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 #ifndef HAS_KALMAN
  25 #define HAS_KALMAN 1
  26 #endif
  27
  28 #if HAS_GYRO
  29 #include <ao_quaternion.h>
  30 #endif
  31
  32 /*
  33  * Current sensor values
  34  */
  35
  36 #ifndef PRES_TYPE
  37 #define PRES_TYPE int32_t
  38 #define ALT_TYPE int32_t
  39 #define ACCEL_TYPE int16_t
  40 #endif
  41
  42 AO_TICK_TYPE    ao_sample_tick;         /* time of last data */
  43 #if HAS_BARO
  44 pres_t          ao_sample_pres;
  45 alt_t           ao_sample_alt;
  46 alt_t           ao_sample_height;
  47 #endif
  48 #if HAS_ACCEL
  49 accel_t         ao_sample_accel;
  50 #endif
  51 #if HAS_IMU
  52 accel_t         ao_sample_accel_along;
  53 accel_t         ao_sample_accel_across;
  54 accel_t         ao_sample_accel_through;
  55 #endif
  56 #if HAS_GYRO
  57 gyro_t          ao_sample_roll;
  58 gyro_t          ao_sample_pitch;
  59 gyro_t          ao_sample_yaw;
  60 angle_t         ao_sample_orient;
  61 angle_t         ao_sample_orients[AO_NUM_ORIENT];
  62 uint8_t         ao_sample_orient_pos;
  63 #endif
  64 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
  65 motor_pressure_t        ao_sample_motor_pressure;
  66 #endif
  67
  68 uint8_t         ao_sample_data;
  69
  70 /*
  71  * Sensor calibration values
  72  */
  73
  74 #if HAS_BARO
  75 pres_t          ao_ground_pres;         /* startup pressure */
  76 alt_t           ao_ground_height;       /* MSL of ao_ground_pres */
  77 #endif
  78
  79 #if HAS_ACCEL
  80 accel_t         ao_ground_accel;        /* startup acceleration */
  81 accel_t         ao_accel_2g;            /* factory accel calibration */
  82 int32_t         ao_accel_scale;         /* sensor to m/s² conversion */
  83 #endif
  84
  85 #if HAS_IMU
  86 accel_t         ao_ground_accel_along;
  87 accel_t         ao_ground_accel_across;
  88 accel_t         ao_ground_accel_through;
  89 #endif
  90
  91 #if HAS_GYRO
  92 int32_t         ao_ground_pitch;
  93 int32_t         ao_ground_yaw;
  94 int32_t         ao_ground_roll;
  95 #endif
  96
  97 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
  98 motor_pressure_t        ao_ground_motor_pressure;
  99 #endif
 100
 101 static uint8_t  ao_preflight;           /* in preflight mode */
 102
 103 static uint16_t nsamples;
 104 #if HAS_BARO
 105 int32_t ao_sample_pres_sum;
 106 #endif
 107 #if HAS_ACCEL
 108 int32_t ao_sample_accel_sum;
 109 #endif
 110 #if HAS_IMU
 111 int32_t ao_sample_accel_along_sum;
 112 int32_t ao_sample_accel_across_sum;
 113 int32_t ao_sample_accel_through_sum;
 114 #endif
 115 #if HAS_GYRO
 116 int32_t ao_sample_pitch_sum;
 117 int32_t ao_sample_yaw_sum;
 118 int32_t ao_sample_roll_sum;
 119 static struct ao_quaternion ao_rotation;
 120 #endif
 121 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 122 int32_t ao_sample_motor_pressure_sum;
 123 #endif
 124
 125 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 126 extern uint8_t ao_orient_test;
 127 #endif
 128
 129 static void
 130 ao_sample_preflight_add(void)
 131 {
 132 #if HAS_ACCEL
 133         ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
 134 #endif
 135 #if HAS_BARO
 136         ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
 137 #endif
 138 #if HAS_IMU
 139         ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
 140         ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
 141         ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
 142 #endif
 143 #if HAS_GYRO
 144         ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
 145         ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
 146         ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
 147 #endif
 148 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 149         ao_sample_motor_pressure_sum += ao_sample_motor_pressure;
 150 #endif
 151         ++nsamples;
 152 }
 153
 154 #if HAS_GYRO
 155 static void
 156 ao_sample_set_all_orients(void)
 157 {
 158         int i;
 159         for (i = 0; i < AO_NUM_ORIENT; i++)
 160                 ao_sample_orients[i] = ao_sample_orient;
 161         ao_sample_orient_pos = 0;
 162 }
 163
 164 static void
 165 ao_sample_set_one_orient(void)
 166 {
 167         ao_sample_orients[ao_sample_orient_pos] = ao_sample_orient;
 168         ao_sample_orient_pos = (uint8_t) ((ao_sample_orient_pos + 1) % AO_NUM_ORIENT);
 169 }
 170
 171 static void
 172 ao_sample_compute_orient(void)
 173 {
 174         /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
 175          * orientation vector and rotating it by the current total
 176          * rotation value. That will be a unit vector pointing along
 177          * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
 178          * change in the angle from vertical since boost.
 179          *
 180          * rot = ao_rotation * vertical * ao_rotation°
 181          * rot = ao_rotation * (0,0,0,1) * ao_rotation°
 182          *     = ((a.z, a.y, -a.x, a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 183          *
 184          *     = (-a.z * -a.z) + (a.y * -a.y) - (-a.x * -a.x) + (a.r * a.r)
 185          *     = a.z² - a.y² - a.x² + a.r²
 186          *
 187          * rot = ao_rotation * (0, 0, 0, -1) * ao_rotation°
 188          *     = ((-a.z, -a.y, a.x, -a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
 189          *
 190          *     = (a.z * -a.z) + (-a.y * -a.y) - (a.x * -a.x) + (-a.r * a.r)
 191          *     = -a.z² + a.y² + a.x² - a.r²
 192          */
 193
 194         float rotz;
 195         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;
 196
 197         ao_sample_orient = (angle_t) (acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI));
 198 }
 199 #endif /* HAS_GYRO */
 200
 201 static void
 202 ao_sample_preflight_set(void)
 203 {
 204 #if HAS_ACCEL
 205         ao_ground_accel = (accel_t) (ao_sample_accel_sum >> 9);
 206         ao_sample_accel_sum = 0;
 207 #endif
 208 #if HAS_BARO
 209         ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
 210         ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
 211         ao_sample_pres_sum = 0;
 212 #endif
 213 #if HAS_IMU
 214         ao_ground_accel_along = (accel_t) (ao_sample_accel_along_sum >> 9);
 215         ao_ground_accel_across = (accel_t) (ao_sample_accel_across_sum >> 9);
 216         ao_ground_accel_through = (accel_t) (ao_sample_accel_through_sum >> 9);
 217         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 218         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 219         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 220 #endif
 221 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 222         ao_ground_motor_pressure = (motor_pressure_t) (ao_sample_motor_pressure_sum >> 9);
 223         ao_sample_motor_pressure_sum = 0;
 224 #endif
 225 #if HAS_GYRO
 226         ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum;
 227         ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
 228         ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
 229         ao_sample_pitch_sum = 0;
 230         ao_sample_yaw_sum = 0;
 231         ao_sample_roll_sum = 0;
 232         ao_sample_set_all_orients();
 233
 234         struct ao_quaternion    orient;
 235
 236         /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
 237          */
 238
 239         ao_quaternion_init_vector(&orient,
 240                                   (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 241                                   (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 242                                   (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 243
 244         ao_quaternion_normalize(&orient,
 245                                 &orient);
 246
 247         /* Here's up */
 248
 249         struct ao_quaternion    up = { .r = 0, .x = 0, .y = 0, .z = 1 };
 250
 251         if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
 252                 up.z = -1;
 253
 254         /* Compute rotation to get from up to our current orientation, set
 255          * that as the current rotation vector
 256          */
 257         ao_quaternion_vectors_to_rotation(&ao_rotation, &up, &orient);
 258 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 259         if (ao_orient_test) {
 260                 printf("\n\treset across %d through %d along %d\n",
 261                        (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
 262                        (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
 263                        (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
 264                 fflush(stdout);
 265         }
 266 #endif
 267
 268         ao_sample_compute_orient();
 269         ao_sample_set_all_orients();
 270 #endif
 271         nsamples = 0;
 272 }
 273
 274 #if HAS_GYRO
 275 #define TIME_DIV        200.0f
 276
 277 static void
 278 ao_sample_rotate(void)
 279 {
 280 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 281         float   dt = (AO_TICK_SIGNED) (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / TIME_DIV;
 282 #else
 283         static const float dt = 1/TIME_DIV;
 284 #endif
 285         float   x = ao_convert_gyro((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
 286         float   y = ao_convert_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
 287         float   z = ao_convert_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
 288         struct ao_quaternion    rot;
 289
 290         ao_quaternion_init_half_euler(&rot, x, y, z);
 291         ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &rot, &ao_rotation);
 292
 293         /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
 294         ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
 295
 296 #if HAS_FLIGHT_DEBUG
 297         if (ao_orient_test) {
 298                 printf ("rot %d %d %d orient %d     \r",
 299                         (int) (x * 1000),
 300                         (int) (y * 1000),
 301                         (int) (z * 1000),
 302                         ao_sample_orient);
 303                 fflush(stdout);
 304         }
 305 #endif
 306         ao_sample_compute_orient();
 307         ao_sample_set_one_orient();
 308 }
 309 #endif
 310
 311 static void
 312 ao_sample_preflight(void)
 313 {
 314         /* startup state:
 315          *
 316          * Collect 512 samples of acceleration and pressure
 317          * data and average them to find the resting values
 318          */
 319         if (nsamples < 512) {
 320                 ao_sample_preflight_add();
 321         } else {
 322 #if HAS_ACCEL
 323                 ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
 324                 ao_accel_scale = to_fix_32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 325 #endif
 326                 ao_sample_preflight_set();
 327                 ao_preflight = false;
 328         }
 329 }
 330
 331 /*
 332  * While in pad mode, constantly update the ground state by
 333  * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
 334  * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
 335  * pressure, which might be caused by changes in the weather.
 336  */
 337
 338 static void
 339 ao_sample_preflight_update(void)
 340 {
 341         if (nsamples < 512)
 342                 ao_sample_preflight_add();
 343         else if (nsamples < 1024)
 344                 ++nsamples;
 345         else
 346                 ao_sample_preflight_set();
 347 #if !HAS_BARO && HAS_KALMAN
 348         if ((nsamples & 0x3f) == 0)
 349                 ao_kalman_reset_accumulate();
 350 #endif
 351 }
 352
 353 #if 0
 354 #if HAS_GYRO
 355 static int32_t  p_filt;
 356 static int32_t  y_filt;
 357
 358 static gyro_t inline ao_gyro(void) {
 359         gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
 360         gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
 361
 362         p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
 363         y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
 364
 365         p = p_filt >> 6;
 366         y = y_filt >> 6;
 367         return ao_sqrt(p*p + y*y);
 368 }
 369 #endif
 370 #endif
 371
 372 uint8_t
 373 ao_sample(void)
 374 {
 375         ao_wakeup(&ao_sample_data);
 376         ao_sleep((void *) &ao_data_head);
 377         while (ao_sample_data != ao_data_head) {
 378                 struct ao_data *ao_data;
 379
 380                 /* Capture a sample */
 381                 ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
 382                 ao_sample_tick = ao_data->tick;
 383
 384 #if HAS_BARO
 385                 ao_data_pres_cook(ao_data);
 386                 ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
 387                 ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
 388                 ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
 389 #endif
 390
 391 #if HAS_ACCEL
 392                 ao_sample_accel = ao_data_accel(ao_data);
 393 #endif
 394 #if HAS_IMU
 395                 ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
 396                 ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
 397                 ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
 398 #endif
 399 #if HAS_GYRO
 400                 ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
 401                 ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
 402                 ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 403 #endif
 404 #if HAS_MOTOR_PRESSURE
 405                 ao_sample_motor_pressure = ao_data_motor_pressure(ao_data);
 406 #endif
 407
 408                 if (ao_preflight)
 409                         ao_sample_preflight();
 410                 else {
 411                         if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
 412                                 ao_sample_preflight_update();
 413 #if HAS_KALMAN
 414                         ao_kalman();
 415 #endif
 416 #if HAS_GYRO
 417                         ao_sample_rotate();
 418 #endif
 419                 }
 420 #ifdef AO_FLIGHT_TEST
 421                 ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
 422 #endif
 423                 ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
 424         }
 425         return !ao_preflight;
 426 }
 427
 428 void
 429 ao_sample_init(void)
 430 {
 431         ao_config_get();
 432         nsamples = 0;
 433 #if HAS_BARO
 434         ao_sample_pres_sum = 0;
 435         ao_sample_pres = 0;
 436 #endif
 437 #if HAS_ACCEL
 438         ao_sample_accel_sum = 0;
 439         ao_sample_accel = 0;
 440 #endif
 441 #if HAS_IMU
 442         ao_sample_accel_along_sum = 0;
 443         ao_sample_accel_across_sum = 0;
 444         ao_sample_accel_through_sum = 0;
 445         ao_sample_accel_along = 0;
 446         ao_sample_accel_across = 0;
 447         ao_sample_accel_through = 0;
 448 #endif
 449 #if HAS_GYRO
 450         ao_sample_pitch_sum = 0;
 451         ao_sample_yaw_sum = 0;
 452         ao_sample_roll_sum = 0;
 453         ao_sample_pitch = 0;
 454         ao_sample_yaw = 0;
 455         ao_sample_roll = 0;
 456         ao_sample_orient = 0;
 457         ao_sample_set_all_orients();
 458 #endif
 459         ao_sample_data = ao_data_head;
 460         ao_preflight = true;
 461 }