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 #endif
  94
  95 static void
  96 ao_sample_preflight_add(void)
  97 {
  98 #if HAS_ACCEL
  99         ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
 100 #endif
 101         ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
 102 #if HAS_GYRO
 103         ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
 104         ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
 105         ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
 106         ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
 107         ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
 108         ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
 109 #endif
 110         ++nsamples;
 111 }
 112
 113 static void
 114 ao_sample_preflight_set(void)
 115 {
 116 #if HAS_ACCEL
 117         ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
 118         ao_sample_accel_sum = 0;
 119 #endif
 120         ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
 121         ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
 122         ao_sample_pres_sum = 0;
 123 #if HAS_GYRO
 124         ao_ground_accel_along = ao_sample_accel_along_sum >> 9;
 125         ao_ground_accel_across = ao_sample_accel_across_sum >> 9;
 126         ao_ground_accel_through = ao_sample_accel_through_sum >> 9;
 127         ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum;
 128         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
 129         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
 130         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 131         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 132         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 133         ao_sample_pitch_sum = 0;
 134         ao_sample_yaw_sum = 0;
 135         ao_sample_roll_sum = 0;
 136         ao_sample_orient = 0;
 137
 138         struct ao_quaternion    orient;
 139
 140         /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
 141          */
 142
 143         ao_quaternion_init_vector(&orient,
 144                                   (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 145                                   (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 146                                   (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 147
 148         ao_quaternion_normalize(&orient,
 149                                 &orient);
 150
 151         /* Here's up */
 152
 153         struct ao_quaternion    up = { .r = 0, .x = 0, .y = 0, .z = 1 };
 154
 155         if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 156                 up.z = -1;
 157
 158         /* Compute rotation to get from up to our current orientation, set
 159          * that as the current rotation vector
 160          */
 161         ao_quaternion_vectors_to_rotation(&ao_rotation, &up, &orient);
 162 #endif
 163         nsamples = 0;
 164 }
 165
 166 #if HAS_GYRO
 167 static void
 168 ao_sample_rotate(void)
 169 {
 170 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 171         float   dt = (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / 100.0;
 172 #else
 173         static const float dt = 1/100.0;
 174 #endif
 175         float   x = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
 176         float   y = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
 177         float   z = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
 178         struct ao_quaternion    rot;
 179         struct ao_quaternion    point;
 180
 181         /* The amount of rotation is just the length of the vector. Now,
 182          * here's the trick -- assume that the rotation amount is small. In this case,
 183          * sin(x) ≃ x, so we can just make this the sin.
 184          */
 185
 186         n_2 = x*x + y*y + z*z;
 187         n = sqrtf(n_2);
 188         s = n / 2;
 189         if (s > 1)
 190                 s = 1;
 191         c = sqrtf(1 - s*s);
 192
 193         /* Make unit vector */
 194         if (n > 0) {
 195                 x /= n;
 196                 y /= n;
 197                 z /= n;
 198         }
 199
 200         /* Now compute the unified rotation quaternion */
 201
 202         ao_quaternion_init_rotation(&rot,
 203                                     x, y, z,
 204                                     s, c);
 205
 206         /* Integrate with the previous rotation amount */
 207         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &ao_rotation, &rot);
 208
 209         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 210         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 211
 212         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 213          * orientation vector and rotating it by the current total
 214          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 215          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 216          * change in the angle from vertical since boost.
 217          *
 218          * rot = ao_rotation * vertical * ao_rotation°
 219          * rot = ao_rotation * (0,0,0,1) * ao_rotation°
 220          *     = ((a.z, a.y, -a.x, a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 221          *
 222          *     = (-a.z * -a.z) + (a.y * -a.y) - (-a.x * -a.x) + (a.r * a.r)
 223          *     = a.z² - a.y² - a.x² + a.r²
 224          *
 225          * rot = ao_rotation * (0, 0, 0, -1) * ao_rotation°
 226          *     = ((-a.z, -a.y, a.x, -a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 227          *
 228          *     = (a.z * -a.z) + (-a.y * -a.y) - (a.x * -a.x) + (-a.r * a.r)
 229          *     = -a.z² + a.y² + a.x² - a.r²
 230          */
 231
 232         float rotz;
 233         rotz = ao_rotation.z * ao_rotation.z - ao_rotation.y * ao_rotation.y - ao_rotation.x * ao_rotation.x + ao_rotation.r * ao_rotation.r;
 234
 235         ao_sample_orient = acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI);
 236 }
 237 #endif
 238
 239 static void
 240 ao_sample_preflight(void)
 241 {
 242         /* startup state:
 243          *
 244          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 245          * data and average them to find the resting values
 246          */
 247         if (nsamples < 512) {
 248                 ao_sample_preflight_add();
 249         } else {
 250 #if HAS_ACCEL
 251                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 252                 ao_accel_scale = to_fix32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 253 #endif
 254                 ao_sample_preflight_set();
 255                 ao_preflight = FALSE;
 256         }
 257 }
 258
 259 /*
 260  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 261  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 262  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 263  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 264  */
 265
 266 static void
 267 ao_sample_preflight_update(void)
 268 {
 269         if (nsamples < 512)
 270                 ao_sample_preflight_add();
 271         else if (nsamples < 1024)
 272                 ++nsamples;
 273         else
 274                 ao_sample_preflight_set();
 275 }
 276
 277 #if 0
 278 #if HAS_GYRO
 279 static int32_t  p_filt;
 280 static int32_t  y_filt;
 281
 282 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 283         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 284         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 285
 286         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 287         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 288
 289         p = p_filt >> 6;
 290         y = y_filt >> 6;
 291         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 292 }
 293 #endif
 294 #endif
 295
 296 uint8_t
 297 ao_sample(void)
 298 {
 299         ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_data));
 300         ao_sleep((void *) DATA_TO_XDATA(&ao_data_head));
 301         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 302                 __xdata struct ao_data *ao_data;
 303
 304                 /* Capture a sample */
 305                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 306                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 307
 308 #if HAS_BARO
 309                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 310                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 311                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 312                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 313 #endif
 314
 315 #if HAS_ACCEL
 316                 ao_sample_accel = ao_data_accel_cook(ao_data);
 317                 if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 318                         ao_sample_accel = ao_data_accel_invert(ao_sample_accel);
 319                 ao_data_set_accel(ao_data, ao_sample_accel);
 320 #endif
 321 #if HAS_GYRO
 322                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 323                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 324                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 325                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 326                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 327                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 328 #endif
 329
 330                 if (ao_preflight)
 331                         ao_sample_preflight();
 332                 else {
 333                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 334                                 ao_sample_preflight_update();
 335                         ao_kalman();
 336 #if HAS_GYRO
 337                         ao_sample_rotate();
 338 #endif
 339                 }
 340 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 341                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 342 #endif
 343                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 344         }
 345         return !ao_preflight;
 346 }
 347
 348 void
 349 ao_sample_init(void)
 350 {
 351         ao_config_get();
 352         nsamples = 0;
 353         ao_sample_pres_sum = 0;
 354         ao_sample_pres = 0;
 355 #if HAS_ACCEL
 356         ao_sample_accel_sum = 0;
 357         ao_sample_accel = 0;
 358 #endif
 359 #if HAS_GYRO
 360         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 361         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 362         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 363         ao_sample_accel_along = 0;
 364         ao_sample_accel_across = 0;
 365         ao_sample_accel_through = 0;
 366         ao_sample_pitch_sum = 0;
 367         ao_sample_yaw_sum = 0;
 368         ao_sample_roll_sum = 0;
 369         ao_sample_pitch = 0;
 370         ao_sample_yaw = 0;
 371         ao_sample_roll = 0;
 372         ao_sample_orient = 0;
 373 #endif
 374         ao_sample_data = ao_data_head;
 375         ao_preflight = TRUE;
 376 }