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 __pdata uint16_t        ao_sample_tick;         /* time of last data */
  39 __pdata pres_t          ao_sample_pres;
  40 __pdata alt_t           ao_sample_alt;
  41 __pdata alt_t           ao_sample_height;
  42 #if HAS_ACCEL
  43 __pdata accel_t         ao_sample_accel;
  44 #endif
  45 #if HAS_GYRO
  46 __pdata accel_t         ao_sample_accel_along;
  47 __pdata accel_t         ao_sample_accel_across;
  48 __pdata accel_t         ao_sample_accel_through;
  49 __pdata gyro_t          ao_sample_roll;
  50 __pdata gyro_t          ao_sample_pitch;
  51 __pdata gyro_t          ao_sample_yaw;
  52 __pdata angle_t         ao_sample_orient;
  53 #endif
  54
  55 __data uint8_t          ao_sample_data;
  56
  57 /*
  58  * Sensor calibration values
  59  */
  60
  61 __pdata pres_t          ao_ground_pres;         /* startup pressure */
  62 __pdata alt_t           ao_ground_height;       /* MSL of ao_ground_pres */
  63
  64 #if HAS_ACCEL
  65 __pdata accel_t         ao_ground_accel;        /* startup acceleration */
  66 __pdata accel_t         ao_accel_2g;            /* factory accel calibration */
  67 __pdata int32_t         ao_accel_scale;         /* sensor to m/s² conversion */
  68 #endif
  69
  70 #if HAS_GYRO
  71 __pdata accel_t         ao_ground_accel_along;
  72 __pdata accel_t         ao_ground_accel_across;
  73 __pdata accel_t         ao_ground_accel_through;
  74 __pdata int32_t         ao_ground_pitch;
  75 __pdata int32_t         ao_ground_yaw;
  76 __pdata int32_t         ao_ground_roll;
  77 #endif
  78
  79 static __pdata uint8_t  ao_preflight;           /* in preflight mode */
  80
  81 static __pdata uint16_t nsamples;
  82 __pdata int32_t ao_sample_pres_sum;
  83 #if HAS_ACCEL
  84 __pdata int32_t ao_sample_accel_sum;
  85 #endif
  86 #if HAS_GYRO
  87 __pdata int32_t ao_sample_accel_along_sum;
  88 __pdata int32_t ao_sample_accel_across_sum;
  89 __pdata int32_t ao_sample_accel_through_sum;
  90 __pdata int32_t ao_sample_pitch_sum;
  91 __pdata int32_t ao_sample_yaw_sum;
  92 __pdata int32_t ao_sample_roll_sum;
  93 static struct ao_quaternion ao_rotation;
  94 #endif
  95
  96 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
  97 extern uint8_t ao_orient_test;
  98 #endif
  99
 100 static void
 101 ao_sample_preflight_add(void)
 102 {
 103 #if HAS_ACCEL
 104         ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
 105 #endif
 106         ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
 107 #if HAS_GYRO
 108         ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
 109         ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
 110         ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
 111         ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
 112         ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
 113         ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
 114 #endif
 115         ++nsamples;
 116 }
 117
 118 static void
 119 ao_sample_preflight_set(void)
 120 {
 121 #if HAS_ACCEL
 122         ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
 123         ao_sample_accel_sum = 0;
 124 #endif
 125         ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
 126         ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
 127         ao_sample_pres_sum = 0;
 128 #if HAS_GYRO
 129         ao_ground_accel_along = ao_sample_accel_along_sum >> 9;
 130         ao_ground_accel_across = ao_sample_accel_across_sum >> 9;
 131         ao_ground_accel_through = ao_sample_accel_through_sum >> 9;
 132         ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum;
 133         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
 134         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
 135         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 136         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 137         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 138         ao_sample_pitch_sum = 0;
 139         ao_sample_yaw_sum = 0;
 140         ao_sample_roll_sum = 0;
 141         ao_sample_orient = 0;
 142
 143         struct ao_quaternion    orient;
 144
 145         /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
 146          */
 147
 148         ao_quaternion_init_vector(&orient,
 149                                   (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 150                                   (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 151                                   (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 152
 153         ao_quaternion_normalize(&orient,
 154                                 &orient);
 155
 156         /* Here's up */
 157
 158         struct ao_quaternion    up = { .r = 0, .x = 0, .y = 0, .z = 1 };
 159
 160         if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 161                 up.z = -1;
 162
 163         /* Compute rotation to get from up to our current orientation, set
 164          * that as the current rotation vector
 165          */
 166         ao_quaternion_vectors_to_rotation(&ao_rotation, &up, &orient);
 167 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 168         if (ao_orient_test)
 169                 printf("\n\treset\n");
 170 #endif
 171 #endif
 172         nsamples = 0;
 173 }
 174
 175 #if HAS_GYRO
 176
 177 #define TIME_DIV        200.0f
 178
 179 static void
 180 ao_sample_rotate(void)
 181 {
 182 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 183         float   dt = (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / TIME_DIV;
 184 #else
 185         static const float dt = 1/TIME_DIV;
 186 #endif
 187         float   x = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
 188         float   y = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
 189         float   z = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
 190         struct ao_quaternion    rot;
 191
 192         ao_quaternion_init_half_euler(&rot, x, y, z);
 193         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &rot, &ao_rotation);
 194
 195         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 196         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 197
 198         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 199          * orientation vector and rotating it by the current total
 200          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 201          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 202          * change in the angle from vertical since boost.
 203          *
 204          * rot = ao_rotation * vertical * ao_rotation°
 205          * rot = ao_rotation * (0,0,0,1) * ao_rotation°
 206          *     = ((a.z, a.y, -a.x, a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 207          *
 208          *     = (-a.z * -a.z) + (a.y * -a.y) - (-a.x * -a.x) + (a.r * a.r)
 209          *     = a.z² - a.y² - a.x² + a.r²
 210          *
 211          * rot = ao_rotation * (0, 0, 0, -1) * ao_rotation°
 212          *     = ((-a.z, -a.y, a.x, -a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 213          *
 214          *     = (a.z * -a.z) + (-a.y * -a.y) - (a.x * -a.x) + (-a.r * a.r)
 215          *     = -a.z² + a.y² + a.x² - a.r²
 216          */
 217
 218         float rotz;
 219         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;
 220
 221         ao_sample_orient = acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI);
 222
 223 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 224         if (ao_orient_test) {
 225                 printf ("rot %d %d %d orient %d     \r",
 226                         (int) (x * 1000),
 227                         (int) (y * 1000),
 228                         (int) (z * 1000),
 229                         ao_sample_orient);
 230         }
 231 #endif
 232
 233 }
 234 #endif
 235
 236 static void
 237 ao_sample_preflight(void)
 238 {
 239         /* startup state:
 240          *
 241          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 242          * data and average them to find the resting values
 243          */
 244         if (nsamples < 512) {
 245                 ao_sample_preflight_add();
 246         } else {
 247 #if HAS_ACCEL
 248                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 249                 ao_accel_scale = to_fix_32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 250 #endif
 251                 ao_sample_preflight_set();
 252                 ao_preflight = FALSE;
 253         }
 254 }
 255
 256 /*
 257  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 258  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 259  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 260  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 261  */
 262
 263 static void
 264 ao_sample_preflight_update(void)
 265 {
 266         if (nsamples < 512)
 267                 ao_sample_preflight_add();
 268         else if (nsamples < 1024)
 269                 ++nsamples;
 270         else
 271                 ao_sample_preflight_set();
 272 }
 273
 274 #if 0
 275 #if HAS_GYRO
 276 static int32_t  p_filt;
 277 static int32_t  y_filt;
 278
 279 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 280         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 281         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 282
 283         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 284         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 285
 286         p = p_filt >> 6;
 287         y = y_filt >> 6;
 288         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 289 }
 290 #endif
 291 #endif
 292
 293 uint8_t
 294 ao_sample(void)
 295 {
 296         ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_data));
 297         ao_sleep((void *) DATA_TO_XDATA(&ao_data_head));
 298         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 299                 __xdata struct ao_data *ao_data;
 300
 301                 /* Capture a sample */
 302                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 303                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 304
 305 #if HAS_BARO
 306                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 307                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 308                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 309                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 310 #endif
 311
 312 #if HAS_ACCEL
 313                 ao_sample_accel = ao_data_accel_cook(ao_data);
 314                 if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 315                         ao_sample_accel = ao_data_accel_invert(ao_sample_accel);
 316                 ao_data_set_accel(ao_data, ao_sample_accel);
 317 #endif
 318 #if HAS_GYRO
 319                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 320                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 321                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 322                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 323                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 324                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 325 #endif
 326
 327                 if (ao_preflight)
 328                         ao_sample_preflight();
 329                 else {
 330                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 331                                 ao_sample_preflight_update();
 332                         ao_kalman();
 333 #if HAS_GYRO
 334                         ao_sample_rotate();
 335 #endif
 336                 }
 337 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 338                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 339 #endif
 340                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 341         }
 342         return !ao_preflight;
 343 }
 344
 345 void
 346 ao_sample_init(void)
 347 {
 348         ao_config_get();
 349         nsamples = 0;
 350         ao_sample_pres_sum = 0;
 351         ao_sample_pres = 0;
 352 #if HAS_ACCEL
 353         ao_sample_accel_sum = 0;
 354         ao_sample_accel = 0;
 355 #endif
 356 #if HAS_GYRO
 357         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 358         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 359         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 360         ao_sample_accel_along = 0;
 361         ao_sample_accel_across = 0;
 362         ao_sample_accel_through = 0;
 363         ao_sample_pitch_sum = 0;
 364         ao_sample_yaw_sum = 0;
 365         ao_sample_roll_sum = 0;
 366         ao_sample_pitch = 0;
 367         ao_sample_yaw = 0;
 368         ao_sample_roll = 0;
 369         ao_sample_orient = 0;
 370 #endif
 371         ao_sample_data = ao_data_head;
 372         ao_preflight = TRUE;
 373 }