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 "Thruster.hpp"
   9
  10 #include "Airplane.hpp"
  11
  12 namespace yasim {
  13
  14 // gadgets
  15 inline float norm(float f) { return f<1 ? 1/f : f; }
  16 inline float abs(float f) { return f<0 ? -f : f; }
  17
  18 Airplane::Airplane()
  19 {
  20     _emptyWeight = 0;
  21     _pilotPos[0] = _pilotPos[1] = _pilotPos[2] = 0;
  22     _wing = 0;
  23     _tail = 0;
  24     _ballast = 0;
  25     _cruiseP = 0;
  26     _cruiseT = 0;
  27     _cruiseSpeed = 0;
  28     _cruiseWeight = 0;
  29     _approachP = 0;
  30     _approachT = 0;
  31     _approachSpeed = 0;
  32     _approachAoA = 0;
  33     _approachWeight = 0;
  34
  35     _dragFactor = 1;
  36     _liftRatio = 1;
  37     _cruiseAoA = 0;
  38     _tailIncidence = 0;
  39 }
  40
  41 Airplane::~Airplane()
  42 {
  43     int i;
  44     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  45         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  46     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  47         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  48     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  49         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  50     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
  51         delete (GearRec*)_gears.get(i);
  52     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  53         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  54     for(i=0; i<_contacts.size(); i++)
  55         delete[] (float*)_contacts.get(i);
  56 }
  57
  58 void Airplane::iterate(float dt)
  59 {
  60     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  61     updateGearState();
  62
  63     _model.iterate();
  64
  65     // FIXME: Consume fuel
  66 }
  67
  68 ControlMap* Airplane::getControlMap()
  69 {
  70     return &_controls;
  71 }
  72
  73 Model* Airplane::getModel()
  74 {
  75     return &_model;
  76 }
  77
  78 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
  79 {
  80     State* s = _model.getState();
  81
  82     // Gravity
  83     Glue::geodUp(s->pos, out);
  84     Math::mul3(-9.8f, out, out);
  85
  86     // The regular acceleration
  87     float tmp[3];
  88     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
  89     Math::add3(tmp, out, out);
  90
  91     // Convert to aircraft coordinates
  92     Math::vmul33(s->orient, out, out);
  93
  94     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
  95 }
  96
  97 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
  98 {
  99     int i;
 100     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 101 }
 102
 103 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 104 {
 105     int i;
 106     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 107 }
 108
 109 int Airplane::numGear()
 110 {
 111     return _gears.size();
 112 }
 113
 114 Gear* Airplane::getGear(int g)
 115 {
 116     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 117 }
 118
 119 void Airplane::updateGearState()
 120 {
 121     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 122         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 123         float ext = gr->gear->getExtension();
 124
 125         gr->surf->setXDrag(ext);
 126         gr->surf->setYDrag(ext);
 127         gr->surf->setZDrag(ext);
 128     }
 129 }
 130
 131 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude)
 132 {
 133     // The zero AoA will become a calculated stall AoA in compile()
 134     setApproach(speed, altitude, 0);
 135 }
 136
 137 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa)
 138 {
 139     _approachSpeed = speed;
 140     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 141     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 142     _approachAoA = aoa;
 143 }
 144
 145 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude)
 146 {
 147     _cruiseSpeed = speed;
 148     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 149     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 150     _cruiseAoA = 0;
 151     _tailIncidence = 0;
 152 }
 153
 154 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 155 {
 156     _approachElevator.control = control;
 157     _approachElevator.val = 0;
 158     _approachControls.add(&_approachElevator);
 159 }
 160
 161 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 162 {
 163     Control* c = new Control();
 164     c->control = control;
 165     c->val = val;
 166     _approachControls.add(c);
 167 }
 168
 169 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 170 {
 171     Control* c = new Control();
 172     c->control = control;
 173     c->val = val;
 174     _cruiseControls.add(c);
 175 }
 176
 177 int Airplane::numTanks()
 178 {
 179     return _tanks.size();
 180 }
 181
 182 float Airplane::getFuel(int tank)
 183 {
 184     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 185 }
 186
 187 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 188 {
 189     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 190 }
 191
 192 void Airplane::setWeight(float weight)
 193 {
 194     _emptyWeight = weight;
 195 }
 196
 197 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 198 {
 199     _wing = wing;
 200 }
 201
 202 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 203 {
 204     _tail = tail;
 205 }
 206
 207 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 208 {
 209     _vstabs.add(vstab);
 210 }
 211
 212 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 213                            float taper, float mid)
 214 {
 215     Fuselage* f = new Fuselage();
 216     int i;
 217     for(i=0; i<3; i++) {
 218         f->front[i] = front[i];
 219         f->back[i]  = back[i];
 220     }
 221     f->width = width;
 222     f->taper = taper;
 223     f->mid = mid;
 224     _fuselages.add(f);
 225 }
 226
 227 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 228 {
 229     Tank* t = new Tank();
 230     int i;
 231     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 232     t->cap = cap;
 233     t->fill = cap;
 234     t->density = density;
 235     t->handle = 0xffffffff;
 236     return _tanks.add(t);
 237 }
 238
 239 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 240 {
 241     GearRec* g = new GearRec();
 242     g->gear = gear;
 243     g->surf = 0;
 244     _gears.add(g);
 245 }
 246
 247 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 248 {
 249     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 250     t->thruster = thruster;
 251     t->mass = mass;
 252     int i;
 253     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 254     _thrusters.add(t);
 255 }
 256
 257 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 258 {
 259     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 260     _ballast += mass;
 261 }
 262
 263 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 264 {
 265     WeightRec* wr = new WeightRec();
 266     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 267
 268     wr->surf = new Surface();
 269     wr->surf->setPosition(pos);
 270     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 271     _model.addSurface(wr->surf);
 272     _surfs.add(wr->surf);
 273
 274     return _weights.add(wr);
 275 }
 276
 277 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 278 {
 279     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 280
 281     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 282
 283     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 284     // how we simulate droppable stores.
 285     if(mass == 0) {
 286         wr->surf->setXDrag(0);
 287         wr->surf->setYDrag(0);
 288         wr->surf->setZDrag(0);
 289     } else {
 290         wr->surf->setXDrag(1);
 291         wr->surf->setYDrag(1);
 292         wr->surf->setZDrag(1);
 293     }
 294 }
 295
 296 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 297 {
 298     int i;
 299     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 300         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 301         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 302     }
 303 }
 304
 305 float Airplane::getDragCoefficient()
 306 {
 307     return _dragFactor;
 308 }
 309
 310 float Airplane::getLiftRatio()
 311 {
 312     return _liftRatio;
 313 }
 314
 315 float Airplane::getCruiseAoA()
 316 {
 317     return _cruiseAoA;
 318 }
 319
 320 float Airplane::getTailIncidence()
 321 {
 322     return _tailIncidence;
 323 }
 324
 325 char* Airplane::getFailureMsg()
 326 {
 327     return _failureMsg;
 328 }
 329
 330 int Airplane::getSolutionIterations()
 331 {
 332     return _solutionIterations;
 333 }
 334
 335 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 336 {
 337     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 338     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 339     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 340     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 341     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 342
 343     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 344
 345     int i;
 346     for(i=0; i<3; i++)
 347         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 348
 349     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 350     // Model goes nuts
 351     s->pos[2] = 1;
 352 }
 353
 354 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 355 {
 356     float* cp = new float[3];
 357     cp[0] = pos[0];
 358     cp[1] = pos[1];
 359     cp[2] = pos[2];
 360     _contacts.add(cp);
 361 }
 362
 363 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 364 {
 365     // The tip of the wing is a contact point
 366     float tip[3];
 367     w->getTip(tip);
 368     addContactPoint(tip);
 369     if(w->isMirrored()) {
 370         tip[1] *= -1;
 371         addContactPoint(tip);
 372     }
 373
 374     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 375     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 376     // want.
 377     w->compile();
 378
 379     float wgt = 0;
 380     int i;
 381     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 382         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 383
 384         float td = s->getTotalDrag();
 385         s->setTotalDrag(td);
 386
 387         _model.addSurface(s);
 388
 389         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 390         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 391         float pos[3];
 392         s->getPosition(pos);
 393         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 394         wgt += mass;
 395     }
 396     return wgt;
 397 }
 398
 399 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 400 {
 401     // The front and back are contact points
 402     addContactPoint(f->front);
 403     addContactPoint(f->back);
 404
 405     float wgt = 0;
 406     float fwd[3];
 407     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 408     float len = Math::mag3(fwd);
 409     float wid = f->width;
 410     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 411     float segWgt = len*wid/segs;
 412     int j;
 413     for(j=0; j<segs; j++) {
 414         float frac = (j+0.5f) / segs;
 415
 416         float scale = 1;
 417         if(frac < f->mid)
 418             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 419         else
 420             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 421
 422         // Where are we?
 423         float pos[3];
 424         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 425         Math::add3(f->back, pos, pos);
 426
 427         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 428         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 429         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 430         wgt += mass;
 431
 432         // Make a Surface too
 433         Surface* s = new Surface();
 434         s->setPosition(pos);
 435         float sideDrag = len/wid;
 436         s->setYDrag(sideDrag);
 437         s->setZDrag(sideDrag);
 438         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 439
 440         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 441         float o[9];
 442         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 443         Math::unit3(fwd, x);
 444         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 445         Math::cross3(x, y, z);
 446         Math::unit3(z, z);
 447         Math::cross3(z, x, y);
 448         s->setOrientation(o);
 449
 450         _model.addSurface(s);
 451         _surfs.add(s);
 452     }
 453     return wgt;
 454 }
 455
 456 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 457 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 458 {
 459     Gear* g = gr->gear;
 460
 461     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 462     Surface* s = new Surface();
 463     gr->surf = s;
 464
 465     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 466     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 467     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 468     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 469     float pos[3], cmp[3];
 470     g->getCompression(cmp);
 471     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 472     g->getPosition(pos);
 473     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 474     Math::add3(pos, cmp, pos);
 475
 476     s->setPosition(pos);
 477     s->setTotalDrag(length*length);
 478
 479     _model.addGear(g);
 480     _model.addSurface(s);
 481     _surfs.add(s);
 482 }
 483
 484 void Airplane::compileContactPoints()
 485 {
 486     // Figure it will compress by 20cm
 487     float comp[3];
 488     float DIST = 0.2f;
 489     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 490
 491     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 492     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 493     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 494     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 495     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 496
 497     int i;
 498     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 499         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 500
 501         Gear* g = new Gear();
 502         g->setPosition(cp);
 503
 504         g->setCompression(comp);
 505         g->setSpring(spring);
 506         g->setDamping(damp);
 507         g->setBrake(1);
 508
 509         // I made these up
 510         g->setStaticFriction(0.6f);
 511         g->setDynamicFriction(0.5f);
 512
 513         _model.addGear(g);
 514     }
 515 }
 516
 517 void Airplane::compile()
 518 {
 519     double ground[3];
 520     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 521     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 522
 523     RigidBody* body = _model.getBody();
 524     int firstMass = body->numMasses();
 525
 526     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 527     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 528     // make the weight right.
 529     float aeroWgt = 0;
 530
 531     // The Wing objects
 532     aeroWgt += compileWing(_wing);
 533     aeroWgt += compileWing(_tail);
 534     int i;
 535     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 536         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 537     }
 538
 539     // The fuselage(s)
 540     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++) {
 541         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 542     }
 543
 544     // Count up the absolute weight we have
 545     float nonAeroWgt = _ballast;
 546     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 547         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 548
 549     // Rescale to the specified empty weight
 550     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 551     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 552         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 553
 554     // Add the thruster masses
 555     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 556         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 557         body->addMass(t->mass, t->cg);
 558     }
 559
 560     // Add the tanks, empty for now.
 561     float totalFuel = 0;
 562     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 563         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 564         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 565         totalFuel += t->cap;
 566     }
 567     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 568     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 569
 570     body->recalc();
 571
 572     // Add surfaces for the landing gear.
 573     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 574         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 575
 576     // The Thruster objects
 577     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 578         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 579         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 580     }
 581
 582     // Ground effect
 583     float gepos[3];
 584     float gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 585     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.3f);
 586
 587     solveGear();
 588     solve();
 589
 590     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 591     // we don't want to affect.
 592     compileContactPoints();
 593 }
 594
 595 void Airplane::solveGear()
 596 {
 597     float cg[3], pos[3];
 598     _model.getBody()->getCG(cg);
 599
 600     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 601     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 602     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 603     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 604     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 605     float total = 0;
 606     int i;
 607     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 608         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 609         Gear* g = gr->gear;
 610         g->getPosition(pos);
 611         Math::sub3(cg, pos, pos);
 612         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 613         total += gr->wgt;
 614     }
 615
 616     // Renormalize so they sum to 1
 617     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 618         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 619
 620     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 621     // plane moving downwards at 3x the approach descent rate.  Assume
 622     // a 3 degree approach.
 623     float descentRate = 3.0f*_approachSpeed/19.1f;
 624
 625     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 626     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 627     // each gear.
 628     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 629
 630     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 631         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 632         float e = energy * gr->wgt;
 633         float comp[3];
 634         gr->gear->getCompression(comp);
 635         float len = Math::mag3(comp);
 636
 637         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 638         float k = 2 * e / (len*len);
 639
 640         gr->gear->setSpring(k);
 641
 642         // Critically damped (too damped, too!)
 643         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt));
 644
 645         // These are pretty generic
 646         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 647         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 648     }
 649 }
 650
 651 void Airplane::initEngines()
 652 {
 653     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 654         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 655         tr->thruster->init();
 656     }
 657 }
 658
 659 void Airplane::stabilizeThrust()
 660 {
 661     int i;
 662     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 663         _model.getThruster(i)->stabilize();
 664 }
 665
 666 void Airplane::runCruise()
 667 {
 668     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 669     _model.setState(&_cruiseState);
 670     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT);
 671
 672     // The control configuration
 673     _controls.reset();
 674     int i;
 675     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 676         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 677         _controls.setInput(c->control, c->val);
 678     }
 679     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 680
 681     // The local wind
 682     float wind[3];
 683     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 684     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 685
 686     // Cruise is by convention at 50% tank capacity
 687     setFuelFraction(0.5);
 688
 689     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 690     // stabilizes.
 691     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 692         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 693         t->setWind(wind);
 694         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT);
 695     }
 696     stabilizeThrust();
 697
 698     updateGearState();
 699
 700     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 701     _model.getBody()->reset();
 702     _model.initIteration();
 703     _model.calcForces(&_cruiseState);
 704 }
 705
 706 void Airplane::runApproach()
 707 {
 708     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 709     _model.setState(&_approachState);
 710     _model.setAir(_approachP, _approachT);
 711
 712     // The control configuration
 713     _controls.reset();
 714     int i;
 715     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 716         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 717         _controls.setInput(c->control, c->val);
 718     }
 719     _controls.applyControls(1000000);
 720
 721     // The local wind
 722     float wind[3];
 723     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 724     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 725
 726     // Approach is by convention at 20% tank capacity
 727     setFuelFraction(0.2f);
 728
 729     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 730     // this is lots of wasted work.
 731     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 732         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 733         t->setWind(wind);
 734         t->setAir(_approachP, _approachT);
 735     }
 736     stabilizeThrust();
 737
 738     updateGearState();
 739
 740     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 741     _model.getBody()->reset();
 742     _model.initIteration();
 743     _model.calcForces(&_approachState);
 744 }
 745
 746 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 747 {
 748     float applied = Math::sqrt(factor);
 749     _dragFactor *= applied;
 750     _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 751     _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 752     int i;
 753     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 754         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 755         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 756     }
 757     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 758         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 759         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 760     }
 761 }
 762
 763 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 764 {
 765     float applied = Math::sqrt(factor);
 766     _liftRatio *= applied;
 767     _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 768     _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 769     int i;
 770     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 771         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 772         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 773     }
 774 }
 775
 776 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 777 {
 778     if(val < min) return min;
 779     if(val > max) return max;
 780     return val;
 781 }
 782
 783 float Airplane::normFactor(float f)
 784 {
 785     if(f < 0) f = -f;
 786     if(f < 1) f = 1/f;
 787     return f;
 788 }
 789
 790 void Airplane::solve()
 791 {
 792     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 793
 794     float tmp[3];
 795     _solutionIterations = 0;
 796     _failureMsg = 0;
 797     while(1) {
 798 #if 0
 799         printf("%d %f %f %f %f %f\n", //DEBUG
 800                _solutionIterations,
 801                1000*_dragFactor,
 802                _liftRatio,
 803                _cruiseAoA,
 804                _tailIncidence,
 805                _approachElevator.val);
 806 #endif
 807
 808         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 809             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 810             return;
 811         }
 812
 813         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 814         runCruise();
 815
 816         _model.getThrust(tmp);
 817         float thrust = tmp[0];
 818
 819         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 820         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 821         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 822
 823         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 824         float pitch0 = tmp[1];
 825
 826         // Run an approach iteration, and do likewise
 827         runApproach();
 828
 829         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 830         double apitch0 = tmp[1];
 831
 832         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 833         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 834
 835         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 836         _cruiseAoA += ARCMIN;
 837         runCruise();
 838         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 839
 840         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 841         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 842
 843         // Do the same with the tail incidence
 844         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 845         runCruise();
 846         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 847
 848         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 849         float pitch1 = tmp[1];
 850
 851         // Now calculate:
 852         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 853
 854         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 855         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 856         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 857         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 858
 859         // Sanity:
 860         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 861             break;
 862
 863         // And the elevator control in the approach.  This works just
 864         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 865         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 866         // variable).
 867         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 868         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 869         runApproach();
 870         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 871
 872         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 873         double apitch1 = tmp[1];
 874         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 875
 876         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 877         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 878         // numbers in the right ballpark.
 879
 880         applyDragFactor(dragFactor);
 881         applyLiftRatio(liftFactor);
 882
 883         // DON'T do the following until the above are sane
 884         if(normFactor(dragFactor) > 1.0001
 885            || normFactor(liftFactor) > 1.0001)
 886         {
 887             continue;
 888         }
 889
 890         // OK, now we can adjust the minor variables:
 891         _cruiseAoA += 0.5f*aoaDelta;
 892         _tailIncidence += 0.5f*tailDelta;
 893
 894         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
 895         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
 896
 897         if(norm(dragFactor) < 1.00001 &&
 898            norm(liftFactor) < 1.00001 &&
 899            abs(aoaDelta) < .000017 &&
 900            abs(tailDelta) < .000017)
 901         {
 902             // If this finaly value is OK, then we're all done
 903             if(abs(elevDelta) < 0.0001)
 904                 break;
 905
 906             // Otherwise, adjust and do the next iteration
 907             _approachElevator.val += 0.8 * elevDelta;
 908             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
 909                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
 910                 break;
 911             }
 912         }
 913     }
 914
 915     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
 916         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
 917         return;
 918     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
 919         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
 920         return;
 921     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
 922         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
 923         return;
 924     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
 925         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
 926         return;
 927     }
 928 }
 929 }; // namespace yasim