git.gag.com Git - fw/tmflights/blob - parse

   1 #!/usr/bin/env nickle
   2
   3 /*
   4  * Pressure Sensor Model, version 1.1
   5  *
   6  * written by Holly Grimes
   7  *
   8  * Uses the International Standard Atmosphere as described in
   9  *   "A Quick Derivation relating altitude to air pressure" (version 1.03)
  10  *    from the Portland State Aerospace Society, except that the atmosphere
  11  *    is divided into layers with each layer having a different lapse rate.
  12  *
  13  * Lapse rate data for each layer was obtained from Wikipedia on Sept. 1, 2007
  14  *    at site <http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere
  15  *
  16  * Height measurements use the local tangent plane.  The postive z-direction is up.
  17  *
  18  * All measurements are given in SI units (Kelvin, Pascal, meter, meters/second^2).
  19  *   The lapse rate is given in Kelvin/meter, the gas constant for air is given
  20  *   in Joules/(kilogram-Kelvin).
  21  */
  22
  23 const real GRAVITATIONAL_ACCELERATION = -9.80665;
  24 const real AIR_GAS_CONSTANT = 287.053;
  25 const int NUMBER_OF_LAYERS = 7;
  26 const real MAXIMUM_ALTITUDE = 84852;
  27 const real MINIMUM_PRESSURE = 0.3734;
  28 const real LAYER0_BASE_TEMPERATURE = 288.15;
  29 const real LAYER0_BASE_PRESSURE = 101325;
  30
  31 /* lapse rate and base altitude for each layer in the atmosphere */
  32 const real[NUMBER_OF_LAYERS] lapse_rate = {
  33         -0.0065, 0.0, 0.001, 0.0028, 0.0, -0.0028, -0.002
  34 };
  35 const int[NUMBER_OF_LAYERS] base_altitude = {
  36         0, 11000, 20000, 32000, 47000, 51000, 71000
  37 };
  38
  39
  40 /* outputs atmospheric pressure associated with the given altitude. altitudes
  41    are measured with respect to the mean sea level */
  42 real altitude_to_pressure(real altitude) {
  43
  44    real base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  45    real base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  46
  47    real pressure;
  48    real base; /* base for function to determine pressure */
  49    real exponent; /* exponent for function to determine pressure */
  50    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
  51    int delta_z; /* difference between two altitudes */
  52
  53    if (altitude > MAXIMUM_ALTITUDE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
  54       return 0;
  55
  56    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
  57       associated with the inputted altitude */
  58    for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
  59       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
  60       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  61          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  62               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  63          base_pressure *= exp(exponent);
  64       }
  65       else {
  66          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  67          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  68               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  69          base_pressure *= pow(base, exponent);
  70       }
  71       base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
  72    }
  73
  74    /* calculate the pressure at the inputted altitude */
  75    delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
  76    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  77       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  78            / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  79       pressure = base_pressure * exp(exponent);
  80    }
  81    else {
  82       base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  83       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  84            (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  85       pressure = base_pressure * pow(base, exponent);
  86    }
  87
  88    return pressure;
  89 }
  90
  91
  92 /* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
  93    returned is measured with respect to the mean sea level */
  94 real pressure_to_altitude(real pressure) {
  95
  96    real next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  97    real next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  98
  99    real altitude;
 100    real base_pressure;
 101    real base_temperature;
 102    real base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
 103    real exponent; /* exponent for function to determine base pressure
 104                              of next layer */
 105    real coefficient;
 106    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 107    int delta_z; /* difference between two altitudes */
 108
 109    if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
 110       return -1;
 111    if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
 112       return MAXIMUM_ALTITUDE;
 113
 114    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
 115       associated with the inputted pressure. */
 116    layer_number = -1;
 117    do {
 118       layer_number++;
 119       base_pressure = next_base_pressure;
 120       base_temperature = next_base_temperature;
 121       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 122       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 123          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
 124               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 125          next_base_pressure *= exp(exponent);
 126       }
 127       else {
 128          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 129          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 130               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 131          next_base_pressure *= pow(base, exponent);
 132       }
 133       next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 134    }
 135    while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
 136
 137    /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
 138    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 139       coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
 140                                                     * base_temperature;
 141       altitude = base_altitude[layer_number]
 142                     + coefficient * log(pressure / base_pressure);
 143    }
 144    else {
 145       base = pressure / base_pressure;
 146       exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
 147                                        / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
 148       coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
 149       altitude = base_altitude[layer_number]
 150                       + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
 151    }
 152
 153    return altitude;
 154 }
 155
 156 real feet_to_meters(real feet)
 157 {
 158     return feet * (12 * 2.54 / 100);
 159 }
 160
 161 real meters_to_feet(real meters)
 162 {
 163     return meters / (12 * 2.54 / 100);
 164 }
 165
 166 /*
 167  * Values for our MP3H6115A pressure sensor
 168  *
 169  * From the data sheet:
 170  *
 171  * Pressure range: 15-115 kPa
 172  * Voltage at 115kPa: 2.82
 173  * Output scale: 27mV/kPa
 174  *
 175  *
 176  * 27 mV/kPa * 2047 / 3300 counts/mV = 16.75 counts/kPa
 177  * 2.82V * 2047 / 3.3 counts/V = 1749 counts/115 kPa
 178  */
 179
 180 real counts_per_kPa = 27 * 2047 / 3300;
 181 real counts_at_101_3kPa = 1674;
 182
 183 real count_to_kPa(real count)
 184 {
 185         return (count / 2047 + 0.095) / 0.009;
 186 }
 187 typedef struct {
 188         int     type;
 189         int     time;
 190         int     a;
 191         int     b;
 192 } flight_record;
 193
 194 flight_record
 195 read_record(file in) {
 196         flight_record   r;
 197         File::fscanf(in, "%c %x %x %x\n",
 198                &r.type, &r.time, &r.a, &r.b);
 199         return r;
 200 }
 201
 202 real g_count = 264.8;
 203 #real g_count = 262;
 204 #real g_count = 400;
 205 int g_base = 15735;
 206
 207 real
 208 count_to_g(real count)
 209 {
 210         return (g_base + g_count - count) / g_count;
 211 }
 212
 213 real base_alt = 0;
 214 real base_sec = 0;
 215 real last_alt;
 216 real last_sec;
 217 real last_alt_speed;
 218 real accel_speed;
 219 real accel_meters;
 220
 221 real[...]       barometer;
 222 real[...]       accelerometer;
 223
 224 real sinc(real x) = x != 0 ? sin(x)/x : 1;
 225
 226 real gaussian(real x) = exp(-(x**2)/2) / sqrt(2 * pi);
 227
 228 load "filter.5c"
 229
 230 real[...] convolve(real[...] d, real[...] e) {
 231         real sample(n) = n < 0 ? d[0] : n >= dim(d) ? d[dim(d)-1] : d[n];
 232         real w = (dim(e) - 1) / 2;
 233         real c(int center) {
 234                 real    v = 0;
 235                 for (int o = -w; o <= w; o++)
 236                         v += sample(center + o) * e[o + w];
 237                 return v;
 238         }
 239         return (real[dim(d)]) { [n] = c(n) };
 240 }
 241
 242 real sum(real[...] x) { real s = 0; for(int i = 0; i < dim(x); i++) s += x[i]; return s; }
 243
 244 real[...] kaiser_filter(real[...] d, int half_width) {
 245 #       real[half_width * 2 + 1] fir = { [n] = sinc(2 * pi * n / (2 * half_width)) };
 246         real M = half_width * 2 + 1;
 247         real[M] fir = { [n] = kaiser(n, M, 8) };
 248         real fir_sum = sum(fir);
 249         for (int i = 0; i < dim(fir); i++) fir[i] /= fir_sum;
 250         return convolve(d, fir);
 251 }
 252
 253 int[...] int_filter(int[...] d, int shift) {
 254         /* Emulate the exponential IIR filter used in the TeleMetrum flight
 255         software */
 256
 257         int     v = d[0];
 258         int     n;
 259         int[dim(d)] ret;
 260
 261         for (n = 0; n < dim(d); n++) {
 262                 v -= (v + (1 << (shift - 1))) >> shift;
 263                 v += (d[n] + (1 << (shift - 1))) >> shift;
 264                 ret[n] = v;
 265         }
 266         return ret;
 267 }
 268
 269 real gravity = 9.80665;
 270
 271 int[...] pressure_value, accelerometer_value;
 272 real[...] clock;
 273
 274 void readsamples_log(file in) {
 275         setdim(pressure_value, 0);
 276         setdim(accelerometer_value, 0);
 277         while (!File::end(in)) {
 278                 flight_record r = read_record(in);
 279                 if (r.type == 'F') {
 280                         g_base = r.a;
 281                 }
 282                 if (r.type == 'A') {
 283                         clock[dim(clock)] = r.time / 100;
 284                         pressure_value[dim(pressure_value)] = r.b;
 285                         accelerometer_value[dim(accelerometer_value)] = r.a;
 286                 }
 287         }
 288 }
 289
 290 typedef struct {
 291         int     time;
 292         int     accel;
 293         int     pressure;
 294         string  state;
 295 } telem_record;
 296
 297 autoimport String;
 298
 299 telem_record read_telem(file in) {
 300         string[*]       r = wordsplit(chomp(fgets(in)), " ");
 301         static int line = 0;
 302
 303         line++;
 304         if (dim(r) < 15) {
 305                 printf ("invalid record line %d\n", line);
 306                 return read_telem(in);
 307         }
 308         return (telem_record) {
 309                 .time = string_to_integer(r[10]),
 310                 .accel = string_to_integer(r[12]),
 311                 .pressure = string_to_integer(r[14]),
 312                 .state = r[9]
 313         };
 314 }
 315
 316 void readsamples_telem(file in) {
 317         telem_record[...] telem;
 318
 319         setdim(telem, 0);
 320
 321         setdim(clock, 0);
 322         setdim(pressure_value, 0);
 323         setdim(accelerometer_value, 0);
 324         real clock_bias = 0;
 325
 326         telem_record[...] save = {};
 327
 328         setdim(save, 0);
 329         while (!File::end(in)) {
 330                 save[dim(save)] = read_telem(in);
 331                 if (save[dim(save)-1].state == "boost")
 332                         break;
 333         }
 334         int     start = dim(save) - 4;
 335
 336         int     accel_total = 0;
 337         for (int i = 0; i < start; i++)
 338                 accel_total += save[i].accel;
 339         g_base = accel_total // start;
 340
 341         for (int i = start; i < dim(save); i++)
 342                 telem[dim(telem)] = save[i];
 343
 344         while (!File::end(in)) {
 345                 int n = dim(telem);
 346                 telem[n] = read_telem(in);
 347                 telem[n].time += clock_bias;
 348                 if (n > 0 && telem[n].time < telem[n-1].time) {
 349                         clock_bias += 65536;
 350                         telem[n].time += 65536;
 351                 }
 352         }
 353         int clock_start = telem[0].time;
 354         int clock_end = telem[dim(telem)-1].time;
 355         int samples = clock_end - clock_start;
 356
 357         int j = 0;
 358         for (int i = 0; i < samples; i++) {
 359                 clock[i] = i / 100;
 360                 pressure_value[i] = telem[j].pressure;
 361                 accelerometer_value[i] = telem[j].accel;
 362                 if (j < dim(telem)-1) {
 363                         int cur_time = clock_start + i;
 364                         if (cur_time - telem[j].time > telem[j+1].time - cur_time)
 365                                 j++;
 366                 }
 367         }
 368 }
 369
 370 readsamples_log(stdin);
 371
 372 int[...] int_integrate(int[...] d, int base) {
 373         int v = 0;
 374         int[dim(d)] ret;
 375
 376         ret[0] = 0;
 377         for (int i = 1; i < dim(d); i++)
 378                 ret[i] = (v += (d[i-1] + d[i] + 1) // 2);
 379         return ret;
 380 }
 381
 382 int[...] int_differentiate(int[...] d) {
 383         return (int[dim(d)]) { [n] = n == 0 ? 0 : d[n] - d[n-1] };
 384 }
 385
 386 int average(int[...] d, int n) {
 387         int     sum = 0;
 388         for (int i = 0; i < n; i++)
 389                 sum += d[n];
 390         return sum // n;
 391 }
 392
 393 int[...] rebase(int[...] d, int m, int a) = (int[dim(d)]) { [n] = d[n] * m + a };
 394
 395 int size = dim(accelerometer_value);
 396
 397 real[...] do_low_pass(real[] data, real ωpass, real ωstop, real error) {
 398         real[*] fir = low_pass_filter (ωpass, ωstop, error);
 399         File::fprintf (stderr, "low pass filter is %d long\n", dim(fir));
 400         return convolve(data, fir);
 401 }
 402
 403 if (false) {
 404         accelerometer_value = rebase(accelerometer_value, -1, g_base);
 405         int accel_i0_base = average(accelerometer_value, 30);
 406         int[size] pres_d0 = int_filter(pressure_value, 4);
 407         int[size] accel_i0 = int_filter(accelerometer_value, 4);
 408         int[size] pres_d1 = int_filter(int_differentiate(pres_d0), 4);
 409         int[size] accel_i1 = int_integrate(accelerometer_value, accel_i0_base);
 410         int[size] pres_d2 = int_filter(int_differentiate(pres_d1), 4);
 411         int[size] accel_i2 = int_integrate(accel_i1, 0);
 412
 413         real count_to_altitude(int count) = pressure_to_altitude(count_to_kPa(count / 16) * 1000);
 414
 415         for (int i = 0; i < size; i++)
 416                 printf("%g %g %g %g %g %g %g %g %g\n",
 417                        clock[i] - clock[0],
 418                        count_to_altitude(pres_d0[i]) - count_to_altitude(pres_d0[0]), accel_i2[i] / 10000 / g_count * gravity,
 419                        pres_d1[i] * 100, accel_i1[i] / 100 / g_count * gravity,
 420                        pres_d2[i] * 10000, accel_i0[i] / g_count * gravity,
 421                        count_to_altitude(pressure_value[i]) -
 422                        count_to_altitude(pressure_value[0]), accelerometer_value[i]
 423                        / g_count * gravity);
 424
 425 } else {
 426         real[size] accelerometer = { [n] = gravity * (count_to_g(accelerometer_value[n]) - 1.0) };
 427         real[size] barometer = { [n] = pressure_to_altitude(count_to_kPa(pressure_value[n] / 16) * 1000) };
 428         real[size] filtered_accelerometer = do_low_pass(accelerometer,
 429                                                         2 * π * 5/100,
 430                                                         2 * π * 8/100,
 431                                                         1e-8);
 432         real[size] filtered_barometer = do_low_pass(barometer,
 433                                                     2 * π * .5 / 100,
 434                                                     2 * π * 1 / 100,
 435                                                     1e-8);
 436
 437         real[...] integrate(real[...] d) {
 438                 real[dim(d)] ret;
 439                 for (int i = 0; i < dim(ret); i++)
 440                         ret[i] = i == 0 ? 0 : ret[i-1] + (d[i-1] + d[i]) / 2 * (clock[i] - clock[i-1]);
 441                 return ret;
 442         }
 443
 444         real[...] differentiate(real[...] d) {
 445                 real[dim(d)] ret;
 446                 for (int i = 1; i < dim(ret); i++)
 447                         ret[i] = (d[i] - d[i-1]) / (clock[i] - clock[i-1]);
 448                 ret[0] = ret[1];
 449                 return ret;
 450         }
 451
 452         real[size] accel_speed = integrate(accelerometer);
 453         real[size] accel_pos = integrate(accel_speed);
 454         real[size] baro_speed = differentiate(filtered_barometer);
 455         real[size] baro_accel = differentiate(baro_speed);
 456
 457         printf("%7s %12s %12s %12s %12s %12s %12s %12s %12s\n",
 458                "time",
 459                "height(baro)",
 460                "height(accel)",
 461                "speed(baro)",
 462                "speed(accel)",
 463                "accel(baro)",
 464                "accel(accel)",
 465                "raw(baro)",
 466                "raw(accel)");
 467         for (int i = 0; i < size; i++)
 468                 printf("%7.2f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f\n",
 469                        clock[i] - clock[0],
 470                        filtered_barometer[i] - filtered_barometer[0], accel_pos[i],
 471                        baro_speed[i], accel_speed[i],
 472                        baro_accel[i], filtered_accelerometer[i],
 473                        barometer[i] - barometer[0], accelerometer[i]);
 474 }