git.gag.com Git - fw/altos/blob - src/core/ao_sample.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 #include <ao_data.h>
  21 #endif
  22
  23 #if HAS_GYRO
  24 #include <ao_quaternion.h>
  25 #endif
  26
  27 /*
  28  * Current sensor values
  29  */
  30
  31 #ifndef PRES_TYPE
  32 #define PRES_TYPE int32_t
  33 #define ALT_TYPE int32_t
  34 #define ACCEL_TYPE int16_t
  35 #endif
  36
  37 __pdata uint16_t        ao_sample_tick;         /* time of last data */
  38 __pdata pres_t          ao_sample_pres;
  39 __pdata alt_t           ao_sample_alt;
  40 __pdata alt_t           ao_sample_height;
  41 #if HAS_ACCEL
  42 __pdata accel_t         ao_sample_accel;
  43 #endif
  44 #if HAS_GYRO
  45 __pdata accel_t         ao_sample_accel_along;
  46 __pdata accel_t         ao_sample_accel_across;
  47 __pdata accel_t         ao_sample_accel_through;
  48 __pdata gyro_t          ao_sample_roll;
  49 __pdata gyro_t          ao_sample_pitch;
  50 __pdata gyro_t          ao_sample_yaw;
  51 __pdata angle_t         ao_orient;
  52 #endif
  53
  54 __data uint8_t          ao_sample_data;
  55
  56 /*
  57  * Sensor calibration values
  58  */
  59
  60 __pdata pres_t          ao_ground_pres;         /* startup pressure */
  61 __pdata alt_t           ao_ground_height;       /* MSL of ao_ground_pres */
  62
  63 #if HAS_ACCEL
  64 __pdata accel_t         ao_ground_accel;        /* startup acceleration */
  65 __pdata accel_t         ao_accel_2g;            /* factory accel calibration */
  66 __pdata int32_t         ao_accel_scale;         /* sensor to m/s² conversion */
  67 #endif
  68
  69 #if HAS_GYRO
  70 __pdata accel_t         ao_ground_accel_along;
  71 __pdata accel_t         ao_ground_accel_across;
  72 __pdata accel_t         ao_ground_accel_through;
  73 __pdata gyro_t          ao_ground_pitch;
  74 __pdata gyro_t          ao_ground_yaw;
  75 __pdata gyro_t          ao_ground_roll;
  76 #endif
  77
  78 static __pdata uint8_t  ao_preflight;           /* in preflight mode */
  79
  80 static __pdata uint16_t nsamples;
  81 __pdata int32_t ao_sample_pres_sum;
  82 #if HAS_ACCEL
  83 __pdata int32_t ao_sample_accel_sum;
  84 #endif
  85 #if HAS_GYRO
  86 __pdata int32_t ao_sample_accel_along_sum;
  87 __pdata int32_t ao_sample_accel_across_sum;
  88 __pdata int32_t ao_sample_accel_through_sum;
  89 __pdata int32_t ao_sample_pitch_sum;
  90 __pdata int32_t ao_sample_yaw_sum;
  91 __pdata int32_t ao_sample_roll_sum;
  92 static struct ao_quaternion ao_rotation;
  93 static struct ao_quaternion ao_pad_orientation;
  94 #endif
  95
  96 static void
  97 ao_sample_preflight_add(void)
  98 {
  99 #if HAS_ACCEL
 100         ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
 101 #endif
 102         ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
 103 #if HAS_GYRO
 104         ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
 105         ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
 106         ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
 107         ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
 108         ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
 109         ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
 110 #endif
 111         ++nsamples;
 112 }
 113
 114 static void
 115 ao_sample_preflight_set(void)
 116 {
 117 #if HAS_ACCEL
 118         ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
 119         ao_sample_accel_sum = 0;
 120 #endif
 121         ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
 122         ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
 123         ao_sample_pres_sum = 0;
 124 #if HAS_GYRO
 125         ao_ground_accel_along = ao_sample_accel_along_sum >> 9;
 126         ao_ground_accel_across = ao_sample_accel_across_sum >> 9;
 127         ao_ground_accel_through = ao_sample_accel_through_sum >> 9;
 128         ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum >> 9;
 129         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum >> 9;
 130         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum >> 9;
 131         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 132         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 133         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 134         ao_sample_pitch_sum = 0;
 135         ao_sample_yaw_sum = 0;
 136         ao_sample_roll_sum = 0;
 137         ao_orient = 0;
 138
 139         /* No rotation yet */
 140         ao_quaternion_init_zero_rotation(&ao_rotation);
 141
 142         /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
 143          */
 144         ao_quaternion_init_vector(&ao_pad_orientation,
 145                                   ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across,
 146                                   ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through,
 147                                   -ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along);
 148
 149         ao_quaternion_normalize(&ao_pad_orientation,
 150                                 &ao_pad_orientation);
 151
 152 #endif
 153         nsamples = 0;
 154 }
 155
 156 #if HAS_GYRO
 157 static void
 158 ao_sample_rotate(void)
 159 {
 160 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 161         float   dt = (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / 100.0;
 162 #else
 163         static const float dt = 1/100.0;
 164 #endif
 165         float   x = ao_mpu6000_gyro(ao_sample_pitch - ao_ground_pitch) * dt;
 166         float   y = ao_mpu6000_gyro(ao_sample_yaw - ao_ground_yaw) * dt;
 167         float   z = ao_mpu6000_gyro(ao_sample_roll - ao_ground_roll) * dt;
 168
 169         float                   n_2, n;
 170         float                   s, c;
 171
 172         struct ao_quaternion    rot;
 173         struct ao_quaternion    point;
 174
 175         /* The amount of rotation is just the length of the vector. Now,
 176          * here's the trick -- assume that the rotation amount is small. In this case,
 177          * sin(x) ≃ x, so we can just make this the sin.
 178          */
 179
 180         n_2 = x*x + y*y + z*z;
 181         n = sqrtf(n_2);
 182         s = n / 2;
 183         if (s > 1)
 184                 s = 1;
 185         c = sqrtf(1 - s*s);
 186
 187         /* Make unit vector */
 188         if (n > 0) {
 189                 x /= n;
 190                 y /= n;
 191                 z /= n;
 192         }
 193
 194         /* Now compute the unified rotation quaternion */
 195
 196         ao_quaternion_init_rotation(&rot,
 197                                     x, y, z,
 198                                     s, c);
 199
 200         /* Integrate with the previous rotation amount */
 201         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &ao_rotation, &rot);
 202
 203         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 204         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 205
 206         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 207          * orientation vector and rotating it by the current total
 208          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 209          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 210          * change in the angle from vertical since boost
 211          */
 212
 213         ao_quaternion_rotate(&point, &ao_pad_orientation, &ao_rotation);
 214
 215         ao_orient = acosf(point.z) * (float) (180.0/M_PI);
 216 }
 217 #endif
 218
 219 static void
 220 ao_sample_preflight(void)
 221 {
 222         /* startup state:
 223          *
 224          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 225          * data and average them to find the resting values
 226          */
 227         if (nsamples < 512) {
 228                 ao_sample_preflight_add();
 229         } else {
 230 #if HAS_ACCEL
 231                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 232                 ao_accel_scale = to_fix32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 233 #endif
 234                 ao_sample_preflight_set();
 235                 ao_preflight = FALSE;
 236         }
 237 }
 238
 239 /*
 240  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 241  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 242  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 243  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 244  */
 245
 246 static void
 247 ao_sample_preflight_update(void)
 248 {
 249         if (nsamples < 512)
 250                 ao_sample_preflight_add();
 251         else if (nsamples < 1024)
 252                 ++nsamples;
 253         else
 254                 ao_sample_preflight_set();
 255 }
 256
 257 #if 0
 258 #if HAS_GYRO
 259 static int32_t  p_filt;
 260 static int32_t  y_filt;
 261
 262 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 263         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 264         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 265
 266         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 267         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 268
 269         p = p_filt >> 6;
 270         y = y_filt >> 6;
 271         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 272 }
 273 #endif
 274 #endif
 275
 276 uint8_t
 277 ao_sample(void)
 278 {
 279         ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_data));
 280         ao_sleep((void *) DATA_TO_XDATA(&ao_data_head));
 281         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 282                 __xdata struct ao_data *ao_data;
 283
 284                 /* Capture a sample */
 285                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 286                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 287
 288 #if HAS_BARO
 289                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 290                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 291                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 292                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 293 #endif
 294
 295 #if HAS_ACCEL
 296                 ao_sample_accel = ao_data_accel_cook(ao_data);
 297                 if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 298                         ao_sample_accel = ao_data_accel_invert(ao_sample_accel);
 299                 ao_data_set_accel(ao_data, ao_sample_accel);
 300 #endif
 301 #if HAS_GYRO
 302                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 303                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 304                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 305                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 306                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 307                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 308 #endif
 309
 310                 if (ao_preflight)
 311                         ao_sample_preflight();
 312                 else {
 313                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 314                                 ao_sample_preflight_update();
 315                         ao_kalman();
 316 #if HAS_GYRO
 317                         ao_sample_rotate();
 318 #endif
 319                 }
 320 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 321                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 322 #endif
 323                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 324         }
 325         return !ao_preflight;
 326 }
 327
 328 void
 329 ao_sample_init(void)
 330 {
 331         ao_config_get();
 332         nsamples = 0;
 333         ao_sample_pres_sum = 0;
 334         ao_sample_pres = 0;
 335 #if HAS_ACCEL
 336         ao_sample_accel_sum = 0;
 337         ao_sample_accel = 0;
 338 #endif
 339 #if HAS_GYRO
 340         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 341         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 342         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 343         ao_sample_accel_along = 0;
 344         ao_sample_accel_across = 0;
 345         ao_sample_accel_through = 0;
 346         ao_sample_pitch_sum = 0;
 347         ao_sample_yaw_sum = 0;
 348         ao_sample_roll_sum = 0;
 349         ao_sample_pitch = 0;
 350         ao_sample_yaw = 0;
 351         ao_sample_roll = 0;
 352         ao_orient = 0;
 353 #endif
 354         ao_sample_data = ao_data_head;
 355         ao_preflight = TRUE;
 356 }