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; version 2 of the License.
   7  *
   8  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
   9  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  10  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  11  * General Public License for more details.
  12  *
  13  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  14  * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  15  * 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA.
  16  */
  17
  18 #include "cc.h"
  19 #include <math.h>
  20
  21 /*
  22  * Pressure Sensor Model, version 1.1
  23  *
  24  * written by Holly Grimes
  25  *
  26  * Uses the International Standard Atmosphere as described in
  27  *   "A Quick Derivation relating altitude to air pressure" (version 1.03)
  28  *    from the Portland State Aerospace Society, except that the atmosphere
  29  *    is divided into layers with each layer having a different lapse rate.
  30  *
  31  * Lapse rate data for each layer was obtained from Wikipedia on Sept. 1, 2007
  32  *    at site <http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere
  33  *
  34  * Height measurements use the local tangent plane.  The postive z-direction is up.
  35  *
  36  * All measurements are given in SI units (Kelvin, Pascal, meter, meters/second^2).
  37  *   The lapse rate is given in Kelvin/meter, the gas constant for air is given
  38  *   in Joules/(kilogram-Kelvin).
  39  */
  40
  41 #define GRAVITATIONAL_ACCELERATION -9.80665
  42 #define AIR_GAS_CONSTANT        287.053
  43 #define NUMBER_OF_LAYERS        7
  44 #define MAXIMUM_ALTITUDE        84852.0
  45 #define MINIMUM_PRESSURE        0.3734
  46 #define LAYER0_BASE_TEMPERATURE 288.15
  47 #define LAYER0_BASE_PRESSURE    101325
  48
  49 /* lapse rate and base altitude for each layer in the atmosphere */
  50 static const double lapse_rate[NUMBER_OF_LAYERS] = {
  51         -0.0065, 0.0, 0.001, 0.0028, 0.0, -0.0028, -0.002
  52 };
  53
  54 static const int base_altitude[NUMBER_OF_LAYERS] = {
  55         0, 11000, 20000, 32000, 47000, 51000, 71000
  56 };
  57
  58 /* outputs atmospheric pressure associated with the given altitude. altitudes
  59    are measured with respect to the mean sea level */
  60 double
  61 cc_altitude_to_pressure(double altitude)
  62 {
  63
  64    double base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  65    double base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  66
  67    double pressure;
  68    double base; /* base for function to determine pressure */
  69    double exponent; /* exponent for function to determine pressure */
  70    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
  71    int delta_z; /* difference between two altitudes */
  72
  73    if (altitude > MAXIMUM_ALTITUDE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
  74       return 0;
  75
  76    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
  77       associated with the inputted altitude */
  78    for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
  79       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
  80       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  81          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  82               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  83          base_pressure *= exp(exponent);
  84       }
  85       else {
  86          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  87          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  88               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  89          base_pressure *= pow(base, exponent);
  90       }
  91       base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
  92    }
  93
  94    /* calculate the pressure at the inputted altitude */
  95    delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
  96    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  97       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  98            / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  99       pressure = base_pressure * exp(exponent);
 100    }
 101    else {
 102       base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 103       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 104            (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 105       pressure = base_pressure * pow(base, exponent);
 106    }
 107
 108    return pressure;
 109 }
 110
 111
 112 /* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
 113    returned is measured with respect to the mean sea level */
 114 double
 115 cc_pressure_to_altitude(double pressure)
 116 {
 117
 118    double next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
 119    double next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
 120
 121    double altitude;
 122    double base_pressure;
 123    double base_temperature;
 124    double base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
 125    double exponent; /* exponent for function to determine base pressure
 126                              of next layer */
 127    double coefficient;
 128    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 129    int delta_z; /* difference between two altitudes */
 130
 131    if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
 132       return -1;
 133    if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
 134       return MAXIMUM_ALTITUDE;
 135
 136    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
 137       associated with the inputted pressure. */
 138    layer_number = -1;
 139    do {
 140       layer_number++;
 141       base_pressure = next_base_pressure;
 142       base_temperature = next_base_temperature;
 143       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 144       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 145          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
 146               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 147          next_base_pressure *= exp(exponent);
 148       }
 149       else {
 150          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 151          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 152               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 153          next_base_pressure *= pow(base, exponent);
 154       }
 155       next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 156    }
 157    while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
 158
 159    /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
 160    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 161       coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
 162                                                     * base_temperature;
 163       altitude = base_altitude[layer_number]
 164                     + coefficient * log(pressure / base_pressure);
 165    }
 166    else {
 167       base = pressure / base_pressure;
 168       exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
 169                                        / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
 170       coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
 171       altitude = base_altitude[layer_number]
 172                       + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
 173    }
 174
 175    return altitude;
 176 }
 177
 178 /*
 179  * Values for our MP3H6115A pressure sensor
 180  *
 181  * From the data sheet:
 182  *
 183  * Pressure range: 15-115 kPa
 184  * Voltage at 115kPa: 2.82
 185  * Output scale: 27mV/kPa
 186  *
 187  *
 188  * 27 mV/kPa * 2047 / 3300 counts/mV = 16.75 counts/kPa
 189  * 2.82V * 2047 / 3.3 counts/V = 1749 counts/115 kPa
 190  */
 191
 192 static const double counts_per_kPa = 27 * 2047 / 3300;
 193 static const double counts_at_101_3kPa = 1674.0;
 194
 195 double
 196 cc_barometer_to_pressure(double count)
 197 {
 198         return ((count / 16.0) / 2047.0 + 0.095) / 0.009 * 1000.0;
 199 }
 200
 201 double
 202 cc_barometer_to_altitude(double baro)
 203 {
 204         double Pa = cc_barometer_to_pressure(baro);
 205         return cc_pressure_to_altitude(Pa);
 206 }
 207
 208 static const double count_per_mss = 27.0;
 209
 210 double
 211 cc_accelerometer_to_acceleration(double accel, double ground_accel)
 212 {
 213         return (ground_accel - accel) / count_per_mss;
 214 }
 215
 216 /* Value for the CC1111 built-in temperature sensor
 217  * Output voltage at 0°C = 0.755V
 218  * Coefficient = 0.00247V/°C
 219  * Reference voltage = 1.25V
 220  *
 221  * temp = ((value / 32767) * 1.25 - 0.755) / 0.00247
 222  *      = (value - 19791.268) / 32768 * 1.25 / 0.00247
 223  */
 224
 225 double
 226 cc_thermometer_to_temperature(double thermo)
 227 {
 228         return (thermo - 19791.268) / 32728.0 * 1.25 / 0.00247;
 229 }
 230
 231 double
 232 cc_battery_to_voltage(double battery)
 233 {
 234         return battery / 32767.0 * 5.0;
 235 }
 236
 237 double
 238 cc_ignitor_to_voltage(double ignite)
 239 {
 240         return ignite / 32767 * 15.0;
 241 }
 242
 243 static inline double sqr(double a) { return a * a; }
 244
 245 void
 246 cc_great_circle (double start_lat, double start_lon,
 247                  double end_lat, double end_lon,
 248                  double *dist, double *bearing)
 249 {
 250         const double rad = M_PI / 180;
 251         const double earth_radius = 6371.2 * 1000;      /* in meters */
 252         double lat1 = rad * start_lat;
 253         double lon1 = rad * -start_lon;
 254         double lat2 = rad * end_lat;
 255         double lon2 = rad * -end_lon;
 256
 257 //      double d_lat = lat2 - lat1;
 258         double d_lon = lon2 - lon1;
 259
 260         /* From http://en.wikipedia.org/wiki/Great-circle_distance */
 261         double vdn = sqrt(sqr(cos(lat2) * sin(d_lon)) +
 262                           sqr(cos(lat1) * sin(lat2) -
 263                               sin(lat1) * cos(lat2) * cos(d_lon)));
 264         double vdd = sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2) * cos(d_lon);
 265         double d = atan2(vdn,vdd);
 266         double course;
 267
 268         if (cos(lat1) < 1e-20) {
 269                 if (lat1 > 0)
 270                         course = M_PI;
 271                 else
 272                         course = -M_PI;
 273         } else {
 274                 if (d < 1e-10)
 275                         course = 0;
 276                 else
 277                         course = acos((sin(lat2)-sin(lat1)*cos(d)) /
 278                                       (sin(d)*cos(lat1)));
 279                 if (sin(lon2-lon1) > 0)
 280                         course = 2 * M_PI-course;
 281         }
 282         *dist = d * earth_radius;
 283         *bearing = course * 180/M_PI;
 284 }