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