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 // Solver threshold.  How close to the solution are we trying
  19 // to get?  Trying too hard can result in oscillations about
  20 // the correct solution, which is bad.  Stick this in as a
  21 // compile time constant for now, and consider making it
  22 // settable per-model.
  23 const float STHRESH = 1;
  24
  25 // How slowly do we change values in the solver.  Too slow, and
  26 // the solution converges very slowly.  Too fast, and it can
  27 // oscillate.
  28 const float SOLVE_TWEAK = 0.3226;
  29
  30 Airplane::Airplane()
  31 {
  32     _emptyWeight = 0;
  33     _pilotPos[0] = _pilotPos[1] = _pilotPos[2] = 0;
  34     _wing = 0;
  35     _tail = 0;
  36     _ballast = 0;
  37     _cruiseP = 0;
  38     _cruiseT = 0;
  39     _cruiseSpeed = 0;
  40     _cruiseWeight = 0;
  41     _approachP = 0;
  42     _approachT = 0;
  43     _approachSpeed = 0;
  44     _approachAoA = 0;
  45     _approachWeight = 0;
  46
  47     _dragFactor = 1;
  48     _liftRatio = 1;
  49     _cruiseAoA = 0;
  50     _tailIncidence = 0;
  51 }
  52
  53 Airplane::~Airplane()
  54 {
  55     int i;
  56     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
  57         delete (Fuselage*)_fuselages.get(i);
  58     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  59         delete (Tank*)_tanks.get(i);
  60     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  61         delete (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
  62     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
  63         delete (GearRec*)_gears.get(i);
  64     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  65         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  66     for(i=0; i<_contacts.size(); i++)
  67         delete[] (float*)_contacts.get(i);
  68 }
  69
  70 void Airplane::iterate(float dt)
  71 {
  72     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  73     updateGearState();
  74
  75     _model.iterate();
  76 }
  77
  78 void Airplane::consumeFuel(float dt)
  79 {
  80     // This is a really simple implementation that assumes all engines
  81     // draw equally from all tanks in proportion to the amount of fuel
  82     // stored there.  Needs to be fixed, but that has to wait for a
  83     // decision as to what the property interface will look like.
  84     int i, outOfFuel = 0;
  85     float fuelFlow = 0, totalFuel = 0.00001; // <-- overflow protection
  86     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
  87         fuelFlow += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster->getFuelFlow();
  88     for(i=0; i<_tanks.size(); i++)
  89         totalFuel += ((Tank*)_tanks.get(i))->fill;
  90     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
  91         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
  92         t->fill -= dt * fuelFlow * (t->fill/totalFuel);
  93         if(t->fill <= 0) {
  94             t->fill = 0;
  95             outOfFuel = 1;
  96         }
  97     }
  98     if(outOfFuel)
  99         for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 100             ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster->setFuelState(false);
 101
 102     // Set the tank masses on the RigidBody
 103     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 104         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 105         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->fill);
 106     }
 107 }
 108
 109 ControlMap* Airplane::getControlMap()
 110 {
 111     return &_controls;
 112 }
 113
 114 Model* Airplane::getModel()
 115 {
 116     return &_model;
 117 }
 118
 119 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
 120 {
 121     State* s = _model.getState();
 122
 123     // Gravity
 124     Glue::geodUp(s->pos, out);
 125     Math::mul3(-9.8f, out, out);
 126
 127     // The regular acceleration
 128     float tmp[3];
 129     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
 130     Math::add3(tmp, out, out);
 131
 132     // Convert to aircraft coordinates
 133     Math::vmul33(s->orient, out, out);
 134
 135     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
 136 }
 137
 138 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
 139 {
 140     int i;
 141     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 142 }
 143
 144 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 145 {
 146     int i;
 147     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 148 }
 149
 150 int Airplane::numGear()
 151 {
 152     return _gears.size();
 153 }
 154
 155 Gear* Airplane::getGear(int g)
 156 {
 157     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 158 }
 159
 160 void Airplane::updateGearState()
 161 {
 162     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 163         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 164         float ext = gr->gear->getExtension();
 165
 166         gr->surf->setXDrag(ext);
 167         gr->surf->setYDrag(ext);
 168         gr->surf->setZDrag(ext);
 169     }
 170 }
 171
 172 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude)
 173 {
 174     // The zero AoA will become a calculated stall AoA in compile()
 175     setApproach(speed, altitude, 0);
 176 }
 177
 178 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa)
 179 {
 180     _approachSpeed = speed;
 181     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 182     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 183     _approachAoA = aoa;
 184 }
 185
 186 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude)
 187 {
 188     _cruiseSpeed = speed;
 189     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 190     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 191     _cruiseAoA = 0;
 192     _tailIncidence = 0;
 193 }
 194
 195 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 196 {
 197     _approachElevator.control = control;
 198     _approachElevator.val = 0;
 199     _approachControls.add(&_approachElevator);
 200 }
 201
 202 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 203 {
 204     Control* c = new Control();
 205     c->control = control;
 206     c->val = val;
 207     _approachControls.add(c);
 208 }
 209
 210 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 211 {
 212     Control* c = new Control();
 213     c->control = control;
 214     c->val = val;
 215     _cruiseControls.add(c);
 216 }
 217
 218 int Airplane::numTanks()
 219 {
 220     return _tanks.size();
 221 }
 222
 223 float Airplane::getFuel(int tank)
 224 {
 225     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 226 }
 227
 228 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 229 {
 230     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 231 }
 232
 233 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 234 {
 235     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 236 }
 237
 238 void Airplane::setWeight(float weight)
 239 {
 240     _emptyWeight = weight;
 241 }
 242
 243 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 244 {
 245     _wing = wing;
 246 }
 247
 248 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 249 {
 250     _tail = tail;
 251 }
 252
 253 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 254 {
 255     _vstabs.add(vstab);
 256 }
 257
 258 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 259                            float taper, float mid)
 260 {
 261     Fuselage* f = new Fuselage();
 262     int i;
 263     for(i=0; i<3; i++) {
 264         f->front[i] = front[i];
 265         f->back[i]  = back[i];
 266     }
 267     f->width = width;
 268     f->taper = taper;
 269     f->mid = mid;
 270     _fuselages.add(f);
 271 }
 272
 273 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 274 {
 275     Tank* t = new Tank();
 276     int i;
 277     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 278     t->cap = cap;
 279     t->fill = cap;
 280     t->density = density;
 281     t->handle = 0xffffffff;
 282     return _tanks.add(t);
 283 }
 284
 285 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 286 {
 287     GearRec* g = new GearRec();
 288     g->gear = gear;
 289     g->surf = 0;
 290     _gears.add(g);
 291 }
 292
 293 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 294 {
 295     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 296     t->thruster = thruster;
 297     t->mass = mass;
 298     int i;
 299     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 300     _thrusters.add(t);
 301 }
 302
 303 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 304 {
 305     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 306     _ballast += mass;
 307 }
 308
 309 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 310 {
 311     WeightRec* wr = new WeightRec();
 312     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 313
 314     wr->surf = new Surface();
 315     wr->surf->setPosition(pos);
 316     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 317     _model.addSurface(wr->surf);
 318     _surfs.add(wr->surf);
 319
 320     return _weights.add(wr);
 321 }
 322
 323 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 324 {
 325     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 326
 327     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 328
 329     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 330     // how we simulate droppable stores.
 331     if(mass == 0) {
 332         wr->surf->setXDrag(0);
 333         wr->surf->setYDrag(0);
 334         wr->surf->setZDrag(0);
 335     } else {
 336         wr->surf->setXDrag(1);
 337         wr->surf->setYDrag(1);
 338         wr->surf->setZDrag(1);
 339     }
 340 }
 341
 342 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 343 {
 344     int i;
 345     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 346         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 347         t->fill = frac * t->cap;
 348         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 349     }
 350 }
 351
 352 float Airplane::getDragCoefficient()
 353 {
 354     return _dragFactor;
 355 }
 356
 357 float Airplane::getLiftRatio()
 358 {
 359     return _liftRatio;
 360 }
 361
 362 float Airplane::getCruiseAoA()
 363 {
 364     return _cruiseAoA;
 365 }
 366
 367 float Airplane::getTailIncidence()
 368 {
 369     return _tailIncidence;
 370 }
 371
 372 char* Airplane::getFailureMsg()
 373 {
 374     return _failureMsg;
 375 }
 376
 377 int Airplane::getSolutionIterations()
 378 {
 379     return _solutionIterations;
 380 }
 381
 382 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 383 {
 384     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 385     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 386     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 387     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 388     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 389
 390     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 391
 392     int i;
 393     for(i=0; i<3; i++)
 394         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 395
 396     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 397     // Model goes nuts
 398     s->pos[2] = 1;
 399 }
 400
 401 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 402 {
 403     float* cp = new float[3];
 404     cp[0] = pos[0];
 405     cp[1] = pos[1];
 406     cp[2] = pos[2];
 407     _contacts.add(cp);
 408 }
 409
 410 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 411 {
 412     // The tip of the wing is a contact point
 413     float tip[3];
 414     w->getTip(tip);
 415     addContactPoint(tip);
 416     if(w->isMirrored()) {
 417         tip[1] *= -1;
 418         addContactPoint(tip);
 419     }
 420
 421     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 422     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 423     // want.
 424     w->compile();
 425
 426     float wgt = 0;
 427     int i;
 428     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 429         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 430
 431         float td = s->getTotalDrag();
 432         s->setTotalDrag(td);
 433
 434         _model.addSurface(s);
 435
 436         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 437         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 438         float pos[3];
 439         s->getPosition(pos);
 440         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 441         wgt += mass;
 442     }
 443     return wgt;
 444 }
 445
 446 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 447 {
 448     // The front and back are contact points
 449     addContactPoint(f->front);
 450     addContactPoint(f->back);
 451
 452     float wgt = 0;
 453     float fwd[3];
 454     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 455     float len = Math::mag3(fwd);
 456     float wid = f->width;
 457     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 458     float segWgt = len*wid/segs;
 459     int j;
 460     for(j=0; j<segs; j++) {
 461         float frac = (j+0.5f) / segs;
 462
 463         float scale = 1;
 464         if(frac < f->mid)
 465             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 466         else
 467             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 468
 469         // Where are we?
 470         float pos[3];
 471         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 472         Math::add3(f->back, pos, pos);
 473
 474         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 475         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 476         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 477         wgt += mass;
 478
 479         // Make a Surface too
 480         Surface* s = new Surface();
 481         s->setPosition(pos);
 482         float sideDrag = len/wid;
 483         s->setYDrag(sideDrag);
 484         s->setZDrag(sideDrag);
 485         s->setTotalDrag(scale*segWgt);
 486
 487         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 488         float o[9];
 489         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 490         Math::unit3(fwd, x);
 491         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 492         Math::cross3(x, y, z);
 493         Math::unit3(z, z);
 494         Math::cross3(z, x, y);
 495         s->setOrientation(o);
 496
 497         _model.addSurface(s);
 498         _surfs.add(s);
 499     }
 500     return wgt;
 501 }
 502
 503 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 504 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 505 {
 506     Gear* g = gr->gear;
 507
 508     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 509     Surface* s = new Surface();
 510     gr->surf = s;
 511
 512     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 513     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 514     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 515     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 516     float pos[3], cmp[3];
 517     g->getCompression(cmp);
 518     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 519     g->getPosition(pos);
 520     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 521     Math::add3(pos, cmp, pos);
 522
 523     s->setPosition(pos);
 524     s->setTotalDrag(length*length);
 525
 526     _model.addGear(g);
 527     _model.addSurface(s);
 528     _surfs.add(s);
 529 }
 530
 531 void Airplane::compileContactPoints()
 532 {
 533     // Figure it will compress by 20cm
 534     float comp[3];
 535     float DIST = 0.2f;
 536     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 537
 538     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 539     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 540     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 541     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 542     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 543
 544     int i;
 545     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 546         float *cp = (float*)_contacts.get(i);
 547
 548         Gear* g = new Gear();
 549         g->setPosition(cp);
 550
 551         g->setCompression(comp);
 552         g->setSpring(spring);
 553         g->setDamping(damp);
 554         g->setBrake(1);
 555
 556         // I made these up
 557         g->setStaticFriction(0.6f);
 558         g->setDynamicFriction(0.5f);
 559
 560         _model.addGear(g);
 561     }
 562 }
 563
 564 void Airplane::compile()
 565 {
 566     double ground[3];
 567     ground[0] = 0; ground[1] = 0; ground[2] = 1;
 568     _model.setGroundPlane(ground, -100000);
 569
 570     RigidBody* body = _model.getBody();
 571     int firstMass = body->numMasses();
 572
 573     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 574     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 575     // make the weight right.
 576     float aeroWgt = 0;
 577
 578     // The Wing objects
 579     aeroWgt += compileWing(_wing);
 580     aeroWgt += compileWing(_tail);
 581     int i;
 582     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 583         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 584     }
 585
 586     // The fuselage(s)
 587     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++) {
 588         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 589     }
 590
 591     // Count up the absolute weight we have
 592     float nonAeroWgt = _ballast;
 593     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 594         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 595
 596     // Rescale to the specified empty weight
 597     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 598     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 599         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 600
 601     // Add the thruster masses
 602     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 603         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 604         body->addMass(t->mass, t->cg);
 605     }
 606
 607     // Add the tanks, empty for now.
 608     float totalFuel = 0;
 609     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 610         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 611         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 612         totalFuel += t->cap;
 613     }
 614     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 615     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 616
 617     body->recalc();
 618
 619     // Add surfaces for the landing gear.
 620     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 621         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 622
 623     // The Thruster objects
 624     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 625         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 626         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 627     }
 628
 629     // Ground effect
 630     float gepos[3];
 631     float gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 632     _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 633
 634     solveGear();
 635     solve();
 636
 637     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 638     // we don't want to affect.
 639     compileContactPoints();
 640 }
 641
 642 void Airplane::solveGear()
 643 {
 644     float cg[3], pos[3];
 645     _model.getBody()->getCG(cg);
 646
 647     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 648     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 649     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 650     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 651     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 652     float total = 0;
 653     int i;
 654     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 655         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 656         Gear* g = gr->gear;
 657         g->getPosition(pos);
 658         Math::sub3(cg, pos, pos);
 659         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 660         total += gr->wgt;
 661     }
 662
 663     // Renormalize so they sum to 1
 664     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 665         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 666
 667     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 668     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 669     // a 3 degree approach.
 670     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 671
 672     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 673     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 674     // each gear.
 675     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 676
 677     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 678         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 679         float e = energy * gr->wgt;
 680         float comp[3];
 681         gr->gear->getCompression(comp);
 682         float len = Math::mag3(comp);
 683
 684         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 685         float k = 2 * e / (len*len);
 686
 687         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 688
 689         // Critically damped (too damped, too!)
 690         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 691                              * gr->gear->getDamping());
 692
 693         // These are pretty generic
 694         gr->gear->setStaticFriction(0.8f);
 695         gr->gear->setDynamicFriction(0.7f);
 696     }
 697 }
 698
 699 void Airplane::initEngines()
 700 {
 701     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 702         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 703         tr->thruster->init();
 704     }
 705 }
 706
 707 void Airplane::stabilizeThrust()
 708 {
 709     int i;
 710     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 711         _model.getThruster(i)->stabilize();
 712 }
 713
 714 void Airplane::runCruise()
 715 {
 716     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 717     _model.setState(&_cruiseState);
 718     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 719                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 720
 721     // The control configuration
 722     _controls.reset();
 723     int i;
 724     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 725         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 726         _controls.setInput(c->control, c->val);
 727     }
 728     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 729
 730     // The local wind
 731     float wind[3];
 732     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 733     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 734
 735     // Cruise is by convention at 50% tank capacity
 736     setFuelFraction(0.5);
 737
 738     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 739     // stabilizes.
 740     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 741         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 742         t->setWind(wind);
 743         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 744                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 745     }
 746     stabilizeThrust();
 747
 748     updateGearState();
 749
 750     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 751     _model.getBody()->recalc();
 752     _model.getBody()->reset();
 753     _model.initIteration();
 754     _model.calcForces(&_cruiseState);
 755 }
 756
 757 void Airplane::runApproach()
 758 {
 759     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 760     _model.setState(&_approachState);
 761     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 762                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 763
 764     // The control configuration
 765     _controls.reset();
 766     int i;
 767     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 768         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 769         _controls.setInput(c->control, c->val);
 770     }
 771     _controls.applyControls(1000000);
 772
 773     // The local wind
 774     float wind[3];
 775     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 776     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 777
 778     // Approach is by convention at 20% tank capacity
 779     setFuelFraction(0.2f);
 780
 781     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 782     // this is lots of wasted work.
 783     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 784         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 785         t->setWind(wind);
 786         t->setAir(_approachP, _approachT,
 787                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 788     }
 789     stabilizeThrust();
 790
 791     updateGearState();
 792
 793     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 794     _model.getBody()->recalc();
 795     _model.getBody()->reset();
 796     _model.initIteration();
 797     _model.calcForces(&_approachState);
 798 }
 799
 800 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 801 {
 802     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 803     _dragFactor *= applied;
 804     _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 805     _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 806     int i;
 807     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 808         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 809         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 810     }
 811     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 812         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 813         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 814     }
 815 }
 816
 817 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 818 {
 819     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 820     _liftRatio *= applied;
 821     _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 822     _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 823     int i;
 824     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 825         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 826         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 827     }
 828 }
 829
 830 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 831 {
 832     if(val < min) return min;
 833     if(val > max) return max;
 834     return val;
 835 }
 836
 837 float Airplane::normFactor(float f)
 838 {
 839     if(f < 0) f = -f;
 840     if(f < 1) f = 1/f;
 841     return f;
 842 }
 843
 844 void Airplane::solve()
 845 {
 846     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 847
 848     float tmp[3];
 849     _solutionIterations = 0;
 850     _failureMsg = 0;
 851     while(1) {
 852 #if 0
 853         printf("%d %f %f %f %f %f\n", //DEBUG
 854                _solutionIterations,
 855                1000*_dragFactor,
 856                _liftRatio,
 857                _cruiseAoA,
 858                _tailIncidence,
 859                _approachElevator.val);
 860 #endif
 861
 862         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 863             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 864             return;
 865         }
 866
 867         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 868         runCruise();
 869
 870         _model.getThrust(tmp);
 871         float thrust = tmp[0];
 872
 873         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 874         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 875         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 876         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 877
 878         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 879         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 880         float pitch0 = tmp[1];
 881
 882         // Run an approach iteration, and do likewise
 883         runApproach();
 884
 885         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 886         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 887         double apitch0 = tmp[1];
 888
 889         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 890         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 891         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 892
 893         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 894         _cruiseAoA += ARCMIN;
 895         runCruise();
 896         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 897
 898         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 899         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 900         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 901
 902         // Do the same with the tail incidence
 903         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 904         runCruise();
 905         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 906
 907         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 908         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 909         float pitch1 = tmp[1];
 910
 911         // Now calculate:
 912         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 913
 914         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 915         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 916         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 917         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 918
 919         // Sanity:
 920         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 921             break;
 922
 923         // And the elevator control in the approach.  This works just
 924         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 925         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 926         // variable).
 927         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 928         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 929         runApproach();
 930         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 931
 932         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 933         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 934         double apitch1 = tmp[1];
 935         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 936
 937         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 938         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 939         // numbers in the right ballpark.
 940
 941         applyDragFactor(dragFactor);
 942         applyLiftRatio(liftFactor);
 943
 944         // DON'T do the following until the above are sane
 945         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
 946            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
 947         {
 948             continue;
 949         }
 950
 951         // OK, now we can adjust the minor variables:
 952         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
 953         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
 954
 955         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
 956         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
 957
 958         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
 959            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
 960            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
 961            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
 962         {
 963             // If this finaly value is OK, then we're all done
 964             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
 965                 break;
 966
 967             // Otherwise, adjust and do the next iteration
 968             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
 969             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
 970                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
 971                 break;
 972             }
 973         }
 974     }
 975
 976     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
 977         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
 978         return;
 979     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
 980         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
 981         return;
 982     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
 983         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
 984         return;
 985     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
 986         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
 987         return;
 988     }
 989 }
 990 }; // namespace yasim