altos: Add conversion between Pa and meters
authorKeith Packard <keithp@keithp.com>
Sat, 19 May 2012 03:04:57 +0000 (20:04 -0700)
committerKeith Packard <keithp@keithp.com>
Sat, 19 May 2012 03:19:01 +0000 (20:19 -0700)
To be used with the MS5607 which generates data in calibrated units.

Signed-off-by: Keith Packard <keithp@keithp.com>
src/Makefile
src/core/ao.h
src/core/ao_convert_pa.c [new file with mode: 0644]
src/core/ao_convert_pa_test.c [new file with mode: 0644]
src/test/Makefile
src/util/make-altitude-pa [new file with mode: 0644]

index db9bd50829346af0ef0ec871b93e07b181386dc4..c2e324c4074f4cf4e42639e20a6016c0af120dd3 100644 (file)
@@ -4,6 +4,7 @@
 #
 
 vpath make-altitude util
 #
 
 vpath make-altitude util
+vpath make-altitude-pa util
 vpath make-kalman util
 vpath kalman.5c kalman
 vpath kalman_filter.5c kalman
 vpath make-kalman util
 vpath kalman.5c kalman
 vpath kalman_filter.5c kalman
@@ -45,11 +46,14 @@ uninstall:
 
 all-recursive: all-local
 
 
 all-recursive: all-local
 
-all-local: altitude.h ao_kalman.h
+all-local: altitude.h altitude-pa.h ao_kalman.h
 
 altitude.h: make-altitude
        nickle $< > $@
 
 
 altitude.h: make-altitude
        nickle $< > $@
 
+altitude-pa.h: make-altitude-pa
+       nickle $< > $@
+
 ao_kalman.h: make-kalman kalman.5c kalman_filter.5c load_csv.5c matrix.5c
        bash $< kalman > $@
 
 ao_kalman.h: make-kalman kalman.5c kalman_filter.5c load_csv.5c matrix.5c
        bash $< kalman > $@
 
index 27b9c5c469717112161a72ecdb498a4098bb6ed8..a2092cfe45ab923a58d551a3c9384125fbaa3c19 100644 (file)
@@ -282,6 +282,18 @@ ao_altitude_to_pres(int16_t alt) __reentrant;
 int16_t
 ao_temp_to_dC(int16_t temp) __reentrant;
 
 int16_t
 ao_temp_to_dC(int16_t temp) __reentrant;
 
+/*
+ * ao_convert_pa.c
+ *
+ * Convert between pressure in Pa and altitude in meters
+ */
+
+int32_t
+ao_pa_to_altitude(int32_t pa);
+
+int32_t
+ao_altitude_to_pa(int32_t alt);
+
 #if HAS_DBG
 #include <ao_dbg.h>
 #endif
 #if HAS_DBG
 #include <ao_dbg.h>
 #endif
diff --git a/src/core/ao_convert_pa.c b/src/core/ao_convert_pa.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..0c93cae
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,72 @@
+/*
+ * Copyright © 2012 Keith Packard <keithp@keithp.com>
+ *
+ * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * it under the terms of the GNU General Public License as published by
+ * the Free Software Foundation; version 2 of the License.
+ *
+ * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
+ * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * General Public License for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License along
+ * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
+ * 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA.
+ */
+
+#if !defined(AO_CONVERT_TEST) && !defined(AO_FLIGHT_TEST)
+#include "ao.h"
+#endif
+
+static const int32_t altitude_table[] = {
+#include "altitude-pa.h"
+};
+
+#define ALT_SCALE      (1 << ALT_SHIFT)
+#define ALT_MASK       (ALT_SCALE - 1)
+
+int32_t
+ao_pa_to_altitude(int32_t pa)
+{
+       int16_t o;
+       int16_t part;
+       int32_t low, high;
+
+       if (pa < 0)
+               pa = 0;
+       if (pa > 120000)
+               pa = 120000;
+       o = pa >> ALT_SHIFT;
+       part = pa & ALT_MASK;
+
+       low = (int32_t) altitude_table[o] * (ALT_SCALE - part);
+       high = (int32_t) altitude_table[o+1] * part + (ALT_SCALE >> 1);
+       return (low + high) >> ALT_SHIFT;
+}
+
+int32_t
+ao_altitude_to_pa(int32_t alt)
+{
+       int32_t         span, sub_span;
+       uint16_t        l, h, m;
+       int32_t         pa;
+
+       l = 0;
+       h = NALT - 1;
+       while ((h - l) != 1) {
+               m = (l + h) >> 1;
+               if (altitude_table[m] < alt)
+                       h = m;
+               else
+                       l = m;
+       }
+       span = altitude_table[l] - altitude_table[h];
+       sub_span = altitude_table[l] - alt;
+       pa = ((((int32_t) l * (span - sub_span) + (int32_t) h * sub_span) << ALT_SHIFT) + (span >> 1)) / span;
+       if (pa > 120000)
+               pa = 120000;
+       if (pa < 0)
+               pa = 0;
+       return pa;
+}
diff --git a/src/core/ao_convert_pa_test.c b/src/core/ao_convert_pa_test.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..972a4d4
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,76 @@
+/*
+ * Copyright © 2012 Keith Packard <keithp@keithp.com>
+ *
+ * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * it under the terms of the GNU General Public License as published by
+ * the Free Software Foundation; version 2 of the License.
+ *
+ * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
+ * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * General Public License for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License along
+ * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
+ * 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA.
+ */
+
+#include <stdint.h>
+#define AO_CONVERT_TEST
+#include "ao_host.h"
+#include "ao_convert_pa.c"
+
+#define STEP_P 1
+#define STEP_A 1
+
+static inline i_abs(int i) { return i < 0 ? -i : i; }
+
+main ()
+{
+       int     i;
+       int32_t p_to_a, p_to_a_to_p;
+       int32_t a_to_p, a_to_p_to_a;
+       int max_p_error = 0, max_p_error_p = -1;
+       int max_a_error = 0, max_a_error_a = -1;
+       int p_error;
+       int a_error;
+       int ret = 0;
+
+       for (i = 0; i < 120000 + STEP_P; i += STEP_P) {
+               if (i > 120000)
+                       i = 120000;
+               p_to_a = ao_pa_to_altitude(i);
+               p_to_a_to_p = ao_altitude_to_pa(p_to_a);
+               p_error = i_abs(p_to_a_to_p - i);
+               if (p_error > max_p_error) {
+                       max_p_error = p_error;
+                       max_p_error_p = i;
+               }
+//             printf ("pa %d alt %d pa %d\n",
+//                     i, p_to_a, p_to_a_to_p);
+       }
+       for (i = -1450; i < 74250 + STEP_A; i += STEP_A) {
+               if (i > 74250)
+                       i = 74250;
+               a_to_p = ao_altitude_to_pa(i);
+               a_to_p_to_a = ao_pa_to_altitude(a_to_p);
+               a_error = i_abs(a_to_p_to_a - i);
+               if (a_error > max_a_error) {
+                       max_a_error = a_error;
+                       max_a_error_a = i;
+               }
+//             printf ("alt %d pa %d alt %d\n",
+//                     i, a_to_p, a_to_p_to_a);
+       }
+       if (max_p_error > 2) {
+               printf ("max p error %d at %d\n", max_p_error,
+                       max_p_error_p);
+               ret++;
+       }
+       if (max_a_error > 1) {
+               printf ("max a error %d at %d\n", max_a_error,
+                       max_a_error_a);
+               ret++;
+       }
+       return ret;
+}
index 4e403da6a113a529f48a28af3b6e87e608a6873c..3c2b87321c19267eeed8ed55ac4cddca6b24c28e 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 vpath % ..:../core:../drivers:../util
 
 vpath % ..:../core:../drivers:../util
 
-PROGS=ao_flight_test ao_flight_test_baro ao_flight_test_accel ao_flight_test_noisy_accel ao_gps_test ao_gps_test_skytraq ao_convert_test
+PROGS=ao_flight_test ao_flight_test_baro ao_flight_test_accel ao_flight_test_noisy_accel ao_gps_test ao_gps_test_skytraq ao_convert_test ao_convert_pa_test
 
 KALMAN=make-kalman 
 
 
 KALMAN=make-kalman 
 
@@ -34,5 +34,8 @@ ao_gps_test_skytraq: ao_gps_test_skytraq.c ao_gps_skytraq.c ao_gps_print.c ao_ho
 ao_convert_test: ao_convert_test.c ao_convert.c altitude.h
        cc $(CFLAGS) -o $@ $<
 
 ao_convert_test: ao_convert_test.c ao_convert.c altitude.h
        cc $(CFLAGS) -o $@ $<
 
+ao_convert_pa_test: ao_convert_pa_test.c ao_convert_pa.c altitude-pa.h
+       cc $(CFLAGS) -o $@ $<
+
 ao_kalman.h: $(KALMAN)
        (cd .. && make ao_kalman.h)
\ No newline at end of file
 ao_kalman.h: $(KALMAN)
        (cd .. && make ao_kalman.h)
\ No newline at end of file
diff --git a/src/util/make-altitude-pa b/src/util/make-altitude-pa
new file mode 100644 (file)
index 0000000..190b36f
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,275 @@
+#!/usr/bin/nickle -f
+/*
+ * Pressure Sensor Model, version 1.1
+ *
+ * written by Holly Grimes
+ *
+ * Uses the International Standard Atmosphere as described in
+ *   "A Quick Derivation relating altitude to air pressure" (version 1.03)
+ *    from the Portland State Aerospace Society, except that the atmosphere
+ *    is divided into layers with each layer having a different lapse rate.
+ *
+ * Lapse rate data for each layer was obtained from Wikipedia on Sept. 1, 2007
+ *    at site <http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere
+ *
+ * Height measurements use the local tangent plane.  The postive z-direction is up.
+ *
+ * All measurements are given in SI units (Kelvin, Pascal, meter, meters/second^2).
+ *   The lapse rate is given in Kelvin/meter, the gas constant for air is given
+ *   in Joules/(kilogram-Kelvin).
+ */
+
+const real GRAVITATIONAL_ACCELERATION = -9.80665;
+const real AIR_GAS_CONSTANT = 287.053;
+const int NUMBER_OF_LAYERS = 7;
+const real MAXIMUM_ALTITUDE = 84852;
+const real MINIMUM_PRESSURE = 0.3734;
+const real LAYER0_BASE_TEMPERATURE = 288.15;
+const real LAYER0_BASE_PRESSURE = 101325;
+
+/* lapse rate and base altitude for each layer in the atmosphere */
+const real[NUMBER_OF_LAYERS] lapse_rate = {
+       -0.0065, 0.0, 0.001, 0.0028, 0.0, -0.0028, -0.002
+};
+const int[NUMBER_OF_LAYERS] base_altitude = {
+       0, 11000, 20000, 32000, 47000, 51000, 71000
+};
+
+
+/* outputs atmospheric pressure associated with the given altitude. altitudes
+   are measured with respect to the mean sea level */
+real altitude_to_pressure(real altitude) {
+
+   real base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
+   real base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
+
+   real pressure;
+   real base; /* base for function to determine pressure */
+   real exponent; /* exponent for function to determine pressure */
+   int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
+   int delta_z; /* difference between two altitudes */
+
+   if (altitude > MAXIMUM_ALTITUDE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
+      return 0;
+
+   /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
+      associated with the inputted altitude */
+   for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
+      delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
+      if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
+         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
+              / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
+         base_pressure *= exp(exponent);
+      }
+      else {
+         base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
+         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
+              (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
+         base_pressure *= pow(base, exponent);
+      }
+      base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
+   }
+
+   /* calculate the pressure at the inputted altitude */
+   delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
+   if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
+      exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
+           / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
+      pressure = base_pressure * exp(exponent);
+   }
+   else {
+      base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
+      exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
+           (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
+      pressure = base_pressure * pow(base, exponent);
+   }
+
+   return pressure;
+}
+
+
+/* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
+   returned is measured with respect to the mean sea level */
+real pressure_to_altitude(real pressure) {
+
+   real next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
+   real next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
+
+   real altitude;
+   real base_pressure;
+   real base_temperature;
+   real base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
+   real exponent; /* exponent for function to determine base pressure
+                             of next layer */
+   real coefficient;
+   int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
+   int delta_z; /* difference between two altitudes */
+
+   if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
+      return -1;
+   if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
+      return MAXIMUM_ALTITUDE;
+
+   /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
+      associated with the inputted pressure. */
+   layer_number = -1;
+   do {
+      layer_number++;
+      base_pressure = next_base_pressure;
+      base_temperature = next_base_temperature;
+      delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
+      if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
+         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
+              / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
+         next_base_pressure *= exp(exponent);
+      }
+      else {
+         base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
+         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
+              (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
+         next_base_pressure *= pow(base, exponent);
+      }
+      next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
+   }
+   while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
+
+   /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
+   if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
+      coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
+                                                    * base_temperature;
+      altitude = base_altitude[layer_number]
+                    + coefficient * log(pressure / base_pressure);
+   }
+   else {
+      base = pressure / base_pressure;
+      exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
+                                       / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
+      coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
+      altitude = base_altitude[layer_number]
+                      + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
+   }
+
+   return altitude;
+}
+
+real feet_to_meters(real feet)
+{
+    return feet * (12 * 2.54 / 100);
+}
+
+real meters_to_feet(real meters)
+{
+    return meters / (12 * 2.54 / 100);
+}
+
+/*
+ * Values for our MS5607
+ *
+ * From the data sheet:
+ *
+ * Pressure range: 10-1200 mbar (1000 - 120000 Pa)
+ *
+ * Pressure data is reported in units of Pa
+ */
+
+typedef struct {
+       real m, b;
+       int m_i, b_i;
+} line_t;
+
+line_t best_fit(real[] values, int first, int last) {
+       real sum_x = 0, sum_x2 = 0, sum_y = 0, sum_xy = 0;
+       int n = last - first + 1;
+       real m, b;
+       int m_i, b_i;
+
+       for (int i = first; i <= last; i++) {
+              sum_x += i;
+              sum_x2 += i**2;
+              sum_y += values[i];
+              sum_xy += values[i] * i;
+       }
+       m = (n*sum_xy - sum_y*sum_x) / (n*sum_x2 - sum_x**2);
+       b = sum_y/n - m*(sum_x/n);
+       return (line_t) { m = m, b = b };
+}
+
+real   min_Pa = 0;
+real   max_Pa = 120000;
+
+/* Target is an array of < 2000 entries */
+int pa_sample_shift = 3;
+int pa_part_shift = 3;
+
+int num_part = ceil(max_Pa / (2 ** (pa_part_shift + pa_sample_shift)));
+
+int num_samples = num_part << pa_part_shift;
+
+real sample_to_Pa(int sample) = sample << pa_sample_shift;
+
+real sample_to_altitude(int sample) = pressure_to_altitude(sample_to_Pa(sample));
+
+int part_to_sample(int part) = part << pa_part_shift;
+
+real[num_samples] alt = { [n] = sample_to_altitude(n) };
+
+int seg_len = 1 << pa_part_shift;
+
+line_t [num_part] fit = {
+       [n] = best_fit(alt, n * seg_len, n * seg_len + seg_len - 1)
+};
+
+int[num_samples/seg_len + 1]   alt_part;
+
+alt_part[0] = floor (fit[0].b + 0.5);
+alt_part[dim(fit)] = floor(fit[dim(fit)-1].m * dim(fit) * seg_len + fit[dim(fit)-1].b + 0.5);
+
+for (int i = 0; i < dim(fit) - 1; i++) {
+       real    here, there;
+       here = fit[i].m * (i+1) * seg_len + fit[i].b;
+       there = fit[i+1].m * (i+1) * seg_len + fit[i+1].b;
+       alt_part[i+1] = floor ((here + there) / 2 + 0.5);
+}
+
+real sample_to_fit_altitude(int sample) {
+       int     sub = sample // seg_len;
+       int     off = sample % seg_len;
+       line_t  l = fit[sub];
+       real r_v;
+       real i_v;
+
+       r_v = sample * l.m + l.b;
+       i_v = (alt_part[sub] * (seg_len - off) + alt_part[sub+1] * off) / seg_len;
+       return i_v;
+}
+
+real max_error = 0;
+int max_error_sample = 0;
+real total_error = 0;
+
+for (int sample = 0; sample < num_samples; sample++) {
+       real    Pa = sample_to_Pa(sample);
+       real    meters = pressure_to_altitude(Pa);
+
+       real    meters_approx = sample_to_fit_altitude(sample);
+       real    error = abs(meters - meters_approx);
+
+       total_error += error;
+       if (error > max_error) {
+               max_error = error;
+               max_error_sample = sample;
+       }
+#      printf ("       %7d,    /* %6.2f kPa %5d sample approx %d */\n",
+#              floor (meters + 0.5), Pa / 1000, sample, floor(sample_to_fit_altitude(sample) + 0.5));
+}
+
+printf ("/*max error %f at %7.3f%%. Average error %f*/\n", max_error, max_error_sample / (num_samples - 1) * 100, total_error / num_samples);
+
+printf ("#define NALT %d\n", dim(alt_part));
+printf ("#define ALT_SHIFT %d\n", pa_part_shift + pa_sample_shift);
+
+for (int part = 0; part < dim(alt_part); part++) {
+       real kPa = sample_to_Pa(part_to_sample(part)) / 1000;
+       printf ("%9d, /* %6.2f kPa */\n",
+               alt_part[part], kPa);
+}