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 namespace yasim {
  12
  13 // gadgets
  14 inline float norm(float f) { return f<1 ? 1/f : f; }
  15 inline float abs(float f) { return f<0 ? -f : f; }
  16
  17 Airplane::Airplane()
  18 {
  19     _emptyWeight = 0;
  20     _pilotPos[0] = _pilotPos[1] = _pilotPos[2] = 0;
  21     _wing = 0;
  22     _tail = 0;
  23     _ballast = 0;
  24     _cruiseP = 0;
  25     _cruiseT = 0;
  26     _cruiseSpeed = 0;
  27     _cruiseWeight = 0;
  28     _approachP = 0;
  29     _approachT = 0;
  30     _approachSpeed = 0;
  31     _approachAoA = 0;
  32     _approachWeight = 0;
  33
  34     _dragFactor = 1;
  35     _liftRatio = 1;
  36     _cruiseAoA = 0;
  37     _tailIncidence = 0;
  38 }
  39
  40 Airplane::~Airplane()
  41 {
  42     int i;
  43     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  44         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  45     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  46         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  47     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  48         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  49     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
  50         delete (GearRec*)_gears.get(i);
  51     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  52         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  53     for(i=0; i<_contacts.size(); i++)
  54         delete[] (float*)_contacts.get(i);
  55 }
  56
  57 void Airplane::iterate(float dt)
  58 {
  59     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  60     updateGearState();
  61
  62     _model.iterate();
  63
  64     // FIXME: Consume fuel
  65 }
  66
  67 ControlMap* Airplane::getControlMap()
  68 {
  69     return &_controls;
  70 }
  71
  72 Model* Airplane::getModel()
  73 {
  74     return &_model;
  75 }
  76
  77 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
  78 {
  79     State* s = _model.getState();
  80
  81     // Gravity
  82     Glue::geodUp(s->pos, out);
  83     Math::mul3(-9.8f, out, out);
  84
  85     // The regular acceleration
  86     float tmp[3];
  87     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
  88     Math::add3(tmp, out, out);
  89
  90     // Convert to aircraft coordinates
  91     Math::vmul33(s->orient, out, out);
  92
  93     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
  94 }
  95
  96 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
  97 {
  98     int i;
  99     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 100 }
 101
 102 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 103 {
 104     int i;
 105     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 106 }
 107
 108 int Airplane::numGear()
 109 {
 110     return _gears.size();
 111 }
 112
 113 Gear* Airplane::getGear(int g)
 114 {
 115     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 116 }
 117
 118 void Airplane::updateGearState()
 119 {
 120     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 121         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 122         float ext = gr->gear->getExtension();
 123
 124         gr->surf->setXDrag(ext);
 125         gr->surf->setYDrag(ext);
 126         gr->surf->setZDrag(ext);
 127     }
 128 }
 129
 130 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude)
 131 {
 132     // The zero AoA will become a calculated stall AoA in compile()
 133     setApproach(speed, altitude, 0);
 134 }
 135
 136 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa)
 137 {
 138     _approachSpeed = speed;
 139     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 140     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 141     _approachAoA = aoa;
 142 }
 143
 144 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude)
 145 {
 146     _cruiseSpeed = speed;
 147     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 148     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 149     _cruiseAoA = 0;
 150     _tailIncidence = 0;
 151 }
 152
 153 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 154 {
 155     _approachElevator.control = control;
 156     _approachElevator.val = 0;
 157     _approachControls.add(&_approachElevator);
 158 }
 159
 160 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 161 {
 162     Control* c = new Control();
 163     c->control = control;
 164     c->val = val;
 165     _approachControls.add(c);
 166 }
 167
 168 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 169 {
 170     Control* c = new Control();
 171     c->control = control;
 172     c->val = val;
 173     _cruiseControls.add(c);
 174 }
 175
 176 int Airplane::numTanks()
 177 {
 178     return _tanks.size();
 179 }
 180
 181 float Airplane::getFuel(int tank)
 182 {
 183     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 184 }
 185
 186 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 187 {
 188     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 189 }
 190
 191 void Airplane::setWeight(float weight)
 192 {
 193     _emptyWeight = weight;
 194 }
 195
 196 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 197 {
 198     _wing = wing;
 199 }
 200
 201 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 202 {
 203     _tail = tail;
 204 }
 205
 206 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 207 {
 208     _vstabs.add(vstab);
 209 }
 210
 211 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 212                            float taper, float mid)
 213 {
 214     Fuselage* f = new Fuselage();
 215     int i;
 216     for(i=0; i<3; i++) {
 217         f->front[i] = front[i];
 218         f->back[i]  = back[i];
 219     }
 220     f->width = width;
 221     f->taper = taper;
 222     f->mid = mid;
 223     _fuselages.add(f);
 224 }
 225
 226 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 227 {
 228     Tank* t = new Tank();
 229     int i;
 230     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 231     t->cap = cap;
 232     t->fill = cap;
 233     t->density = density;
 234     t->handle = 0xffffffff;
 235     return _tanks.add(t);
 236 }
 237
 238 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 239 {
 240     GearRec* g = new GearRec();
 241     g->gear = gear;
 242     g->surf = 0;
 243     _gears.add(g);
 244 }
 245
 246 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 247 {
 248     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 249     t->thruster = thruster;
 250     t->mass = mass;
 251     int i;
 252     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 253     _thrusters.add(t);
 254 }
 255
 256 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 257 {
 258     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 259     _ballast += mass;
 260 }
 261
 262 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 263 {
 264     WeightRec* wr = new WeightRec();
 265     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 266
 267     wr->surf = new Surface();
 268     wr->surf->setPosition(pos);
 269     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 270     _model.addSurface(wr->surf);
 271     _surfs.add(wr->surf);
 272
 273     return _weights.add(wr);
 274 }
 275
 276 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 277 {
 278     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 279
 280     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 281
 282     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 283     // how we simulate droppable stores.
 284     if(mass == 0) {
 285         wr->surf->setXDrag(0);
 286         wr->surf->setYDrag(0);
 287         wr->surf->setZDrag(0);
 288     } else {
 289         wr->surf->setXDrag(1);
 290         wr->surf->setYDrag(1);
 291         wr->surf->setZDrag(1);
 292     }
 293 }
 294
 295 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 296 {
 297     int i;
 298     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 299         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 300         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 301     }
 302 }
 303
 304 float Airplane::getDragCoefficient()
 305 {
 306     return _dragFactor;
 307 }
 308
 309 float Airplane::getLiftRatio()
 310 {
 311     return _liftRatio;
 312 }
 313
 314 float Airplane::getCruiseAoA()
 315 {
 316     return _cruiseAoA;
 317 }
 318
 319 float Airplane::getTailIncidence()
 320 {
 321     return _tailIncidence;
 322 }
 323
 324 char* Airplane::getFailureMsg()
 325 {
 326     return _failureMsg;
 327 }
 328
 329 int Airplane::getSolutionIterations()
 330 {
 331     return _solutionIterations;
 332 }
 333
 334 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 335 {
 336     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 337     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 338     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 339     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 340     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 341
 342     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 343
 344     int i;
 345     for(i=0; i<3; i++)
 346         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 347
 348     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 349     // Model goes nuts
 350     s->pos[2] = 1;
 351 }
 352
 353 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 354 {
 355     float* cp = new float[3];
 356     cp[0] = pos[0];
 357     cp[1] = pos[1];
 358     cp[2] = pos[2];
 359     _contacts.add(cp);
 360 }
 361
 362 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 363 {
 364     // The tip of the wing is a contact point
 365     float tip[3];
 366     w->getTip(tip);
 367     addContactPoint(tip);
 368     if(w->isMirrored()) {
 369         tip[1] *= -1;
 370         addContactPoint(tip);
 371     }
 372
 373     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 374     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 375     // want.
 376     w->compile();
 377
 378     float wgt = 0;
 379     int i;
 380     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 381         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 382
 383         float td = s->getTotalDrag();
 384         s->setTotalDrag(td);
 385
 386         _model.addSurface(s);
 387
 388         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 389         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 390         float pos[3];
 391         s->getPosition(pos);
 392         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 393         wgt += mass;
 394     }
 395     return wgt;
 396 }
 397
 398 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 399 {
 400     // The front and back are contact points
 401     addContactPoint(f->front);
 402     addContactPoint(f->back);
 403
 404     float wgt = 0;
 405     float fwd[3];
 406     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 407     float len = Math::mag3(fwd);
 408     float wid = f->width;
 409     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 410     float segWgt = len*wid/segs;
 411     int j;
 412     for(j=0; j<segs; j++) {
 413         float frac = (j+0.5f) / segs;
 414
 415         float scale = 1;
 416         if(frac < f->mid)
 417             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 418         else
 419             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 420
 421         // Where are we?
 422         float pos[3];
 423         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 424         Math::add3(f->back, pos, pos);
 425
 426         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 427         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 428         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 429         wgt += mass;
 430
 431         // Make a Surface too
 432         Surface* s = new Surface();
 433         s->setPosition(pos);
 434         float sideDrag = len/wid;
 435         s->setYDrag(sideDrag);
 436         s->setZDrag(sideDrag);
 437         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 438
 439         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 440         float o[9];
 441         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 442         Math::unit3(fwd, x);
 443         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 444         Math::cross3(x, y, z);
 445         Math::unit3(z, z);
 446         Math::cross3(z, x, y);
 447         s->setOrientation(o);
 448
 449         _model.addSurface(s);
 450         _surfs.add(s);
 451     }
 452     return wgt;
 453 }
 454
 455 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 456 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 457 {
 458     Gear* g = gr->gear;
 459
 460     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 461     Surface* s = new Surface();
 462     gr->surf = s;
 463
 464     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 465     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 466     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 467     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 468     float pos[3], cmp[3];
 469     g->getCompression(cmp);
 470     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 471     g->getPosition(pos);
 472     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 473     Math::add3(pos, cmp, pos);
 474
 475     s->setPosition(pos);
 476     s->setTotalDrag(length*length);
 477
 478     _model.addGear(g);
 479     _model.addSurface(s);
 480     _surfs.add(s);
 481 }
 482
 483 void Airplane::compileContactPoints()
 484 {
 485     // Figure it will compress by 20cm
 486     float comp[3];
 487     float DIST = 0.2f;
 488     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 489
 490     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 491     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 492     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 493     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 494     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 495
 496     int i;
 497     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 498         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 499
 500         Gear* g = new Gear();
 501         g->setPosition(cp);
 502
 503         g->setCompression(comp);
 504         g->setSpring(spring);
 505         g->setDamping(damp);
 506         g->setBrake(1);
 507
 508         // I made these up
 509         g->setStaticFriction(0.6f);
 510         g->setDynamicFriction(0.5f);
 511
 512         _model.addGear(g);
 513     }
 514 }
 515
 516 void Airplane::compile()
 517 {
 518     double ground[3];
 519     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 520     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 521
 522     RigidBody* body = _model.getBody();
 523     int firstMass = body->numMasses();
 524
 525     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 526     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 527     // make the weight right.
 528     float aeroWgt = 0;
 529
 530     // The Wing objects
 531     aeroWgt += compileWing(_wing);
 532     aeroWgt += compileWing(_tail);
 533     int i;
 534     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 535         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 536     }
 537
 538     // The fuselage(s)
 539     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++) {
 540         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 541     }
 542
 543     // Count up the absolute weight we have
 544     float nonAeroWgt = _ballast;
 545     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 546         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 547
 548     // Rescale to the specified empty weight
 549     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 550     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 551         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 552
 553     // Add the thruster masses
 554     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 555         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 556         body->addMass(t->mass, t->cg);
 557     }
 558
 559     // Add the tanks, empty for now.
 560     float totalFuel = 0;
 561     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 562         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 563         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 564         totalFuel += t->cap;
 565     }
 566     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 567     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 568
 569     body->recalc();
 570
 571     // Add surfaces for the landing gear.
 572     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 573         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 574
 575     // The Thruster objects
 576     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 577         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 578         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 579     }
 580
 581     // Ground effect
 582     float gepos[3];
 583     float gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 584     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.3f);
 585
 586     solveGear();
 587     solve();
 588
 589     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 590     // we don't want to affect.
 591     compileContactPoints();
 592 }
 593
 594 void Airplane::solveGear()
 595 {
 596     float cg[3], pos[3];
 597     _model.getBody()->getCG(cg);
 598
 599     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 600     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 601     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 602     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 603     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 604     float total = 0;
 605     int i;
 606     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 607         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 608         Gear* g = gr->gear;
 609         g->getPosition(pos);
 610         Math::sub3(cg, pos, pos);
 611         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 612         total += gr->wgt;
 613     }
 614
 615     // Renormalize so they sum to 1
 616     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 617         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 618
 619     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 620     // plane moving downwards at 3x the approach descent rate.  Assume
 621     // a 3 degree approach.
 622     float descentRate = 3.0f*_approachSpeed/19.1f;
 623
 624     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 625     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 626     // each gear.
 627     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 628
 629     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 630         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 631         float e = energy * gr->wgt;
 632         float comp[3];
 633         gr->gear->getCompression(comp);
 634         float len = Math::mag3(comp);
 635
 636         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 637         float k = 2 * e / (len*len);
 638
 639         gr->gear->setSpring(k);
 640
 641         // Critically damped (too damped, too!)
 642         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt));
 643
 644         // These are pretty generic
 645         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 646         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 647     }
 648 }
 649
 650 void Airplane::initEngines()
 651 {
 652     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 653         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 654         tr->thruster->init();
 655     }
 656 }
 657
 658 void Airplane::stabilizeThrust()
 659 {
 660     int i;
 661     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 662         _model.getThruster(i)->stabilize();
 663 }
 664
 665 void Airplane::runCruise()
 666 {
 667     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 668     _model.setState(&_cruiseState);
 669     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT);
 670
 671     // The control configuration
 672     _controls.reset();
 673     int i;
 674     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 675         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 676         _controls.setInput(c->control, c->val);
 677     }
 678     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 679
 680     // The local wind
 681     float wind[3];
 682     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 683     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 684
 685     // Cruise is by convention at 50% tank capacity
 686     setFuelFraction(0.5);
 687
 688     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 689     // stabilizes.
 690     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 691         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 692         t->setWind(wind);
 693         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT);
 694     }
 695     stabilizeThrust();
 696
 697     updateGearState();
 698
 699     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 700     _model.getBody()->reset();
 701     _model.initIteration();
 702     _model.calcForces(&_cruiseState);
 703 }
 704
 705 void Airplane::runApproach()
 706 {
 707     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 708     _model.setState(&_approachState);
 709     _model.setAir(_approachP, _approachT);
 710
 711     // The control configuration
 712     _controls.reset();
 713     int i;
 714     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 715         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 716         _controls.setInput(c->control, c->val);
 717     }
 718     _controls.applyControls(1000000);
 719
 720     // The local wind
 721     float wind[3];
 722     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 723     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 724
 725     // Approach is by convention at 20% tank capacity
 726     setFuelFraction(0.2f);
 727
 728     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 729     // this is lots of wasted work.
 730     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 731         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 732         t->setWind(wind);
 733         t->setAir(_approachP, _approachT);
 734     }
 735     stabilizeThrust();
 736
 737     updateGearState();
 738
 739     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 740     _model.getBody()->reset();
 741     _model.initIteration();
 742     _model.calcForces(&_approachState);
 743 }
 744
 745 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 746 {
 747     float applied = Math::sqrt(factor);
 748     _dragFactor *= applied;
 749     _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 750     _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 751     int i;
 752     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 753         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 754         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 755     }
 756     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 757         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 758         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 759     }
 760 }
 761
 762 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 763 {
 764     float applied = Math::sqrt(factor);
 765     _liftRatio *= applied;
 766     _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 767     _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 768     int i;
 769     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 770         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 771         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 772     }
 773 }
 774
 775 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 776 {
 777     if(val < min) return min;
 778     if(val > max) return max;
 779     return val;
 780 }
 781
 782 float Airplane::normFactor(float f)
 783 {
 784     if(f < 0) f = -f;
 785     if(f < 1) f = 1/f;
 786     return f;
 787 }
 788
 789 void Airplane::solve()
 790 {
 791     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 792
 793     float tmp[3];
 794     _solutionIterations = 0;
 795     _failureMsg = 0;
 796     while(1) {
 797         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 798             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 799             return;
 800         }
 801
 802         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 803         runCruise();
 804
 805         _model.getThrust(tmp);
 806         float thrust = tmp[0];
 807
 808         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 809         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 810         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 811
 812         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 813         float pitch0 = tmp[1];
 814
 815         // Run an approach iteration, and do likewise
 816         runApproach();
 817
 818         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 819         float apitch0 = tmp[1];
 820
 821         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 822         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 823
 824         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 825         _cruiseAoA += ARCMIN;
 826         runCruise();
 827         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 828
 829         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 830         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 831
 832         // Do the same with the tail incidence
 833         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 834         runCruise();
 835         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 836
 837         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 838         float pitch1 = tmp[1];
 839
 840         // Now calculate:
 841         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 842
 843         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 844         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 845         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 846         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 847
 848         // Sanity:
 849         if(dragFactor <= 0) {
 850             _failureMsg = "Zero or negative drag adjustment.";
 851             return;
 852         } else if(liftFactor <= 0) {
 853             _failureMsg = "Zero or negative lift adjustment.";
 854             return;
 855         }
 856
 857         // And the elevator control in the approach.  This works just
 858         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 859         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 860         // variable).
 861         const float ELEVDIDDLE = 0.0001f;
 862         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 863         runApproach();
 864         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 865
 866         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 867         float apitch1 = tmp[1];
 868         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 869
 870         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 871         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 872         // numbers in the right ballpark.
 873
 874         applyDragFactor(dragFactor);
 875         applyLiftRatio(liftFactor);
 876
 877         // DON'T do the following until the above are sane
 878         if(normFactor(dragFactor) > 1.1
 879            || normFactor(liftFactor) > 1.1)
 880         {
 881             continue;
 882         }
 883
 884         // OK, now we can adjust the minor variables:
 885         _cruiseAoA += 0.5f*aoaDelta;
 886         _tailIncidence += 0.5f*tailDelta;
 887         _approachElevator.val += 0.5f*elevDelta;
 888
 889         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.174f, 0.174f);
 890         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.174f, 0.174f);
 891         _approachElevator.val = clamp(_approachElevator.val, -1.f, 1.f);
 892
 893         if(norm(dragFactor) < 1.00001 &&
 894            norm(liftFactor) < 1.00001 &&
 895            abs(aoaDelta) < .000017 &&
 896            abs(tailDelta) < .000017 &&
 897            abs(elevDelta) < 0.00001)
 898         {
 899             break;
 900         }
 901     }
 902
 903     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
 904         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
 905         return;
 906     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
 907         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
 908         return;
 909     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .174) {
 910         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
 911         return;
 912     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .174) {
 913         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
 914         return;
 915     }
 916 }
 917 }; // namespace yasim