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Rob Deters: UIUC updates from March 1, 2004.
[flightgear.git] / src / FDM / JSBSim / FGTrim.h
index c7088fa1c87360f154ab370dcb8185cb4ff4a68e..6d8069813705b390642b406414e2d1ab678930a3 100644 (file)
@@ -1,4 +1,4 @@
-/*******************************************************************************
+/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  
  Header:       FGTrim.h
  Author:       Tony Peden
 FUNCTIONAL DESCRIPTION
 --------------------------------------------------------------------------------
  
-This class takes the given set of IC's and finds the angle of attack, elevator,
-and throttle setting required to fly steady level. This is currently for in-air
-conditions only.  It is implemented using an iterative, one-axis-at-a-time 
-scheme.  
+This class takes the given set of IC's and finds the aircraft state required to
+maintain a specified flight condition.  This flight condition can be 
+steady-level with non-zero sideslip, a steady turn, a pull-up or pushover.
+On-ground conditions can be trimmed as well, but this is currently limited to
+adjusting altitude and pitch angle only. It is implemented using an iterative,
+one-axis-at-a-time scheme.  
  
-********************************************************************************
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 SENTRY
-*******************************************************************************/
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
 #ifndef FGTRIM_H
 #define FGTRIM_H
 
-/*******************************************************************************
+/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 INCLUDES
-*******************************************************************************/
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
 #include "FGFDMExec.h"
-#include "FGRotation.h"
-#include "FGAtmosphere.h"
-#include "FGState.h"
-#include "FGFCS.h"
-#include "FGAircraft.h"
-#include "FGTranslation.h"
-#include "FGPosition.h"
-#include "FGAuxiliary.h"
-#include "FGOutput.h"
-#include "FGTrim.h"
+#include "FGJSBBase.h"
 #include "FGTrimAxis.h"
 
-#include <vector.h>
+#include <vector>
 
-#define ID_TRIM "$Header"
+/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+DEFINITIONS
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
-/*******************************************************************************
-CLASS DECLARATION
-*******************************************************************************/
+#define ID_TRIM "$Id$"
+
+#if defined(_WIN32) && !defined(__CYGWIN__)
+  #define snprintf _snprintf
+#endif
+
+/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+FORWARD DECLARATIONS
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
+
+namespace JSBSim {
 
-typedef enum { tLongitudinal, tFull, tGround } TrimMode;
+typedef enum { tLongitudinal, tFull, tGround, tPullup, 
+               tCustom, tNone, tTurn 
+             } TrimMode;
 
-class FGTrim {
+/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+CLASS DOCUMENTATION
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
+
+/** FGTrim -- the trimming routine for JSBSim.
+    FGTrim finds the aircraft attitude and control settings needed to maintain
+    the steady state described by the FGInitialCondition object .  It does this
+    iteratively by assigning a control to each state and adjusting that control
+    until the state is within a specified tolerance of zero. States include the
+    recti-linear accelerations udot, vdot, and wdot, the angular accelerations 
+    qdot, pdot, and rdot, and the difference between heading and ground track.
+    Controls include the usual flight deck controls available to the pilot plus
+    angle of attack (alpha), sideslip angle(beta), flight path angle (gamma), 
+    pitch attitude(theta), roll attitude(phi), and altitude above ground.  The
+    last three are used for on-ground trimming. The state-control pairs used in
+    a given trim are completely user configurable and several pre-defined modes
+    are provided as well. They are:
+    - tLongitudinal: Trim wdot with alpha, udot with thrust, qdot with elevator
+    - tFull: tLongitudinal + vdot with phi, pdot with aileron, rdot with rudder
+             and heading minus ground track (hmgt) with beta
+    - tPullup: tLongitudinal but adjust alpha to achieve load factor input
+               with SetTargetNlf()
+    - tGround: wdot with altitude, qdot with theta, and pdot with phi
+    
+    The remaining modes include <b>tCustom</b>, which is completely user defined and
+    <b>tNone</b>.
+
+    Note that trims can (and do) fail for reasons that are completely outside
+    the control of the trimming routine itself. The most common problem is the 
+    initial conditions: is the model capable of steady state flight
+    at those conditions?  Check the speed, altitude, configuration (flaps,
+    gear, etc.), weight, cg, and anything else that may be relevant.
+    
+    Example usage:<pre>
+    FGFDMExec* FDMExec = new FGFDMExec();
+
+    FGInitialCondition* fgic = new FGInitialCondition(FDMExec);
+    FGTrim *fgt(FDMExec,fgic,tFull);
+    fgic->SetVcaibratedKtsIC(100);
+    fgic->SetAltitudeFtIC(1000);
+    fgic->SetClimbRate(500);
+    if( !fgt->DoTrim() ) {
+      cout << "Trim Failed" << endl;
+    }
+    fgt->ReportState(); </pre>  
+    @author Tony Peden
+    @version "$Id$"
+*/       
+  
+/*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+CLASS DECLARATION
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
+
+class FGTrim : public FGJSBBase
+{
 private:
 
   vector<FGTrimAxis*> TrimAxes;
-  int current_axis;
+  unsigned int current_axis;
   int N, Nsub;
-  int NumAxes;
   TrimMode mode;
-  int Debug;
-  float Tolerance, A_Tolerance;
-  float wdot,udot,qdot;
-  float dth;
-  float *sub_iterations;
-  float *successful;
+  int DebugLevel, Debug;
+  double Tolerance, A_Tolerance;
+  double wdot,udot,qdot;
+  double dth;
+  double *sub_iterations;
+  double *successful;
   bool *solution;
   int max_sub_iterations;
   int max_iterations;
@@ -94,61 +150,147 @@ private:
   bool trimudot;
   bool gamma_fallback;
   bool trim_failed;
-  int axis_count;
+  unsigned int axis_count;
   int solutionDomain;
-  float xlo,xhi,alo,ahi;
-
+  double xlo,xhi,alo,ahi;
+  double targetNlf;
+  int debug_axis;
+  
+  double psidot,thetadot;
 
   FGFDMExec* fdmex;
   FGInitialCondition* fgic;
-
-  // returns false if there is no change in the current axis accel
-  // between accel(control_min) and accel(control_max). if there is a
-  // change, sets solutionDomain to:
-  // 0 for no sign change,
-  // -1 if sign change between accel(control_min) and accel(0)
-  // 1 if sign between accel(0) and accel(control_max)
+   
   bool solve(void);
+  
+  /** @return false if there is no change in the current axis accel
+      between accel(control_min) and accel(control_max). If there is a
+      change, sets solutionDomain to:
+      0 for no sign change,
+     -1 if sign change between accel(control_min) and accel(0)
+      1 if sign between accel(0) and accel(control_max)
+  */
   bool findInterval(void);
+
   bool checkLimits(void);
+  
+  void setupPullup(void);
+  void setupTurn(void);
+  
+  void updateRates(void);
+
+  void setDebug(void);
 
 public:
-  FGTrim(FGFDMExec *FDMExec, FGInitialCondition *FGIC, TrimMode tt);
+  /** Initializes the trimming class
+      @param FDMExec pointer to a JSBSim executive object.
+      @param tm trim mode
+  */
+  FGTrim(FGFDMExec *FDMExec, TrimMode tm=tGround );
+
   ~FGTrim(void);
 
+  /** Execute the trim
+  */
   bool DoTrim(void);
 
+  /** Print the results of the trim. For each axis trimmed, this 
+      includes the final state value, control value, and tolerance
+      used.
+      @return true if trim succeeds
+  */     
   void Report(void);
-  void ReportState(void);
+  
+  /** Iteration statistics
+  */
   void TrimStats();
+  
+  /** Clear all state-control pairs and set a predefined trim mode
+      @param tm the set of axes to trim. Can be:
+             tLongitudinal, tFull, tGround, tCustom, or tNone
+  */
+  void SetMode(TrimMode tm);
+
+  /** Clear all state-control pairs from the current configuration.
+      The trimming routine must have at least one state-control pair
+      configured to be useful
+  */    
+  void ClearStates(void);
 
-  inline void SetUdotTrim(bool bb) { trimudot=bb; }
-  inline bool GetUdotTrim(void) { return trimudot; }
+  /** Add a state-control pair to the current configuration. See the enums
+      State and Control in FGTrimAxis.h for the available options.
+      Will fail if the given state is already configured.
+      @param state the accel or other condition to zero 
+      @param control the control used to zero the state
+      @return true if add is successful
+  */    
+  bool AddState( State state, Control control );
+  
+  /** Remove a specific state-control pair from the current configuration
+      @param state the state to remove
+      @return true if removal is successful
+  */    
+  bool RemoveState( State state );
+  
+  /** Change the control used to zero a state previously configured
+      @param state the accel or other condition to zero 
+      @param new_control the control used to zero the state
+  */
+  bool EditState( State state, Control new_control );
 
-  inline void SetGammaFallback(bool bb) { gamma_fallback=true; }
+  /** automatically switch to trimming longitudinal acceleration with
+      flight path angle (gamma) once it becomes apparent that there
+      is not enough/too much thrust.
+      @param bb true to enable fallback
+  */     
+  inline void SetGammaFallback(bool bb) { gamma_fallback=bb; }
+  
+  /** query the fallback state
+      @return true if fallback is enabled.
+  */
   inline bool GetGammaFallback(void) { return gamma_fallback; }
 
+  /** Set the iteration limit. DoTrim() will return false if limit
+      iterations are reached before trim is achieved.  The default
+      is 60.  This does not ordinarily need to be changed.
+      @param ii integer iteration limit 
+  */
   inline void SetMaxCycles(int ii) { max_iterations = ii; }
+  
+  /** Set the per-axis iteration limit.  Attempt to zero each state
+      by iterating limit times before moving on to the next. The
+      default limit is 100 and also does not ordinarily need to
+      be changed.
+      @param ii integer iteration limit 
+  */    
   inline void SetMaxCyclesPerAxis(int ii) { max_sub_iterations = ii; }
-  inline void SetTolerance(float tt) {
+  
+  /** Set the tolerance for declaring a state trimmed. Angular accels are
+      held to a tolerance of 1/10th of the given.  The default is 
+      0.001 for the recti-linear accelerations and 0.0001 for the angular.
+  */         
+  inline void SetTolerance(double tt) {
     Tolerance = tt;
     A_Tolerance = tt / 10;
   }
-  //Debug level 1 shows results of each top-level iteration
-  //Debug level 2 shows level 1 & results of each per-axis iteration
-  inline void SetDebug(int level) { Debug = level; }
-  inline void ClearDebug(void) { Debug = 0; }
+  
+  /** 
+    Debug level 1 shows results of each top-level iteration
+    Debug level 2 shows level 1 & results of each per-axis iteration
+  */  
+  inline void SetDebug(int level) { DebugLevel = level; }
+  inline void ClearDebug(void) { DebugLevel = 0; }
+  
+  /**
+    Output debug data for one of the axes
+    The State enum is defined in FGTrimAxis.h
+  */  
+  inline void DebugState(State state) { debug_axis=state; }
+  
+  inline void SetTargetNlf(float nlf) { targetNlf=nlf; }
+  inline double GetTargetNlf(void) { return targetNlf; }
 
 };
-
+}
 
 #endif
-
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