src/FDM/YASim/Model.cpp

   1 #include <stdio.h>
   2
   3 #include "Atmosphere.hpp"
   4 #include "Thruster.hpp"
   5 #include "Math.hpp"
   6 #include "RigidBody.hpp"
   7 #include "Integrator.hpp"
   8 #include "Propeller.hpp"
   9 #include "PistonEngine.hpp"
  10 #include "Gear.hpp"
  11 #include "Surface.hpp"
  12 #include "Glue.hpp"
  13
  14 #include "Model.hpp"
  15 namespace yasim {
  16
  17 void printState(State* s)
  18 {
  19     State tmp = *s;
  20     Math::vmul33(tmp.orient, tmp.v, tmp.v);
  21     Math::vmul33(tmp.orient, tmp.acc, tmp.acc);
  22     Math::vmul33(tmp.orient, tmp.rot, tmp.rot);
  23     Math::vmul33(tmp.orient, tmp.racc, tmp.racc);
  24
  25     printf("\nNEW STATE (LOCAL COORDS)\n");
  26     printf("pos: %10.2f %10.2f %10.2f\n", tmp.pos[0], tmp.pos[1], tmp.pos[2]);
  27     printf("o:   ");
  28     int i;
  29     for(i=0; i<3; i++) {
  30         if(i != 0) printf("     ");
  31         printf("%6.2f %6.2f %6.2f\n",
  32                tmp.orient[3*i+0], tmp.orient[3*i+1], tmp.orient[3*i+2]);
  33     }
  34     printf("v:   %6.2f %6.2f %6.2f\n", tmp.v[0], tmp.v[1], tmp.v[2]);
  35     printf("acc: %6.2f %6.2f %6.2f\n", tmp.acc[0], tmp.acc[1], tmp.acc[2]);
  36     printf("rot: %6.2f %6.2f %6.2f\n", tmp.rot[0], tmp.rot[1], tmp.rot[2]);
  37     printf("rac: %6.2f %6.2f %6.2f\n", tmp.racc[0], tmp.racc[1], tmp.racc[2]);
  38 }
  39
  40 Model::Model()
  41 {
  42     int i;
  43     for(i=0; i<3; i++) _wind[i] = 0;
  44
  45     _integrator.setBody(&_body);
  46     _integrator.setEnvironment(this);
  47
  48     // Default value of 30 Hz
  49     _integrator.setInterval(1.0/30.0);
  50 }
  51
  52 Model::~Model()
  53 {
  54     // FIXME: who owns these things?  Need a policy
  55 }
  56
  57 void Model::getThrust(float* out)
  58 {
  59     float tmp[3];
  60     out[0] = out[1] = out[2] = 0;
  61     int i;
  62     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
  63         Thruster* t = (Thruster*)_thrusters.get(i);
  64         t->getThrust(tmp);
  65         Math::add3(tmp, out, out);
  66     }
  67 }
  68
  69 void Model::initIteration()
  70 {
  71     // Precompute torque and angular momentum for the thrusters
  72     int i;
  73     for(i=0; i<3; i++)
  74         _gyro[i] = _torque[i] = 0;
  75     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
  76         Thruster* t = (Thruster*)_thrusters.get(i);
  77
  78         // Get the wind velocity at the thruster location
  79         float pos[3], v[3];
  80         t->getPosition(pos);
  81         localWind(pos, _s, v);
  82
  83         t->setWind(v);
  84         t->setAir(_pressure, _temp);
  85         t->integrate(_integrator.getInterval());
  86
  87         t->getTorque(v);
  88         Math::add3(v, _torque, _torque);
  89
  90         t->getGyro(v);
  91         Math::add3(v, _gyro, _gyro);
  92     }
  93 }
  94
  95 void Model::iterate()
  96 {
  97     initIteration();
  98     _body.recalc(); // FIXME: amortize this, somehow
  99     _integrator.calcNewInterval();
 100 }
 101
 102 State* Model::getState()
 103 {
 104     return _s;
 105 }
 106
 107 void Model::setState(State* s)
 108 {
 109     _integrator.setState(s);
 110     _s = _integrator.getState();
 111 }
 112
 113 RigidBody* Model::getBody()
 114 {
 115     return &_body;
 116 }
 117
 118 Integrator* Model::getIntegrator()
 119 {
 120     return &_integrator;
 121 }
 122
 123 Surface* Model::getSurface(int handle)
 124 {
 125     return (Surface*)_surfaces.get(handle);
 126 }
 127
 128 int Model::addThruster(Thruster* t)
 129 {
 130     return _thrusters.add(t);
 131 }
 132
 133 int Model::numThrusters()
 134 {
 135     return _thrusters.size();
 136 }
 137
 138 Thruster* Model::getThruster(int handle)
 139 {
 140     return (Thruster*)_thrusters.get(handle);
 141 }
 142
 143 void Model::setThruster(int handle, Thruster* t)
 144 {
 145     _thrusters.set(handle, t);
 146 }
 147
 148 int Model::addSurface(Surface* surf)
 149 {
 150     return _surfaces.add(surf);
 151 }
 152
 153 int Model::addGear(Gear* gear)
 154 {
 155     return _gears.add(gear);
 156 }
 157
 158 void Model::setGroundEffect(float* pos, float span, float mul)
 159 {
 160     Math::set3(pos, _wingCenter);
 161     _groundEffectSpan = span;
 162     _groundEffect = mul;
 163 }
 164
 165 // The first three elements are a unit vector pointing from the global
 166 // origin to the plane, the final element is the distance from the
 167 // origin (the radius of the earth, in most implementations).  So
 168 // (v dot _ground)-_ground[3] gives the distance AGL.
 169 void Model::setGroundPlane(double* planeNormal, double fromOrigin)
 170 {
 171     int i;
 172     for(i=0; i<3; i++) _ground[i] = planeNormal[i];
 173     _ground[3] = fromOrigin;
 174 }
 175
 176 void Model::setAir(float pressure, float temp)
 177 {
 178     _pressure = pressure;
 179     _temp = temp;
 180     _rho = Atmosphere::calcDensity(pressure, temp);
 181 }
 182
 183 void Model::setWind(float* wind)
 184 {
 185     Math::set3(wind, _wind);
 186 }
 187
 188 void Model::calcForces(State* s)
 189 {
 190     // Add in the pre-computed stuff.  These values aren't part of the
 191     // Runge-Kutta integration (they don't depend on position or
 192     // velocity), and are therefore constant across the four calls to
 193     // calcForces.  They get computed before we begin the integration
 194     // step.
 195     _body.setGyro(_gyro);
 196     _body.addTorque(_torque);
 197     int i;
 198     for(i=0; i<_thrusters.size(); i++) {
 199         Thruster* t = (Thruster*)_thrusters.get(i);
 200         float thrust[3], pos[3];
 201         t->getThrust(thrust);
 202         t->getPosition(pos);
 203         _body.addForce(pos, thrust);
 204     }
 205
 206     // Gravity, convert to a force, then to local coordinates
 207     float grav[3];
 208     Glue::geodUp(s->pos, grav);
 209     Math::mul3(-9.8 * _body.getTotalMass(), grav, grav);
 210     Math::vmul33(s->orient, grav, grav);
 211     _body.addForce(grav);
 212
 213     // Do each surface, remembering that the local velocity at each
 214     // point is different due to rotation.
 215     float faero[3];
 216     faero[0] = faero[1] = faero[2] = 0;
 217     for(i=0; i<_surfaces.size(); i++) {
 218         Surface* sf = (Surface*)_surfaces.get(i);
 219
 220         // Vsurf = wind - velocity + (rot cross (cg - pos))
 221         float vs[3], pos[3];
 222         sf->getPosition(pos);
 223         localWind(pos, s, vs);
 224
 225         float force[3], torque[3];
 226         sf->calcForce(vs, _rho, force, torque);
 227         Math::add3(faero, force, faero);
 228         _body.addForce(pos, force);
 229         _body.addTorque(torque);
 230     }
 231
 232     // Get a ground plane in local coordinates.  The first three
 233     // elements are the normal vector, the final one is the distance
 234     // from the local origin along that vector to the ground plane
 235     // (negative for objects "above" the ground)
 236     float ground[4];
 237     ground[3] = localGround(s, ground);
 238
 239     // Account for ground effect by multiplying the vertical force
 240     // component by an amount linear with the fraction of the wingspan
 241     // above the ground.
 242     float dist = ground[4] - Math::dot3(ground, _wingCenter);
 243     if(dist > 0 && dist < _groundEffectSpan) {
 244         float fz = Math::dot3(faero, ground);
 245         Math::mul3(fz * _groundEffect * dist/_groundEffectSpan,
 246                    ground, faero);
 247         _body.addForce(faero);
 248     }
 249
 250     // Convert the velocity and rotation vectors to local coordinates
 251     float lrot[3], lv[3];
 252     Math::vmul33(s->orient, s->rot, lrot);
 253     Math::vmul33(s->orient, s->v, lv);
 254
 255     // The landing gear
 256     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 257         float force[3], contact[3];
 258         Gear* g = (Gear*)_gears.get(i);
 259         g->calcForce(&_body, lv, lrot, ground);
 260         g->getForce(force, contact);
 261         _body.addForce(contact, force);
 262     }
 263 }
 264
 265 void Model::newState(State* s)
 266 {
 267     _s = s;
 268
 269     //printState(s);
 270
 271     // Some simple collision detection
 272     float ground[4], pos[3], cmpr[3];
 273     ground[3] = localGround(s, ground);
 274     int i;
 275     for(i=0; i<_gears.size(); i++) {
 276         Gear* g = (Gear*)_gears.get(i);
 277         g->getPosition(pos);
 278         g->getCompression(cmpr);
 279         Math::add3(cmpr, pos, pos);
 280         float dist = ground[3] - Math::dot3(pos, ground);
 281         if(dist < 0) {
 282             printf("CRASH: gear %d\n", i);
 283             *(int*)0=0;
 284         }
 285     }
 286 }
 287
 288 // Returns a unit "down" vector for the ground in out, and the
 289 // distance from the local origin to the ground as the return value.
 290 // So for a given position V, "dist - (V dot out)" will be the height
 291 // AGL.
 292 float Model::localGround(State* s, float* out)
 293 {
 294     // Get the ground's "down" vector, this can be in floats, because
 295     // we don't need positioning accuracy.  The direction has plenty
 296     // of accuracy after truncation.
 297     out[0] = -(float)_ground[0];
 298     out[1] = -(float)_ground[1];
 299     out[2] = -(float)_ground[2];
 300     Math::vmul33(s->orient, out, out);
 301
 302     // The distance from the ground to the Aircraft's origin:
 303     double dist = (s->pos[0]*_ground[0]
 304                    + s->pos[1]*_ground[1]
 305                    + s->pos[2]*_ground[2] - _ground[3]);
 306
 307     return (float)dist;
 308 }
 309
 310 // Calculates the airflow direction at the given point and for the
 311 // specified aircraft velocity.
 312 void Model::localWind(float* pos, State* s, float* out)
 313 {
 314     // Most of the input is in global coordinates.  Fix that.
 315     float lwind[3], lrot[3], lv[3];
 316     Math::vmul33(s->orient, _wind, lwind);
 317     Math::vmul33(s->orient, s->rot, lrot);
 318     Math::vmul33(s->orient, s->v, lv);
 319
 320     _body.pointVelocity(pos, lrot, out); // rotational velocity
 321     Math::mul3(-1, out, out);      //  (negated)
 322     Math::add3(lwind, out, out);    //  + wind
 323     Math::sub3(out, lv, out);       //  - velocity
 324 }
 325
 326 }; // namespace yasim