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_sample_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 int32_t         ao_ground_pitch;
  74 __pdata int32_t         ao_ground_yaw;
  75 __pdata int32_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;
 129         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
 130         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
 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_sample_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((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
 166         float   y = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
 167         float   z = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
 168         struct ao_quaternion    rot;
 169         struct ao_quaternion    point;
 170
 171         /* The amount of rotation is just the length of the vector. Now,
 172          * here's the trick -- assume that the rotation amount is small. In this case,
 173          * sin(x) ≃ x, so we can just make this the sin.
 174          */
 175
 176         n_2 = x*x + y*y + z*z;
 177         n = sqrtf(n_2);
 178         s = n / 2;
 179         if (s > 1)
 180                 s = 1;
 181         c = sqrtf(1 - s*s);
 182
 183         /* Make unit vector */
 184         if (n > 0) {
 185                 x /= n;
 186                 y /= n;
 187                 z /= n;
 188         }
 189
 190         /* Now compute the unified rotation quaternion */
 191
 192         ao_quaternion_init_rotation(&rot,
 193                                     x, y, z,
 194                                     s, c);
 195
 196         /* Integrate with the previous rotation amount */
 197         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &ao_rotation, &rot);
 198
 199         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 200         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 201
 202         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 203          * orientation vector and rotating it by the current total
 204          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 205          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 206          * change in the angle from vertical since boost
 207          */
 208
 209         ao_quaternion_rotate(&point, &ao_pad_orientation, &ao_rotation);
 210
 211         ao_sample_orient = acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI);
 212 }
 213 #endif
 214
 215 static void
 216 ao_sample_preflight(void)
 217 {
 218         /* startup state:
 219          *
 220          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 221          * data and average them to find the resting values
 222          */
 223         if (nsamples < 512) {
 224                 ao_sample_preflight_add();
 225         } else {
 226 #if HAS_ACCEL
 227                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 228                 ao_accel_scale = to_fix32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 229 #endif
 230                 ao_sample_preflight_set();
 231                 ao_preflight = FALSE;
 232         }
 233 }
 234
 235 /*
 236  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 237  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 238  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 239  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 240  */
 241
 242 static void
 243 ao_sample_preflight_update(void)
 244 {
 245         if (nsamples < 512)
 246                 ao_sample_preflight_add();
 247         else if (nsamples < 1024)
 248                 ++nsamples;
 249         else
 250                 ao_sample_preflight_set();
 251 }
 252
 253 #if 0
 254 #if HAS_GYRO
 255 static int32_t  p_filt;
 256 static int32_t  y_filt;
 257
 258 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 259         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 260         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 261
 262         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 263         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 264
 265         p = p_filt >> 6;
 266         y = y_filt >> 6;
 267         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 268 }
 269 #endif
 270 #endif
 271
 272 uint8_t
 273 ao_sample(void)
 274 {
 275         ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_data));
 276         ao_sleep((void *) DATA_TO_XDATA(&ao_data_head));
 277         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 278                 __xdata struct ao_data *ao_data;
 279
 280                 /* Capture a sample */
 281                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 282                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 283
 284 #if HAS_BARO
 285                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 286                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 287                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 288                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 289 #endif
 290
 291 #if HAS_ACCEL
 292                 ao_sample_accel = ao_data_accel_cook(ao_data);
 293                 if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 294                         ao_sample_accel = ao_data_accel_invert(ao_sample_accel);
 295                 ao_data_set_accel(ao_data, ao_sample_accel);
 296 #endif
 297 #if HAS_GYRO
 298                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 299                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 300                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 301                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 302                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 303                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 304 #endif
 305
 306                 if (ao_preflight)
 307                         ao_sample_preflight();
 308                 else {
 309                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 310                                 ao_sample_preflight_update();
 311                         ao_kalman();
 312 #if HAS_GYRO
 313                         ao_sample_rotate();
 314 #endif
 315                 }
 316 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 317                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 318 #endif
 319                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 320         }
 321         return !ao_preflight;
 322 }
 323
 324 void
 325 ao_sample_init(void)
 326 {
 327         ao_config_get();
 328         nsamples = 0;
 329         ao_sample_pres_sum = 0;
 330         ao_sample_pres = 0;
 331 #if HAS_ACCEL
 332         ao_sample_accel_sum = 0;
 333         ao_sample_accel = 0;
 334 #endif
 335 #if HAS_GYRO
 336         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 337         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 338         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 339         ao_sample_accel_along = 0;
 340         ao_sample_accel_across = 0;
 341         ao_sample_accel_through = 0;
 342         ao_sample_pitch_sum = 0;
 343         ao_sample_yaw_sum = 0;
 344         ao_sample_roll_sum = 0;
 345         ao_sample_pitch = 0;
 346         ao_sample_yaw = 0;
 347         ao_sample_roll = 0;
 348         ao_sample_orient = 0;
 349 #endif
 350         ao_sample_data = ao_data_head;
 351         ao_preflight = TRUE;
 352 }