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 "Thruster.hpp"
  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         GearRec* g = (GearRec*)_gears.get(i);
  64         delete g->gear;
  65         delete g;
  66     }
  67     for(i=0; i<_surfs.size(); i++)
  68         delete (Surface*)_surfs.get(i);
  69     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
  70         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
  71         delete c->gear;
  72         delete c;
  73     }
  74     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++)
  75         delete (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
  76     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++)
  77         delete (Control*)_cruiseControls.get(i);
  78     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
  79         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
  80         if(c != &_approachElevator)
  81             delete c;
  82     }
  83     delete _wing;
  84     delete _tail;
  85     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
  86         delete (Wing*)_vstabs.get(i);
  87     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
  88         delete (WeightRec*)_weights.get(i);
  89 }
  90
  91 void Airplane::iterate(float dt)
  92 {
  93     // The gear might have moved.  Change their aerodynamics.
  94     updateGearState();
  95
  96     _model.iterate();
  97 }
  98
  99 void Airplane::calcFuelWeights()
 100 {
 101     for(int i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 102         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 103         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->fill);
 104     }
 105 }
 106
 107 ControlMap* Airplane::getControlMap()
 108 {
 109     return &_controls;
 110 }
 111
 112 Model* Airplane::getModel()
 113 {
 114     return &_model;
 115 }
 116
 117 void Airplane::getPilotAccel(float* out)
 118 {
 119     State* s = _model.getState();
 120
 121     // Gravity
 122     Glue::geodUp(s->pos, out);
 123     Math::mul3(-9.8f, out, out);
 124
 125     // The regular acceleration
 126     float tmp[3];
 127     Math::mul3(-1, s->acc, tmp);
 128     Math::add3(tmp, out, out);
 129
 130     // Convert to aircraft coordinates
 131     Math::vmul33(s->orient, out, out);
 132
 133     // FIXME: rotational & centripetal acceleration needed
 134 }
 135
 136 void Airplane::setPilotPos(float* pos)
 137 {
 138     int i;
 139     for(i=0; i<3; i++) _pilotPos[i] = pos[i];
 140 }
 141
 142 void Airplane::getPilotPos(float* out)
 143 {
 144     int i;
 145     for(i=0; i<3; i++) out[i] = _pilotPos[i];
 146 }
 147
 148 int Airplane::numGear()
 149 {
 150     return _gears.size();
 151 }
 152
 153 Gear* Airplane::getGear(int g)
 154 {
 155     return ((GearRec*)_gears.get(g))->gear;
 156 }
 157
 158 Hook* Airplane::getHook()
 159 {
 160     return _model.getHook();
 161 }
 162
 163 Launchbar* Airplane::getLaunchbar()
 164 {
 165     return _model.getLaunchbar();
 166 }
 167
 168 Rotorgear* Airplane::getRotorgear()
 169 {
 170     return _model.getRotorgear();
 171 }
 172
 173 void Airplane::updateGearState()
 174 {
 175     for(int i=0; i<_gears.size(); i++) {
 176         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 177         float ext = gr->gear->getExtension();
 178
 179         gr->surf->setXDrag(ext);
 180         gr->surf->setYDrag(ext);
 181         gr->surf->setZDrag(ext);
 182     }
 183 }
 184
 185 void Airplane::setApproach(float speed, float altitude, float aoa, float fuel)
 186 {
 187     _approachSpeed = speed;
 188     _approachP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 189     _approachT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 190     _approachAoA = aoa;
 191     _approachFuel = fuel;
 192 }
 193
 194 void Airplane::setCruise(float speed, float altitude, float fuel)
 195 {
 196     _cruiseSpeed = speed;
 197     _cruiseP = Atmosphere::getStdPressure(altitude);
 198     _cruiseT = Atmosphere::getStdTemperature(altitude);
 199     _cruiseAoA = 0;
 200     _tailIncidence = 0;
 201     _cruiseFuel = fuel;
 202 }
 203
 204 void Airplane::setElevatorControl(int control)
 205 {
 206     _approachElevator.control = control;
 207     _approachElevator.val = 0;
 208     _approachControls.add(&_approachElevator);
 209 }
 210
 211 void Airplane::addApproachControl(int control, float val)
 212 {
 213     Control* c = new Control();
 214     c->control = control;
 215     c->val = val;
 216     _approachControls.add(c);
 217 }
 218
 219 void Airplane::addCruiseControl(int control, float val)
 220 {
 221     Control* c = new Control();
 222     c->control = control;
 223     c->val = val;
 224     _cruiseControls.add(c);
 225 }
 226
 227 void Airplane::addSolutionWeight(bool approach, int idx, float wgt)
 228 {
 229     SolveWeight* w = new SolveWeight();
 230     w->approach = approach;
 231     w->idx = idx;
 232     w->wgt = wgt;
 233     _solveWeights.add(w);
 234 }
 235
 236 int Airplane::numTanks()
 237 {
 238     return _tanks.size();
 239 }
 240
 241 float Airplane::getFuel(int tank)
 242 {
 243     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill;
 244 }
 245
 246 float Airplane::setFuel(int tank, float fuel)
 247 {
 248     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->fill = fuel;
 249 }
 250
 251 float Airplane::getFuelDensity(int tank)
 252 {
 253     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->density;
 254 }
 255
 256 float Airplane::getTankCapacity(int tank)
 257 {
 258     return ((Tank*)_tanks.get(tank))->cap;
 259 }
 260
 261 void Airplane::setWeight(float weight)
 262 {
 263     _emptyWeight = weight;
 264 }
 265
 266 void Airplane::setWing(Wing* wing)
 267 {
 268     _wing = wing;
 269 }
 270
 271 void Airplane::setTail(Wing* tail)
 272 {
 273     _tail = tail;
 274 }
 275
 276 void Airplane::addVStab(Wing* vstab)
 277 {
 278     _vstabs.add(vstab);
 279 }
 280
 281 void Airplane::addFuselage(float* front, float* back, float width,
 282                            float taper, float mid,
 283                            float cx, float cy, float cz, float idrag)
 284 {
 285     Fuselage* f = new Fuselage();
 286     int i;
 287     for(i=0; i<3; i++) {
 288         f->front[i] = front[i];
 289         f->back[i]  = back[i];
 290     }
 291     f->width = width;
 292     f->taper = taper;
 293     f->mid = mid;
 294     f->_cx=cx;
 295     f->_cy=cy;
 296     f->_cz=cz;
 297     f->_idrag=idrag;
 298     _fuselages.add(f);
 299 }
 300
 301 int Airplane::addTank(float* pos, float cap, float density)
 302 {
 303     Tank* t = new Tank();
 304     int i;
 305     for(i=0; i<3; i++) t->pos[i] = pos[i];
 306     t->cap = cap;
 307     t->fill = cap;
 308     t->density = density;
 309     t->handle = 0xffffffff;
 310     return _tanks.add(t);
 311 }
 312
 313 void Airplane::addGear(Gear* gear)
 314 {
 315     GearRec* g = new GearRec();
 316     g->gear = gear;
 317     g->surf = 0;
 318     _gears.add(g);
 319 }
 320
 321 void Airplane::addHook(Hook* hook)
 322 {
 323     _model.addHook(hook);
 324 }
 325
 326 void Airplane::addLaunchbar(Launchbar* launchbar)
 327 {
 328     _model.addLaunchbar(launchbar);
 329 }
 330
 331 void Airplane::addThruster(Thruster* thruster, float mass, float* cg)
 332 {
 333     ThrustRec* t = new ThrustRec();
 334     t->thruster = thruster;
 335     t->mass = mass;
 336     int i;
 337     for(i=0; i<3; i++) t->cg[i] = cg[i];
 338     _thrusters.add(t);
 339 }
 340
 341 void Airplane::addBallast(float* pos, float mass)
 342 {
 343     _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 344     _ballast += mass;
 345 }
 346
 347 int Airplane::addWeight(float* pos, float size)
 348 {
 349     WeightRec* wr = new WeightRec();
 350     wr->handle = _model.getBody()->addMass(0, pos);
 351
 352     wr->surf = new Surface();
 353     wr->surf->setPosition(pos);
 354     wr->surf->setTotalDrag(size*size);
 355     _model.addSurface(wr->surf);
 356     _surfs.add(wr->surf);
 357
 358     return _weights.add(wr);
 359 }
 360
 361 void Airplane::setWeight(int handle, float mass)
 362 {
 363     WeightRec* wr = (WeightRec*)_weights.get(handle);
 364
 365     _model.getBody()->setMass(wr->handle, mass);
 366
 367     // Kill the aerodynamic drag if the mass is exactly zero.  This is
 368     // how we simulate droppable stores.
 369     if(mass == 0) {
 370         wr->surf->setXDrag(0);
 371         wr->surf->setYDrag(0);
 372         wr->surf->setZDrag(0);
 373     } else {
 374         wr->surf->setXDrag(1);
 375         wr->surf->setYDrag(1);
 376         wr->surf->setZDrag(1);
 377     }
 378 }
 379
 380 void Airplane::setFuelFraction(float frac)
 381 {
 382     int i;
 383     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 384         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 385         t->fill = frac * t->cap;
 386         _model.getBody()->setMass(t->handle, t->cap * frac);
 387     }
 388 }
 389
 390 float Airplane::getDragCoefficient()
 391 {
 392     return _dragFactor;
 393 }
 394
 395 float Airplane::getLiftRatio()
 396 {
 397     return _liftRatio;
 398 }
 399
 400 float Airplane::getCruiseAoA()
 401 {
 402     return _cruiseAoA;
 403 }
 404
 405 float Airplane::getTailIncidence()
 406 {
 407     return _tailIncidence;
 408 }
 409
 410 char* Airplane::getFailureMsg()
 411 {
 412     return _failureMsg;
 413 }
 414
 415 int Airplane::getSolutionIterations()
 416 {
 417     return _solutionIterations;
 418 }
 419
 420 void Airplane::setupState(float aoa, float speed, State* s)
 421 {
 422     float cosAoA = Math::cos(aoa);
 423     float sinAoA = Math::sin(aoa);
 424     s->orient[0] =  cosAoA; s->orient[1] = 0; s->orient[2] = sinAoA;
 425     s->orient[3] =       0; s->orient[4] = 1; s->orient[5] =      0;
 426     s->orient[6] = -sinAoA; s->orient[7] = 0; s->orient[8] = cosAoA;
 427
 428     s->v[0] = speed; s->v[1] = 0; s->v[2] = 0;
 429
 430     int i;
 431     for(i=0; i<3; i++)
 432         s->pos[i] = s->rot[i] = s->acc[i] = s->racc[i] = 0;
 433
 434     // Put us 1m above the origin, or else the gravity computation in
 435     // Model goes nuts
 436     s->pos[2] = 1;
 437 }
 438
 439 void Airplane::addContactPoint(float* pos)
 440 {
 441     ContactRec* c = new ContactRec;
 442     c->gear = 0;
 443     c->p[0] = pos[0];
 444     c->p[1] = pos[1];
 445     c->p[2] = pos[2];
 446     _contacts.add(c);
 447 }
 448
 449 float Airplane::compileWing(Wing* w)
 450 {
 451     // The tip of the wing is a contact point
 452     float tip[3];
 453     w->getTip(tip);
 454     addContactPoint(tip);
 455     if(w->isMirrored()) {
 456         tip[1] *= -1;
 457         addContactPoint(tip);
 458     }
 459
 460     // Make sure it's initialized.  The surfaces will pop out with
 461     // total drag coefficients equal to their areas, which is what we
 462     // want.
 463     w->compile();
 464
 465     float wgt = 0;
 466     int i;
 467     for(i=0; i<w->numSurfaces(); i++) {
 468         Surface* s = (Surface*)w->getSurface(i);
 469
 470         float td = s->getTotalDrag();
 471         s->setTotalDrag(td);
 472
 473         _model.addSurface(s);
 474
 475         float mass = w->getSurfaceWeight(i);
 476         mass = mass * Math::sqrt(mass);
 477         float pos[3];
 478         s->getPosition(pos);
 479         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 480         wgt += mass;
 481     }
 482     return wgt;
 483 }
 484
 485 float Airplane::compileRotorgear()
 486 {
 487     return getRotorgear()->compile(_model.getBody());
 488 }
 489
 490 float Airplane::compileFuselage(Fuselage* f)
 491 {
 492     // The front and back are contact points
 493     addContactPoint(f->front);
 494     addContactPoint(f->back);
 495
 496     float wgt = 0;
 497     float fwd[3];
 498     Math::sub3(f->front, f->back, fwd);
 499     float len = Math::mag3(fwd);
 500     float wid = f->width;
 501     int segs = (int)Math::ceil(len/wid);
 502     float segWgt = len*wid/segs;
 503     int j;
 504     for(j=0; j<segs; j++) {
 505         float frac = (j+0.5f) / segs;
 506
 507         float scale = 1;
 508         if(frac < f->mid)
 509             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac / f->mid);
 510         else
 511             scale = f->taper+(1-f->taper) * (frac - f->mid) / (1 - f->mid);
 512
 513         // Where are we?
 514         float pos[3];
 515         Math::mul3(frac, fwd, pos);
 516         Math::add3(f->back, pos, pos);
 517
 518         // _Mass_ weighting goes as surface area^(3/2)
 519         float mass = scale*segWgt * Math::sqrt(scale*segWgt);
 520         _model.getBody()->addMass(mass, pos);
 521         wgt += mass;
 522
 523         // Make a Surface too
 524         Surface* s = new Surface();
 525         s->setPosition(pos);
 526         float sideDrag = len/wid;
 527         s->setYDrag(sideDrag*f->_cy);
 528         s->setZDrag(sideDrag*f->_cz);
 529         s->setTotalDrag(scale*segWgt*f->_cx);
 530         s->setInducedDrag(f->_idrag);
 531
 532         // FIXME: fails for fuselages aligned along the Y axis
 533         float o[9];
 534         float *x=o, *y=o+3, *z=o+6; // nicknames for the axes
 535         Math::unit3(fwd, x);
 536         y[0] = 0; y[1] = 1; y[2] = 0;
 537         Math::cross3(x, y, z);
 538         Math::unit3(z, z);
 539         Math::cross3(z, x, y);
 540         s->setOrientation(o);
 541
 542         _model.addSurface(s);
 543         _surfs.add(s);
 544     }
 545     return wgt;
 546 }
 547
 548 // FIXME: should probably add a mass for the gear, too
 549 void Airplane::compileGear(GearRec* gr)
 550 {
 551     Gear* g = gr->gear;
 552
 553     // Make a Surface object for the aerodynamic behavior
 554     Surface* s = new Surface();
 555     gr->surf = s;
 556
 557     // Put the surface at the half-way point on the gear strut, give
 558     // it a drag coefficient equal to a square of the same dimension
 559     // (gear are really draggy) and make it symmetric.  Assume that
 560     // the "length" of the gear is 3x the compression distance
 561     float pos[3], cmp[3];
 562     g->getCompression(cmp);
 563     float length = 3 * Math::mag3(cmp);
 564     g->getPosition(pos);
 565     Math::mul3(0.5, cmp, cmp);
 566     Math::add3(pos, cmp, pos);
 567
 568     s->setPosition(pos);
 569     s->setTotalDrag(length*length);
 570
 571     _model.addGear(g);
 572     _model.addSurface(s);
 573     _surfs.add(s);
 574 }
 575
 576 void Airplane::compileContactPoints()
 577 {
 578     // Figure it will compress by 20cm
 579     float comp[3];
 580     float DIST = 0.2f;
 581     comp[0] = 0; comp[1] = 0; comp[2] = DIST;
 582
 583     // Give it a spring constant such that at full compression it will
 584     // hold up 10 times the planes mass.  That's about right.  Yeah.
 585     float mass = _model.getBody()->getTotalMass();
 586     float spring = (1/DIST) * 9.8f * 10.0f * mass;
 587     float damp = 2 * Math::sqrt(spring * mass);
 588
 589     int i;
 590     for(i=0; i<_contacts.size(); i++) {
 591         ContactRec* c = (ContactRec*)_contacts.get(i);
 592
 593         Gear* g = new Gear();
 594         c->gear = g;
 595         g->setPosition(c->p);
 596
 597         g->setCompression(comp);
 598         g->setSpring(spring);
 599         g->setDamping(damp);
 600         g->setBrake(1);
 601
 602         // I made these up
 603         g->setStaticFriction(0.6f);
 604         g->setDynamicFriction(0.5f);
 605
 606         _model.addGear(g);
 607     }
 608 }
 609
 610 void Airplane::compile()
 611 {
 612     RigidBody* body = _model.getBody();
 613     int firstMass = body->numMasses();
 614
 615     // Generate the point masses for the plane.  Just use unitless
 616     // numbers for a first pass, then go back through and rescale to
 617     // make the weight right.
 618     float aeroWgt = 0;
 619
 620     // The Wing objects
 621     if (_wing)
 622       aeroWgt += compileWing(_wing);
 623     if (_tail)
 624       aeroWgt += compileWing(_tail);
 625     int i;
 626     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++)
 627         aeroWgt += compileWing((Wing*)_vstabs.get(i));
 628
 629     // The rotor(s)
 630     aeroWgt += compileRotorgear();
 631
 632     // The fuselage(s)
 633     for(i=0; i<_fuselages.size(); i++)
 634         aeroWgt += compileFuselage((Fuselage*)_fuselages.get(i));
 635
 636     // Count up the absolute weight we have
 637     float nonAeroWgt = _ballast;
 638     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 639         nonAeroWgt += ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->mass;
 640
 641     // Rescale to the specified empty weight
 642     float wscale = (_emptyWeight-nonAeroWgt)/aeroWgt;
 643     for(i=firstMass; i<body->numMasses(); i++)
 644         body->setMass(i, body->getMass(i)*wscale);
 645
 646     // Add the thruster masses
 647     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 648         ThrustRec* t = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 649         body->addMass(t->mass, t->cg);
 650     }
 651
 652     // Add the tanks, empty for now.
 653     float totalFuel = 0;
 654     for(i=0; i<_tanks.size(); i++) {
 655         Tank* t = (Tank*)_tanks.get(i);
 656         t->handle = body->addMass(0, t->pos);
 657         totalFuel += t->cap;
 658     }
 659     _cruiseWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.5f;
 660     _approachWeight = _emptyWeight + totalFuel*0.2f;
 661
 662     body->recalc();
 663
 664     // Add surfaces for the landing gear.
 665     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 666         compileGear((GearRec*)_gears.get(i));
 667
 668     // The Thruster objects
 669     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 670         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 671         tr->handle = _model.addThruster(tr->thruster);
 672     }
 673
 674     // Ground effect
 675     if(_wing) {
 676         float gepos[3];
 677         float gespan = 0;
 678         gespan = _wing->getGroundEffect(gepos);
 679         _model.setGroundEffect(gepos, gespan, 0.15f);
 680     }
 681
 682     solveGear();
 683     if(_wing && _tail) solve();
 684     else solveHelicopter();
 685
 686     // Do this after solveGear, because it creates "gear" objects that
 687     // we don't want to affect.
 688     compileContactPoints();
 689 }
 690
 691 void Airplane::solveGear()
 692 {
 693     float cg[3], pos[3];
 694     _model.getBody()->getCG(cg);
 695
 696     // Calculate spring constant weightings for the gear.  Weight by
 697     // the inverse of the distance to the c.g. in the XY plane, which
 698     // should be correct for most gear arrangements.  Add 50cm of
 699     // "buffer" to keep things from blowing up with aircraft with a
 700     // single gear very near the c.g. (AV-8, for example).
 701     float total = 0;
 702     int i;
 703     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 704         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 705         Gear* g = gr->gear;
 706         g->getPosition(pos);
 707         Math::sub3(cg, pos, pos);
 708         gr->wgt = 1.0f/(0.5f+Math::sqrt(pos[0]*pos[0] + pos[1]*pos[1]));
 709         total += gr->wgt;
 710     }
 711
 712     // Renormalize so they sum to 1
 713     for(i=0; i<_gears.size(); i++)
 714         ((GearRec*)_gears.get(i))->wgt /= total;
 715
 716     // The force at max compression should be sufficient to stop a
 717     // plane moving downwards at 2x the approach descent rate.  Assume
 718     // a 3 degree approach.
 719     float descentRate = 2.0f*_approachSpeed/19.1f;
 720
 721     // Spread the kinetic energy according to the gear weights.  This
 722     // will results in an equal compression fraction (not distance) of
 723     // each gear.
 724     float energy = 0.5f*_approachWeight*descentRate*descentRate;
 725
 726     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 727         GearRec* gr = (GearRec*)_gears.get(i);
 728         float e = energy * gr->wgt;
 729         float comp[3];
 730         gr->gear->getCompression(comp);
 731         float len = Math::mag3(comp);
 732
 733         // Energy in a spring: e = 0.5 * k * len^2
 734         float k = 2 * e / (len*len);
 735
 736         gr->gear->setSpring(k * gr->gear->getSpring());
 737
 738         // Critically damped (too damped, too!)
 739         gr->gear->setDamping(2*Math::sqrt(k*_approachWeight*gr->wgt)
 740                              * gr->gear->getDamping());
 741     }
 742 }
 743
 744 void Airplane::initEngines()
 745 {
 746     for(int i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 747         ThrustRec* tr = (ThrustRec*)_thrusters.get(i);
 748         tr->thruster->init();
 749     }
 750 }
 751
 752 void Airplane::stabilizeThrust()
 753 {
 754     int i;
 755     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++)
 756         _model.getThruster(i)->stabilize();
 757 }
 758
 759 void Airplane::setupWeights(bool isApproach)
 760 {
 761     int i;
 762     for(i=0; i<_weights.size(); i++)
 763         setWeight(i, 0);
 764     for(i=0; i<_solveWeights.size(); i++) {
 765         SolveWeight* w = (SolveWeight*)_solveWeights.get(i);
 766         if(w->approach == isApproach)
 767             setWeight(w->idx, w->wgt);
 768     }
 769 }
 770
 771 void Airplane::runCruise()
 772 {
 773     setupState(_cruiseAoA, _cruiseSpeed, &_cruiseState);
 774     _model.setState(&_cruiseState);
 775     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 776                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 777
 778     // The control configuration
 779     _controls.reset();
 780     int i;
 781     for(i=0; i<_cruiseControls.size(); i++) {
 782         Control* c = (Control*)_cruiseControls.get(i);
 783         _controls.setInput(c->control, c->val);
 784     }
 785     _controls.applyControls(1000000); // Huge dt value
 786
 787     // The local wind
 788     float wind[3];
 789     Math::mul3(-1, _cruiseState.v, wind);
 790     Math::vmul33(_cruiseState.orient, wind, wind);
 791
 792     setFuelFraction(_cruiseFuel);
 793     setupWeights(false);
 794
 795     // Set up the thruster parameters and iterate until the thrust
 796     // stabilizes.
 797     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 798         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 799         t->setWind(wind);
 800         t->setAir(_cruiseP, _cruiseT,
 801                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
 802     }
 803     stabilizeThrust();
 804
 805     updateGearState();
 806
 807     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 808     _model.getBody()->recalc();
 809     _model.getBody()->reset();
 810     _model.initIteration();
 811     _model.calcForces(&_cruiseState);
 812 }
 813
 814 void Airplane::runApproach()
 815 {
 816     setupState(_approachAoA, _approachSpeed, &_approachState);
 817     _model.setState(&_approachState);
 818     _model.setAir(_approachP, _approachT,
 819                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 820
 821     // The control configuration
 822     _controls.reset();
 823     int i;
 824     for(i=0; i<_approachControls.size(); i++) {
 825         Control* c = (Control*)_approachControls.get(i);
 826         _controls.setInput(c->control, c->val);
 827     }
 828     _controls.applyControls(1000000);
 829
 830     // The local wind
 831     float wind[3];
 832     Math::mul3(-1, _approachState.v, wind);
 833     Math::vmul33(_approachState.orient, wind, wind);
 834
 835     setFuelFraction(_approachFuel);
 836
 837     setupWeights(true);
 838
 839     // Run the thrusters until they get to a stable setting.  FIXME:
 840     // this is lots of wasted work.
 841     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 842         Thruster* t = ((ThrustRec*)_thrusters.get(i))->thruster;
 843         t->setWind(wind);
 844         t->setAir(_approachP, _approachT,
 845                   Atmosphere::calcStdDensity(_approachP, _approachT));
 846     }
 847     stabilizeThrust();
 848
 849     updateGearState();
 850
 851     // Precompute thrust in the model, and calculate aerodynamic forces
 852     _model.getBody()->recalc();
 853     _model.getBody()->reset();
 854     _model.initIteration();
 855     _model.calcForces(&_approachState);
 856 }
 857
 858 void Airplane::applyDragFactor(float factor)
 859 {
 860     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 861     _dragFactor *= applied;
 862     if(_wing)
 863       _wing->setDragScale(_wing->getDragScale() * applied);
 864     if(_tail)
 865       _tail->setDragScale(_tail->getDragScale() * applied);
 866     int i;
 867     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 868         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 869         w->setDragScale(w->getDragScale() * applied);
 870     }
 871     for(i=0; i<_surfs.size(); i++) {
 872         Surface* s = (Surface*)_surfs.get(i);
 873         s->setTotalDrag(s->getTotalDrag() * applied);
 874     }
 875 }
 876
 877 void Airplane::applyLiftRatio(float factor)
 878 {
 879     float applied = Math::pow(factor, SOLVE_TWEAK);
 880     _liftRatio *= applied;
 881     if(_wing)
 882       _wing->setLiftRatio(_wing->getLiftRatio() * applied);
 883     if(_tail)
 884       _tail->setLiftRatio(_tail->getLiftRatio() * applied);
 885     int i;
 886     for(i=0; i<_vstabs.size(); i++) {
 887         Wing* w = (Wing*)_vstabs.get(i);
 888         w->setLiftRatio(w->getLiftRatio() * applied);
 889     }
 890 }
 891
 892 float Airplane::clamp(float val, float min, float max)
 893 {
 894     if(val < min) return min;
 895     if(val > max) return max;
 896     return val;
 897 }
 898
 899 float Airplane::normFactor(float f)
 900 {
 901     if(f < 0) f = -f;
 902     if(f < 1) f = 1/f;
 903     return f;
 904 }
 905
 906 void Airplane::solve()
 907 {
 908     static const float ARCMIN = 0.0002909f;
 909
 910     float tmp[3];
 911     _solutionIterations = 0;
 912     _failureMsg = 0;
 913
 914     while(1) {
 915         if(_solutionIterations++ > 10000) {
 916             _failureMsg = "Solution failed to converge after 10000 iterations";
 917             return;
 918         }
 919
 920         // Run an iteration at cruise, and extract the needed numbers:
 921         runCruise();
 922
 923         _model.getThrust(tmp);
 924         float thrust = tmp[0];
 925
 926         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 927         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 928         float xforce = _cruiseWeight * tmp[0];
 929         float clift0 = _cruiseWeight * tmp[2];
 930
 931         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 932         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 933         float pitch0 = tmp[1];
 934
 935         // Run an approach iteration, and do likewise
 936         runApproach();
 937
 938         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 939         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 940         double apitch0 = tmp[1];
 941
 942         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 943         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 944         float alift = _approachWeight * tmp[2];
 945
 946         // Modify the cruise AoA a bit to get a derivative
 947         _cruiseAoA += ARCMIN;
 948         runCruise();
 949         _cruiseAoA -= ARCMIN;
 950
 951         _model.getBody()->getAccel(tmp);
 952         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 953         float clift1 = _cruiseWeight * tmp[2];
 954
 955         // Do the same with the tail incidence
 956         _tail->setIncidence(_tailIncidence + ARCMIN);
 957         runCruise();
 958         _tail->setIncidence(_tailIncidence);
 959
 960         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 961         Math::tmul33(_cruiseState.orient, tmp, tmp);
 962         float pitch1 = tmp[1];
 963
 964         // Now calculate:
 965         float awgt = 9.8f * _approachWeight;
 966
 967         float dragFactor = thrust / (thrust-xforce);
 968         float liftFactor = awgt / (awgt+alift);
 969         float aoaDelta = -clift0 * (ARCMIN/(clift1-clift0));
 970         float tailDelta = -pitch0 * (ARCMIN/(pitch1-pitch0));
 971
 972         // Sanity:
 973         if(dragFactor <= 0 || liftFactor <= 0)
 974             break;
 975
 976         // And the elevator control in the approach.  This works just
 977         // like the tail incidence computation (it's solving for the
 978         // same thing -- pitching moment -- by diddling a different
 979         // variable).
 980         const float ELEVDIDDLE = 0.001f;
 981         _approachElevator.val += ELEVDIDDLE;
 982         runApproach();
 983         _approachElevator.val -= ELEVDIDDLE;
 984
 985         _model.getBody()->getAngularAccel(tmp);
 986         Math::tmul33(_approachState.orient, tmp, tmp);
 987         double apitch1 = tmp[1];
 988         float elevDelta = -apitch0 * (ELEVDIDDLE/(apitch1-apitch0));
 989
 990         // Now apply the values we just computed.  Note that the
 991         // "minor" variables are deferred until we get the lift/drag
 992         // numbers in the right ballpark.
 993
 994         applyDragFactor(dragFactor);
 995         applyLiftRatio(liftFactor);
 996
 997         // DON'T do the following until the above are sane
 998         if(normFactor(dragFactor) > STHRESH*1.0001
 999            || normFactor(liftFactor) > STHRESH*1.0001)
1000         {
1001             continue;
1002         }
1003
1004         // OK, now we can adjust the minor variables:
1005         _cruiseAoA += SOLVE_TWEAK*aoaDelta;
1006         _tailIncidence += SOLVE_TWEAK*tailDelta;
1007
1008         _cruiseAoA = clamp(_cruiseAoA, -0.175f, 0.175f);
1009         _tailIncidence = clamp(_tailIncidence, -0.175f, 0.175f);
1010
1011         if(abs(xforce/_cruiseWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1012            abs(alift/_approachWeight) < STHRESH*0.0001 &&
1013            abs(aoaDelta) < STHRESH*.000017 &&
1014            abs(tailDelta) < STHRESH*.000017)
1015         {
1016             // If this finaly value is OK, then we're all done
1017             if(abs(elevDelta) < STHRESH*0.0001)
1018                 break;
1019
1020             // Otherwise, adjust and do the next iteration
1021             _approachElevator.val += SOLVE_TWEAK * elevDelta;
1022             if(abs(_approachElevator.val) > 1) {
1023                 _failureMsg = "Insufficient elevator to trim for approach";
1024                 break;
1025             }
1026         }
1027     }
1028
1029     if(_dragFactor < 1e-06 || _dragFactor > 1e6) {
1030         _failureMsg = "Drag factor beyond reasonable bounds.";
1031         return;
1032     } else if(_liftRatio < 1e-04 || _liftRatio > 1e4) {
1033         _failureMsg = "Lift ratio beyond reasonable bounds.";
1034         return;
1035     } else if(Math::abs(_cruiseAoA) >= .17453293) {
1036         _failureMsg = "Cruise AoA > 10 degrees";
1037         return;
1038     } else if(Math::abs(_tailIncidence) >= .17453293) {
1039         _failureMsg = "Tail incidence > 10 degrees";
1040         return;
1041     }
1042 }
1043
1044 void Airplane::solveHelicopter()
1045 {
1046     _solutionIterations = 0;
1047     _failureMsg = 0;
1048     if (getRotorgear()!=0)
1049     {
1050         Rotorgear* rg = getRotorgear();
1051         applyDragFactor(Math::pow(rg->getYasimDragFactor()/1000,
1052             1/SOLVE_TWEAK));
1053         applyLiftRatio(Math::pow(rg->getYasimLiftFactor(),
1054             1/SOLVE_TWEAK));
1055     }
1056     else
1057     //huh, no wing and no rotor? (_rotorgear is constructed,
1058     //if a rotor is defined
1059     {
1060         applyDragFactor(Math::pow(15.7/1000, 1/SOLVE_TWEAK));
1061         applyLiftRatio(Math::pow(104, 1/SOLVE_TWEAK));
1062     }
1063     setupState(0,0, &_cruiseState);
1064     _model.setState(&_cruiseState);
1065     setupWeights(true);
1066     _controls.reset();
1067     _model.getBody()->reset();
1068     _model.setAir(_cruiseP, _cruiseT,
1069                   Atmosphere::calcStdDensity(_cruiseP, _cruiseT));
1070
1071 }
1072
1073 }; // namespace yasim