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