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 double
 112 cc_altitude_to_temperature(double altitude)
 113 {
 114
 115    double base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
 116    double temperature;
 117
 118    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 119    double delta_z; /* difference between two altitudes */
 120
 121    /* calculate the base temperature for the atmospheric layer
 122       associated with the inputted altitude */
 123    for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
 124       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 125       base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 126    }
 127
 128    /* calculate the pressure at the inputted altitude */
 129    delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
 130    temperature = base_temperature + lapse_rate[layer_number] * delta_z;
 131
 132    return temperature - 273.15;
 133 }
 134
 135 /* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
 136    returned is measured with respect to the mean sea level */
 137 double
 138 cc_pressure_to_altitude(double pressure)
 139 {
 140
 141    double next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
 142    double next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
 143
 144    double altitude;
 145    double base_pressure;
 146    double base_temperature;
 147    double base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
 148    double exponent; /* exponent for function to determine base pressure
 149                              of next layer */
 150    double coefficient;
 151    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 152    int delta_z; /* difference between two altitudes */
 153
 154    if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
 155       return -1;
 156    if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
 157       return MAXIMUM_ALTITUDE;
 158
 159    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
 160       associated with the inputted pressure. */
 161    layer_number = -1;
 162    do {
 163       layer_number++;
 164       base_pressure = next_base_pressure;
 165       base_temperature = next_base_temperature;
 166       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 167       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 168          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
 169               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 170          next_base_pressure *= exp(exponent);
 171       }
 172       else {
 173          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 174          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 175               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 176          next_base_pressure *= pow(base, exponent);
 177       }
 178       next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 179    }
 180    while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
 181
 182    /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
 183    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 184       coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
 185                                                     * base_temperature;
 186       altitude = base_altitude[layer_number]
 187                     + coefficient * log(pressure / base_pressure);
 188    }
 189    else {
 190       base = pressure / base_pressure;
 191       exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
 192                                        / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
 193       coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
 194       altitude = base_altitude[layer_number]
 195                       + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
 196    }
 197
 198    return altitude;
 199 }
 200
 201 /*
 202  * Values for our MP3H6115A pressure sensor
 203  *
 204  * From the data sheet:
 205  *
 206  * Pressure range: 15-115 kPa
 207  * Voltage at 115kPa: 2.82
 208  * Output scale: 27mV/kPa
 209  *
 210  *
 211  * 27 mV/kPa * 2047 / 3300 counts/mV = 16.75 counts/kPa
 212  * 2.82V * 2047 / 3.3 counts/V = 1749 counts/115 kPa
 213  */
 214
 215 static const double counts_per_kPa = 27 * 2047 / 3300;
 216 static const double counts_at_101_3kPa = 1674.0;
 217
 218 double
 219 cc_barometer_to_pressure(double count)
 220 {
 221         return ((count / 16.0) / 2047.0 + 0.095) / 0.009 * 1000.0;
 222 }
 223
 224 double
 225 cc_barometer_to_altitude(double baro)
 226 {
 227         double Pa = cc_barometer_to_pressure(baro);
 228         return cc_pressure_to_altitude(Pa);
 229 }
 230
 231 static const double count_per_mss = 27.0;
 232
 233 double
 234 cc_accelerometer_to_acceleration(double accel, double ground_accel)
 235 {
 236         return (ground_accel - accel) / count_per_mss;
 237 }
 238
 239 /* Value for the CC1111 built-in temperature sensor
 240  * Output voltage at 0°C = 0.755V
 241  * Coefficient = 0.00247V/°C
 242  * Reference voltage = 1.25V
 243  *
 244  * temp = ((value / 32767) * 1.25 - 0.755) / 0.00247
 245  *      = (value - 19791.268) / 32768 * 1.25 / 0.00247
 246  */
 247
 248 double
 249 cc_thermometer_to_temperature(double thermo)
 250 {
 251         return (thermo - 19791.268) / 32728.0 * 1.25 / 0.00247;
 252 }
 253
 254 double
 255 cc_battery_to_voltage(double battery)
 256 {
 257         return battery / 32767.0 * 5.0;
 258 }
 259
 260 double
 261 cc_ignitor_to_voltage(double ignite)
 262 {
 263         return ignite / 32767 * 15.0;
 264 }
 265
 266 static inline double sqr(double a) { return a * a; }
 267
 268 void
 269 cc_great_circle (double start_lat, double start_lon,
 270                  double end_lat, double end_lon,
 271                  double *dist, double *bearing)
 272 {
 273         const double rad = M_PI / 180;
 274         const double earth_radius = 6371.2 * 1000;      /* in meters */
 275         double lat1 = rad * start_lat;
 276         double lon1 = rad * -start_lon;
 277         double lat2 = rad * end_lat;
 278         double lon2 = rad * -end_lon;
 279
 280 //      double d_lat = lat2 - lat1;
 281         double d_lon = lon2 - lon1;
 282
 283         /* From http://en.wikipedia.org/wiki/Great-circle_distance */
 284         double vdn = sqrt(sqr(cos(lat2) * sin(d_lon)) +
 285                           sqr(cos(lat1) * sin(lat2) -
 286                               sin(lat1) * cos(lat2) * cos(d_lon)));
 287         double vdd = sin(lat1) * sin(lat2) + cos(lat1) * cos(lat2) * cos(d_lon);
 288         double d = atan2(vdn,vdd);
 289         double course;
 290
 291         if (cos(lat1) < 1e-20) {
 292                 if (lat1 > 0)
 293                         course = M_PI;
 294                 else
 295                         course = -M_PI;
 296         } else {
 297                 if (d < 1e-10)
 298                         course = 0;
 299                 else
 300                         course = acos((sin(lat2)-sin(lat1)*cos(d)) /
 301                                       (sin(d)*cos(lat1)));
 302                 if (sin(lon2-lon1) > 0)
 303                         course = 2 * M_PI-course;
 304         }
 305         *dist = d * earth_radius;
 306         *bearing = course * 180/M_PI;
 307 }