         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 175         float ext = gr->gear->getExtension();
 176
 177         gr->surf->setXDrag(ext);
 178         gr->surf->setYDrag(ext);
 179         gr->surf->setZDrag(ext);
 180     }
 181 }
 182
 183 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa, float fuel)
 184 {
 185     _approachSpeed = speed;
 186     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 187     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 188     _approachAoA = aoa;
 189     _approachFuel = fuel;
 190 }
 191
 192 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude, float fuel)
 193 {
 194     _cruiseSpeed = speed;
 195     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 196     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 197     _cruiseAoA = 0;
 198     _tailIncidence = 0;
 199     _cruiseFuel = fuel;
 200 }
 201
 202 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 203 {
 204     _approachElevator.control = control;
 205     _approachElevator.val = 0;
 206     _approachControls.add(&_approachElevator);
 207 }
 208
 209 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 210 {
 211     Control* c = new Control();
 212     c->control = control;
 213     c->val = val;
 214     _approachControls.add(c);
 215 }
 216
 217 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 218 {
 219     Control* c = new Control();
 220     c->control = control;
 221     c->val = val;
 222     _cruiseControls.add(c);
 223 }
 224
 225 void Airplane::addSolutionWeight(bool approach, int idx, float wgt)
 226 {
 227     SolveWeight* w = new SolveWeight();
 228     w->approach = approach;
 229     w->idx = idx;
 230     w->wgt = wgt;
 231     _solveWeights.add(w);
 232 }
 233
 234 int Airplane::numTanks()
 235 {
 236     return _tanks.size();
 237 }
 238
 239 float Airplane::getFuel(int tank)
 240 {
 241     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 242 }
 243
 244 float Airplane::setFuel(int tank, float fuel)
 245 {
 246     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill = fuel;
 247 }
 248
 249 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 250 {
 251     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 252 }
 253
 254 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 255 {
 256     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 257 }
 258
 259 void Airplane::setWeight(float weight)
 260 {
 261     _emptyWeight = weight;
 262 }
 263
 264 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 265 {
 266     _wing = wing;
 267 }
 268
 269 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 270 {
 271     _tail = tail;
 272 }
 273
 274 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 275 {
 276     _vstabs.add(vstab);
 277 }
 278
 279 void Airplane::addRotor(Rotor* rotor)
 280 {
 281     _rotors.add(rotor);
 282 }
 283
 284 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 285                            float taper, float mid)
 286 {
 287     Fuselage* f = new Fuselage();
 288     int i;
 289     for(i=0; i<3; i++) {
 290         f->front[i] = front[i];
 291         f->back[i]  = back[i];
 292     }
 293     f->width = width;
 294     f->taper = taper;
 295     f->mid = mid;
 296     _fuselages.add(f);
 297 }
 298
 299 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 300 {
 301     Tank* t = new Tank();
 302     int i;
 303     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 304     t->cap = cap;
 305     t->fill = cap;
 306     t->density = density;
 307     t->handle = 0xffffffff;
 308     return _tanks.add(t);
 309 }
 310
 311 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 312 {
 313     GearRec* g = new GearRec();
 314     g->gear = gear;
 315     g->surf = 0;
 316     _gears.add(g);
 317 }
 318
 319 void Airplane::addHook(Hook* hook)
 320 {
 321     _model.addHook(hook);
 322 }
 323
 324 void Airplane::addLaunchbar(Launchbar* launchbar)
 325 {
 326     _model.addLaunchbar(launchbar);
 327 }
 328
 329 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 330 {
 331     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 332     t->thruster = thruster;
 333     t->mass = mass;
 334     int i;
 335     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 336     _thrusters.add(t);
 337 }
 338
 339 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 340 {
 341     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 342     _ballast += mass;
 343 }
 344
 345 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 346 {
 347     WeightRec* wr = new WeightRec();
 348     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 349
 350     wr->surf = new Surface();
 351     wr->surf->setPosition(pos);
 352     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 353     _model.addSurface(wr->surf);
 354     _surfs.add(wr->surf);
 355
 356     return _weights.add(wr);
 357 }
 358
 359 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 360 {
 361     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 362
 363     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 364
 365     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 366     // how we simulate droppable stores.
 367     if(mass == 0) {
 368         wr->surf->setXDrag(0);
 369         wr->surf->setYDrag(0);
 370         wr->surf->setZDrag(0);
 371     } else {
 372         wr->surf->setXDrag(1);
 373         wr->surf->setYDrag(1);
 374         wr->surf->setZDrag(1);
 375     }
 376 }
 377
 378 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 379 {
 380     int i;
 381     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 382         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 383         t->fill = frac * t->cap;
 384         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 385     }
 386 }
 387
 388 float Airplane::getDragCoefficient()
 389 {
 390     return _dragFactor;
 391 }
 392
 393 float Airplane::getLiftRatio()
 394 {
 395     return _liftRatio;
 396 }
 397
 398 float Airplane::getCruiseAoA()
 399 {
 400     return _cruiseAoA;
 401 }
 402
 403 float Airplane::getTailIncidence()
 404 {
 405     return _tailIncidence;
 406 }
 407
 408 char* Airplane::getFailureMsg()
 409 {
 410     return _failureMsg;
 411 }
 412
 413 int Airplane::getSolutionIterations()
 414 {
 415     return _solutionIterations;
 416 }
 417
 418 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 419 {
 420     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 421     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 422     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 423     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 424     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 425
 426     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 427
 428     int i;
 429     for(i=0; i<3; i++)
 430         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 431
 432     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 433     // Model goes nuts
 434     s->pos[2] = 1;
 435 }
 436
 437 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 438 {
 439     ContactRec* c = new ContactRec;
 440     c->gear = 0;
 441     c->p[0] = pos[0];
 442     c->p[1] = pos[1];
 443     c->p[2] = pos[2];
 444     _contacts.add(c);
 445 }
 446
 447 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 448 {
 449     // The tip of the wing is a contact point
 450     float tip[3];
 451     w->getTip(tip);
 452     addContactPoint(tip);
 453     if(w->isMirrored()) {
 454         tip[1] *= -1;
 455         addContactPoint(tip);
 456     }
 457
 458     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 459     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 460     // want.
 461     w->compile();
 462
 463     float wgt = 0;
 464     int i;
 465     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 466         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 467
 468         float td = s->getTotalDrag();
 469         s->setTotalDrag(td);
 470
 471         _model.addSurface(s);
 472
 473         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 474         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 475         float pos[3];
 476         s->getPosition(pos);
 477         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 478         wgt += mass;
 479     }
 480     return wgt;
 481 }
 482
 483 float Airplane::compileRotor(Rotor* r)
 484 {
 485     // Todo: add rotor to model!!!
 486     // Todo: calc and add mass!!!
 487     r->compile();
 488     _model.addRotor(r);
 489
 490     float wgt = 0;
 491     int i;
 492     for(i=0; i<r->numRotorparts(); i++) {
 493         Rotorpart* s = (Rotorpart*)r->getRotorpart(i);
 494
 495         _model.addRotorpart(s);
 496
 497         float mass = s->getWeight();
 498         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 499         float pos[3];
 500         s->getPosition(pos);
 501         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 502         wgt += mass;
 503     }
 504
 505     for(i=0; i<r->numRotorblades(); i++) {
 506         Rotorblade* b = (Rotorblade*)r->getRotorblade(i);
 507
 508         _model.addRotorblade(b);
 509
 510         float mass = b->getWeight();
 511         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 512         float pos[3];
 513         b->getPosition(pos);
 514         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 515         wgt += mass;
 516     }
 517     return wgt;
 518 }
 519
 520 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 521 {
 522     // The front and back are contact points
 523     addContactPoint(f->front);
 524     addContactPoint(f->back);
 525
 526     float wgt = 0;
 527     float fwd[3];
 528     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 529     float len = Math::mag3(fwd);
 530     float wid = f->width;
 531     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 532     float segWgt = len*wid/segs;
 533     int j;
 534     for(j=0; j<segs; j++) {
 535         float frac = (j+0.5f) / segs;
 536
 537         float scale = 1;
 538         if(frac < f->mid)
 539             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 540         else
 541             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 542
 543         // Where are we?
 544         float pos[3];
 545         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 546         Math::add3(f->back, pos, pos);
 547
 548         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 549         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 550         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 551         wgt += mass;
 552
 553         // Make a Surface too
 554         Surface* s = new Surface();
 555         s->setPosition(pos);
 556         float sideDrag = len/wid;
 557         s->setYDrag(sideDrag);
 558         s->setZDrag(sideDrag);
 559         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 560
 561         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 562         float o[9];
 563         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 564         Math::unit3(fwd, x);
 565         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 566         Math::cross3(x, y, z);
 567         Math::unit3(z, z);
 568         Math::cross3(z, x, y);
 569         s->setOrientation(o);
 570
 571         _model.addSurface(s);
 572         _surfs.add(s);
 573     }
 574     return wgt;
 575 }
 576
 577 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 578 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 579 {
 580     Gear* g = gr->gear;
 581
 582     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 583     Surface* s = new Surface();
 584     gr->surf = s;
 585
 586     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 587     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 588     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 589     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 590     float pos[3], cmp[3];
 591     g->getCompression(cmp);
 592     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 593     g->getPosition(pos);
 594     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 595     Math::add3(pos, cmp, pos);
 596
 597     s->setPosition(pos);
 598     s->setTotalDrag(length*length);
 599
 600     _model.addGear(g);
 601     _model.addSurface(s);
 602     _surfs.add(s);
 603 }
 604
 605 void Airplane::compileContactPoints()
 606 {
 607     // Figure it will compress by 20cm
 608     float comp[3];
 609     float DIST = 0.2f;
 610     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 611
 612     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 613     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 614     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 615     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 616     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 617
 618     int i;
 619     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 620         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
 621
 622         Gear* g = new Gear();
 623         c->gear = g;
 624         g->setPosition(c->p);
 625
 626         g->setCompression(comp);
 627         g->setSpring(spring);
 628         g->setDamping(damp);
 629         g->setBrake(1);
 630
 631         // I made these up
 632         g->setStaticFriction(0.6f);
 633         g->setDynamicFriction(0.5f);
 634
 635         _model.addGear(g);
 636     }
 637 }
 638
 639 void Airplane::compile()
 640 {
 641     RigidBody* body = _model.getBody();
 642     int firstMass = body->numMasses();
 643
 644     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 645     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 646     // make the weight right.
 647     float aeroWgt = 0;
 648
 649     // The Wing objects
 650     if (_wing)
 651       aeroWgt += compileWing(_wing);
 652     if (_tail)
 653       aeroWgt += compileWing(_tail);
 654     int i;
 655     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
 656         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 657     for(i=0; i<_rotors.size(); i++)
 658         aeroWgt += compileRotor((Rotor*)_rotors.get(i));
 659
 660     // The fuselage(s)
 661     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
 662         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 663
 664     // Count up the absolute weight we have
 665     float nonAeroWgt = _ballast;
 666     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 667         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 668
 669     // Rescale to the specified empty weight
 670     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 671     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 672         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 673
 674     // Add the thruster masses
 675     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 676         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 677         body->addMass(t->mass, t->cg);
 678     }
 679
 680     // Add the tanks, empty for now.
 681     float totalFuel = 0;
 682     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 683         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 684         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 685         totalFuel += t->cap;
 686     }
 687     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 688     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 689
 690     body->recalc();
 691
 692     // Add surfaces for the landing gear.
 693     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 694         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 695
 696     // The Thruster objects
 697     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 698         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 699         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 700     }
 701
 702     // Ground effect
 703     if(_wing) {
 704         float gepos[3];
 705         float gespan = 0;
 706         gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 707         _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 708     }
 709
 710     solveGear();
 711     if(_wing && _tail) solve();
 712     else solveHelicopter();
 713
 714     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 715     // we don't want to affect.
 716     compileContactPoints();
 717 }
 718
 719 void Airplane::solveGear()
 720 {
 721     float cg[3], pos[3];
 722     _model.getBody()->getCG(cg);
 723
 724     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 725     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 726     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 727     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 728     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 729     float total = 0;
 730     int i;
 731     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 732         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 733         Gear* g = gr->gear;
 734         g->getPosition(pos);
 735         Math::sub3(cg, pos, pos);
 736         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 737         total += gr->wgt;
 738     }
 739
 740     // Renormalize so they sum to 1
 741     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 742         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 743
 744     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 745     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 746     // a 3 degree approach.
 747     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 748
 749     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 750     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 751     // each gear.
 752     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 753
 754     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 755         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 756         float e = energy * gr->wgt;
 757         float comp[3];
 758         gr->gear->getCompression(comp);
 759         float len = Math::mag3(comp);
 760
 761         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 762         float k = 2 * e / (len*len);
 763
 764         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 765
 766         // Critically damped (too damped, too!)
 767         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 768                              * gr->gear->getDamping());
 769
 770         // These are pretty generic
 771         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 772         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 773     }
 774 }
 775
 776 void Airplane::initEngines()
 777 {
 778     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 779         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 780         tr->thruster->init();
 781     }
 782 }
 783
 784 void Airplane::stabilizeThrust()
 785 {
 786     int i;
 787     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 788         _model.getThruster(i)->stabilize();
 789 }
 790
 791 void Airplane::setupWeights(bool isApproach)
 792 {
 793     int i;
 794     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
 795         setWeight(i, 0);
 796     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++) {
 797         SolveWeight* w = (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
 798         if(w->approach == isApproach)
 799             setWeight(w->idx, w->wgt);
 800     }
 801 }
 802
 803 void Airplane::runCruise()
 804 {
 805     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 806     _model.setState(&_cruiseState);
 807     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 808                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 809
 810     // The control configuration
 811     _controls.reset();
 812     int i;
 813     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 814         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 815         _controls.setInput(c->control, c->val);
 816     }
 817     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 818
 819     // The local wind
 820     float wind[3];
 821     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 822     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 823
 824     setFuelFraction(_cruiseFuel);
 825     setupWeights(false);
 826
 827     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 828     // stabilizes.
 829     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 830         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 831         t->setWind(wind);
 832         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 833                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 834     }
 835     stabilizeThrust();
 836
 837     updateGearState();
 838
 839     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 840     _model.getBody()->recalc();
 841     _model.getBody()->reset();
 842     _model.initIteration();
 843     _model.calcForces(&_cruiseState);
 844 }
 845
 846 void Airplane::runApproach()
 847 {
 848     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 849     _model.setState(&_approachState);
 850     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 851                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 852
 853     // The control configuration
 854     _controls.reset();
 855     int i;
 856     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 857         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 858         _controls.setInput(c->control, c->val);
 859     }
 860     _controls.applyControls(1000000);
 861
 862     // The local wind
 863     float wind[3];
 864     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 865     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 866
 867     setFuelFraction(_approachFuel);
 868
 869     setupWeights(true);
 870
 871     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 872     // this is lots of wasted work.
 873     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 874         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 875         t->setWind(wind);
 876         t->setAir(_approachP, _approachT,
 877                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 878     }
 879     stabilizeThrust();
 880
 881     updateGearState();
 882
 883     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 884     _model.getBody()->recalc();
 885     _model.getBody()->reset();
 886     _model.initIteration();
 887     _model.calcForces(&_approachState);
 888 }
 889
 890 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 891 {
 892     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 893     _dragFactor *= applied;
 894     if(_wing)
 895       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 896     if(_tail)
 897       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 898     int i;
 899     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 900         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 901         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 902     }
 903     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 904         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 905         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 906     }
 907 }
 908
 909 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 910 {
 911     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 912     _liftRatio *= applied;
 913     if(_wing)
 914       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 915     if(_tail)
 916       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 917     int i;
 918     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 919         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 920         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 921     }
 922 }
 923
 924 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 925 {
 926     if(val < min) return min;
 927     if(val > max) return max;
 928     return val;
 929 }
 930
 931 float Airplane::normFactor(float f)
 932 {
 933     if(f < 0) f = -f;
 934     if(f < 1) f = 1/f;
 935     return f;
 936 }
 937
 938 void Airplane::solve()
 939 {
 940     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 941
 942     float tmp[3];
 943     _solutionIterations = 0;
 944     _failureMsg = 0;
 945
 946     while(1) {
 947         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 948             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 949             return;
 950         }
 951
 952         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 953         runCruise();
 954
 955         _model.getThrust(tmp);
 956         float thrust = tmp[0];
 957
 958         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 959         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 960         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 961         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 962
 963         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 964         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 965         float pitch0 = tmp[1];
 966
 967         // Run an approach iteration, and do likewise
 968         runApproach();
 969
 970         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 971         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 972         double apitch0 = tmp[1];
 973
 974         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 975         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 976         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 977
 978         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 979         _cruiseAoA += ARCMIN;
 980         runCruise();
 981         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 982
 983         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 984         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 985         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 986
 987         // Do the same with the tail incidence
 988         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 989         runCruise();
 990         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 991
 992         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 993         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 994         float pitch1 = tmp[1];
 995
 996         // Now calculate:
 997         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 998
 999         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
1000         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
1001         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
1002         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
1003
1004         // Sanity:
1005         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
1006             break;
1007
1008         // And the elevator control in the approach.  This works just
1009         // like the tail incidence computation (it's solving for the
1010         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
1011         // variable).
1012         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
1013         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
1014         runApproach();
1015         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
1016
1017         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
1018         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
1019         double apitch1 = tmp[1];
1020         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
1021
1022         // Now apply the values we just computed.  Note that the
1023         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
1024         // numbers in the right ballpark.
1025
1026         applyDragFactor(dragFactor);
1027         applyLiftRatio(liftFactor);
1028
1029         // DON'T do the following until the above are sane
1030         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
1031            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
1032         {
1033             continue;
1034         }
1035
1036         // OK, now we can adjust the minor variables:
1037         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
1038         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
1039
1040         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
1041         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
1042
1043         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1044            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1045            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
1046            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1047         {
1048             // If this finaly value is OK, then we're all done
1049             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1050                 break;
1051
1052             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1053             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1054             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1055                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1056                 break;
1057             }
1058         }
1059     }
1060
1061     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1062         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1063         return;
1064     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1065         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1066         return;
1067     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1068         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1069         return;
1070     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1071         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1072         return;
1073     }
1074 }
1075
1076 void Airplane::solveHelicopter()
1077 {
1078     _solutionIterations = 0;
1079     _failureMsg = 0;
1080
1081     applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1082     applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1083     setupState(0,0, &_cruiseState);
1084     _model.setState(&_cruiseState);
1085     _controls.reset();
1086     _model.getBody()->reset();
1087 }
1088
1089 }; // namespace yasim