git.gag.com Git - fw/altos/blob - ao-tools/lib/cc-convert.c

   1 /*
   2  * Copyright © 2009 Keith Packard <keithp@keithp.com>
   3  *
   4  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   7  * (at your option) any later version.
   8  *
   9  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  10  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  12  * General Public License for more details.
  13  *
  14  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  15  * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  16  * 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA.
  17  */
  18
  19 #include "cc.h"
  20 #include <math.h>
  21
  22 /*
  23  * Pressure Sensor Model, version 1.1
  24  *
  25  * written by Holly Grimes
  26  *
  27  * Uses the International Standard Atmosphere as described in
  28  *   "A Quick Derivation relating altitude to air pressure" (version 1.03)
  29  *    from the Portland State Aerospace Society, except that the atmosphere
  30  *    is divided into layers with each layer having a different lapse rate.
  31  *
  32  * Lapse rate data for each layer was obtained from Wikipedia on Sept. 1, 2007
  33  *    at site <http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere
  34  *
  35  * Height measurements use the local tangent plane.  The postive z-direction is up.
  36  *
  37  * All measurements are given in SI units (Kelvin, Pascal, meter, meters/second^2).
  38  *   The lapse rate is given in Kelvin/meter, the gas constant for air is given
  39  *   in Joules/(kilogram-Kelvin).
  40  */
  41
  42 #define GRAVITATIONAL_ACCELERATION -9.80665
  43 #define AIR_GAS_CONSTANT        287.053
  44 #define NUMBER_OF_LAYERS        7
  45 #define MAXIMUM_ALTITUDE        84852.0
  46 #define MINIMUM_PRESSURE        0.3734
  47 #define LAYER0_BASE_TEMPERATURE 288.15
  48 #define LAYER0_BASE_PRESSURE    101325
  49
  50 /* lapse rate and base altitude for each layer in the atmosphere */
  51 static const double lapse_rate[NUMBER_OF_LAYERS] = {
  52         -0.0065, 0.0, 0.001, 0.0028, 0.0, -0.0028, -0.002
  53 };
  54
  55 static const int base_altitude[NUMBER_OF_LAYERS] = {
  56         0, 11000, 20000, 32000, 47000, 51000, 71000
  57 };
  58
  59 /* outputs atmospheric pressure associated with the given altitude. altitudes
  60    are measured with respect to the mean sea level */
  61 double
  62 cc_altitude_to_pressure(double altitude)
  63 {
  64
  65    double base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  66    double base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  67
  68    double pressure;
  69    double base; /* base for function to determine pressure */
  70    double exponent; /* exponent for function to determine pressure */
  71    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
  72    int delta_z; /* difference between two altitudes */
  73
  74    if (altitude > MAXIMUM_ALTITUDE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
  75       return 0;
  76
  77    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
  78       associated with the inputted altitude */
  79    for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
  80       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
  81       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  82          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  83               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  84          base_pressure *= exp(exponent);
  85       }
  86       else {
  87          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  88          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  89               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  90          base_pressure *= pow(base, exponent);
  91       }
  92       base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
  93    }
  94
  95    /* calculate the pressure at the inputted altitude */
  96    delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
  97    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  98       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  99            / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 100       pressure = base_pressure * exp(exponent);
 101    }
 102    else {
 103       base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 104       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 105            (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 106       pressure = base_pressure * pow(base, exponent);
 107    }
 108
 109    return pressure;
 110 }
 111
 112 double
 113 cc_altitude_to_temperature(double altitude)
 114 {
 115
 116    double base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
 117    double temperature;
 118
 119    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 120    double delta_z; /* difference between two altitudes */
 121
 122    /* calculate the base temperature for the atmospheric layer
 123       associated with the inputted altitude */
 124    for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
 125       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 126       base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 127    }
 128
 129    /* calculate the pressure at the inputted altitude */
 130    delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
 131    temperature = base_temperature + lapse_rate[layer_number] * delta_z;
 132
 133    return temperature - 273.15;
 134 }
 135
 136 /* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
 137    returned is measured with respect to the mean sea level */
 138 double
 139 cc_pressure_to_altitude(double pressure)
 140 {
 141
 142    double next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
 143    double next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
 144
 145    double altitude;
 146    double base_pressure;
 147    double base_temperature;
 148    double base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
 149    double exponent; /* exponent for function to determine base pressure
 150                              of next layer */
 151    double coefficient;
 152    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 153    int delta_z; /* difference between two altitudes */
 154
 155    if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
 156       return -1;
 157    if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
 158       return MAXIMUM_ALTITUDE;
 159
 160    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
 161       associated with the inputted pressure. */
 162    layer_number = -1;
 163    do {
 164       layer_number++;
 165       base_pressure = next_base_pressure;
 166       base_temperature = next_base_temperature;
 167       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 168       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 169          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
 170               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 171          next_base_pressure *= exp(exponent);
 172       }
 173       else {
 174          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 175          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 176               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 177          next_base_pressure *= pow(base, exponent);
 178       }
 179       next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 180    }
 181    while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
 182
 183    /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
 184    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 185       coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
 186                                                     * base_temperature;
 187       altitude = base_altitude[layer_number]
 188                     + coefficient * log(pressure / base_pressure);
 189    }
 190    else {
 191       base = pressure / base_pressure;
 192       exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
 193                                        / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
 194       coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
 195       altitude = base_altitude[layer_number]
 196                       + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
 197    }
 198
 199    return altitude;
 200 }
 201
 202 /*
 203  * Values for our MP3H6115A pressure sensor
 204  *
 205  * From the data sheet:
 206  *
 207  * Pressure range: 15-115 kPa
 208  * Voltage at 115kPa: 2.82
 209  * Output scale: 27mV/kPa
 210  *
 211  *
 212  * 27 mV/kPa * 2047 / 3300 counts/mV = 16.75 counts/kPa
 213  * 2.82V * 2047 / 3.3 counts/V = 1749 counts/115 kPa
 214  */
 215
 216 double
 217 cc_barometer_to_pressure(double count)
 218 {
 219         return ((count / 16.0) / 2047.0 + 0.095) / 0.009 * 1000.0;
 220 }
 221
 222 double
 223 cc_barometer_to_altitude(double baro)
 224 {
 225         double Pa = cc_barometer_to_pressure(baro);
 226         return cc_pressure_to_altitude(Pa);
 227 }
 228
 229 static const double count_per_mss = 27.0;
 230
 231 double
 232 cc_accelerometer_to_acceleration(double accel, double ground_accel)
 233 {
 234         return (ground_accel - accel) / count_per_mss;
 235 }
 236
 237 /* Value for the CC1111 built-in temperature sensor
 238  * Output voltage at 0°C = 0.755V
 239  * Coefficient = 0.00247V/°C
 240  * Reference voltage = 1.25V
 241  *
 242  * temp = ((value / 32767) * 1.25 - 0.755) / 0.00247
 243  *      = (value - 19791.268) / 32768 * 1.25 / 0.00247
 244  */
 245
 246 double
 247 cc_thermometer_to_temperature(double thermo)
 248 {
 249         return (thermo - 19791.268) / 32728.0 * 1.25 / 0.00247;
 250 }
 251
 252 double
 253 cc_battery_to_voltage(double battery)
 254 {
 255         return battery / 32767.0 * 5.0;
 256 }
 257
 258 double
 259 cc_ignitor_to_voltage(double ignite)
 260 {
 261         return ignite / 32767 * 15.0;
 262 }
 263
 264 static inline double sqr(double a) { return a * a; }
 265
 266 void
 267 cc_great_circle (double start_lat, double start_lon,
 268                  double end_lat, double end_lon,
 269                  double *dist, double *bearing)
 270 {
 271         const double rad = M_PI / 180;
 272         const double earth_radius = 6371.2 * 1000;      /* in meters */
 273         double lat1 = rad * start_lat;
 274         double lon1 = rad * -start_lon;
 275         double lat2 = rad * end_lat;
 276         double lon2 = rad * -end_lon;
 277
 278 //      double d_lat = lat2 - lat1;
 279         double d_lon = lon2 - lon1;
 280
 281         /* From http://en.wikipedia.org/wiki/Great-circle_distance */
 282         double vdn = sqrt(sqr(cos(lat2) * sin(d_lon)) +
 283                           sqr(cos(lat1) * sin(lat2) -
 284                               sin(lat1) * cos(lat2) * cos(d_lon)));
 285         double vdd = sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2) * cos(d_lon);
 286         double d = atan2(vdn,vdd);
 287         double course;
 288
 289         if (cos(lat1) < 1e-20) {
 290                 if (lat1 > 0)
 291                         course = M_PI;
 292                 else
 293                         course = -M_PI;
 294         } else {
 295                 if (d < 1e-10)
 296                         course = 0;
 297                 else
 298                         course = acos((sin(lat2)-sin(lat1)*cos(d)) /
 299                                       (sin(d)*cos(lat1)));
 300                 if (sin(lon2-lon1) > 0)
 301                         course = 2 * M_PI-course;
 302         }
 303         *dist = d * earth_radius;
 304         *bearing = course * 180/M_PI;
 305 }