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