]> git.mxchange.org Git - flightgear.git/blobdiff - src/FDM/JSBSim/models/propulsion/FGRotor.h
Andreas Gaeb: fix #222 (JSBSIm reset problems)
[flightgear.git] / src / FDM / JSBSim / models / propulsion / FGRotor.h
index 2e4b3b34d87119a2922778781e135d26880695f4..9892baa37f734192f16863ed5430babf04c1c795 100644 (file)
@@ -1,31 +1,32 @@
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
  Header:       FGRotor.h
- Author:       Jon S. Berndt
+ Author:       T. Kreitler
  Date started: 08/24/00
 
- ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
+ ------------- Copyright (C) 2010  T. Kreitler (t.kreitler@web.de) -------------
 
  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
- the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
+ the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  version.
 
  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
- FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
+ FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public License for more
  details.
 
- You should have received a copy of the GNU General Public License along with
+ You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with
  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
 
- Further information about the GNU General Public License can also be found on
+ Further information about the GNU Lesser General Public License can also be found on
  the world wide web at http://www.gnu.org.
 
 HISTORY
 --------------------------------------------------------------------------------
-08/24/00  JSB  Created
+01/01/10  T.Kreitler test implementation
+01/10/11  T.Kreitler changed to single rotor model
 
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 SENTRY
@@ -44,7 +45,7 @@ INCLUDES
 DEFINITIONS
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
-#define ID_ROTOR "$Id$"
+#define ID_ROTOR "$Id: FGRotor.h,v 1.8 2011/01/17 22:09:59 jberndt Exp $"
 
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 FORWARD DECLARATIONS
@@ -56,26 +57,331 @@ namespace JSBSim {
 CLASS DOCUMENTATION
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
-/** Models a rotor (such as for a helicopter); NOT YET IMPLEMENTED.
+/** Models a helicopter rotor.
+
+
+<h3>Configuration File Format</h3>
+@code
+<rotor name="{string}">
+  <diameter unit="{LENGTH}"> {number} </diameter>
+  <numblades> {number} </numblades>
+  <gearratio> {number} </gearratio>
+  <nominalrpm> {number} </nominalrpm>
+  <chord unit="{LENGTH}"> {number} </chord>
+  <liftcurveslope Xunit="1/RAD"> {number} </liftcurveslope>
+  <twist unit="{ANGLE}"> {number} </twist>
+  <hingeoffset unit="{LENGTH}"> {number} </hingeoffset>
+  <flappingmoment unit="{MOMENT}"> {number} </flappingmoment>
+  <massmoment Xunit="SLUG*FT"> {number} </massmoment>
+  <polarmoment unit="{MOMENT}"> {number} </polarmoment>
+  <inflowlag> {number} </inflowlag>
+  <tiplossfactor> {number} </tiplossfactor>
+
+  <controlmap> {MAIN|TAIL|TANDEM} </controlmap>
+  <ExternalRPM> {number} </ExternalRPM>
+
+  <groundeffectexp> {number} </groundeffectexp>
+  <groundeffectshift unit="{LENGTH}"> {number} </groundeffectshift>
+</rotor>
+
+//  LENGTH means any of the supported units, same for ANGLE and MOMENT.
+//  Xunit-attributes are a hint for currently unsupported units, so
+//  values must be provided accordingly.
+
+@endcode
+
+<h3>Configuration Parameters:</h3>
+
+  Brief description and the symbol frequently found in the literature.
+
+<pre>
+    \<diameter>           - Rotor disk diameter (2x R).
+    \<numblades>          - Number of blades (b).
+    \<gearratio>          - Ratio of (engine rpm) / (rotor rpm), usually > 1.
+    \<nominalrpm>         - RPM at which the rotor usally operates. 
+    \<chord>              - Blade chord, (c).
+    \<liftcurveslope>     - Slope of curve of section lift against section angle of attack,
+                             per rad (a).
+    \<twist>              - Blade twist from root to tip, (theta_1).
+    \<hingeoffset>        - Rotor flapping-hinge offset (e).
+    \<flappingmoment>     - Flapping moment of inertia (I_b).
+    \<massmoment>         - Blade mass moment. Mass of a single blade times the blade's
+                             cg-distance from the hub, optional.
+    \<polarmoment>        - Moment of inertia for the whole rotor disk, optional.
+    \<inflowlag>          - Rotor inflow time constant, sec. Smaller values yield to
+                              quicker responses to control input (defaults to 0.2).
+    \<tiplossfactor>      - Tip-loss factor. The Blade fraction that produces lift.
+                              Value usually ranges between 0.95 - 1.0, optional (B).
+
+    \<controlmap>         - Defines the control inputs used (see notes).
+    \<ExternalRPM>        - Links the rotor to another rotor, or an user controllable property.
+
+    Experimental properties
+    
+    \<groundeffectexp>    - Exponent for ground effect approximation. Values usually range from 0.04
+                            for large rotors to 0.1 for smaller ones. As a rule of thumb the effect 
+                            vanishes at a height 2-3 times the rotor diameter.
+                              formula used: exp ( - groundeffectexp * (height+groundeffectshift) )
+                            Omitting or setting to 0.0 disables the effect calculation.
+    \<groundeffectshift>  - Further adjustment of ground effect, approx. hub height or slightly above. 
+
+</pre>
+
+<h3>Notes:</h3>  
+
+  <h4>- Controls -</h4>
+
+    The behavior of the rotor is controlled/influenced by following inputs.<ul>
+      <li> The power provided by the engine. This is handled by the regular engine controls.</li>
+      <li> The collective control input. This is read from the <tt>fdm</tt> property 
+           <tt>propulsion/engine[x]/collective-ctrl-rad</tt>. See below for tail rotor</li>
+      <li> The lateral cyclic input. Read from
+           <tt>propulsion/engine[x]/lateral-ctrl-rad</tt>.</li>
+      <li> The longitudinal cyclic input. Read from 
+           <tt>propulsion/engine[x]/longitudinal-ctrl-rad</tt>.</li>
+      <li> The tail collective (aka antitorque, aka pedal) control input. Read from
+           <tt>propulsion/engine[x]/antitorque-ctrl-rad</tt> or 
+           <tt>propulsion/engine[x]/tail-collective-ctrl-rad</tt>.</li> 
+
+    </ul>
+
+  <h4>- Tail/tandem rotor -</h4>
+
+    Providing <tt>\<ExternalRPM\> 0 \</ExternalRPM\></tt> the tail rotor's RPM
+    is linked to to the main (=first, =0) rotor, and specifing
+    <tt>\<controlmap\> TAIL \</controlmap\></tt> tells this rotor to read the
+    collective input from <tt>propulsion/engine[1]/antitorque-ctrl-rad</tt>
+    (The TAIL-map ignores lateral and longitudinal input). The rotor needs to be 
+    attached to a dummy engine, e.g. an 1HP electrical engine.
+    A tandem rotor is setup analogous. 
+
+  <h4>- Sense -</h4>
+
+    The 'sense' parameter from the thruster is interpreted as follows, sense=1 means
+    counter clockwise rotation of the main rotor, as viewed from above. This is as a far
+    as I know more popular than clockwise rotation, which is defined by setting sense to
+    -1. Concerning coaxial designs - by setting 'sense' to zero, a Kamov-style rotor is
+    modeled (i.e. the rotor produces no torque).
+
+  <h4>- Engine issues -</h4>
+
+    Currently the rotor can only be driven with piston and electrical engines. An adaption
+    for the turboprop engine might become available in the future.
+    In order to keep the rotor speed constant, use of a RPM-Governor system is 
+    encouraged (see examples).
+
+  <h4>- Development hints -</h4>
+
+    Setting <tt>\<ExternalRPM> -1 \</ExternalRPM></tt> the rotor's RPM is controlled  by
+    the <tt>propulsion/engine[x]/x-rpm-dict</tt> property. This feature can be useful
+    when developing a FDM.
+  
+
+<h3>References:</h3>  
+
+    <dl>    
+    <dt>/SH79/</dt><dd>Shaugnessy, J. D., Deaux, Thomas N., and Yenni, Kenneth R.,
+              "Development and Validation of a Piloted Simulation of a 
+              Helicopter and External Sling Load",  NASA TP-1285, 1979.</dd>
+    <dt>/BA41/</dt><dd>Bailey,F.J.,Jr., "A Simplified Theoretical Method of Determining
+              the Characteristics of a Lifting Rotor in Forward Flight", NACA Rep.716, 1941.</dd>
+    <dt>/AM50/</dt><dd>Amer, Kenneth B.,"Theory of Helicopter Damping in Pitch or Roll and a
+              Comparison With Flight Measurements", NACA TN-2136, 1950.</dd>
+    <dt>/TA77/</dt><dd>Talbot, Peter D., Corliss, Lloyd D., "A Mathematical Force and Moment
+              Model of a UH-1H Helicopter for Flight Dynamics Simulations", NASA TM-73,254, 1977.</dd>   
+    </dl>
+
+    @author Thomas Kreitler
+    @version $Id: FGRotor.h,v 1.8 2011/01/17 22:09:59 jberndt Exp $
   */
 
+
+
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 CLASS DECLARATION
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
-class FGRotor : public FGThruster {
+class FGRotor :  public FGThruster {
+
+  enum eCtrlMapping {eMainCtrl=0, eTailCtrl, eTandemCtrl};
 
 public:
-  FGRotor(FGFDMExec *FDMExec);
+
+  /** Constructor for FGRotor.
+      @param exec a pointer to the main executive object
+      @param rotor_element a pointer to the thruster config file XML element
+      @param num the number of this rotor */
+  FGRotor(FGFDMExec *exec, Element* rotor_element, int num);
+
+  /// Destructor for FGRotor
   ~FGRotor();
 
-  double Calculate(double);
+  /** Returns the power required by the rotor. Well, to achieve this the rotor
+      is cycled through the whole machinery, yielding to a new state.
+      (hmm, sort of a huge side effect)
+  */
+  double GetPowerRequired(void);
+
+  /** Returns the scalar thrust of the rotor, and adjusts the RPM value. */
+  double Calculate(double PowerAvailable);
+
+
+  /// Retrieves the RPMs of the rotor.
+  double GetRPM(void) const { return RPM; }
+  
+  // void   SetRPM(double rpm) { RPM = rpm; }
+  
+  /// Retrieves the RPMs of the Engine, as seen from this rotor.
+  double GetEngineRPM(void) const { return GearRatio*RPM; } // bit of a hack.
+  /// Tells the rotor's gear ratio, usually the engine asks for this.
+  double GetGearRatio(void) { return GearRatio; }
+  /// Retrieves the thrust of the rotor.
+  double GetThrust(void) const { return Thrust; }
+
+  /// Retrieves the rotor's coning angle 
+  double GetA0(void) const { return a0; }
+  /// Retrieves the longitudinal flapping angle with respect to the rotor shaft
+  double GetA1(void) const { return a1s; }
+  /// Retrieves the lateral flapping angle with respect to the rotor shaft
+  double GetB1(void) const { return b1s; }
+
+  /// Retrieves the inflow ratio
+  double GetLambda(void) const { return lambda; }
+  /// Retrieves the tip-speed (aka advance) ratio
+  double GetMu(void) const { return mu; }
+  /// Retrieves the induced inflow ratio
+  double GetNu(void) const { return nu; }
+  /// Retrieves the induced velocity
+  double GetVi(void) const { return v_induced; }
+  /// Retrieves the thrust coefficient
+  double GetCT(void) const { return C_T; }
+  /// Retrieves the torque
+  double GetTorque(void) const { return Torque; }
+  
+  /// Downwash angle - currently only valid for a rotor that spins horizontally
+  double GetThetaDW(void) const { return theta_downwash; }
+  /// Downwash angle - currently only valid for a rotor that spins horizontally
+  double GetPhiDW(void) const { return phi_downwash; }
+
+  /// Retrieves the collective control input in radians.
+  double GetCollectiveCtrl(void) const { return CollectiveCtrl; }
+  /// Retrieves the lateral control input in radians.
+  double GetLateralCtrl(void) const { return LateralCtrl; }
+  /// Retrieves the longitudinal control input in radians.
+  double GetLongitudinalCtrl(void) const { return LongitudinalCtrl; }
+
+  /// Sets the collective control input in radians.
+  void SetCollectiveCtrl(double c) { CollectiveCtrl = c; }
+  /// Sets the lateral control input in radians.
+  void SetLateralCtrl(double c) { LateralCtrl = c; }
+  /// Sets the longitudinal control input in radians.
+  void SetLongitudinalCtrl(double c) { LongitudinalCtrl = c; }
+
+  // Stubs. Only main rotor RPM is returned
   string GetThrusterLabels(int id, string delimeter);
   string GetThrusterValues(int id, string delimeter);
 
 private:
+
+  // assist in parameter retrieval
+  double ConfigValueConv( Element* e, const string& ename, double default_val=0.0, 
+                                      const string& unit = "", bool tell=false);
+
+  double ConfigValue( Element* e, const string& ename, double default_val=0.0,
+                                  bool tell=false);
+
+  void Configure(Element* rotor_element);
+
+  // true entry points
+  void CalcStatePart1(void);
+  void CalcStatePart2(double PowerAvailable);
+
+  // rotor dynamics
+  void calc_flow_and_thrust(double theta_0, double Uw, double Ww, double flow_scale = 1.0);
+  void calc_coning_angle(double theta_0);
+  void calc_flapping_angles(double theta_0, const FGColumnVector3 &pqr_fus_w);
+  void calc_drag_and_side_forces(double theta_0);
+  void calc_torque(double theta_0);
+
+  // transformations
+  FGColumnVector3 hub_vel_body2ca( const FGColumnVector3 &uvw, const FGColumnVector3 &pqr, 
+                                   double a_ic = 0.0 , double b_ic = 0.0 );
+  FGColumnVector3 fus_angvel_body2ca( const FGColumnVector3 &pqr);
+  FGColumnVector3 body_forces(double a_ic = 0.0 , double b_ic = 0.0 );
+  FGColumnVector3 body_moments(double a_ic = 0.0 , double b_ic = 0.0 );
+
+  // interface
+  bool BindModel(void);
   void Debug(int from);
+
+  // environment
+  double dt;
+  double rho;
+  Filter damp_hagl;
+
+  // configuration parameters
+  double Radius;
+  int    BladeNum;
+
+  double Sense;
+  double NominalRPM;
+  int    ExternalRPM;
+  int    RPMdefinition;
+  FGPropertyManager* ExtRPMsource;
+
+  double BladeChord;
+  double LiftCurveSlope;
+  double BladeTwist;
+  double HingeOffset;
+  double BladeFlappingMoment;
+  double BladeMassMoment;
+  double PolarMoment;
+  double InflowLag;
+  double TipLossB;
+
+  double GroundEffectExp;
+  double GroundEffectShift;
+
+  // derived parameters
+  double LockNumberByRho;
+  double Solidity; // aka sigma
+  double R[5]; // Radius powers
+  double B[5]; // TipLossB powers
+
+  // Some of the calculations require shaft axes. So the
+  // thruster orientation (Tbo, with b for body) needs to be
+  // expressed/represented in helicopter shaft coordinates (Hsr).
+  FGMatrix33 InvTransform;
+  FGMatrix33 TboToHsr;
+  FGMatrix33 HsrToTbo;
+
+  // dynamic values
+  double RPM;
+  double Omega;          // must be > 0 
+  double beta_orient;    // rotor orientation angle (rad)
+  double a0;             // coning angle (rad)
+  double a_1, b_1, a_dw; // flapping angles
+  double a1s, b1s;       // cyclic flapping relative to shaft axes, /SH79/ eqn(43)
+  double H_drag, J_side; // Forces
+
+  double Torque;
+  double C_T;        // rotor thrust coefficient
+  double lambda;     // inflow ratio
+  double mu;         // tip-speed ratio 
+  double nu;         // induced inflow ratio
+  double v_induced;  // induced velocity, always positive [ft/s]
+
+  double theta_downwash;
+  double phi_downwash;
+
+  // control
+  eCtrlMapping ControlMap;
+  double CollectiveCtrl;
+  double LateralCtrl;
+  double LongitudinalCtrl;
+
 };
+
 }
 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 #endif