git.gag.com Git - fw/altos/blob - src/kernel/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 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
  96 extern uint8_t ao_orient_test;
  97 #endif
  98
  99 static void
 100 ao_sample_preflight_add(void)
 101 {
 102 #if HAS_ACCEL
 103         ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
 104 #endif
 105         ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
 106 #if HAS_GYRO
 107         ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
 108         ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
 109         ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
 110         ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
 111         ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
 112         ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
 113 #endif
 114         ++nsamples;
 115 }
 116
 117 static void
 118 ao_sample_preflight_set(void)
 119 {
 120 #if HAS_ACCEL
 121         ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
 122         ao_sample_accel_sum = 0;
 123 #endif
 124         ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
 125         ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
 126         ao_sample_pres_sum = 0;
 127 #if HAS_GYRO
 128         ao_ground_accel_along = ao_sample_accel_along_sum >> 9;
 129         ao_ground_accel_across = ao_sample_accel_across_sum >> 9;
 130         ao_ground_accel_through = ao_sample_accel_through_sum >> 9;
 131         ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum;
 132         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
 133         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
 134         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 135         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 136         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 137         ao_sample_pitch_sum = 0;
 138         ao_sample_yaw_sum = 0;
 139         ao_sample_roll_sum = 0;
 140         ao_sample_orient = 0;
 141
 142         struct ao_quaternion    orient;
 143
 144         /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
 145          */
 146
 147         ao_quaternion_init_vector(&orient,
 148                                   (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 149                                   (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 150                                   (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 151
 152         ao_quaternion_normalize(&orient,
 153                                 &orient);
 154
 155         /* Here's up */
 156
 157         struct ao_quaternion    up = { .r = 0, .x = 0, .y = 0, .z = 1 };
 158
 159         if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 160                 up.z = -1;
 161
 162         /* Compute rotation to get from up to our current orientation, set
 163          * that as the current rotation vector
 164          */
 165         ao_quaternion_vectors_to_rotation(&ao_rotation, &up, &orient);
 166 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 167         if (ao_orient_test)
 168                 printf("\n\treset\n");
 169 #endif
 170 #endif
 171         nsamples = 0;
 172 }
 173
 174 #if HAS_GYRO
 175
 176 #define TIME_DIV        200.0f
 177
 178 static void
 179 ao_sample_rotate(void)
 180 {
 181 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 182         float   dt = (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / TIME_DIV;
 183 #else
 184         static const float dt = 1/TIME_DIV;
 185 #endif
 186         float   x = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
 187         float   y = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
 188         float   z = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
 189         struct ao_quaternion    rot;
 190
 191         ao_quaternion_init_half_euler(&rot, x, y, z);
 192         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &rot, &ao_rotation);
 193
 194         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 195         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 196
 197         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 198          * orientation vector and rotating it by the current total
 199          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 200          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 201          * change in the angle from vertical since boost.
 202          *
 203          * rot = ao_rotation * vertical * ao_rotation°
 204          * rot = ao_rotation * (0,0,0,1) * ao_rotation°
 205          *     = ((a.z, a.y, -a.x, a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 206          *
 207          *     = (-a.z * -a.z) + (a.y * -a.y) - (-a.x * -a.x) + (a.r * a.r)
 208          *     = a.z² - a.y² - a.x² + a.r²
 209          *
 210          * rot = ao_rotation * (0, 0, 0, -1) * ao_rotation°
 211          *     = ((-a.z, -a.y, a.x, -a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 212          *
 213          *     = (a.z * -a.z) + (-a.y * -a.y) - (a.x * -a.x) + (-a.r * a.r)
 214          *     = -a.z² + a.y² + a.x² - a.r²
 215          */
 216
 217         float rotz;
 218         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;
 219
 220         ao_sample_orient = acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI);
 221
 222 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 223         if (ao_orient_test) {
 224                 printf ("rot %d %d %d orient %d     \r",
 225                         (int) (x * 1000),
 226                         (int) (y * 1000),
 227                         (int) (z * 1000),
 228                         ao_sample_orient);
 229         }
 230 #endif
 231
 232 }
 233 #endif
 234
 235 static void
 236 ao_sample_preflight(void)
 237 {
 238         /* startup state:
 239          *
 240          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 241          * data and average them to find the resting values
 242          */
 243         if (nsamples < 512) {
 244                 ao_sample_preflight_add();
 245         } else {
 246 #if HAS_ACCEL
 247                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 248                 ao_accel_scale = to_fix_32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 249 #endif
 250                 ao_sample_preflight_set();
 251                 ao_preflight = FALSE;
 252         }
 253 }
 254
 255 /*
 256  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 257  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 258  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 259  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 260  */
 261
 262 static void
 263 ao_sample_preflight_update(void)
 264 {
 265         if (nsamples < 512)
 266                 ao_sample_preflight_add();
 267         else if (nsamples < 1024)
 268                 ++nsamples;
 269         else
 270                 ao_sample_preflight_set();
 271 }
 272
 273 #if 0
 274 #if HAS_GYRO
 275 static int32_t  p_filt;
 276 static int32_t  y_filt;
 277
 278 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 279         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 280         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 281
 282         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 283         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 284
 285         p = p_filt >> 6;
 286         y = y_filt >> 6;
 287         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 288 }
 289 #endif
 290 #endif
 291
 292 uint8_t
 293 ao_sample(void)
 294 {
 295         ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_data));
 296         ao_sleep((void *) DATA_TO_XDATA(&ao_data_head));
 297         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 298                 __xdata struct ao_data *ao_data;
 299
 300                 /* Capture a sample */
 301                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 302                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 303
 304 #if HAS_BARO
 305                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 306                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 307                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 308                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 309 #endif
 310
 311 #if HAS_ACCEL
 312                 ao_sample_accel = ao_data_accel_cook(ao_data);
 313                 if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 314                         ao_sample_accel = ao_data_accel_invert(ao_sample_accel);
 315                 ao_data_set_accel(ao_data, ao_sample_accel);
 316 #endif
 317 #if HAS_GYRO
 318                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 319                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 320                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 321                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 322                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 323                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 324 #endif
 325
 326                 if (ao_preflight)
 327                         ao_sample_preflight();
 328                 else {
 329                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 330                                 ao_sample_preflight_update();
 331                         ao_kalman();
 332 #if HAS_GYRO
 333                         ao_sample_rotate();
 334 #endif
 335                 }
 336 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 337                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 338 #endif
 339                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 340         }
 341         return !ao_preflight;
 342 }
 343
 344 void
 345 ao_sample_init(void)
 346 {
 347         ao_config_get();
 348         nsamples = 0;
 349         ao_sample_pres_sum = 0;
 350         ao_sample_pres = 0;
 351 #if HAS_ACCEL
 352         ao_sample_accel_sum = 0;
 353         ao_sample_accel = 0;
 354 #endif
 355 #if HAS_GYRO
 356         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 357         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 358         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 359         ao_sample_accel_along = 0;
 360         ao_sample_accel_across = 0;
 361         ao_sample_accel_through = 0;
 362         ao_sample_pitch_sum = 0;
 363         ao_sample_yaw_sum = 0;
 364         ao_sample_roll_sum = 0;
 365         ao_sample_pitch = 0;
 366         ao_sample_yaw = 0;
 367         ao_sample_roll = 0;
 368         ao_sample_orient = 0;
 369 #endif
 370         ao_sample_data = ao_data_head;
 371         ao_preflight = TRUE;
 372 }