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