git.gag.com Git - fw/altos/blob - src/ao_kalman.c

   1 /*
   2  * Copyright © 2011 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 #ifndef AO_FLIGHT_TEST
  19 #include "ao.h"
  20 #endif
  21
  22 #include "ao_kalman.h"
  23
  24 static __pdata int32_t          ao_k_height;
  25 static __pdata int32_t          ao_k_speed;
  26 static __pdata int32_t          ao_k_accel;
  27
  28 #define AO_K_STEP_100           to_fix16(0.01)
  29 #define AO_K_STEP_2_2_100       to_fix16(0.00005)
  30
  31 #define AO_K_STEP_10            to_fix16(0.1)
  32 #define AO_K_STEP_2_2_10        to_fix16(0.005)
  33
  34 #define AO_K_STEP_1             to_fix16(1)
  35 #define AO_K_STEP_2_2_1         to_fix16(0.5)
  36
  37 __pdata int16_t                 ao_height;
  38 __pdata int16_t                 ao_speed;
  39 __pdata int16_t                 ao_accel;
  40 __pdata int16_t                 ao_max_height;
  41
  42 __pdata int16_t                 ao_error_h;
  43 __pdata int16_t                 ao_error_h_sq_avg;
  44
  45 #if HAS_ACCEL
  46 __pdata int16_t                 ao_error_a;
  47 #endif
  48
  49 static void
  50 ao_kalman_predict(void)
  51 {
  52 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
  53         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50) {
  54                 ao_k_height += ((int32_t) ao_speed * AO_K_STEP_1 +
  55                                 (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_2_2_1) >> 4;
  56                 ao_k_speed += (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_1;
  57
  58                 return;
  59         }
  60         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
  61                 ao_k_height += ((int32_t) ao_speed * AO_K_STEP_10 +
  62                                 (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_2_2_10) >> 4;
  63                 ao_k_speed += (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_10;
  64
  65                 return;
  66         }
  67         if (ao_flight_debug) {
  68                 printf ("predict speed %g + (%g * %g) = %g\n",
  69                         ao_k_speed / (65536.0 * 16.0), ao_accel / 16.0, AO_K_STEP_100 / 65536.0,
  70                         (ao_k_speed + (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_100) / (65536.0 * 16.0));
  71         }
  72 #endif
  73         ao_k_height += ((int32_t) ao_speed * AO_K_STEP_100 +
  74                         (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_2_2_100) >> 4;
  75         ao_k_speed += (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_100;
  76 }
  77
  78 static void
  79 ao_kalman_err_height(void)
  80 {
  81         int16_t e;
  82         int16_t height_distrust;
  83 #if HAS_ACCEL
  84         int16_t speed_distrust;
  85 #endif
  86
  87         ao_error_h = ao_sample_height - (int16_t) (ao_k_height >> 16);
  88
  89         e = ao_error_h;
  90         if (e < 0)
  91                 e = -e;
  92         if (e > 127)
  93                 e = 127;
  94 #if HAS_ACCEL
  95         ao_error_h_sq_avg -= ao_error_h_sq_avg >> 2;
  96         ao_error_h_sq_avg += (e * e) >> 2;
  97 #else
  98         ao_error_h_sq_avg -= ao_error_h_sq_avg >> 4;
  99         ao_error_h_sq_avg += (e * e) >> 4;
 100 #endif
 101
 102         if (ao_flight_state >= ao_flight_drogue)
 103                 return;
 104         height_distrust = ao_sample_alt - AO_MAX_BARO_HEIGHT;
 105 #if HAS_ACCEL
 106         /* speed is stored * 16, but we need to ramp between 200 and 328, so
 107          * we want to multiply by 2. The result is a shift by 3.
 108          */
 109         speed_distrust = (ao_speed - AO_MS_TO_SPEED(AO_MAX_BARO_SPEED)) >> (4 - 1);
 110         if (speed_distrust <= 0)
 111                 speed_distrust = 0;
 112         else if (speed_distrust > height_distrust)
 113                 height_distrust = speed_distrust;
 114 #endif
 115         if (height_distrust > 0) {
 116 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 117                 int     old_ao_error_h = ao_error_h;
 118 #endif
 119                 if (height_distrust > 0x100)
 120                         height_distrust = 0x100;
 121                 ao_error_h = (int16_t) (((int32_t) ao_error_h * (0x100 - height_distrust)) >> 8);
 122 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 123                 if (ao_flight_debug) {
 124                         printf("over height %g over speed %g distrust: %g height: error %d -> %d\n",
 125                                (double) (ao_sample_alt - AO_MAX_BARO_HEIGHT),
 126                                (ao_speed - AO_MS_TO_SPEED(AO_MAX_BARO_SPEED)) / 16.0,
 127                                height_distrust / 256.0,
 128                                old_ao_error_h, ao_error_h);
 129                 }
 130 #endif
 131         }
 132 }
 133
 134 static void
 135 ao_kalman_correct_baro(void)
 136 {
 137         ao_kalman_err_height();
 138 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 139         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50) {
 140                 ao_k_height += (int32_t) AO_BARO_K0_1 * ao_error_h;
 141                 ao_k_speed  += (int32_t) AO_BARO_K1_1 * ao_error_h;
 142                 ao_k_accel  += (int32_t) AO_BARO_K2_1 * ao_error_h;
 143                 return;
 144         }
 145         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
 146                 ao_k_height += (int32_t) AO_BARO_K0_10 * ao_error_h;
 147                 ao_k_speed  += (int32_t) AO_BARO_K1_10 * ao_error_h;
 148                 ao_k_accel  += (int32_t) AO_BARO_K2_10 * ao_error_h;
 149                 return;
 150         }
 151 #endif
 152         ao_k_height += (int32_t) AO_BARO_K0_100 * ao_error_h;
 153         ao_k_speed  += (int32_t) AO_BARO_K1_100 * ao_error_h;
 154         ao_k_accel  += (int32_t) AO_BARO_K2_100 * ao_error_h;
 155 }
 156
 157 #if HAS_ACCEL
 158
 159 static void
 160 ao_kalman_err_accel(void)
 161 {
 162         int32_t accel;
 163
 164         accel = (ao_ground_accel - ao_sample_accel) * ao_accel_scale;
 165
 166         /* Can't use ao_accel here as it is the pre-prediction value still */
 167         ao_error_a = (accel - ao_k_accel) >> 16;
 168 }
 169
 170 static void
 171 ao_kalman_correct_both(void)
 172 {
 173         ao_kalman_err_height();
 174         ao_kalman_err_accel();
 175
 176 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 177         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50) {
 178                 if (ao_flight_debug) {
 179                         printf ("correct speed %g + (%g * %g) + (%g * %g) = %g\n",
 180                                 ao_k_speed / (65536.0 * 16.0),
 181                                 (double) ao_error_h, AO_BOTH_K10_1 / 65536.0,
 182                                 (double) ao_error_a, AO_BOTH_K11_1 / 65536.0,
 183                                 (ao_k_speed +
 184                                  (int32_t) AO_BOTH_K10_1 * ao_error_h +
 185                                  (int32_t) AO_BOTH_K11_1 * ao_error_a) / (65536.0 * 16.0));
 186                 }
 187                 ao_k_height +=
 188                         (int32_t) AO_BOTH_K00_1 * ao_error_h +
 189                         (int32_t) AO_BOTH_K01_1 * ao_error_a;
 190                 ao_k_speed +=
 191                         (int32_t) AO_BOTH_K10_1 * ao_error_h +
 192                         (int32_t) AO_BOTH_K11_1 * ao_error_a;
 193                 ao_k_accel +=
 194                         (int32_t) AO_BOTH_K20_1 * ao_error_h +
 195                         (int32_t) AO_BOTH_K21_1 * ao_error_a;
 196                 return;
 197         }
 198         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
 199                 if (ao_flight_debug) {
 200                         printf ("correct speed %g + (%g * %g) + (%g * %g) = %g\n",
 201                                 ao_k_speed / (65536.0 * 16.0),
 202                                 (double) ao_error_h, AO_BOTH_K10_10 / 65536.0,
 203                                 (double) ao_error_a, AO_BOTH_K11_10 / 65536.0,
 204                                 (ao_k_speed +
 205                                  (int32_t) AO_BOTH_K10_10 * ao_error_h +
 206                                  (int32_t) AO_BOTH_K11_10 * ao_error_a) / (65536.0 * 16.0));
 207                 }
 208                 ao_k_height +=
 209                         (int32_t) AO_BOTH_K00_10 * ao_error_h +
 210                         (int32_t) AO_BOTH_K01_10 * ao_error_a;
 211                 ao_k_speed +=
 212                         (int32_t) AO_BOTH_K10_10 * ao_error_h +
 213                         (int32_t) AO_BOTH_K11_10 * ao_error_a;
 214                 ao_k_accel +=
 215                         (int32_t) AO_BOTH_K20_10 * ao_error_h +
 216                         (int32_t) AO_BOTH_K21_10 * ao_error_a;
 217                 return;
 218         }
 219         if (ao_flight_debug) {
 220                 printf ("correct speed %g + (%g * %g) + (%g * %g) = %g\n",
 221                         ao_k_speed / (65536.0 * 16.0),
 222                         (double) ao_error_h, AO_BOTH_K10_100 / 65536.0,
 223                         (double) ao_error_a, AO_BOTH_K11_100 / 65536.0,
 224                         (ao_k_speed +
 225                          (int32_t) AO_BOTH_K10_100 * ao_error_h +
 226                          (int32_t) AO_BOTH_K11_100 * ao_error_a) / (65536.0 * 16.0));
 227         }
 228 #endif
 229         ao_k_height +=
 230                 (int32_t) AO_BOTH_K00_100 * ao_error_h +
 231                 (int32_t) AO_BOTH_K01_100 * ao_error_a;
 232         ao_k_speed +=
 233                 (int32_t) AO_BOTH_K10_100 * ao_error_h +
 234                 (int32_t) AO_BOTH_K11_100 * ao_error_a;
 235         ao_k_accel +=
 236                 (int32_t) AO_BOTH_K20_100 * ao_error_h +
 237                 (int32_t) AO_BOTH_K21_100 * ao_error_a;
 238 }
 239
 240 #ifdef FORCE_ACCEL
 241 static void
 242 ao_kalman_correct_accel(void)
 243 {
 244         ao_kalman_err_accel();
 245
 246         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
 247                 ao_k_height +=(int32_t) AO_ACCEL_K0_10 * ao_error_a;
 248                 ao_k_speed  += (int32_t) AO_ACCEL_K1_10 * ao_error_a;
 249                 ao_k_accel  += (int32_t) AO_ACCEL_K2_10 * ao_error_a;
 250                 return;
 251         }
 252         ao_k_height += (int32_t) AO_ACCEL_K0_100 * ao_error_a;
 253         ao_k_speed  += (int32_t) AO_ACCEL_K1_100 * ao_error_a;
 254         ao_k_accel  += (int32_t) AO_ACCEL_K2_100 * ao_error_a;
 255 }
 256 #endif
 257 #endif /* HAS_ACCEL */
 258
 259 void
 260 ao_kalman(void)
 261 {
 262         ao_kalman_predict();
 263 #if HAS_ACCEL
 264         if (ao_flight_state <= ao_flight_coast) {
 265 #ifdef FORCE_ACCEL
 266                 ao_kalman_correct_accel();
 267 #else
 268                 ao_kalman_correct_both();
 269 #endif
 270         } else
 271 #endif
 272                 ao_kalman_correct_baro();
 273         ao_height = from_fix(ao_k_height);
 274         ao_speed = from_fix(ao_k_speed);
 275         ao_accel = from_fix(ao_k_accel);
 276         if (ao_height > ao_max_height)
 277                 ao_max_height = ao_height;
 278 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 279         ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 280 #endif
 281 }