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(dt);
  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* w)
 453 {
 454     /* todo contact points
 455     // The tip of the wing is a contact point
 456     float tip[3];
 457     w->getTip(tip);
 458     addContactPoint(tip);
 459     if(w->isMirrored()) {
 460         tip[1] *= -1;
 461         addContactPoint(tip);
 462     }
 463     */
 464
 465     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 466     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 467     // want.
 468     w->compile();
 469     _model.addRotor(w);
 470
 471     float wgt = 0;
 472     int i;
 473     /* Todo: add rotor to model!!!
 474        Todo: calc and add mass!!!
 475     */
 476     for(i=0; i<w->numRotorparts(); i++) {
 477         Rotorpart* s = (Rotorpart*)w->getRotorpart(i);
 478
 479         //float td = s->getTotalDrag();
 480         //s->setTotalDrag(td);
 481
 482         _model.addRotorpart(s);
 483
 484
 485         float mass = s->getWeight();
 486         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 487         float pos[3];
 488         s->getPosition(pos);
 489         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 490         wgt += mass;
 491
 492     }
 493
 494     for(i=0; i<w->numRotorblades(); i++) {
 495         Rotorblade* s = (Rotorblade*)w->getRotorblade(i);
 496
 497         //float td = s->getTotalDrag();
 498         //s->setTotalDrag(td);
 499
 500         _model.addRotorblade(s);
 501
 502
 503         float mass = s->getWeight();
 504         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 505         float pos[3];
 506         s->getPosition(pos);
 507         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 508         wgt += mass;
 509
 510     }
 511
 512     return wgt;
 513 }
 514
 515 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 516 {
 517     // The front and back are contact points
 518     addContactPoint(f->front);
 519     addContactPoint(f->back);
 520
 521     float wgt = 0;
 522     float fwd[3];
 523     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 524     float len = Math::mag3(fwd);
 525     float wid = f->width;
 526     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 527     float segWgt = len*wid/segs;
 528     int j;
 529     for(j=0; j<segs; j++) {
 530         float frac = (j+0.5f) / segs;
 531
 532         float scale = 1;
 533         if(frac < f->mid)
 534             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 535         else
 536             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 537
 538         // Where are we?
 539         float pos[3];
 540         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 541         Math::add3(f->back, pos, pos);
 542
 543         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 544         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 545         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 546         wgt += mass;
 547
 548         // Make a Surface too
 549         Surface* s = new Surface();
 550         s->setPosition(pos);
 551         float sideDrag = len/wid;
 552         s->setYDrag(sideDrag);
 553         s->setZDrag(sideDrag);
 554         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 555
 556         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 557         float o[9];
 558         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 559         Math::unit3(fwd, x);
 560         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 561         Math::cross3(x, y, z);
 562         Math::unit3(z, z);
 563         Math::cross3(z, x, y);
 564         s->setOrientation(o);
 565
 566         _model.addSurface(s);
 567         _surfs.add(s);
 568     }
 569     return wgt;
 570 }
 571
 572 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 573 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 574 {
 575     Gear* g = gr->gear;
 576
 577     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 578     Surface* s = new Surface();
 579     gr->surf = s;
 580
 581     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 582     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 583     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 584     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 585     float pos[3], cmp[3];
 586     g->getCompression(cmp);
 587     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 588     g->getPosition(pos);
 589     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 590     Math::add3(pos, cmp, pos);
 591
 592     s->setPosition(pos);
 593     s->setTotalDrag(length*length);
 594
 595     _model.addGear(g);
 596     _model.addSurface(s);
 597     _surfs.add(s);
 598 }
 599
 600 void Airplane::compileContactPoints()
 601 {
 602     // Figure it will compress by 20cm
 603     float comp[3];
 604     float DIST = 0.2f;
 605     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 606
 607     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 608     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 609     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 610     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 611     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 612
 613     int i;
 614     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 615         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 616
 617         Gear* g = new Gear();
 618         g->setPosition(cp);
 619
 620         g->setCompression(comp);
 621         g->setSpring(spring);
 622         g->setDamping(damp);
 623         g->setBrake(1);
 624
 625         // I made these up
 626         g->setStaticFriction(0.6f);
 627         g->setDynamicFriction(0.5f);
 628
 629         _model.addGear(g);
 630     }
 631 }
 632
 633 void Airplane::compile()
 634 {
 635     double ground[3];
 636     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 637     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 638
 639     RigidBody* body = _model.getBody();
 640     int firstMass = body->numMasses();
 641
 642     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 643     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 644     // make the weight right.
 645     float aeroWgt = 0;
 646
 647     // The Wing objects
 648     if (_wing)
 649       aeroWgt += compileWing(_wing);
 650     if (_tail)
 651       aeroWgt += compileWing(_tail);
 652     int i;
 653     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 654         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 655     }
 656     for(i=0; i<_rotors.size(); i++) {
 657         aeroWgt += compileRotor((Rotor*)_rotors.get(i));
 658     }
 659
 660     // The fuselage(s)
 661     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++) {
 662         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 663     }
 664
 665     // Count up the absolute weight we have
 666     float nonAeroWgt = _ballast;
 667     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 668         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 669
 670     // Rescale to the specified empty weight
 671     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 672     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 673         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 674
 675     // Add the thruster masses
 676     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 677         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 678         body->addMass(t->mass, t->cg);
 679     }
 680
 681     // Add the tanks, empty for now.
 682     float totalFuel = 0;
 683     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 684         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 685         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 686         totalFuel += t->cap;
 687     }
 688     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 689     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 690
 691     body->recalc();
 692
 693     // Add surfaces for the landing gear.
 694     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 695         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 696
 697     // The Thruster objects
 698     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 699         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 700         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 701     }
 702
 703     // Ground effect
 704     float gepos[3];
 705     float gespan;
 706     if(_wing)
 707       gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 708     else
 709       gespan=0;
 710     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 711
 712     solveGear();
 713
 714     solve();
 715
 716     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 717     // we don't want to affect.
 718     compileContactPoints();
 719 }
 720
 721 void Airplane::solveGear()
 722 {
 723     float cg[3], pos[3];
 724     _model.getBody()->getCG(cg);
 725
 726     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 727     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 728     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 729     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 730     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 731     float total = 0;
 732     int i;
 733     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 734         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 735         Gear* g = gr->gear;
 736         g->getPosition(pos);
 737         Math::sub3(cg, pos, pos);
 738         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 739         total += gr->wgt;
 740     }
 741
 742     // Renormalize so they sum to 1
 743     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 744         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 745
 746     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 747     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 748     // a 3 degree approach.
 749     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 750
 751     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 752     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 753     // each gear.
 754     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 755
 756     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 757         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 758         float e = energy * gr->wgt;
 759         float comp[3];
 760         gr->gear->getCompression(comp);
 761         float len = Math::mag3(comp);
 762
 763         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 764         float k = 2 * e / (len*len);
 765
 766         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 767
 768         // Critically damped (too damped, too!)
 769         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 770                              * gr->gear->getDamping());
 771
 772         // These are pretty generic
 773         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 774         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 775     }
 776 }
 777
 778 void Airplane::initEngines()
 779 {
 780     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 781         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 782         tr->thruster->init();
 783     }
 784 }
 785
 786 void Airplane::stabilizeThrust()
 787 {
 788     int i;
 789     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 790         _model.getThruster(i)->stabilize();
 791 }
 792
 793 void Airplane::runCruise()
 794 {
 795     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 796     _model.setState(&_cruiseState);
 797     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 798                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 799
 800     // The control configuration
 801     _controls.reset();
 802     int i;
 803     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 804         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 805         _controls.setInput(c->control, c->val);
 806     }
 807     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 808
 809     // The local wind
 810     float wind[3];
 811     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 812     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 813
 814     // Cruise is by convention at 50% tank capacity
 815     setFuelFraction(0.5);
 816
 817     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 818     // stabilizes.
 819     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 820         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 821         t->setWind(wind);
 822         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 823                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 824     }
 825     stabilizeThrust();
 826
 827     updateGearState();
 828
 829     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 830     _model.getBody()->recalc();
 831     _model.getBody()->reset();
 832     _model.initIteration(.01);//hier parameter egal
 833     _model.calcForces(&_cruiseState);
 834 }
 835
 836 void Airplane::runApproach()
 837 {
 838     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 839     _model.setState(&_approachState);
 840     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 841                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 842
 843     // The control configuration
 844     _controls.reset();
 845     int i;
 846     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 847         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 848         _controls.setInput(c->control, c->val);
 849     }
 850     _controls.applyControls(1000000);
 851
 852     // The local wind
 853     float wind[3];
 854     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 855     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 856
 857     // Approach is by convention at 20% tank capacity
 858     setFuelFraction(0.2f);
 859
 860     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 861     // this is lots of wasted work.
 862     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 863         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 864         t->setWind(wind);
 865         t->setAir(_approachP, _approachT,
 866                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 867     }
 868     stabilizeThrust();
 869
 870     updateGearState();
 871
 872     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 873     _model.getBody()->recalc();
 874     _model.getBody()->reset();
 875     _model.initIteration(.01);//hier parameter egal
 876     _model.calcForces(&_approachState);
 877 }
 878
 879 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 880 {
 881     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 882     _dragFactor *= applied;
 883     if(_wing)
 884       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 885     if(_tail)
 886       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 887     int i;
 888     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 889         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 890         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 891     }
 892     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 893         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 894         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 895     }
 896 }
 897
 898 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 899 {
 900     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 901     _liftRatio *= applied;
 902     if(_wing)
 903       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 904     if(_tail)
 905       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 906     int i;
 907     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 908         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 909         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 910     }
 911 }
 912
 913 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 914 {
 915     if(val < min) return min;
 916     if(val > max) return max;
 917     return val;
 918 }
 919
 920 float Airplane::normFactor(float f)
 921 {
 922     if(f < 0) f = -f;
 923     if(f < 1) f = 1/f;
 924     return f;
 925 }
 926
 927 void Airplane::solve()
 928 {
 929     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 930
 931     float tmp[3];
 932     _solutionIterations = 0;
 933     _failureMsg = 0;
 934     if((_wing)&&(_tail))
 935     {
 936     while(1) {
 937 #if 0
 938         printf("%d %f %f %f %f %f\n", //DEBUG
 939                _solutionIterations,
 940                1000*_dragFactor,
 941                _liftRatio,
 942                _cruiseAoA,
 943                _tailIncidence,
 944                _approachElevator.val);
 945 #endif
 946
 947         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 948             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 949             return;
 950         }
 951
 952         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 953         runCruise();
 954
 955         _model.getThrust(tmp);
 956         float thrust = tmp[0];
 957
 958         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 959         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 960         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 961         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 962
 963         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 964         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 965         float pitch0 = tmp[1];
 966
 967         // Run an approach iteration, and do likewise
 968         runApproach();
 969
 970         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 971         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 972         double apitch0 = tmp[1];
 973
 974         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 975         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 976         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 977
 978         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 979         _cruiseAoA += ARCMIN;
 980         runCruise();
 981         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 982
 983         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 984         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 985         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 986
 987         // Do the same with the tail incidence
 988         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 989         runCruise();
 990         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 991
 992         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 993         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 994         float pitch1 = tmp[1];
 995
 996         // Now calculate:
 997         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 998
 999         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
1000         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
1001         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
1002         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
1003
1004         // Sanity:
1005         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
1006             break;
1007
1008         // And the elevator control in the approach.  This works just
1009         // like the tail incidence computation (it's solving for the
1010         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
1011         // variable).
1012         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
1013         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
1014         runApproach();
1015         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
1016
1017         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
1018         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
1019         double apitch1 = tmp[1];
1020         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
1021
1022         // Now apply the values we just computed.  Note that the
1023         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
1024         // numbers in the right ballpark.
1025
1026         applyDragFactor(dragFactor);
1027         applyLiftRatio(liftFactor);
1028
1029         // DON'T do the following until the above are sane
1030         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
1031            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
1032         {
1033             continue;
1034         }
1035
1036         // OK, now we can adjust the minor variables:
1037         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
1038         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
1039
1040         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
1041         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
1042
1043         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1044            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1045            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
1046            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1047         {
1048             // If this finaly value is OK, then we're all done
1049             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1050                 break;
1051
1052             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1053             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1054             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1055                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1056                 break;
1057             }
1058         }
1059     }
1060
1061     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1062         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1063         return;
1064     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1065         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1066         return;
1067     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1068         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1069         return;
1070     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1071         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1072         return;
1073     }
1074     }
1075     else
1076     {
1077         applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1078         applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1079         setupState(0,0, &_cruiseState);
1080         _model.setState(&_cruiseState);
1081         _controls.reset();
1082         _model.getBody()->reset();
1083
1084
1085     }
1086
1087     return;
1088 }
1089 }; // namespace yasim