git.gag.com Git - fw/altos/blob - src/core/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 static __pdata int32_t          ao_avg_height_scaled;
  42 __pdata int16_t                 ao_avg_height;
  43
  44 __pdata int16_t                 ao_error_h;
  45 __pdata int16_t                 ao_error_h_sq_avg;
  46
  47 #if HAS_ACCEL
  48 __pdata int16_t                 ao_error_a;
  49 #endif
  50
  51 static void
  52 ao_kalman_predict(void)
  53 {
  54 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
  55         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50) {
  56                 ao_k_height += ((int32_t) ao_speed * AO_K_STEP_1 +
  57                                 (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_2_2_1) >> 4;
  58                 ao_k_speed += (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_1;
  59
  60                 return;
  61         }
  62         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
  63                 ao_k_height += ((int32_t) ao_speed * AO_K_STEP_10 +
  64                                 (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_2_2_10) >> 4;
  65                 ao_k_speed += (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_10;
  66
  67                 return;
  68         }
  69         if (ao_flight_debug) {
  70                 printf ("predict speed %g + (%g * %g) = %g\n",
  71                         ao_k_speed / (65536.0 * 16.0), ao_accel / 16.0, AO_K_STEP_100 / 65536.0,
  72                         (ao_k_speed + (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_100) / (65536.0 * 16.0));
  73         }
  74 #endif
  75         ao_k_height += ((int32_t) ao_speed * AO_K_STEP_100 +
  76                         (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_2_2_100) >> 4;
  77         ao_k_speed += (int32_t) ao_accel * AO_K_STEP_100;
  78 }
  79
  80 static void
  81 ao_kalman_err_height(void)
  82 {
  83         int16_t e;
  84         int16_t height_distrust;
  85 #if HAS_ACCEL
  86         int16_t speed_distrust;
  87 #endif
  88
  89         ao_error_h = ao_sample_height - (int16_t) (ao_k_height >> 16);
  90
  91         e = ao_error_h;
  92         if (e < 0)
  93                 e = -e;
  94         if (e > 127)
  95                 e = 127;
  96 #if HAS_ACCEL
  97         ao_error_h_sq_avg -= ao_error_h_sq_avg >> 2;
  98         ao_error_h_sq_avg += (e * e) >> 2;
  99 #else
 100         ao_error_h_sq_avg -= ao_error_h_sq_avg >> 4;
 101         ao_error_h_sq_avg += (e * e) >> 4;
 102 #endif
 103
 104         if (ao_flight_state >= ao_flight_drogue)
 105                 return;
 106         height_distrust = ao_sample_alt - AO_MAX_BARO_HEIGHT;
 107 #if HAS_ACCEL
 108         /* speed is stored * 16, but we need to ramp between 200 and 328, so
 109          * we want to multiply by 2. The result is a shift by 3.
 110          */
 111         speed_distrust = (ao_speed - AO_MS_TO_SPEED(AO_MAX_BARO_SPEED)) >> (4 - 1);
 112         if (speed_distrust <= 0)
 113                 speed_distrust = 0;
 114         else if (speed_distrust > height_distrust)
 115                 height_distrust = speed_distrust;
 116 #endif
 117         if (height_distrust > 0) {
 118 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 119                 int     old_ao_error_h = ao_error_h;
 120 #endif
 121                 if (height_distrust > 0x100)
 122                         height_distrust = 0x100;
 123                 ao_error_h = (int16_t) (((int32_t) ao_error_h * (0x100 - height_distrust)) >> 8);
 124 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 125                 if (ao_flight_debug) {
 126                         printf("over height %g over speed %g distrust: %g height: error %d -> %d\n",
 127                                (double) (ao_sample_alt - AO_MAX_BARO_HEIGHT),
 128                                (ao_speed - AO_MS_TO_SPEED(AO_MAX_BARO_SPEED)) / 16.0,
 129                                height_distrust / 256.0,
 130                                old_ao_error_h, ao_error_h);
 131                 }
 132 #endif
 133         }
 134 }
 135
 136 static void
 137 ao_kalman_correct_baro(void)
 138 {
 139         ao_kalman_err_height();
 140 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 141         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50) {
 142                 ao_k_height += (int32_t) AO_BARO_K0_1 * ao_error_h;
 143                 ao_k_speed  += (int32_t) AO_BARO_K1_1 * ao_error_h;
 144                 ao_k_accel  += (int32_t) AO_BARO_K2_1 * ao_error_h;
 145                 return;
 146         }
 147         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
 148                 ao_k_height += (int32_t) AO_BARO_K0_10 * ao_error_h;
 149                 ao_k_speed  += (int32_t) AO_BARO_K1_10 * ao_error_h;
 150                 ao_k_accel  += (int32_t) AO_BARO_K2_10 * ao_error_h;
 151                 return;
 152         }
 153 #endif
 154         ao_k_height += (int32_t) AO_BARO_K0_100 * ao_error_h;
 155         ao_k_speed  += (int32_t) AO_BARO_K1_100 * ao_error_h;
 156         ao_k_accel  += (int32_t) AO_BARO_K2_100 * ao_error_h;
 157 }
 158
 159 #if HAS_ACCEL
 160
 161 static void
 162 ao_kalman_err_accel(void)
 163 {
 164         int32_t accel;
 165
 166         accel = (ao_ground_accel - ao_sample_accel) * ao_accel_scale;
 167
 168         /* Can't use ao_accel here as it is the pre-prediction value still */
 169         ao_error_a = (accel - ao_k_accel) >> 16;
 170 }
 171
 172 static void
 173 ao_kalman_correct_both(void)
 174 {
 175         ao_kalman_err_height();
 176         ao_kalman_err_accel();
 177
 178 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 179         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50) {
 180                 if (ao_flight_debug) {
 181                         printf ("correct speed %g + (%g * %g) + (%g * %g) = %g\n",
 182                                 ao_k_speed / (65536.0 * 16.0),
 183                                 (double) ao_error_h, AO_BOTH_K10_1 / 65536.0,
 184                                 (double) ao_error_a, AO_BOTH_K11_1 / 65536.0,
 185                                 (ao_k_speed +
 186                                  (int32_t) AO_BOTH_K10_1 * ao_error_h +
 187                                  (int32_t) AO_BOTH_K11_1 * ao_error_a) / (65536.0 * 16.0));
 188                 }
 189                 ao_k_height +=
 190                         (int32_t) AO_BOTH_K00_1 * ao_error_h +
 191                         (int32_t) AO_BOTH_K01_1 * ao_error_a;
 192                 ao_k_speed +=
 193                         (int32_t) AO_BOTH_K10_1 * ao_error_h +
 194                         (int32_t) AO_BOTH_K11_1 * ao_error_a;
 195                 ao_k_accel +=
 196                         (int32_t) AO_BOTH_K20_1 * ao_error_h +
 197                         (int32_t) AO_BOTH_K21_1 * ao_error_a;
 198                 return;
 199         }
 200         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
 201                 if (ao_flight_debug) {
 202                         printf ("correct speed %g + (%g * %g) + (%g * %g) = %g\n",
 203                                 ao_k_speed / (65536.0 * 16.0),
 204                                 (double) ao_error_h, AO_BOTH_K10_10 / 65536.0,
 205                                 (double) ao_error_a, AO_BOTH_K11_10 / 65536.0,
 206                                 (ao_k_speed +
 207                                  (int32_t) AO_BOTH_K10_10 * ao_error_h +
 208                                  (int32_t) AO_BOTH_K11_10 * ao_error_a) / (65536.0 * 16.0));
 209                 }
 210                 ao_k_height +=
 211                         (int32_t) AO_BOTH_K00_10 * ao_error_h +
 212                         (int32_t) AO_BOTH_K01_10 * ao_error_a;
 213                 ao_k_speed +=
 214                         (int32_t) AO_BOTH_K10_10 * ao_error_h +
 215                         (int32_t) AO_BOTH_K11_10 * ao_error_a;
 216                 ao_k_accel +=
 217                         (int32_t) AO_BOTH_K20_10 * ao_error_h +
 218                         (int32_t) AO_BOTH_K21_10 * ao_error_a;
 219                 return;
 220         }
 221         if (ao_flight_debug) {
 222                 printf ("correct speed %g + (%g * %g) + (%g * %g) = %g\n",
 223                         ao_k_speed / (65536.0 * 16.0),
 224                         (double) ao_error_h, AO_BOTH_K10_100 / 65536.0,
 225                         (double) ao_error_a, AO_BOTH_K11_100 / 65536.0,
 226                         (ao_k_speed +
 227                          (int32_t) AO_BOTH_K10_100 * ao_error_h +
 228                          (int32_t) AO_BOTH_K11_100 * ao_error_a) / (65536.0 * 16.0));
 229         }
 230 #endif
 231         ao_k_height +=
 232                 (int32_t) AO_BOTH_K00_100 * ao_error_h +
 233                 (int32_t) AO_BOTH_K01_100 * ao_error_a;
 234         ao_k_speed +=
 235                 (int32_t) AO_BOTH_K10_100 * ao_error_h +
 236                 (int32_t) AO_BOTH_K11_100 * ao_error_a;
 237         ao_k_accel +=
 238                 (int32_t) AO_BOTH_K20_100 * ao_error_h +
 239                 (int32_t) AO_BOTH_K21_100 * ao_error_a;
 240 }
 241
 242 #ifdef FORCE_ACCEL
 243 static void
 244 ao_kalman_correct_accel(void)
 245 {
 246         ao_kalman_err_accel();
 247
 248         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5) {
 249                 ao_k_height +=(int32_t) AO_ACCEL_K0_10 * ao_error_a;
 250                 ao_k_speed  += (int32_t) AO_ACCEL_K1_10 * ao_error_a;
 251                 ao_k_accel  += (int32_t) AO_ACCEL_K2_10 * ao_error_a;
 252                 return;
 253         }
 254         ao_k_height += (int32_t) AO_ACCEL_K0_100 * ao_error_a;
 255         ao_k_speed  += (int32_t) AO_ACCEL_K1_100 * ao_error_a;
 256         ao_k_accel  += (int32_t) AO_ACCEL_K2_100 * ao_error_a;
 257 }
 258 #endif
 259 #endif /* HAS_ACCEL */
 260
 261 void
 262 ao_kalman(void)
 263 {
 264         ao_kalman_predict();
 265 #if HAS_ACCEL
 266         if (ao_flight_state <= ao_flight_coast) {
 267 #ifdef FORCE_ACCEL
 268                 ao_kalman_correct_accel();
 269 #else
 270                 ao_kalman_correct_both();
 271 #endif
 272         } else
 273 #endif
 274                 ao_kalman_correct_baro();
 275         ao_height = from_fix(ao_k_height);
 276         ao_speed = from_fix(ao_k_speed);
 277         ao_accel = from_fix(ao_k_accel);
 278         if (ao_height > ao_max_height)
 279                 ao_max_height = ao_height;
 280         ao_avg_height_scaled = ao_avg_height_scaled - ao_avg_height + ao_sample_height;
 281 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 282         if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 50)
 283                 ao_avg_height = (ao_avg_height_scaled + 1) >> 1;
 284         else if (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick > 5)
 285                 ao_avg_height = (ao_avg_height_scaled + 7) >> 4;
 286         else
 287 #endif
 288                 ao_avg_height = (ao_avg_height_scaled + 63) >> 7;
 289 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 290         ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 291 #endif
 292 }