src/FDM/YASim/Rotorpart.cpp

   1 #include <ostream>
   2
   3 #include <simgear/debug/logstream.hxx>
   4
   5 #include "Math.hpp"
   6 #include "Rotorpart.hpp"
   7 #include "Rotor.hpp"
   8 #include <stdio.h>
   9 #include <string.h>
  10 namespace yasim {
  11 using std::endl;
  12
  13 const float pi=3.14159;
  14 float _help = 0;
  15 Rotorpart::Rotorpart()
  16 {
  17     _compiled=0;
  18     _cyclic=0;
  19     _collective=0;
  20     _rellenhinge=0;
  21     _shared_flap_hinge=false;
  22     _dt=0;
  23 #define set3(x,a,b,c) x[0]=a;x[1]=b;x[2]=c;
  24     set3 (_speed,1,0,0);
  25     set3 (_directionofcentripetalforce,1,0,0);
  26     set3 (_directionofrotorpart,0,1,0);
  27     set3 (_direction_of_movement,1,0,0);
  28     set3 (_last_torque,0,0,0);
  29 #undef set3
  30     _centripetalforce=1;
  31     _delta3=0.5;
  32     _cyclic=0;
  33     _collective=-1;
  34     _relamp=1;
  35     _mass=10;
  36     _incidence = 0;
  37     _alpha=0;
  38     _alphamin=-.1;
  39     _alphamax= .1;
  40     _alpha0=-.05;
  41     _alpha0factor=1;
  42     _alphaoutputbuf[0][0]=0;
  43     _alphaoutputbuf[1][0]=0;
  44     _alpha2type=0;
  45     _alphaalt=0;
  46     _lastrp=0;
  47     _nextrp=0;
  48     _oppositerp=0;
  49     _last90rp=0;
  50     _next90rp=0;
  51     _translift=0;
  52     _dynamic=100;
  53     _c2=0;
  54     _torque_max_force=0;
  55     _torque_no_force=0;
  56     _omega=0;
  57     _omegan=1;
  58     _ddt_omega=0;
  59     _phi=0;
  60     _len=1;
  61     _rotor=NULL;
  62     _twist=0;
  63     _number_of_segments=1;
  64     _rel_len_where_incidence_is_measured=0.7;
  65     _diameter=10;
  66     _torque_of_inertia=0;
  67     _rel_len_blade_start=0;
  68     _torque=0;
  69     _rotor_correction_factor=0.6;
  70     _direction=0;
  71     _balance=1;
  72 }
  73
  74 void Rotorpart::inititeration(float dt,float *rot)
  75 {
  76     _dt=dt;
  77     _phi+=_omega*dt;
  78     while (_phi>(2*pi)) _phi-=2*pi;
  79     while (_phi<(0   )) _phi+=2*pi;
  80     float a=Math::dot3(rot,_normal);
  81     if(a>0)
  82         _alphaalt=_alpha*Math::cos(a)
  83         +_next90rp->getrealAlpha()*Math::sin(a);
  84     else
  85         _alphaalt=_alpha*Math::cos(a)
  86         +_last90rp->getrealAlpha()*Math::sin(-a);
  87     //calculate the rotation of the fuselage, determine
  88     //the part in the same direction as alpha
  89     //and add it ro _alphaalt
  90     //alpha is rotation about "normal cross dirofzentf"
  91
  92     float dir[3];
  93     Math::cross3(_directionofcentripetalforce,_normal,dir);
  94     a=Math::dot3(rot,dir);
  95     _alphaalt -= a;
  96     _alphaalt= Math::clamp(_alphaalt,_alphamin,_alphamax);
  97
  98     //unbalance
  99     float b;
 100     b=_rotor->getBalance();
 101     float s =Math::sin(_phi+_direction);
 102     //float c =Math::cos(_phi+_direction);
 103     if (s>0)
 104         _balance=(b>0)?(1.-s*(1.-b)):(1.-s)*(1.+b);
 105     else
 106         _balance=(b>0)?1.:1.+b;
 107 }
 108
 109 void Rotorpart::setRotor(Rotor *rotor)
 110 {
 111     _rotor=rotor;
 112 }
 113
 114 void Rotorpart::setParameter(const char *parametername, float value)
 115 {
 116 #define p(a) if (strcmp(parametername,#a)==0) _##a = value; else
 117
 118     p(twist)
 119         p(number_of_segments)
 120         p(rel_len_where_incidence_is_measured)
 121         p(rel_len_blade_start)
 122         p(rotor_correction_factor)
 123         SG_LOG(SG_INPUT, SG_ALERT,
 124             "internal error in parameter set up for rotorpart: '"
 125             << parametername <<"'" << endl);
 126 #undef p
 127 }
 128
 129 void Rotorpart::setTorque(float torque_max_force,float torque_no_force)
 130 {
 131     _torque_max_force=torque_max_force;
 132     _torque_no_force=torque_no_force;
 133 }
 134
 135 void Rotorpart::setTorqueOfInertia(float toi)
 136 {
 137     _torque_of_inertia=toi;
 138 }
 139
 140 void Rotorpart::setWeight(float value)
 141 {
 142     _mass=value;
 143 }
 144
 145 float Rotorpart::getWeight(void)
 146 {
 147     return(_mass/.453); //_mass is in kg, returns pounds
 148 }
 149
 150 void Rotorpart::setPosition(float* p)
 151 {
 152     for(int i=0; i<3; i++) _pos[i] = p[i];
 153 }
 154
 155 float Rotorpart::getIncidence()
 156 {
 157     return(_incidence);
 158 }
 159
 160 void Rotorpart::getPosition(float* out)
 161 {
 162     for(int i=0; i<3; i++) out[i] = _pos[i];
 163 }
 164
 165 void Rotorpart::setPositionForceAttac(float* p)
 166 {
 167     for(int i=0; i<3; i++) _posforceattac[i] = p[i];
 168 }
 169
 170 void Rotorpart::getPositionForceAttac(float* out)
 171 {
 172     for(int i=0; i<3; i++) out[i] = _posforceattac[i];
 173 }
 174
 175 void Rotorpart::setSpeed(float* p)
 176 {
 177     for(int i=0; i<3; i++) _speed[i] = p[i];
 178     Math::unit3(_speed,_direction_of_movement);
 179 }
 180
 181 void Rotorpart::setDirectionofZentipetalforce(float* p)
 182 {
 183     for(int i=0; i<3; i++) _directionofcentripetalforce[i] = p[i];
 184 }
 185
 186 void Rotorpart::setDirectionofRotorPart(float* p)
 187 {
 188     for(int i=0; i<3; i++) _directionofrotorpart[i] = p[i];
 189 }
 190
 191 void Rotorpart::setDirection(float direction)
 192 {
 193     _direction=direction;
 194 }
 195
 196 void Rotorpart::setOmega(float value)
 197 {
 198     _omega=value;
 199 }
 200
 201 void Rotorpart::setPhi(float value)
 202 {
 203     _phi=value;
 204 }
 205
 206 void Rotorpart::setOmegaN(float value)
 207 {
 208     _omegan=value;
 209 }
 210
 211 void Rotorpart::setDdtOmega(float value)
 212 {
 213     _ddt_omega=value;
 214 }
 215
 216 void Rotorpart::setZentipetalForce(float f)
 217 {
 218     _centripetalforce=f;
 219 }
 220
 221
 222 void Rotorpart::setDelta3(float f)
 223 {
 224     _delta3=f;
 225 }
 226
 227 void Rotorpart::setRelamp(float f)
 228 {
 229     _relamp=f;
 230 }
 231
 232 void Rotorpart::setTranslift(float f)
 233 {
 234     _translift=f;
 235 }
 236
 237 void Rotorpart::setDynamic(float f)
 238 {
 239     _dynamic=f;
 240 }
 241
 242 void Rotorpart::setRelLenHinge(float f)
 243 {
 244     _rellenhinge=f;
 245 }
 246
 247 void Rotorpart::setSharedFlapHinge(bool s)
 248 {
 249     _shared_flap_hinge=s;
 250 }
 251
 252 void Rotorpart::setC2(float f)
 253 {
 254     _c2=f;
 255 }
 256
 257 void Rotorpart::setAlpha0(float f)
 258 {
 259     if (f>-0.01) f=-0.01; //half a degree bending
 260     _alpha0=f;
 261 }
 262
 263 void Rotorpart::setAlphamin(float f)
 264 {
 265     _alphamin=f;
 266 }
 267
 268 void Rotorpart::setAlphamax(float f)
 269 {
 270     _alphamax=f;
 271 }
 272
 273 void Rotorpart::setAlpha0factor(float f)
 274 {
 275     _alpha0factor=f;
 276 }
 277
 278 void Rotorpart::setDiameter(float f)
 279 {
 280     _diameter=f;
 281 }
 282
 283 float Rotorpart::getPhi()
 284 {
 285     return(_phi);
 286 }
 287
 288 float Rotorpart::getAlpha(int i)
 289 {
 290     i=i&1;
 291
 292     if (i==0)
 293         return _alpha*180/pi;//in Grad = 1
 294     else
 295     {
 296         if (_alpha2type==1) //yaw or roll
 297             return (getAlpha(0)-_oppositerp->getAlpha(0))/2;
 298         else //collective
 299             return (getAlpha(0)+_oppositerp->getAlpha(0)+
 300             _next90rp->getAlpha(0)+_last90rp->getAlpha(0))/4;
 301     }
 302 }
 303 float Rotorpart::getrealAlpha(void)
 304 {
 305     return _alpha;
 306 }
 307
 308 void Rotorpart::setAlphaoutput(char *text,int i)
 309 {
 310     strncpy(_alphaoutputbuf[i>0],text,255);
 311     if (i>0) _alpha2type=i;
 312 }
 313
 314 char* Rotorpart::getAlphaoutput(int i)
 315 {
 316     return _alphaoutputbuf[i&1];
 317 }
 318
 319 void Rotorpart::setLen(float value)
 320 {
 321     _len=value;
 322 }
 323
 324 void Rotorpart::setNormal(float* p)
 325 {
 326     for(int i=0; i<3; i++) _normal[i] = p[i];
 327 }
 328
 329 void Rotorpart::getNormal(float* out)
 330 {
 331     for(int i=0; i<3; i++) out[i] = _normal[i];
 332 }
 333
 334 void Rotorpart::setCollective(float pos)
 335 {
 336     _collective = pos;
 337 }
 338
 339 void Rotorpart::setCyclic(float pos)
 340 {
 341     _cyclic = pos;
 342 }
 343
 344 void Rotorpart::setlastnextrp(Rotorpart*lastrp,Rotorpart*nextrp,
 345     Rotorpart *oppositerp,Rotorpart*last90rp,Rotorpart*next90rp)
 346 {
 347     _lastrp=lastrp;
 348     _nextrp=nextrp;
 349     _oppositerp=oppositerp;
 350     _last90rp=last90rp;
 351     _next90rp=next90rp;
 352 }
 353
 354 void Rotorpart::strncpy(char *dest,const char *src,int maxlen)
 355 {
 356     int n=0;
 357     while(src[n]&&n<(maxlen-1))
 358     {
 359         dest[n]=src[n];
 360         n++;
 361     }
 362     dest[n]=0;
 363 }
 364
 365 // Calculate the flapping angle, where zentripetal force and
 366 //lift compensate each other
 367 float Rotorpart::calculateAlpha(float* v_rel_air, float rho,
 368     float incidence, float cyc, float alphaalt, float *torque,
 369     float *returnlift)
 370 {
 371     float v_local[3],v_local_scalar,lift_moment,v_flap[3],v_help[3];
 372     float relgrav = Math::dot3(_normal,_rotor->getGravDirection());
 373     lift_moment=-_mass*_len*9.81*relgrav;
 374     *torque=0;//
 375     if((_nextrp==NULL)||(_lastrp==NULL)||(_rotor==NULL))
 376         return 0.0;//not initialized. Can happen during startup of flightgear
 377     if (returnlift!=NULL) *returnlift=0;
 378     float flap_omega=(_next90rp->getrealAlpha()-_last90rp->getrealAlpha())
 379         *_omega / pi;
 380     float local_width=_diameter*(1-_rel_len_blade_start)/2.
 381         /(float (_number_of_segments));
 382     for (int n=0;n<_number_of_segments;n++)
 383     {
 384         float rel = (n+.5)/(float (_number_of_segments));
 385         float r= _diameter *0.5 *(rel*(1-_rel_len_blade_start)
 386             +_rel_len_blade_start);
 387         float local_incidence=incidence+_twist *rel -
 388             _twist *_rel_len_where_incidence_is_measured;
 389         float local_chord = _rotor->getChord()*rel+_rotor->getChord()
 390             *_rotor->getTaper()*(1-rel);
 391         float A = local_chord * local_width;
 392         //calculate the local air speed and the incidence to this speed;
 393         Math::mul3(_omega * r , _direction_of_movement , v_local);
 394
 395         // add speed component due to flapping
 396         Math::mul3(flap_omega * r,_normal,v_flap);
 397         Math::add3(v_flap,v_local,v_local);
 398         Math::sub3(v_rel_air,v_local,v_local);
 399         //v_local is now the total airspeed at the blade
 400         //apparent missing: calculating the local_wind = v_rel_air at
 401         //every point of the rotor. It differs due to aircraft-rotation
 402         //it is considered in v_flap
 403
 404         //substract now the component of the air speed parallel to
 405         //the blade;
 406         Math::mul3(Math::dot3(v_local,_directionofrotorpart),
 407            _directionofrotorpart,v_help);
 408         Math::sub3(v_local,v_help,v_local);
 409
 410         //split into direction and magnitude
 411         v_local_scalar=Math::mag3(v_local);
 412         if (v_local_scalar!=0)
 413             //Math::unit3(v_local,v_help);
 414             Math::mul3(1/v_local_scalar,v_local,v_help);
 415         float incidence_of_airspeed = Math::asin(Math::clamp(
 416             Math::dot3(v_help,_normal),-1,1)) + local_incidence;
 417         //ias = incidence_of_airspeed;
 418
 419         //reduce the ias (Prantl factor)
 420         float prantl_factor=2/pi*Math::acos(Math::exp(
 421             -_rotor->getNumberOfBlades()/2.*(1-rel)
 422              *Math::sqrt(1+1/Math::sqr(Math::tan(
 423                pi/2-Math::abs(incidence_of_airspeed-local_incidence))))));
 424         incidence_of_airspeed = (incidence_of_airspeed+
 425             _rotor->getAirfoilIncidenceNoLift())*prantl_factor
 426             *_rotor_correction_factor-_rotor->getAirfoilIncidenceNoLift();
 427         //ias = incidence_of_airspeed;
 428         float lift_wo_cyc = _rotor->getLiftCoef(incidence_of_airspeed
 429             -cyc*_rotor_correction_factor*prantl_factor,v_local_scalar)
 430             * v_local_scalar * v_local_scalar * A *rho *0.5;
 431         float lift_with_cyc =
 432             _rotor->getLiftCoef(incidence_of_airspeed,v_local_scalar)
 433             * v_local_scalar * v_local_scalar *A *rho*0.5;
 434         float lift=lift_wo_cyc+_relamp*(lift_with_cyc-lift_wo_cyc);
 435         //take into account that the rotor is a resonant system where
 436         //the cyclic input hase increased result
 437         float drag = -_rotor->getDragCoef(incidence_of_airspeed,v_local_scalar)
 438             * v_local_scalar * v_local_scalar * A *rho*0.5;
 439         float angle = incidence_of_airspeed - incidence;
 440         //angle between blade movement caused by rotor-rotation and the
 441         //total movement of the blade
 442
 443         lift_moment += r*(lift * Math::cos(angle)
 444             - drag * Math::sin(angle));
 445         *torque     += r*(drag * Math::cos(angle)
 446             + lift * Math::sin(angle));
 447         if (returnlift!=NULL) *returnlift+=lift;
 448     }
 449     //use 1st order approximation for alpha
 450     //float alpha=Math::atan2(lift_moment,_centripetalforce * _len);
 451     float alpha;
 452     if (_shared_flap_hinge)
 453     {
 454         float div=0;
 455         if (Math::abs(_alphaalt) >1e-6)
 456             div=(_centripetalforce * _len - _mass * _len * 9.81 * relgrav /_alpha0*(_alphaalt+_oppositerp->getAlphaAlt())/(2.0*_alphaalt));
 457         if (Math::abs(div)>1e-6)
 458         {
 459             alpha=lift_moment/div;
 460         }
 461         else if(Math::abs(_alphaalt+_oppositerp->getAlphaAlt())>1e-6)
 462         {
 463             float div=(_centripetalforce * _len - _mass * _len * 9.81 *0.5 * relgrav)*(_alphaalt+_oppositerp->getAlphaAlt());
 464             if (Math::abs(div)>1e-6)
 465             {
 466                 alpha=_oppositerp->getAlphaAlt()+lift_moment/div*_alphaalt;
 467             }
 468             else
 469                 alpha=_alphaalt;
 470         }
 471         else
 472             alpha=_alphaalt;
 473         if (_omega/_omegan<0.2)
 474         {
 475             float frac = 0.001+_omega/_omegan*4.995;
 476             alpha=Math::clamp(alpha,_alphamin,_alphamax);
 477             alpha=_alphaalt*(1-frac)+frac*alpha;
 478         }
 479     }
 480     else
 481     {
 482         float div=(_centripetalforce * _len - _mass * _len * 9.81 /_alpha0);
 483         if (Math::abs(div)>1e-6)
 484             alpha=lift_moment/div;
 485         else
 486             alpha=_alphaalt;
 487     }
 488
 489     return (alpha);
 490 }
 491
 492 // Calculate the aerodynamic force given a wind vector v (in the
 493 // aircraft's "local" coordinates) and an air density rho.  Returns a
 494 // torque about the Y axis, too.
 495 void Rotorpart::calcForce(float* v, float rho,  float* out, float* torque,
 496     float* torque_scalar)
 497 {
 498     if (_compiled!=1)
 499     {
 500         for (int i=0;i<3;i++)
 501             torque[i]=out[i]=0;
 502         *torque_scalar=0;
 503         return;
 504     }
 505     _centripetalforce=_mass*_len*_omega*_omega;
 506     float vrel[3],vreldir[3];
 507     Math::sub3(_speed,v,vrel);
 508     float scalar_torque=0;
 509     Math::unit3(vrel,vreldir);//direction of blade-movement rel. to air
 510     //Angle of blade which would produce no vertical force (where the
 511     //effective incidence is zero)
 512
 513     float cyc=_cyclic;
 514     float col=_collective;
 515     if (_shared_flap_hinge)
 516         _incidence=(col+cyc)-_delta3*0.5*(_alphaalt-_oppositerp->getAlphaAlt());
 517     else
 518         _incidence=(col+cyc)-_delta3*_alphaalt;
 519     //the incidence of the rotorblade due to control input reduced by the
 520     //delta3 effect, see README.YASIM
 521     //float beta=_relamp*cyc+col;
 522     //the incidence of the rotorblade which is used for the calculation
 523
 524     float alpha,factor; //alpha is the flapping angle
 525     //the new flapping angle will be the old flapping angle
 526     //+ factor *(alpha - "old flapping angle")
 527     alpha=calculateAlpha(v,rho,_incidence,cyc,0,&scalar_torque);
 528     alpha=Math::clamp(alpha,_alphamin,_alphamax);
 529     //the incidence is a function of alpha (if _delta* != 0)
 530     //Therefore missing: wrap this function in an integrator
 531     //(runge kutta e. g.)
 532
 533     factor=_dt*_dynamic;
 534     if (factor>1) factor=1;
 535
 536     float dirblade[3];
 537     Math::cross3(_normal,_directionofcentripetalforce,dirblade);
 538     //float vblade=Math::abs(Math::dot3(dirblade,v));
 539
 540     alpha=_alphaalt+(alpha-_alphaalt)*factor;
 541     _alpha=alpha;
 542     float meancosalpha=(1*Math::cos(_last90rp->getrealAlpha())
 543         +1*Math::cos(_next90rp->getrealAlpha())
 544         +1*Math::cos(_oppositerp->getrealAlpha())
 545         +1*Math::cos(alpha))/4;
 546     float schwenkfactor=1-(Math::cos(_lastrp->getrealAlpha())-meancosalpha)*_rotor->getNumberOfParts()/4;
 547
 548     //missing: consideration of rellenhinge
 549
 550     //add the unbalance
 551     _centripetalforce*=_balance;
 552     scalar_torque*=_balance;
 553
 554     float xforce = Math::cos(alpha)*_centripetalforce;
 555     float zforce = schwenkfactor*Math::sin(alpha)*_centripetalforce;
 556     *torque_scalar=scalar_torque;
 557     scalar_torque+= 0*_ddt_omega*_torque_of_inertia;
 558     float thetorque = scalar_torque;
 559     float f=_rotor->getCcw()?1:-1;
 560     for(int i=0; i<3; i++) {
 561         _last_torque[i]=torque[i] = f*_normal[i]*thetorque;
 562         out[i] = _normal[i]*zforce*_rotor->getLiftFactor()
 563             +_directionofcentripetalforce[i]*xforce;
 564     }
 565 }
 566
 567 void Rotorpart::getAccelTorque(float relaccel,float *t)
 568 {
 569     float f=_rotor->getCcw()?1:-1;
 570     for(int i=0; i<3; i++) {
 571         t[i]=f*-1* _normal[i]*relaccel*_omegan* _torque_of_inertia;// *_omeagan ?
 572         _rotor->addTorque(-relaccel*_omegan* _torque_of_inertia);
 573     }
 574 }
 575
 576 std::ostream &  operator<<(std::ostream & out, const Rotorpart& rp)
 577 {
 578 #define i(x) << #x << ":" << rp.x << endl
 579 #define iv(x) << #x << ":" << rp.x[0] << ";" << rp.x[1] << ";" <<rp.x[2] << ";" << endl
 580     out << "Writing Info on Rotorpart " << endl
 581         i( _dt)
 582         iv( _last_torque)
 583         i( _compiled)
 584         iv( _pos)    // position in local coords
 585         iv( _posforceattac)    // position in local coords
 586         iv( _normal) //direcetion of the rotation axis
 587         i( _torque_max_force)
 588         i( _torque_no_force)
 589         iv( _speed)
 590         iv( _direction_of_movement)
 591         iv( _directionofcentripetalforce)
 592         iv( _directionofrotorpart)
 593         i( _centripetalforce)
 594         i( _cyclic)
 595         i( _collective)
 596         i( _delta3)
 597         i( _dynamic)
 598         i( _translift)
 599         i( _c2)
 600         i( _mass)
 601         i( _alpha)
 602         i( _alphaalt)
 603         i( _alphamin) i(_alphamax) i(_alpha0) i(_alpha0factor)
 604         i( _rellenhinge)
 605         i( _relamp)
 606         i( _omega) i(_omegan) i(_ddt_omega)
 607         i( _phi)
 608         i( _len)
 609         i( _incidence)
 610         i( _twist) //outer incidence = inner inner incidence + _twist
 611         i( _number_of_segments)
 612         i( _rel_len_where_incidence_is_measured)
 613         i( _rel_len_blade_start)
 614         i( _diameter)
 615         i( _torque_of_inertia)
 616         i( _torque)
 617         i (_alphaoutputbuf[0])
 618         i (_alphaoutputbuf[1])
 619         i( _alpha2type)
 620         i(_rotor_correction_factor)
 621     << endl;
 622 #undef i
 623 #undef iv
 624     return out;
 625 }
 626 }; // namespace yasim