altos: Correct incremental rotation computation
[fw/altos] / src / core / ao_sample.c
index b2b8e9f63ff662385054b6a904797f38e6c77ce9..adf8399dd702535d960804791669cde9f204a812 100644 (file)
 
 #ifndef AO_FLIGHT_TEST
 #include "ao.h"
+#include <ao_data.h>
+#endif
+
+#if HAS_GYRO
+#include <ao_quaternion.h>
 #endif
 
 /*
  * Current sensor values
  */
 
+#ifndef PRES_TYPE
+#define PRES_TYPE int32_t
+#define ALT_TYPE int32_t
+#define ACCEL_TYPE int16_t
+#endif
+
 __pdata uint16_t       ao_sample_tick;         /* time of last data */
-__pdata int16_t                ao_sample_pres;
-__pdata int16_t                ao_sample_alt;
-__pdata int16_t                ao_sample_height;
+__pdata pres_t         ao_sample_pres;
+__pdata alt_t          ao_sample_alt;
+__pdata alt_t          ao_sample_height;
 #if HAS_ACCEL
-__pdata int16_t                ao_sample_accel;
+__pdata accel_t                ao_sample_accel;
+#endif
+#if HAS_GYRO
+__pdata accel_t                ao_sample_accel_along;
+__pdata accel_t                ao_sample_accel_across;
+__pdata accel_t                ao_sample_accel_through;
+__pdata gyro_t         ao_sample_roll;
+__pdata gyro_t         ao_sample_pitch;
+__pdata gyro_t         ao_sample_yaw;
+__pdata angle_t                ao_sample_orient;
 #endif
 
-__data uint8_t         ao_sample_adc;
+__data uint8_t         ao_sample_data;
 
 /*
  * Sensor calibration values
  */
 
-__pdata int16_t                ao_ground_pres;         /* startup pressure */
-__pdata int16_t                ao_ground_height;       /* MSL of ao_ground_pres */
+__pdata pres_t         ao_ground_pres;         /* startup pressure */
+__pdata alt_t          ao_ground_height;       /* MSL of ao_ground_pres */
 
 #if HAS_ACCEL
-__pdata int16_t                ao_ground_accel;        /* startup acceleration */
-__pdata int16_t                ao_accel_2g;            /* factory accel calibration */
+__pdata accel_t                ao_ground_accel;        /* startup acceleration */
+__pdata accel_t                ao_accel_2g;            /* factory accel calibration */
 __pdata int32_t                ao_accel_scale;         /* sensor to m/s² conversion */
 #endif
 
+#if HAS_GYRO
+__pdata accel_t                ao_ground_accel_along;
+__pdata accel_t                ao_ground_accel_across;
+__pdata accel_t                ao_ground_accel_through;
+__pdata int32_t                ao_ground_pitch;
+__pdata int32_t                ao_ground_yaw;
+__pdata int32_t                ao_ground_roll;
+#endif
+
 static __pdata uint8_t ao_preflight;           /* in preflight mode */
 
 static __pdata uint16_t        nsamples;
@@ -53,6 +82,136 @@ __pdata int32_t ao_sample_pres_sum;
 #if HAS_ACCEL
 __pdata int32_t ao_sample_accel_sum;
 #endif
+#if HAS_GYRO
+__pdata int32_t ao_sample_accel_along_sum;
+__pdata int32_t ao_sample_accel_across_sum;
+__pdata int32_t        ao_sample_accel_through_sum;
+__pdata int32_t ao_sample_pitch_sum;
+__pdata int32_t ao_sample_yaw_sum;
+__pdata int32_t        ao_sample_roll_sum;
+static struct ao_quaternion ao_rotation;
+#endif
+
+static void
+ao_sample_preflight_add(void)
+{
+#if HAS_ACCEL
+       ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
+#endif
+       ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
+#if HAS_GYRO
+       ao_sample_accel_along_sum += ao_sample_accel_along;
+       ao_sample_accel_across_sum += ao_sample_accel_across;
+       ao_sample_accel_through_sum += ao_sample_accel_through;
+       ao_sample_pitch_sum += ao_sample_pitch;
+       ao_sample_yaw_sum += ao_sample_yaw;
+       ao_sample_roll_sum += ao_sample_roll;
+#endif
+       ++nsamples;
+}
+
+static void
+ao_sample_preflight_set(void)
+{
+#if HAS_ACCEL
+       ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
+       ao_sample_accel_sum = 0;
+#endif
+       ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
+       ao_ground_height = pres_to_altitude(ao_ground_pres);
+       ao_sample_pres_sum = 0;
+#if HAS_GYRO
+       ao_ground_accel_along = ao_sample_accel_along_sum >> 9;
+       ao_ground_accel_across = ao_sample_accel_across_sum >> 9;
+       ao_ground_accel_through = ao_sample_accel_through_sum >> 9;
+       ao_ground_pitch = ao_sample_pitch_sum;
+       ao_ground_yaw = ao_sample_yaw_sum;
+       ao_ground_roll = ao_sample_roll_sum;
+       ao_sample_accel_along_sum = 0;
+       ao_sample_accel_across_sum = 0;
+       ao_sample_accel_through_sum = 0;
+       ao_sample_pitch_sum = 0;
+       ao_sample_yaw_sum = 0;
+       ao_sample_roll_sum = 0;
+       ao_sample_orient = 0;
+
+       struct ao_quaternion    orient;
+
+       /* Take the pad IMU acceleration values and compute our current direction
+        */
+
+       ao_quaternion_init_vector(&orient,
+                                 (ao_ground_accel_across - ao_config.accel_zero_across),
+                                 (ao_ground_accel_through - ao_config.accel_zero_through),
+                                 (ao_ground_accel_along - ao_config.accel_zero_along));
+
+       ao_quaternion_normalize(&orient,
+                               &orient);
+
+       /* Here's up */
+
+       struct ao_quaternion    up = { .r = 0, .x = 0, .y = 0, .z = 1 };
+
+       if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
+               up.z = -1;
+
+       /* Compute rotation to get from up to our current orientation, set
+        * that as the current rotation vector
+        */
+       ao_quaternion_vectors_to_rotation(&ao_rotation, &up, &orient);
+#endif 
+       nsamples = 0;
+}
+
+#if HAS_GYRO
+
+#define TIME_DIV       200.0f
+
+static void
+ao_sample_rotate(void)
+{
+#ifdef AO_FLIGHT_TEST
+       float   dt = (ao_sample_tick - ao_sample_prev_tick) / TIME_DIV;
+#else
+       static const float dt = 1/TIME_DIV;
+#endif
+       float   x = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_pitch << 9) - ao_ground_pitch) / 512.0f) * dt;
+       float   y = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_yaw << 9) - ao_ground_yaw) / 512.0f) * dt;
+       float   z = ao_mpu6000_gyro((float) ((ao_sample_roll << 9) - ao_ground_roll) / 512.0f) * dt;
+       struct ao_quaternion    rot;
+
+       ao_quaternion_init_half_euler(&rot, x, y, z);
+       ao_quaternion_multiply(&ao_rotation, &rot, &ao_rotation);
+
+       /* And normalize to make sure it remains a unit vector */
+       ao_quaternion_normalize(&ao_rotation, &ao_rotation);
+
+       /* Compute pitch angle from vertical by taking the pad
+        * orientation vector and rotating it by the current total
+        * rotation value. That will be a unit vector pointing along
+        * the airframe axis. The Z value will be the cosine of the
+        * change in the angle from vertical since boost.
+        *
+        * rot = ao_rotation * vertical * ao_rotation°
+        * rot = ao_rotation * (0,0,0,1) * ao_rotation°
+        *     = ((a.z, a.y, -a.x, a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
+        *
+        *     = (-a.z * -a.z) + (a.y * -a.y) - (-a.x * -a.x) + (a.r * a.r)
+        *     = a.z² - a.y² - a.x² + a.r²
+        *
+        * rot = ao_rotation * (0, 0, 0, -1) * ao_rotation°
+        *     = ((-a.z, -a.y, a.x, -a.r) * (a.r, -a.x, -a.y, -a.z)) .z
+        *
+        *     = (a.z * -a.z) + (-a.y * -a.y) - (a.x * -a.x) + (-a.r * a.r)
+        *     = -a.z² + a.y² + a.x² - a.r²
+        */
+
+       float rotz;
+       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;
+
+       ao_sample_orient = acosf(rotz) * (float) (180.0/M_PI);
+}
+#endif
 
 static void
 ao_sample_preflight(void)
@@ -63,133 +222,102 @@ ao_sample_preflight(void)
         * data and average them to find the resting values
         */
        if (nsamples < 512) {
-#if HAS_ACCEL
-               ao_sample_accel_sum += ao_sample_accel;
-#endif
-               ao_sample_pres_sum += ao_sample_pres;
-               ++nsamples;
+               ao_sample_preflight_add();
        } else {
-               ao_config_get();
 #if HAS_ACCEL
-               ao_ground_accel = ao_sample_accel_sum >> 9;
                ao_accel_2g = ao_config.accel_minus_g - ao_config.accel_plus_g;
                ao_accel_scale = to_fix32(GRAVITY * 2 * 16) / ao_accel_2g;
 #endif
-               ao_ground_pres = ao_sample_pres_sum >> 9;
-               ao_ground_height = ao_pres_to_altitude(ao_ground_pres);
+               ao_sample_preflight_set();
                ao_preflight = FALSE;
        }
 }
 
+/*
+ * While in pad mode, constantly update the ground state by
+ * re-averaging the data.  This tracks changes in orientation, which
+ * might be caused by adjustments to the rocket on the pad and
+ * pressure, which might be caused by changes in the weather.
+ */
+
+static void
+ao_sample_preflight_update(void)
+{
+       if (nsamples < 512)
+               ao_sample_preflight_add();
+       else if (nsamples < 1024)
+               ++nsamples;
+       else
+               ao_sample_preflight_set();
+}
+
+#if 0
+#if HAS_GYRO
+static int32_t p_filt;
+static int32_t y_filt;
+
+static gyro_t inline ao_gyro(void) {
+       gyro_t  p = ao_sample_pitch - ao_ground_pitch;
+       gyro_t  y = ao_sample_yaw - ao_ground_yaw;
+
+       p_filt = p_filt - (p_filt >> 6) + p;
+       y_filt = y_filt - (y_filt >> 6) + y;
+
+       p = p_filt >> 6;
+       y = y_filt >> 6;
+       return ao_sqrt(p*p + y*y);
+}
+#endif
+#endif
+
 uint8_t
 ao_sample(void)
 {
-       ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_adc));
-       ao_sleep(DATA_TO_XDATA(&ao_adc_head));
-       while (ao_sample_adc != ao_adc_head) {
-               __xdata struct ao_adc *ao_adc;
+       ao_wakeup(DATA_TO_XDATA(&ao_sample_data));
+       ao_sleep((void *) DATA_TO_XDATA(&ao_data_head));
+       while (ao_sample_data != ao_data_head) {
+               __xdata struct ao_data *ao_data;
 
                /* Capture a sample */
-               ao_adc = &ao_adc_ring[ao_sample_adc];
-               ao_sample_tick = ao_adc->tick;
-               ao_sample_pres = ao_adc->pres;
-               ao_sample_alt = ao_pres_to_altitude(ao_sample_pres);
+               ao_data = (struct ao_data *) &ao_data_ring[ao_sample_data];
+               ao_sample_tick = ao_data->tick;
+
+#if HAS_BARO
+               ao_data_pres_cook(ao_data);
+               ao_sample_pres = ao_data_pres(ao_data);
+               ao_sample_alt = pres_to_altitude(ao_sample_pres);
                ao_sample_height = ao_sample_alt - ao_ground_height;
+#endif
+
 #if HAS_ACCEL
-               ao_sample_accel = ao_adc->accel;
-#if HAS_ACCEL_REF
-               /*
-                * Ok, the math here is a bit tricky.
-                *
-                * ao_sample_accel:  ADC output for acceleration
-                * ao_accel_ref:  ADC output for the 5V reference.
-                * ao_cook_accel: Corrected acceleration value
-                * Vcc:           3.3V supply to the CC1111
-                * Vac:           5V supply to the accelerometer
-                * accel:         input voltage to accelerometer ADC pin
-                * ref:           input voltage to 5V reference ADC pin
-                *
-                *
-                * Measured acceleration is ratiometric to Vcc:
-                *
-                *     ao_sample_accel   accel
-                *     ------------ = -----
-                *        32767        Vcc
-                *
-                * Measured 5v reference is also ratiometric to Vcc:
-                *
-                *     ao_accel_ref    ref
-                *     ------------ = -----
-                *        32767        Vcc
-                *
-                *
-                *      ao_accel_ref = 32767 * (ref / Vcc)
-                *
-                * Acceleration is measured ratiometric to the 5V supply,
-                * so what we want is:
-                *
-                *      ao_cook_accel    accel
-                *      ------------- =  -----
-                *          32767         ref
-                *
-                *
-                *                      accel    Vcc
-                *                    = ----- *  ---
-                *                       Vcc     ref
-                *
-                *                      ao_sample_accel       32767
-                *                    = ------------ *  ------------
-                *                         32767        ao_accel_ref
-                *
-                * Multiply through by 32767:
-                *
-                *                      ao_sample_accel * 32767
-                *      ao_cook_accel = --------------------
-                *                          ao_accel_ref
-                *
-                * Now, the tricky part. Getting this to compile efficiently
-                * and keeping all of the values in-range.
-                *
-                * First off, we need to use a shift of 16 instead of * 32767 as SDCC
-                * does the obvious optimizations for byte-granularity shifts:
-                *
-                *      ao_cook_accel = (ao_sample_accel << 16) / ao_accel_ref
-                *
-                * Next, lets check our input ranges:
-                *
-                *      0 <= ao_sample_accel <= 0x7fff          (singled ended ADC conversion)
-                *      0x7000 <= ao_accel_ref <= 0x7fff        (the 5V ref value is close to 0x7fff)
-                *
-                * Plugging in our input ranges, we get an output range of 0 - 0x12490,
-                * which is 17 bits. That won't work. If we take the accel ref and shift
-                * by a bit, we'll change its range:
-                *
-                *      0xe000 <= ao_accel_ref<<1 <= 0xfffe
-                *
-                *      ao_cook_accel = (ao_sample_accel << 16) / (ao_accel_ref << 1)
-                *
-                * Now the output range is 0 - 0x9248, which nicely fits in 16 bits. It
-                * is, however, one bit too large for our signed computations. So, we
-                * take the result and shift that by a bit:
-                *
-                *      ao_cook_accel = ((ao_sample_accel << 16) / (ao_accel_ref << 1)) >> 1
-                *
-                * This finally creates an output range of 0 - 0x4924. As the ADC only
-                * provides 11 bits of data, we haven't actually lost any precision,
-                * just dropped a bit of noise off the low end.
-                */
-               ao_sample_accel = (uint16_t) ((((uint32_t) ao_sample_accel << 16) / (ao_accel_ref[ao_sample_adc] << 1))) >> 1;
+               ao_sample_accel = ao_data_accel_cook(ao_data);
                if (ao_config.pad_orientation != AO_PAD_ORIENTATION_ANTENNA_UP)
-                       ao_sample_accel = 0x7fff - ao_sample_accel;
-               ao_adc->accel = ao_sample_accel;
+                       ao_sample_accel = ao_data_accel_invert(ao_sample_accel);
+               ao_data_set_accel(ao_data, ao_sample_accel);
 #endif
+#if HAS_GYRO
+               ao_sample_accel_along = ao_data_along(ao_data);
+               ao_sample_accel_across = ao_data_across(ao_data);
+               ao_sample_accel_through = ao_data_through(ao_data);
+               ao_sample_pitch = ao_data_pitch(ao_data);
+               ao_sample_yaw = ao_data_yaw(ao_data);
+               ao_sample_roll = ao_data_roll(ao_data);
 #endif
 
                if (ao_preflight)
                        ao_sample_preflight();
-               else
+               else {
+                       if (ao_flight_state < ao_flight_boost)
+                               ao_sample_preflight_update();
                        ao_kalman();
-               ao_sample_adc = ao_adc_ring_next(ao_sample_adc);
+#if HAS_GYRO
+                       ao_sample_rotate();
+#endif
+               }
+#ifdef AO_FLIGHT_TEST
+               ao_sample_prev_tick = ao_sample_tick;
+#endif
+               ao_sample_data = ao_data_ring_next(ao_sample_data);
        }
        return !ao_preflight;
 }
@@ -197,6 +325,7 @@ ao_sample(void)
 void
 ao_sample_init(void)
 {
+       ao_config_get();
        nsamples = 0;
        ao_sample_pres_sum = 0;
        ao_sample_pres = 0;
@@ -204,6 +333,21 @@ ao_sample_init(void)
        ao_sample_accel_sum = 0;
        ao_sample_accel = 0;
 #endif
-       ao_sample_adc = ao_adc_head;
+#if HAS_GYRO
+       ao_sample_accel_along_sum = 0;
+       ao_sample_accel_across_sum = 0;
+       ao_sample_accel_through_sum = 0;
+       ao_sample_accel_along = 0;
+       ao_sample_accel_across = 0;
+       ao_sample_accel_through = 0;
+       ao_sample_pitch_sum = 0;
+       ao_sample_yaw_sum = 0;
+       ao_sample_roll_sum = 0;
+       ao_sample_pitch = 0;
+       ao_sample_yaw = 0;
+       ao_sample_roll = 0;
+       ao_sample_orient = 0;
+#endif
+       ao_sample_data = ao_data_head;
        ao_preflight = TRUE;
 }