src/FDM/YASim/Airplane.cpp

   1 #include <stdio.h>
   2
   3 #include "Atmosphere.hpp"
   4 #include "ControlMap.hpp"
   5 #include "Gear.hpp"
   6 #include "Math.hpp"
   7 #include "Glue.hpp"
   8 #include "RigidBody.hpp"
   9 #include "Surface.hpp"
  10 #include "Thruster.hpp"
  11
  12 #include "Airplane.hpp"
  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 Airplane::Airplane()
  20 {
  21     _emptyWeight = 0;
  22     _pilotPos[0] = _pilotPos[1] = _pilotPos[2] = 0;
  23     _wing = 0;
  24     _tail = 0;
  25     _ballast = 0;
  26     _cruiseP = 0;
  27     _cruiseT = 0;
  28     _cruiseSpeed = 0;
  29     _cruiseWeight = 0;
  30     _approachP = 0;
  31     _approachT = 0;
  32     _approachSpeed = 0;
  33     _approachAoA = 0;
  34     _approachWeight = 0;
  35
  36     _dragFactor = 1;
  37     _liftRatio = 1;
  38     _cruiseAoA = 0;
  39     _tailIncidence = 0;
  40 }
  41
  42 Airplane::~Airplane()
  43 {
  44     int i;
  45     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  46         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  47     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  48         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  49     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  50         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  51     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
  52         delete (GearRec*)_gears.get(i);
  53     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  54         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  55     for(i=0; i<_contacts.size(); i++)
  56         delete[] (float*)_contacts.get(i);
  57 }
  58
  59 void Airplane::iterate(float dt)
  60 {
  61     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  62     updateGearState();
  63
  64     _model.iterate();
  65
  66     // FIXME: Consume fuel
  67 }
  68
  69 ControlMap* Airplane::getControlMap()
  70 {
  71     return &_controls;
  72 }
  73
  74 Model* Airplane::getModel()
  75 {
  76     return &_model;
  77 }
  78
  79 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
  80 {
  81     State* s = _model.getState();
  82
  83     // Gravity
  84     Glue::geodUp(s->pos, out);
  85     Math::mul3(-9.8f, out, out);
  86
  87     // The regular acceleration
  88     float tmp[3];
  89     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
  90     Math::add3(tmp, out, out);
  91
  92     // Convert to aircraft coordinates
  93     Math::vmul33(s->orient, out, out);
  94
  95     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
  96 }
  97
  98 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
  99 {
 100     int i;
 101     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 102 }
 103
 104 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 105 {
 106     int i;
 107     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 108 }
 109
 110 int Airplane::numGear()
 111 {
 112     return _gears.size();
 113 }
 114
 115 Gear* Airplane::getGear(int g)
 116 {
 117     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 118 }
 119
 120 void Airplane::updateGearState()
 121 {
 122     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 123         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 124         float ext = gr->gear->getExtension();
 125
 126         gr->surf->setXDrag(ext);
 127         gr->surf->setYDrag(ext);
 128         gr->surf->setZDrag(ext);
 129     }
 130 }
 131
 132 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude)
 133 {
 134     // The zero AoA will become a calculated stall AoA in compile()
 135     setApproach(speed, altitude, 0);
 136 }
 137
 138 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa)
 139 {
 140     _approachSpeed = speed;
 141     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 142     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 143     _approachAoA = aoa;
 144 }
 145
 146 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude)
 147 {
 148     _cruiseSpeed = speed;
 149     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 150     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 151     _cruiseAoA = 0;
 152     _tailIncidence = 0;
 153 }
 154
 155 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 156 {
 157     _approachElevator.control = control;
 158     _approachElevator.val = 0;
 159     _approachControls.add(&_approachElevator);
 160 }
 161
 162 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 163 {
 164     Control* c = new Control();
 165     c->control = control;
 166     c->val = val;
 167     _approachControls.add(c);
 168 }
 169
 170 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 171 {
 172     Control* c = new Control();
 173     c->control = control;
 174     c->val = val;
 175     _cruiseControls.add(c);
 176 }
 177
 178 int Airplane::numTanks()
 179 {
 180     return _tanks.size();
 181 }
 182
 183 float Airplane::getFuel(int tank)
 184 {
 185     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 186 }
 187
 188 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 189 {
 190     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 191 }
 192
 193 void Airplane::setWeight(float weight)
 194 {
 195     _emptyWeight = weight;
 196 }
 197
 198 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 199 {
 200     _wing = wing;
 201 }
 202
 203 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 204 {
 205     _tail = tail;
 206 }
 207
 208 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 209 {
 210     _vstabs.add(vstab);
 211 }
 212
 213 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 214                            float taper, float mid)
 215 {
 216     Fuselage* f = new Fuselage();
 217     int i;
 218     for(i=0; i<3; i++) {
 219         f->front[i] = front[i];
 220         f->back[i]  = back[i];
 221     }
 222     f->width = width;
 223     f->taper = taper;
 224     f->mid = mid;
 225     _fuselages.add(f);
 226 }
 227
 228 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 229 {
 230     Tank* t = new Tank();
 231     int i;
 232     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 233     t->cap = cap;
 234     t->fill = cap;
 235     t->density = density;
 236     t->handle = 0xffffffff;
 237     return _tanks.add(t);
 238 }
 239
 240 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 241 {
 242     GearRec* g = new GearRec();
 243     g->gear = gear;
 244     g->surf = 0;
 245     _gears.add(g);
 246 }
 247
 248 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 249 {
 250     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 251     t->thruster = thruster;
 252     t->mass = mass;
 253     int i;
 254     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 255     _thrusters.add(t);
 256 }
 257
 258 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 259 {
 260     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 261     _ballast += mass;
 262 }
 263
 264 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 265 {
 266     WeightRec* wr = new WeightRec();
 267     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 268
 269     wr->surf = new Surface();
 270     wr->surf->setPosition(pos);
 271     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 272     _model.addSurface(wr->surf);
 273     _surfs.add(wr->surf);
 274
 275     return _weights.add(wr);
 276 }
 277
 278 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 279 {
 280     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 281
 282     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 283
 284     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 285     // how we simulate droppable stores.
 286     if(mass == 0) {
 287         wr->surf->setXDrag(0);
 288         wr->surf->setYDrag(0);
 289         wr->surf->setZDrag(0);
 290     } else {
 291         wr->surf->setXDrag(1);
 292         wr->surf->setYDrag(1);
 293         wr->surf->setZDrag(1);
 294     }
 295 }
 296
 297 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 298 {
 299     int i;
 300     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 301         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 302         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 303     }
 304 }
 305
 306 float Airplane::getDragCoefficient()
 307 {
 308     return _dragFactor;
 309 }
 310
 311 float Airplane::getLiftRatio()
 312 {
 313     return _liftRatio;
 314 }
 315
 316 float Airplane::getCruiseAoA()
 317 {
 318     return _cruiseAoA;
 319 }
 320
 321 float Airplane::getTailIncidence()
 322 {
 323     return _tailIncidence;
 324 }
 325
 326 char* Airplane::getFailureMsg()
 327 {
 328     return _failureMsg;
 329 }
 330
 331 int Airplane::getSolutionIterations()
 332 {
 333     return _solutionIterations;
 334 }
 335
 336 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 337 {
 338     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 339     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 340     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 341     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 342     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 343
 344     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 345
 346     int i;
 347     for(i=0; i<3; i++)
 348         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 349
 350     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 351     // Model goes nuts
 352     s->pos[2] = 1;
 353 }
 354
 355 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 356 {
 357     float* cp = new float[3];
 358     cp[0] = pos[0];
 359     cp[1] = pos[1];
 360     cp[2] = pos[2];
 361     _contacts.add(cp);
 362 }
 363
 364 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 365 {
 366     // The tip of the wing is a contact point
 367     float tip[3];
 368     w->getTip(tip);
 369     addContactPoint(tip);
 370     if(w->isMirrored()) {
 371         tip[1] *= -1;
 372         addContactPoint(tip);
 373     }
 374
 375     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 376     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 377     // want.
 378     w->compile();
 379
 380     float wgt = 0;
 381     int i;
 382     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 383         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 384
 385         float td = s->getTotalDrag();
 386         s->setTotalDrag(td);
 387
 388         _model.addSurface(s);
 389
 390         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 391         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 392         float pos[3];
 393         s->getPosition(pos);
 394         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 395         wgt += mass;
 396     }
 397     return wgt;
 398 }
 399
 400 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 401 {
 402     // The front and back are contact points
 403     addContactPoint(f->front);
 404     addContactPoint(f->back);
 405
 406     float wgt = 0;
 407     float fwd[3];
 408     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 409     float len = Math::mag3(fwd);
 410     float wid = f->width;
 411     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 412     float segWgt = len*wid/segs;
 413     int j;
 414     for(j=0; j<segs; j++) {
 415         float frac = (j+0.5f) / segs;
 416
 417         float scale = 1;
 418         if(frac < f->mid)
 419             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 420         else
 421             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 422
 423         // Where are we?
 424         float pos[3];
 425         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 426         Math::add3(f->back, pos, pos);
 427
 428         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 429         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 430         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 431         wgt += mass;
 432
 433         // Make a Surface too
 434         Surface* s = new Surface();
 435         s->setPosition(pos);
 436         float sideDrag = len/wid;
 437         s->setYDrag(sideDrag);
 438         s->setZDrag(sideDrag);
 439         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 440
 441         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 442         float o[9];
 443         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 444         Math::unit3(fwd, x);
 445         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 446         Math::cross3(x, y, z);
 447         Math::unit3(z, z);
 448         Math::cross3(z, x, y);
 449         s->setOrientation(o);
 450
 451         _model.addSurface(s);
 452         _surfs.add(s);
 453     }
 454     return wgt;
 455 }
 456
 457 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 458 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 459 {
 460     Gear* g = gr->gear;
 461
 462     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 463     Surface* s = new Surface();
 464     gr->surf = s;
 465
 466     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 467     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 468     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 469     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 470     float pos[3], cmp[3];
 471     g->getCompression(cmp);
 472     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 473     g->getPosition(pos);
 474     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 475     Math::add3(pos, cmp, pos);
 476
 477     s->setPosition(pos);
 478     s->setTotalDrag(length*length);
 479
 480     _model.addGear(g);
 481     _model.addSurface(s);
 482     _surfs.add(s);
 483 }
 484
 485 void Airplane::compileContactPoints()
 486 {
 487     // Figure it will compress by 20cm
 488     float comp[3];
 489     float DIST = 0.2f;
 490     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 491
 492     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 493     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 494     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 495     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 496     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 497
 498     int i;
 499     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 500         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 501
 502         Gear* g = new Gear();
 503         g->setPosition(cp);
 504
 505         g->setCompression(comp);
 506         g->setSpring(spring);
 507         g->setDamping(damp);
 508         g->setBrake(1);
 509
 510         // I made these up
 511         g->setStaticFriction(0.6f);
 512         g->setDynamicFriction(0.5f);
 513
 514         _model.addGear(g);
 515     }
 516 }
 517
 518 void Airplane::compile()
 519 {
 520     double ground[3];
 521     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 522     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 523
 524     RigidBody* body = _model.getBody();
 525     int firstMass = body->numMasses();
 526
 527     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 528     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 529     // make the weight right.
 530     float aeroWgt = 0;
 531
 532     // The Wing objects
 533     aeroWgt += compileWing(_wing);
 534     aeroWgt += compileWing(_tail);
 535     int i;
 536     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 537         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 538     }
 539
 540     // The fuselage(s)
 541     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++) {
 542         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 543     }
 544
 545     // Count up the absolute weight we have
 546     float nonAeroWgt = _ballast;
 547     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 548         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 549
 550     // Rescale to the specified empty weight
 551     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 552     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 553         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 554
 555     // Add the thruster masses
 556     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 557         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 558         body->addMass(t->mass, t->cg);
 559     }
 560
 561     // Add the tanks, empty for now.
 562     float totalFuel = 0;
 563     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 564         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 565         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 566         totalFuel += t->cap;
 567     }
 568     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 569     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 570
 571     body->recalc();
 572
 573     // Add surfaces for the landing gear.
 574     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 575         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 576
 577     // The Thruster objects
 578     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 579         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 580         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 581     }
 582
 583     // Ground effect
 584     float gepos[3];
 585     float gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 586     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.3f);
 587
 588     solveGear();
 589     solve();
 590
 591     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 592     // we don't want to affect.
 593     compileContactPoints();
 594 }
 595
 596 void Airplane::solveGear()
 597 {
 598     float cg[3], pos[3];
 599     _model.getBody()->getCG(cg);
 600
 601     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 602     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 603     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 604     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 605     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 606     float total = 0;
 607     int i;
 608     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 609         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 610         Gear* g = gr->gear;
 611         g->getPosition(pos);
 612         Math::sub3(cg, pos, pos);
 613         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 614         total += gr->wgt;
 615     }
 616
 617     // Renormalize so they sum to 1
 618     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 619         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 620
 621     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 622     // plane moving downwards at 3x the approach descent rate.  Assume
 623     // a 3 degree approach.
 624     float descentRate = 3.0f*_approachSpeed/19.1f;
 625
 626     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 627     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 628     // each gear.
 629     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 630
 631     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 632         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 633         float e = energy * gr->wgt;
 634         float comp[3];
 635         gr->gear->getCompression(comp);
 636         float len = Math::mag3(comp);
 637
 638         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 639         float k = 2 * e / (len*len);
 640
 641         gr->gear->setSpring(k);
 642
 643         // Critically damped (too damped, too!)
 644         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt));
 645
 646         // These are pretty generic
 647         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 648         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 649     }
 650 }
 651
 652 void Airplane::initEngines()
 653 {
 654     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 655         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 656         tr->thruster->init();
 657     }
 658 }
 659
 660 void Airplane::stabilizeThrust()
 661 {
 662     int i;
 663     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 664         _model.getThruster(i)->stabilize();
 665 }
 666
 667 void Airplane::runCruise()
 668 {
 669     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 670     _model.setState(&_cruiseState);
 671     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT);
 672
 673     // The control configuration
 674     _controls.reset();
 675     int i;
 676     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 677         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 678         _controls.setInput(c->control, c->val);
 679     }
 680     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 681
 682     // The local wind
 683     float wind[3];
 684     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 685     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 686
 687     // Cruise is by convention at 50% tank capacity
 688     setFuelFraction(0.5);
 689
 690     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 691     // stabilizes.
 692     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 693         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 694         t->setWind(wind);
 695         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT);
 696     }
 697     stabilizeThrust();
 698
 699     updateGearState();
 700
 701     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 702     _model.getBody()->reset();
 703     _model.initIteration();
 704     _model.calcForces(&_cruiseState);
 705 }
 706
 707 void Airplane::runApproach()
 708 {
 709     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 710     _model.setState(&_approachState);
 711     _model.setAir(_approachP, _approachT);
 712
 713     // The control configuration
 714     _controls.reset();
 715     int i;
 716     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 717         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 718         _controls.setInput(c->control, c->val);
 719     }
 720     _controls.applyControls(1000000);
 721
 722     // The local wind
 723     float wind[3];
 724     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 725     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 726
 727     // Approach is by convention at 20% tank capacity
 728     setFuelFraction(0.2f);
 729
 730     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 731     // this is lots of wasted work.
 732     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 733         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 734         t->setWind(wind);
 735         t->setAir(_approachP, _approachT);
 736     }
 737     stabilizeThrust();
 738
 739     updateGearState();
 740
 741     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 742     _model.getBody()->reset();
 743     _model.initIteration();
 744     _model.calcForces(&_approachState);
 745 }
 746
 747 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 748 {
 749     float applied = Math::sqrt(factor);
 750     _dragFactor *= applied;
 751     _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 752     _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 753     int i;
 754     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 755         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 756         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 757     }
 758     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 759         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 760         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 761     }
 762 }
 763
 764 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 765 {
 766     float applied = Math::sqrt(factor);
 767     _liftRatio *= applied;
 768     _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 769     _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 770     int i;
 771     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 772         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 773         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 774     }
 775 }
 776
 777 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 778 {
 779     if(val < min) return min;
 780     if(val > max) return max;
 781     return val;
 782 }
 783
 784 float Airplane::normFactor(float f)
 785 {
 786     if(f < 0) f = -f;
 787     if(f < 1) f = 1/f;
 788     return f;
 789 }
 790
 791 void Airplane::solve()
 792 {
 793     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 794
 795     float tmp[3];
 796     _solutionIterations = 0;
 797     _failureMsg = 0;
 798     while(1) {
 799         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 800             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 801             return;
 802         }
 803
 804         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 805         runCruise();
 806
 807         _model.getThrust(tmp);
 808         float thrust = tmp[0];
 809
 810         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 811         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 812         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 813
 814         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 815         float pitch0 = tmp[1];
 816
 817         // Run an approach iteration, and do likewise
 818         runApproach();
 819
 820         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 821         float apitch0 = tmp[1];
 822
 823         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 824         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 825
 826         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 827         _cruiseAoA += ARCMIN;
 828         runCruise();
 829         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 830
 831         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 832         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 833
 834         // Do the same with the tail incidence
 835         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 836         runCruise();
 837         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 838
 839         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 840         float pitch1 = tmp[1];
 841
 842         // Now calculate:
 843         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 844
 845         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 846         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 847         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 848         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 849
 850         // Sanity:
 851         if(dragFactor <= 0) {
 852             _failureMsg = "Zero or negative drag adjustment.";
 853             return;
 854         } else if(liftFactor <= 0) {
 855             _failureMsg = "Zero or negative lift adjustment.";
 856             return;
 857         }
 858
 859         // And the elevator control in the approach.  This works just
 860         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 861         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 862         // variable).
 863         const float ELEVDIDDLE = 0.0001f;
 864         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 865         runApproach();
 866         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 867
 868         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 869         float apitch1 = tmp[1];
 870         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 871
 872         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 873         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 874         // numbers in the right ballpark.
 875
 876         applyDragFactor(dragFactor);
 877         applyLiftRatio(liftFactor);
 878
 879         // DON'T do the following until the above are sane
 880         if(normFactor(dragFactor) > 1.1
 881            || normFactor(liftFactor) > 1.1)
 882         {
 883             continue;
 884         }
 885
 886         // OK, now we can adjust the minor variables:
 887         _cruiseAoA += 0.5f*aoaDelta;
 888         _tailIncidence += 0.5f*tailDelta;
 889         _approachElevator.val += 0.5f*elevDelta;
 890
 891         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.174f, 0.174f);
 892         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.174f, 0.174f);
 893         _approachElevator.val = clamp(_approachElevator.val, -1.f, 1.f);
 894
 895         fprintf(stderr, "p0 %6f p1 %6f e %5f d %5f\n",
 896                 apitch0, apitch1, _approachElevator.val, elevDelta); // DEBUG
 897
 898         fprintf(stderr, "l %5f d %5f aoa %5f inc %5f ele %5f\n",
 899                 _liftRatio, _dragFactor, _cruiseAoA, _tailIncidence,
 900                 _approachElevator.val);
 901
 902         if(norm(dragFactor) < 1.00001 &&
 903            norm(liftFactor) < 1.00001 &&
 904            abs(aoaDelta) < .000017 &&
 905            abs(tailDelta) < .000017 &&
 906            abs(elevDelta) < 0.00001)
 907         {
 908             break;
 909         }
 910     }
 911
 912     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
 913         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
 914         return;
 915     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
 916         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
 917         return;
 918     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .174) {
 919         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
 920         return;
 921     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .174) {
 922         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
 923         return;
 924     }
 925 }
 926 }; // namespace yasim