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         delete (GearRec*)_gears.get(i);
  65     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  66         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  67     for(i=0; i<_contacts.size(); i++)
  68         delete[] (float*)_contacts.get(i);
  69 }
  70
  71 void Airplane::iterate(float dt)
  72 {
  73     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  74     updateGearState();
  75
  76     _model.iterate();
  77 }
  78
  79 void Airplane::consumeFuel(float dt)
  80 {
  81     // This is a really simple implementation that assumes all engines
  82     // draw equally from all tanks in proportion to the amount of fuel
  83     // stored there.  Needs to be fixed, but that has to wait for a
  84     // decision as to what the property interface will look like.
  85     int i, outOfFuel = 0;
  86     float fuelFlow = 0, totalFuel = 0.00001; // <-- overflow protection
  87     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  88         fuelFlow += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster->getFuelFlow();
  89     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  90         totalFuel += ((Tank*)_tanks.get(i))->fill;
  91     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
  92         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
  93         t->fill -= dt * fuelFlow * (t->fill/totalFuel);
  94         if(t->fill <= 0) {
  95             t->fill = 0;
  96             outOfFuel = 1;
  97         }
  98     }
  99     if(outOfFuel)
 100         for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 101             ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster->setFuelState(false);
 102
 103     // Set the tank masses on the RigidBody
 104     for(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 void Airplane::updateGearState()
 162 {
 163     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 164         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 165         float ext = gr->gear->getExtension();
 166
 167         gr->surf->setXDrag(ext);
 168         gr->surf->setYDrag(ext);
 169         gr->surf->setZDrag(ext);
 170     }
 171 }
 172
 173 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa, float fuel)
 174 {
 175     _approachSpeed = speed;
 176     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 177     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 178     _approachAoA = aoa;
 179     _approachFuel = fuel;
 180 }
 181
 182 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude, float fuel)
 183 {
 184     _cruiseSpeed = speed;
 185     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 186     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 187     _cruiseAoA = 0;
 188     _tailIncidence = 0;
 189     _cruiseFuel = fuel;
 190 }
 191
 192 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 193 {
 194     _approachElevator.control = control;
 195     _approachElevator.val = 0;
 196     _approachControls.add(&_approachElevator);
 197 }
 198
 199 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 200 {
 201     Control* c = new Control();
 202     c->control = control;
 203     c->val = val;
 204     _approachControls.add(c);
 205 }
 206
 207 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 208 {
 209     Control* c = new Control();
 210     c->control = control;
 211     c->val = val;
 212     _cruiseControls.add(c);
 213 }
 214
 215 int Airplane::numTanks()
 216 {
 217     return _tanks.size();
 218 }
 219
 220 float Airplane::getFuel(int tank)
 221 {
 222     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 223 }
 224
 225 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 226 {
 227     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 228 }
 229
 230 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 231 {
 232     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 233 }
 234
 235 void Airplane::setWeight(float weight)
 236 {
 237     _emptyWeight = weight;
 238 }
 239
 240 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 241 {
 242     _wing = wing;
 243 }
 244
 245 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 246 {
 247     _tail = tail;
 248 }
 249
 250 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 251 {
 252     _vstabs.add(vstab);
 253 }
 254
 255 void Airplane::addRotor(Rotor* rotor)
 256 {
 257     _rotors.add(rotor);
 258 }
 259
 260 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 261                            float taper, float mid)
 262 {
 263     Fuselage* f = new Fuselage();
 264     int i;
 265     for(i=0; i<3; i++) {
 266         f->front[i] = front[i];
 267         f->back[i]  = back[i];
 268     }
 269     f->width = width;
 270     f->taper = taper;
 271     f->mid = mid;
 272     _fuselages.add(f);
 273 }
 274
 275 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 276 {
 277     Tank* t = new Tank();
 278     int i;
 279     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 280     t->cap = cap;
 281     t->fill = cap;
 282     t->density = density;
 283     t->handle = 0xffffffff;
 284     return _tanks.add(t);
 285 }
 286
 287 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 288 {
 289     GearRec* g = new GearRec();
 290     g->gear = gear;
 291     g->surf = 0;
 292     _gears.add(g);
 293 }
 294
 295 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 296 {
 297     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 298     t->thruster = thruster;
 299     t->mass = mass;
 300     int i;
 301     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 302     _thrusters.add(t);
 303 }
 304
 305 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 306 {
 307     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 308     _ballast += mass;
 309 }
 310
 311 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 312 {
 313     WeightRec* wr = new WeightRec();
 314     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 315
 316     wr->surf = new Surface();
 317     wr->surf->setPosition(pos);
 318     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 319     _model.addSurface(wr->surf);
 320     _surfs.add(wr->surf);
 321
 322     return _weights.add(wr);
 323 }
 324
 325 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 326 {
 327     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 328
 329     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 330
 331     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 332     // how we simulate droppable stores.
 333     if(mass == 0) {
 334         wr->surf->setXDrag(0);
 335         wr->surf->setYDrag(0);
 336         wr->surf->setZDrag(0);
 337     } else {
 338         wr->surf->setXDrag(1);
 339         wr->surf->setYDrag(1);
 340         wr->surf->setZDrag(1);
 341     }
 342 }
 343
 344 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 345 {
 346     int i;
 347     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 348         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 349         t->fill = frac * t->cap;
 350         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 351     }
 352 }
 353
 354 float Airplane::getDragCoefficient()
 355 {
 356     return _dragFactor;
 357 }
 358
 359 float Airplane::getLiftRatio()
 360 {
 361     return _liftRatio;
 362 }
 363
 364 float Airplane::getCruiseAoA()
 365 {
 366     return _cruiseAoA;
 367 }
 368
 369 float Airplane::getTailIncidence()
 370 {
 371     return _tailIncidence;
 372 }
 373
 374 char* Airplane::getFailureMsg()
 375 {
 376     return _failureMsg;
 377 }
 378
 379 int Airplane::getSolutionIterations()
 380 {
 381     return _solutionIterations;
 382 }
 383
 384 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 385 {
 386     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 387     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 388     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 389     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 390     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 391
 392     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 393
 394     int i;
 395     for(i=0; i<3; i++)
 396         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 397
 398     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 399     // Model goes nuts
 400     s->pos[2] = 1;
 401 }
 402
 403 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 404 {
 405     float* cp = new float[3];
 406     cp[0] = pos[0];
 407     cp[1] = pos[1];
 408     cp[2] = pos[2];
 409     _contacts.add(cp);
 410 }
 411
 412 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 413 {
 414     // The tip of the wing is a contact point
 415     float tip[3];
 416     w->getTip(tip);
 417     addContactPoint(tip);
 418     if(w->isMirrored()) {
 419         tip[1] *= -1;
 420         addContactPoint(tip);
 421     }
 422
 423     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 424     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 425     // want.
 426     w->compile();
 427
 428     float wgt = 0;
 429     int i;
 430     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 431         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 432
 433         float td = s->getTotalDrag();
 434         s->setTotalDrag(td);
 435
 436         _model.addSurface(s);
 437
 438         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 439         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 440         float pos[3];
 441         s->getPosition(pos);
 442         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 443         wgt += mass;
 444     }
 445     return wgt;
 446 }
 447
 448 float Airplane::compileRotor(Rotor* r)
 449 {
 450     // Todo: add rotor to model!!!
 451     // Todo: calc and add mass!!!
 452     r->compile();
 453     _model.addRotor(r);
 454
 455     float wgt = 0;
 456     int i;
 457     for(i=0; i<r->numRotorparts(); i++) {
 458         Rotorpart* s = (Rotorpart*)r->getRotorpart(i);
 459
 460         _model.addRotorpart(s);
 461
 462         float mass = s->getWeight();
 463         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 464         float pos[3];
 465         s->getPosition(pos);
 466         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 467         wgt += mass;
 468     }
 469
 470     for(i=0; i<r->numRotorblades(); i++) {
 471         Rotorblade* b = (Rotorblade*)r->getRotorblade(i);
 472
 473         _model.addRotorblade(b);
 474
 475         float mass = b->getWeight();
 476         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 477         float pos[3];
 478         b->getPosition(pos);
 479         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 480         wgt += mass;
 481     }
 482     return wgt;
 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         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 586
 587         Gear* g = new Gear();
 588         g->setPosition(cp);
 589
 590         g->setCompression(comp);
 591         g->setSpring(spring);
 592         g->setDamping(damp);
 593         g->setBrake(1);
 594
 595         // I made these up
 596         g->setStaticFriction(0.6f);
 597         g->setDynamicFriction(0.5f);
 598
 599         _model.addGear(g);
 600     }
 601 }
 602
 603 void Airplane::compile()
 604 {
 605     double ground[3];
 606     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 607     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 608
 609     RigidBody* body = _model.getBody();
 610     int firstMass = body->numMasses();
 611
 612     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 613     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 614     // make the weight right.
 615     float aeroWgt = 0;
 616
 617     // The Wing objects
 618     if (_wing)
 619       aeroWgt += compileWing(_wing);
 620     if (_tail)
 621       aeroWgt += compileWing(_tail);
 622     int i;
 623     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
 624         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 625     for(i=0; i<_rotors.size(); i++)
 626         aeroWgt += compileRotor((Rotor*)_rotors.get(i));
 627
 628     // The fuselage(s)
 629     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
 630         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 631
 632     // Count up the absolute weight we have
 633     float nonAeroWgt = _ballast;
 634     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 635         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 636
 637     // Rescale to the specified empty weight
 638     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 639     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 640         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 641
 642     // Add the thruster masses
 643     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 644         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 645         body->addMass(t->mass, t->cg);
 646     }
 647
 648     // Add the tanks, empty for now.
 649     float totalFuel = 0;
 650     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 651         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 652         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 653         totalFuel += t->cap;
 654     }
 655     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 656     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 657
 658     body->recalc();
 659
 660     // Add surfaces for the landing gear.
 661     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 662         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 663
 664     // The Thruster objects
 665     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 666         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 667         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 668     }
 669
 670     // Ground effect
 671     float gepos[3];
 672     float gespan = 0;
 673     if(_wing)
 674       gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 675     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 676
 677     solveGear();
 678     if(_wing && _tail) solve();
 679     else solveHelicopter();
 680
 681     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 682     // we don't want to affect.
 683     compileContactPoints();
 684 }
 685
 686 void Airplane::solveGear()
 687 {
 688     float cg[3], pos[3];
 689     _model.getBody()->getCG(cg);
 690
 691     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 692     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 693     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 694     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 695     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 696     float total = 0;
 697     int i;
 698     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 699         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 700         Gear* g = gr->gear;
 701         g->getPosition(pos);
 702         Math::sub3(cg, pos, pos);
 703         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 704         total += gr->wgt;
 705     }
 706
 707     // Renormalize so they sum to 1
 708     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 709         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 710
 711     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 712     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 713     // a 3 degree approach.
 714     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 715
 716     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 717     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 718     // each gear.
 719     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 720
 721     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 722         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 723         float e = energy * gr->wgt;
 724         float comp[3];
 725         gr->gear->getCompression(comp);
 726         float len = Math::mag3(comp);
 727
 728         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 729         float k = 2 * e / (len*len);
 730
 731         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 732
 733         // Critically damped (too damped, too!)
 734         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 735                              * gr->gear->getDamping());
 736
 737         // These are pretty generic
 738         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 739         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 740     }
 741 }
 742
 743 void Airplane::initEngines()
 744 {
 745     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 746         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 747         tr->thruster->init();
 748     }
 749 }
 750
 751 void Airplane::stabilizeThrust()
 752 {
 753     int i;
 754     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 755         _model.getThruster(i)->stabilize();
 756 }
 757
 758 void Airplane::runCruise()
 759 {
 760     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 761     _model.setState(&_cruiseState);
 762     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 763                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 764
 765     // The control configuration
 766     _controls.reset();
 767     int i;
 768     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 769         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 770         _controls.setInput(c->control, c->val);
 771     }
 772     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 773
 774     // The local wind
 775     float wind[3];
 776     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 777     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 778
 779     setFuelFraction(_cruiseFuel);
 780
 781     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 782     // stabilizes.
 783     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 784         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 785         t->setWind(wind);
 786         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 787                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 788     }
 789     stabilizeThrust();
 790
 791     updateGearState();
 792
 793     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 794     _model.getBody()->recalc();
 795     _model.getBody()->reset();
 796     _model.initIteration();
 797     _model.calcForces(&_cruiseState);
 798 }
 799
 800 void Airplane::runApproach()
 801 {
 802     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 803     _model.setState(&_approachState);
 804     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 805                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 806
 807     // The control configuration
 808     _controls.reset();
 809     int i;
 810     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 811         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 812         _controls.setInput(c->control, c->val);
 813     }
 814     _controls.applyControls(1000000);
 815
 816     // The local wind
 817     float wind[3];
 818     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 819     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 820
 821     // Approach is by convention at 20% tank capacity
 822     setFuelFraction(_approachFuel);
 823
 824     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 825     // this is lots of wasted work.
 826     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 827         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 828         t->setWind(wind);
 829         t->setAir(_approachP, _approachT,
 830                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 831     }
 832     stabilizeThrust();
 833
 834     updateGearState();
 835
 836     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 837     _model.getBody()->recalc();
 838     _model.getBody()->reset();
 839     _model.initIteration();
 840     _model.calcForces(&_approachState);
 841 }
 842
 843 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 844 {
 845     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 846     _dragFactor *= applied;
 847     if(_wing)
 848       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 849     if(_tail)
 850       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 851     int i;
 852     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 853         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 854         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 855     }
 856     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 857         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 858         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 859     }
 860 }
 861
 862 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 863 {
 864     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 865     _liftRatio *= applied;
 866     if(_wing)
 867       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 868     if(_tail)
 869       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 870     int i;
 871     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 872         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 873         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 874     }
 875 }
 876
 877 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 878 {
 879     if(val < min) return min;
 880     if(val > max) return max;
 881     return val;
 882 }
 883
 884 float Airplane::normFactor(float f)
 885 {
 886     if(f < 0) f = -f;
 887     if(f < 1) f = 1/f;
 888     return f;
 889 }
 890
 891 void Airplane::solve()
 892 {
 893     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 894
 895     float tmp[3];
 896     _solutionIterations = 0;
 897     _failureMsg = 0;
 898
 899     while(1) {
 900         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 901             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 902             return;
 903         }
 904
 905         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 906         runCruise();
 907
 908         _model.getThrust(tmp);
 909         float thrust = tmp[0];
 910
 911         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 912         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 913         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 914         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 915
 916         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 917         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 918         float pitch0 = tmp[1];
 919
 920         // Run an approach iteration, and do likewise
 921         runApproach();
 922
 923         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 924         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 925         double apitch0 = tmp[1];
 926
 927         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 928         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 929         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 930
 931         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 932         _cruiseAoA += ARCMIN;
 933         runCruise();
 934         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 935
 936         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 937         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 938         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 939
 940         // Do the same with the tail incidence
 941         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 942         runCruise();
 943         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 944
 945         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 946         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 947         float pitch1 = tmp[1];
 948
 949         // Now calculate:
 950         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 951
 952         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 953         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 954         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 955         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 956
 957         // Sanity:
 958         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 959             break;
 960
 961         // And the elevator control in the approach.  This works just
 962         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 963         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 964         // variable).
 965         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 966         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 967         runApproach();
 968         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 969
 970         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 971         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 972         double apitch1 = tmp[1];
 973         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 974
 975         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 976         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 977         // numbers in the right ballpark.
 978
 979         applyDragFactor(dragFactor);
 980         applyLiftRatio(liftFactor);
 981
 982         // DON'T do the following until the above are sane
 983         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
 984            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
 985         {
 986             continue;
 987         }
 988
 989         // OK, now we can adjust the minor variables:
 990         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
 991         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
 992
 993         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
 994         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
 995
 996         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
 997            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
 998            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
 999            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1000         {
1001             // If this finaly value is OK, then we're all done
1002             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1003                 break;
1004
1005             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1006             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1007             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1008                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1009                 break;
1010             }
1011         }
1012     }
1013
1014     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1015         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1016         return;
1017     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1018         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1019         return;
1020     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1021         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1022         return;
1023     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1024         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1025         return;
1026     }
1027 }
1028
1029 void Airplane::solveHelicopter()
1030 {
1031     _solutionIterations = 0;
1032     _failureMsg = 0;
1033
1034     applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1035     applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1036     setupState(0,0, &_cruiseState);
1037     _model.setState(&_cruiseState);
1038     _controls.reset();
1039     _model.getBody()->reset();
1040 }
1041
1042 }; // namespace yasim