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     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++)
  70         delete[] (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
  71 }
  72
  73 void Airplane::iterate(float dt)
  74 {
  75     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  76     updateGearState();
  77
  78     _model.iterate();
  79 }
  80
  81 void Airplane::calcFuelWeights()
  82 {
  83     for(int i=0; i<_tanks.size(); i++) {
  84         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
  85         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->fill);
  86     }
  87 }
  88
  89 ControlMap* Airplane::getControlMap()
  90 {
  91     return &_controls;
  92 }
  93
  94 Model* Airplane::getModel()
  95 {
  96     return &_model;
  97 }
  98
  99 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
 100 {
 101     State* s = _model.getState();
 102
 103     // Gravity
 104     Glue::geodUp(s->pos, out);
 105     Math::mul3(-9.8f, out, out);
 106
 107     // The regular acceleration
 108     float tmp[3];
 109     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
 110     Math::add3(tmp, out, out);
 111
 112     // Convert to aircraft coordinates
 113     Math::vmul33(s->orient, out, out);
 114
 115     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
 116 }
 117
 118 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
 119 {
 120     int i;
 121     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 122 }
 123
 124 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 125 {
 126     int i;
 127     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 128 }
 129
 130 int Airplane::numGear()
 131 {
 132     return _gears.size();
 133 }
 134
 135 Gear* Airplane::getGear(int g)
 136 {
 137     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 138 }
 139
 140 void Airplane::updateGearState()
 141 {
 142     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 143         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 144         float ext = gr->gear->getExtension();
 145
 146         gr->surf->setXDrag(ext);
 147         gr->surf->setYDrag(ext);
 148         gr->surf->setZDrag(ext);
 149     }
 150 }
 151
 152 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa, float fuel)
 153 {
 154     _approachSpeed = speed;
 155     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 156     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 157     _approachAoA = aoa;
 158     _approachFuel = fuel;
 159 }
 160
 161 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude, float fuel)
 162 {
 163     _cruiseSpeed = speed;
 164     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 165     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 166     _cruiseAoA = 0;
 167     _tailIncidence = 0;
 168     _cruiseFuel = fuel;
 169 }
 170
 171 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 172 {
 173     _approachElevator.control = control;
 174     _approachElevator.val = 0;
 175     _approachControls.add(&_approachElevator);
 176 }
 177
 178 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 179 {
 180     Control* c = new Control();
 181     c->control = control;
 182     c->val = val;
 183     _approachControls.add(c);
 184 }
 185
 186 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 187 {
 188     Control* c = new Control();
 189     c->control = control;
 190     c->val = val;
 191     _cruiseControls.add(c);
 192 }
 193
 194 void Airplane::addSolutionWeight(bool approach, int idx, float wgt)
 195 {
 196     SolveWeight* w = new SolveWeight();
 197     w->approach = approach;
 198     w->idx = idx;
 199     w->wgt = wgt;
 200     _solveWeights.add(w);
 201 }
 202
 203 int Airplane::numTanks()
 204 {
 205     return _tanks.size();
 206 }
 207
 208 float Airplane::getFuel(int tank)
 209 {
 210     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 211 }
 212
 213 float Airplane::setFuel(int tank, float fuel)
 214 {
 215     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill = fuel;
 216 }
 217
 218 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 219 {
 220     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 221 }
 222
 223 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 224 {
 225     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 226 }
 227
 228 void Airplane::setWeight(float weight)
 229 {
 230     _emptyWeight = weight;
 231 }
 232
 233 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 234 {
 235     _wing = wing;
 236 }
 237
 238 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 239 {
 240     _tail = tail;
 241 }
 242
 243 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 244 {
 245     _vstabs.add(vstab);
 246 }
 247
 248 void Airplane::addRotor(Rotor* rotor)
 249 {
 250     _rotors.add(rotor);
 251 }
 252
 253 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 254                            float taper, float mid)
 255 {
 256     Fuselage* f = new Fuselage();
 257     int i;
 258     for(i=0; i<3; i++) {
 259         f->front[i] = front[i];
 260         f->back[i]  = back[i];
 261     }
 262     f->width = width;
 263     f->taper = taper;
 264     f->mid = mid;
 265     _fuselages.add(f);
 266 }
 267
 268 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 269 {
 270     Tank* t = new Tank();
 271     int i;
 272     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 273     t->cap = cap;
 274     t->fill = cap;
 275     t->density = density;
 276     t->handle = 0xffffffff;
 277     return _tanks.add(t);
 278 }
 279
 280 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 281 {
 282     GearRec* g = new GearRec();
 283     g->gear = gear;
 284     g->surf = 0;
 285     _gears.add(g);
 286 }
 287
 288 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 289 {
 290     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 291     t->thruster = thruster;
 292     t->mass = mass;
 293     int i;
 294     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 295     _thrusters.add(t);
 296 }
 297
 298 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 299 {
 300     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 301     _ballast += mass;
 302 }
 303
 304 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 305 {
 306     WeightRec* wr = new WeightRec();
 307     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 308
 309     wr->surf = new Surface();
 310     wr->surf->setPosition(pos);
 311     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 312     _model.addSurface(wr->surf);
 313     _surfs.add(wr->surf);
 314
 315     return _weights.add(wr);
 316 }
 317
 318 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 319 {
 320     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 321
 322     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 323
 324     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 325     // how we simulate droppable stores.
 326     if(mass == 0) {
 327         wr->surf->setXDrag(0);
 328         wr->surf->setYDrag(0);
 329         wr->surf->setZDrag(0);
 330     } else {
 331         wr->surf->setXDrag(1);
 332         wr->surf->setYDrag(1);
 333         wr->surf->setZDrag(1);
 334     }
 335 }
 336
 337 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 338 {
 339     int i;
 340     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 341         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 342         t->fill = frac * t->cap;
 343         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 344     }
 345 }
 346
 347 float Airplane::getDragCoefficient()
 348 {
 349     return _dragFactor;
 350 }
 351
 352 float Airplane::getLiftRatio()
 353 {
 354     return _liftRatio;
 355 }
 356
 357 float Airplane::getCruiseAoA()
 358 {
 359     return _cruiseAoA;
 360 }
 361
 362 float Airplane::getTailIncidence()
 363 {
 364     return _tailIncidence;
 365 }
 366
 367 char* Airplane::getFailureMsg()
 368 {
 369     return _failureMsg;
 370 }
 371
 372 int Airplane::getSolutionIterations()
 373 {
 374     return _solutionIterations;
 375 }
 376
 377 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 378 {
 379     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 380     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 381     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 382     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 383     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 384
 385     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 386
 387     int i;
 388     for(i=0; i<3; i++)
 389         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 390
 391     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 392     // Model goes nuts
 393     s->pos[2] = 1;
 394 }
 395
 396 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 397 {
 398     float* cp = new float[3];
 399     cp[0] = pos[0];
 400     cp[1] = pos[1];
 401     cp[2] = pos[2];
 402     _contacts.add(cp);
 403 }
 404
 405 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 406 {
 407     // The tip of the wing is a contact point
 408     float tip[3];
 409     w->getTip(tip);
 410     addContactPoint(tip);
 411     if(w->isMirrored()) {
 412         tip[1] *= -1;
 413         addContactPoint(tip);
 414     }
 415
 416     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 417     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 418     // want.
 419     w->compile();
 420
 421     float wgt = 0;
 422     int i;
 423     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 424         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 425
 426         float td = s->getTotalDrag();
 427         s->setTotalDrag(td);
 428
 429         _model.addSurface(s);
 430
 431         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 432         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 433         float pos[3];
 434         s->getPosition(pos);
 435         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 436         wgt += mass;
 437     }
 438     return wgt;
 439 }
 440
 441 float Airplane::compileRotor(Rotor* r)
 442 {
 443     // Todo: add rotor to model!!!
 444     // Todo: calc and add mass!!!
 445     r->compile();
 446     _model.addRotor(r);
 447
 448     float wgt = 0;
 449     int i;
 450     for(i=0; i<r->numRotorparts(); i++) {
 451         Rotorpart* s = (Rotorpart*)r->getRotorpart(i);
 452
 453         _model.addRotorpart(s);
 454
 455         float mass = s->getWeight();
 456         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 457         float pos[3];
 458         s->getPosition(pos);
 459         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 460         wgt += mass;
 461     }
 462
 463     for(i=0; i<r->numRotorblades(); i++) {
 464         Rotorblade* b = (Rotorblade*)r->getRotorblade(i);
 465
 466         _model.addRotorblade(b);
 467
 468         float mass = b->getWeight();
 469         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 470         float pos[3];
 471         b->getPosition(pos);
 472         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 473         wgt += mass;
 474     }
 475     return wgt;
 476 }
 477
 478 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 479 {
 480     // The front and back are contact points
 481     addContactPoint(f->front);
 482     addContactPoint(f->back);
 483
 484     float wgt = 0;
 485     float fwd[3];
 486     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 487     float len = Math::mag3(fwd);
 488     float wid = f->width;
 489     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 490     float segWgt = len*wid/segs;
 491     int j;
 492     for(j=0; j<segs; j++) {
 493         float frac = (j+0.5f) / segs;
 494
 495         float scale = 1;
 496         if(frac < f->mid)
 497             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 498         else
 499             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 500
 501         // Where are we?
 502         float pos[3];
 503         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 504         Math::add3(f->back, pos, pos);
 505
 506         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 507         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 508         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 509         wgt += mass;
 510
 511         // Make a Surface too
 512         Surface* s = new Surface();
 513         s->setPosition(pos);
 514         float sideDrag = len/wid;
 515         s->setYDrag(sideDrag);
 516         s->setZDrag(sideDrag);
 517         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 518
 519         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 520         float o[9];
 521         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 522         Math::unit3(fwd, x);
 523         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 524         Math::cross3(x, y, z);
 525         Math::unit3(z, z);
 526         Math::cross3(z, x, y);
 527         s->setOrientation(o);
 528
 529         _model.addSurface(s);
 530         _surfs.add(s);
 531     }
 532     return wgt;
 533 }
 534
 535 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 536 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 537 {
 538     Gear* g = gr->gear;
 539
 540     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 541     Surface* s = new Surface();
 542     gr->surf = s;
 543
 544     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 545     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 546     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 547     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 548     float pos[3], cmp[3];
 549     g->getCompression(cmp);
 550     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 551     g->getPosition(pos);
 552     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 553     Math::add3(pos, cmp, pos);
 554
 555     s->setPosition(pos);
 556     s->setTotalDrag(length*length);
 557
 558     _model.addGear(g);
 559     _model.addSurface(s);
 560     _surfs.add(s);
 561 }
 562
 563 void Airplane::compileContactPoints()
 564 {
 565     // Figure it will compress by 20cm
 566     float comp[3];
 567     float DIST = 0.2f;
 568     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 569
 570     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 571     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 572     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 573     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 574     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 575
 576     int i;
 577     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 578         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 579
 580         Gear* g = new Gear();
 581         g->setPosition(cp);
 582
 583         g->setCompression(comp);
 584         g->setSpring(spring);
 585         g->setDamping(damp);
 586         g->setBrake(1);
 587
 588         // I made these up
 589         g->setStaticFriction(0.6f);
 590         g->setDynamicFriction(0.5f);
 591
 592         _model.addGear(g);
 593     }
 594 }
 595
 596 void Airplane::compile()
 597 {
 598     double ground[3];
 599     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 600     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 601
 602     RigidBody* body = _model.getBody();
 603     int firstMass = body->numMasses();
 604
 605     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 606     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 607     // make the weight right.
 608     float aeroWgt = 0;
 609
 610     // The Wing objects
 611     if (_wing)
 612       aeroWgt += compileWing(_wing);
 613     if (_tail)
 614       aeroWgt += compileWing(_tail);
 615     int i;
 616     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
 617         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 618     for(i=0; i<_rotors.size(); i++)
 619         aeroWgt += compileRotor((Rotor*)_rotors.get(i));
 620
 621     // The fuselage(s)
 622     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
 623         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 624
 625     // Count up the absolute weight we have
 626     float nonAeroWgt = _ballast;
 627     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 628         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 629
 630     // Rescale to the specified empty weight
 631     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 632     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 633         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 634
 635     // Add the thruster masses
 636     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 637         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 638         body->addMass(t->mass, t->cg);
 639     }
 640
 641     // Add the tanks, empty for now.
 642     float totalFuel = 0;
 643     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 644         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 645         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 646         totalFuel += t->cap;
 647     }
 648     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 649     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 650
 651     body->recalc();
 652
 653     // Add surfaces for the landing gear.
 654     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 655         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 656
 657     // The Thruster objects
 658     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 659         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 660         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 661     }
 662
 663     // Ground effect
 664     float gepos[3];
 665     float gespan = 0;
 666     if(_wing)
 667       gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 668     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 669
 670     solveGear();
 671     if(_wing && _tail) solve();
 672     else solveHelicopter();
 673
 674     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 675     // we don't want to affect.
 676     compileContactPoints();
 677 }
 678
 679 void Airplane::solveGear()
 680 {
 681     float cg[3], pos[3];
 682     _model.getBody()->getCG(cg);
 683
 684     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 685     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 686     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 687     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 688     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 689     float total = 0;
 690     int i;
 691     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 692         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 693         Gear* g = gr->gear;
 694         g->getPosition(pos);
 695         Math::sub3(cg, pos, pos);
 696         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 697         total += gr->wgt;
 698     }
 699
 700     // Renormalize so they sum to 1
 701     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 702         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 703
 704     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 705     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 706     // a 3 degree approach.
 707     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 708
 709     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 710     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 711     // each gear.
 712     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 713
 714     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 715         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 716         float e = energy * gr->wgt;
 717         float comp[3];
 718         gr->gear->getCompression(comp);
 719         float len = Math::mag3(comp);
 720
 721         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 722         float k = 2 * e / (len*len);
 723
 724         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 725
 726         // Critically damped (too damped, too!)
 727         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 728                              * gr->gear->getDamping());
 729
 730         // These are pretty generic
 731         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 732         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 733     }
 734 }
 735
 736 void Airplane::initEngines()
 737 {
 738     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 739         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 740         tr->thruster->init();
 741     }
 742 }
 743
 744 void Airplane::stabilizeThrust()
 745 {
 746     int i;
 747     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 748         _model.getThruster(i)->stabilize();
 749 }
 750
 751 void Airplane::setupWeights(bool isApproach)
 752 {
 753     int i;
 754     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
 755         setWeight(i, 0);
 756     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++) {
 757         SolveWeight* w = (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
 758         if(w->approach == isApproach)
 759             setWeight(w->idx, w->wgt);
 760     }
 761 }
 762
 763 void Airplane::runCruise()
 764 {
 765     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 766     _model.setState(&_cruiseState);
 767     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 768                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 769
 770     // The control configuration
 771     _controls.reset();
 772     int i;
 773     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 774         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 775         _controls.setInput(c->control, c->val);
 776     }
 777     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 778
 779     // The local wind
 780     float wind[3];
 781     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 782     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 783
 784     setFuelFraction(_cruiseFuel);
 785     setupWeights(false);
 786
 787     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 788     // stabilizes.
 789     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 790         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 791         t->setWind(wind);
 792         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 793                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 794     }
 795     stabilizeThrust();
 796
 797     updateGearState();
 798
 799     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 800     _model.getBody()->recalc();
 801     _model.getBody()->reset();
 802     _model.initIteration();
 803     _model.calcForces(&_cruiseState);
 804 }
 805
 806 void Airplane::runApproach()
 807 {
 808     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 809     _model.setState(&_approachState);
 810     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 811                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 812
 813     // The control configuration
 814     _controls.reset();
 815     int i;
 816     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 817         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 818         _controls.setInput(c->control, c->val);
 819     }
 820     _controls.applyControls(1000000);
 821
 822     // The local wind
 823     float wind[3];
 824     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 825     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 826
 827     setFuelFraction(_approachFuel);
 828
 829     setupWeights(true);
 830
 831     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 832     // this is lots of wasted work.
 833     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 834         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 835         t->setWind(wind);
 836         t->setAir(_approachP, _approachT,
 837                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 838     }
 839     stabilizeThrust();
 840
 841     updateGearState();
 842
 843     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 844     _model.getBody()->recalc();
 845     _model.getBody()->reset();
 846     _model.initIteration();
 847     _model.calcForces(&_approachState);
 848 }
 849
 850 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 851 {
 852     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 853     _dragFactor *= applied;
 854     if(_wing)
 855       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 856     if(_tail)
 857       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 858     int i;
 859     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 860         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 861         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 862     }
 863     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 864         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 865         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 866     }
 867 }
 868
 869 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 870 {
 871     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 872     _liftRatio *= applied;
 873     if(_wing)
 874       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 875     if(_tail)
 876       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 877     int i;
 878     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 879         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 880         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 881     }
 882 }
 883
 884 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 885 {
 886     if(val < min) return min;
 887     if(val > max) return max;
 888     return val;
 889 }
 890
 891 float Airplane::normFactor(float f)
 892 {
 893     if(f < 0) f = -f;
 894     if(f < 1) f = 1/f;
 895     return f;
 896 }
 897
 898 void Airplane::solve()
 899 {
 900     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 901
 902     float tmp[3];
 903     _solutionIterations = 0;
 904     _failureMsg = 0;
 905
 906     while(1) {
 907         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 908             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 909             return;
 910         }
 911
 912         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 913         runCruise();
 914
 915         _model.getThrust(tmp);
 916         float thrust = tmp[0];
 917
 918         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 919         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 920         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 921         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 922
 923         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 924         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 925         float pitch0 = tmp[1];
 926
 927         // Run an approach iteration, and do likewise
 928         runApproach();
 929
 930         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 931         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 932         double apitch0 = tmp[1];
 933
 934         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 935         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 936         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 937
 938         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 939         _cruiseAoA += ARCMIN;
 940         runCruise();
 941         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 942
 943         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 944         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 945         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 946
 947         // Do the same with the tail incidence
 948         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 949         runCruise();
 950         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 951
 952         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 953         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 954         float pitch1 = tmp[1];
 955
 956         // Now calculate:
 957         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 958
 959         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 960         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 961         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 962         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 963
 964         // Sanity:
 965         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 966             break;
 967
 968         // And the elevator control in the approach.  This works just
 969         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 970         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 971         // variable).
 972         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 973         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 974         runApproach();
 975         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 976
 977         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 978         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 979         double apitch1 = tmp[1];
 980         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 981
 982         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 983         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 984         // numbers in the right ballpark.
 985
 986         applyDragFactor(dragFactor);
 987         applyLiftRatio(liftFactor);
 988
 989         // DON'T do the following until the above are sane
 990         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
 991            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
 992         {
 993             continue;
 994         }
 995
 996         // OK, now we can adjust the minor variables:
 997         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
 998         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
 999
1000         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
1001         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
1002
1003         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1004            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1005            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
1006            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1007         {
1008             // If this finaly value is OK, then we're all done
1009             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1010                 break;
1011
1012             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1013             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1014             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1015                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1016                 break;
1017             }
1018         }
1019     }
1020
1021     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1022         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1023         return;
1024     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1025         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1026         return;
1027     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1028         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1029         return;
1030     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1031         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1032         return;
1033     }
1034 }
1035
1036 void Airplane::solveHelicopter()
1037 {
1038     _solutionIterations = 0;
1039     _failureMsg = 0;
1040
1041     applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1042     applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1043     setupState(0,0, &_cruiseState);
1044     _model.setState(&_cruiseState);
1045     _controls.reset();
1046     _model.getBody()->reset();
1047 }
1048
1049 }; // namespace yasim