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; either version 2 of the License, or
   7  * (at your option) any later version.
   8  *
   9  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  10  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  12  * General Public License for more details.
  13  *
  14  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  15  * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  16  * 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA.
  17  */
  18
  19 #ifndef AO_FLIGHT_TEST
  20 #include "ao.h"
  21 #include <ao_data.h>
  22 #endif
  23
  24 #if HAS_GYRO
  25 #include <ao_quaternion.h>
  26 #endif
  27
  28 /*
  29  * Current sensor values
  30  */
  31
  32 #ifndef PRES_TYPE
  33 #define PRES_TYPE int32_t
  34 #define ALT_TYPE int32_t
  35 #define ACCEL_TYPE int16_t
  36 #endif
  37
  38 uint16_t        ao_sample_tick;         /* time of last data */
  39 #if HAS_BARO
  40 pres_t          ao_sample_pres;
  41 alt_t           ao_sample_alt;
  42 alt_t           ao_sample_height;
  43 #endif
  44 #if HAS_ACCEL
  45 accel_t         ao_sample_accel;
  46 #endif
  47 #if HAS_IMU
  48 accel_t         ao_sample_accel_along;
  49 accel_t         ao_sample_accel_across;
  50 accel_t         ao_sample_accel_through;
  51 #endif
  52 #if HAS_GYRO
  53 gyro_t          ao_sample_roll;
  54 gyro_t          ao_sample_pitch;
  55 gyro_t          ao_sample_yaw;
  56 angle_t         ao_sample_orient;
  57 angle_t         ao_sample_orients[AO_NUM_ORIENT];
  58 uint8_t         ao_sample_orient_pos;
  59 #endif
  60 #ifdef HAS_MOTOR_PRESSURE
  61 motor_pressure_t        ao_sample_motor_pressure;
  62 #endif
  63
  64 uint8_t         ao_sample_data;
  65
  66 /*
  67  * Sensor calibration values
  68  */
  69
  70 #if HAS_BARO
  71 pres_t          ao_ground_pres;         /* startup pressure */
  72 alt_t           ao_ground_height;       /* MSL of ao_ground_pres */
  73 #endif
  74
  75 #if HAS_ACCEL
  76 accel_t         ao_ground_accel;        /* startup acceleration */
  77 accel_t         ao_accel_2g;            /* factory accel calibration */
  78 int32_t         ao_accel_scale;         /* sensor to m/s² conversion */
  79 #endif
  80
  81 #if HAS_IMU
  82 accel_t         ao_ground_accel_along;
  83 accel_t         ao_ground_accel_across;
  84 accel_t         ao_ground_accel_through;
  85 #endif
  86
  87 #if HAS_GYRO
  88 int32_t         ao_ground_pitch;
  89 int32_t         ao_ground_yaw;
  90 int32_t         ao_ground_roll;
  91 #endif
  92
  93 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
  94 motor_pressure_t        ao_ground_motor_pressure;
  95 #endif
  96
  97 static uint8_t  ao_preflight;           /* in preflight mode */
  98
  99 static uint16_t nsamples;
 100 #if HAS_BARO
 101 int32_t ao_sample_pres_sum;
 102 #endif
 103 #if HAS_ACCEL
 104 int32_t ao_sample_accel_sum;
 105 #endif
 106 #if HAS_IMU
 107 int32_t ao_sample_accel_along_sum;
 108 int32_t ao_sample_accel_across_sum;
 109 int32_t ao_sample_accel_through_sum;
 110 #endif
 111 #if HAS_GYRO
 112 int32_t ao_sample_pitch_sum;
 113 int32_t ao_sample_yaw_sum;
 114 int32_t ao_sample_roll_sum;
 115 static struct ao_quaternion ao_rotation;
 116 #endif
 117 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 118 int32_t ao_sample_motor_pressure_sum;
 119 #endif
 120
 121 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 122 extern uint8_t ao_orient_test;
 123 #endif
 124
 125 static void
 126 ao_sample_preflight_add(void)
 127 {
 128 #if HAS_ACCEL
 129         ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
 130 #endif
 131 #if HAS_BARO
 132         ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
 133 #endif
 134 #if HAS_IMU
 135         ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
 136         ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
 137         ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
 138 #endif
 139 #if HAS_GYRO
 140         ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
 141         ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
 142         ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
 143 #endif
 144 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 145         ao_sample_motor_pressure_sum += ao_sample_motor_pressure;
 146 #endif
 147         ++nsamples;
 148 }
 149
 150 #if HAS_GYRO
 151 static void
 152 ao_sample_set_all_orients(void)
 153 {
 154         int i;
 155         for (i = 0; i < AO_NUM_ORIENT; i++)
 156                 ao_sample_orients[i] = ao_sample_orient;
 157         ao_sample_orient_pos = 0;
 158 }
 159
 160 static void
 161 ao_sample_set_one_orient(void)
 162 {
 163         ao_sample_orients[ao_sample_orient_pos] = ao_sample_orient;
 164         ao_sample_orient_pos = (ao_sample_orient_pos + 1) % AO_NUM_ORIENT;
 165 }
 166
 167 static void
 168 ao_sample_compute_orient(void)
 169 {
 170         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 171          * orientation vector and rotating it by the current total
 172          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 173          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 174          * change in the angle from vertical since boost.
 175          *
 176          * rot = ao_rotation * vertical * ao_rotation°
 177          * rot = ao_rotation * (0,0,0,1) * ao_rotation°
 178          *     = ((a.z, a.y, -a.x, a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 179          *
 180          *     = (-a.z * -a.z) + (a.y * -a.y) - (-a.x * -a.x) + (a.r * a.r)
 181          *     = a.z² - a.y² - a.x² + a.r²
 182          *
 183          * rot = ao_rotation * (0, 0, 0, -1) * ao_rotation°
 184          *     = ((-a.z, -a.y, a.x, -a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 185          *
 186          *     = (a.z * -a.z) + (-a.y * -a.y) - (a.x * -a.x) + (-a.r * a.r)
 187          *     = -a.z² + a.y² + a.x² - a.r²
 188          */
 189
 190         float rotz;
 191         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;
 192
 193         ao_sample_orient = acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI);
 194 }
 195 #endif /* HAS_GYRO */
 196
 197 static void
 198 ao_sample_preflight_set(void)
 199 {
 200 #if HAS_ACCEL
 201         ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
 202         ao_sample_accel_sum = 0;
 203 #endif
 204 #if HAS_BARO
 205         ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
 206         ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
 207         ao_sample_pres_sum = 0;
 208 #endif
 209 #if HAS_IMU
 210         ao_ground_accel_along = ao_sample_accel_along_sum >> 9;
 211         ao_ground_accel_across = ao_sample_accel_across_sum >> 9;
 212         ao_ground_accel_through = ao_sample_accel_through_sum >> 9;
 213         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 214         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 215         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 216 #endif
 217 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 218         ao_ground_motor_pressure = ao_sample_motor_pressure_sum >> 9;
 219         ao_sample_motor_pressure_sum = 0;
 220 #endif
 221 #if HAS_GYRO
 222         ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum;
 223         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
 224         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
 225         ao_sample_pitch_sum = 0;
 226         ao_sample_yaw_sum = 0;
 227         ao_sample_roll_sum = 0;
 228         ao_sample_set_all_orients();
 229
 230         struct ao_quaternion    orient;
 231
 232         /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
 233          */
 234
 235         ao_quaternion_init_vector(&orient,
 236                                   (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 237                                   (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 238                                   (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 239
 240         ao_quaternion_normalize(&orient,
 241                                 &orient);
 242
 243         /* Here's up */
 244
 245         struct ao_quaternion    up = { .r = 0, .x = 0, .y = 0, .z = 1 };
 246
 247         if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 248                 up.z = -1;
 249
 250         /* Compute rotation to get from up to our current orientation, set
 251          * that as the current rotation vector
 252          */
 253         ao_quaternion_vectors_to_rotation(&ao_rotation, &up, &orient);
 254 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 255         if (ao_orient_test)
 256                 printf("\n\treset across %d through %d along %d\n",
 257                        (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 258                        (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 259                        (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 260 #endif
 261
 262         ao_sample_compute_orient();
 263         ao_sample_set_all_orients();
 264 #endif
 265         nsamples = 0;
 266 }
 267
 268 #if HAS_GYRO
 269
 270 #define TIME_DIV        200.0f
 271
 272 static void
 273 ao_sample_rotate(void)
 274 {
 275 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 276         float   dt = (int16_t) (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / TIME_DIV;
 277 #else
 278         static const float dt = 1/TIME_DIV;
 279 #endif
 280         float   x = ao_convert_gyro((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
 281         float   y = ao_convert_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
 282         float   z = ao_convert_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
 283         struct ao_quaternion    rot;
 284
 285         ao_quaternion_init_half_euler(&rot, x, y, z);
 286         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &rot, &ao_rotation);
 287
 288         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 289         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 290
 291 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 292         if (ao_orient_test) {
 293                 printf ("rot %d %d %d orient %d     \r",
 294                         (int) (x * 1000),
 295                         (int) (y * 1000),
 296                         (int) (z * 1000),
 297                         ao_sample_orient);
 298         }
 299 #endif
 300         ao_sample_compute_orient();
 301         ao_sample_set_one_orient();
 302 }
 303 #endif
 304
 305 static void
 306 ao_sample_preflight(void)
 307 {
 308         /* startup state:
 309          *
 310          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 311          * data and average them to find the resting values
 312          */
 313         if (nsamples < 512) {
 314                 ao_sample_preflight_add();
 315         } else {
 316 #if HAS_ACCEL
 317                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 318                 ao_accel_scale = to_fix_32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 319 #endif
 320                 ao_sample_preflight_set();
 321                 ao_preflight = false;
 322         }
 323 }
 324
 325 /*
 326  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 327  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 328  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 329  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 330  */
 331
 332 static void
 333 ao_sample_preflight_update(void)
 334 {
 335         if (nsamples < 512)
 336                 ao_sample_preflight_add();
 337         else if (nsamples < 1024)
 338                 ++nsamples;
 339         else
 340                 ao_sample_preflight_set();
 341 #if !HAS_BARO
 342         if ((nsamples & 0x3f) == 0)
 343                 ao_kalman_reset_accumulate();
 344 #endif
 345 }
 346
 347 #if 0
 348 #if HAS_GYRO
 349 static int32_t  p_filt;
 350 static int32_t  y_filt;
 351
 352 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 353         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 354         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 355
 356         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 357         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 358
 359         p = p_filt >> 6;
 360         y = y_filt >> 6;
 361         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 362 }
 363 #endif
 364 #endif
 365
 366 uint8_t
 367 ao_sample(void)
 368 {
 369         ao_wakeup(&ao_sample_data);
 370         ao_sleep((void *) &ao_data_head);
 371         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 372                 struct ao_data *ao_data;
 373
 374                 /* Capture a sample */
 375                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 376                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 377
 378 #if HAS_BARO
 379                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 380                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 381                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 382                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 383 #endif
 384
 385 #if HAS_ACCEL
 386                 ao_sample_accel = ao_data_accel(ao_data);
 387 #endif
 388 #if HAS_IMU
 389                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 390                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 391                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 392 #endif
 393 #if HAS_GYRO
 394                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 395                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 396                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 397 #endif
 398 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 399                 ao_sample_motor_pressure = ao_data_motor_pressure(ao_data);
 400 #endif
 401
 402                 if (ao_preflight)
 403                         ao_sample_preflight();
 404                 else {
 405                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 406                                 ao_sample_preflight_update();
 407                         ao_kalman();
 408 #if HAS_GYRO
 409                         ao_sample_rotate();
 410 #endif
 411                 }
 412 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 413                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 414 #endif
 415                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 416         }
 417         return !ao_preflight;
 418 }
 419
 420 void
 421 ao_sample_init(void)
 422 {
 423         ao_config_get();
 424         nsamples = 0;
 425 #if HAS_BARO
 426         ao_sample_pres_sum = 0;
 427         ao_sample_pres = 0;
 428 #endif
 429 #if HAS_ACCEL
 430         ao_sample_accel_sum = 0;
 431         ao_sample_accel = 0;
 432 #endif
 433 #if HAS_IMU
 434         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 435         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 436         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 437         ao_sample_accel_along = 0;
 438         ao_sample_accel_across = 0;
 439         ao_sample_accel_through = 0;
 440 #endif
 441 #if HAS_GYRO
 442         ao_sample_pitch_sum = 0;
 443         ao_sample_yaw_sum = 0;
 444         ao_sample_roll_sum = 0;
 445         ao_sample_pitch = 0;
 446         ao_sample_yaw = 0;
 447         ao_sample_roll = 0;
 448         ao_sample_orient = 0;
 449         ao_sample_set_all_orients();
 450 #endif
 451         ao_sample_data = ao_data_head;
 452         ao_preflight = true;
 453 }