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