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 int g_base = 15735;
 205
 206 real
 207 count_to_g(real count)
 208 {
 209         return (g_base + g_count - count) / g_count;
 210 }
 211
 212 real base_alt = 0;
 213 real base_sec = 0;
 214 real last_alt;
 215 real last_sec;
 216 real last_alt_speed;
 217 real accel_speed;
 218 real accel_meters;
 219
 220 real[...]       barometer;
 221 real[...]       accelerometer;
 222
 223 real sinc(real x) = x != 0 ? sin(x)/x : 1;
 224
 225 real gaussian(real x) = exp(-(x**2)/2) / sqrt(2 * pi);
 226
 227 load "/usr/share/nickle/examples/kaiser.5c"
 228
 229 real[...] convolve(real[...] d, real[...] e) {
 230         real sample(n) = n < 0 ? d[0] : n >= dim(d) ? d[dim(d)-1] : d[n];
 231         real w = (dim(e) - 1) / 2;
 232         real c(int center) {
 233                 real    v = 0;
 234                 for (int o = -w; o <= w; o++)
 235                         v += sample(center + o) * e[o + w];
 236                 return v;
 237         }
 238         return (real[dim(d)]) { [n] = c(n) };
 239 }
 240
 241 real sum(real[...] x) { real s = 0; for(int i = 0; i < dim(x); i++) s += x[i]; return s; }
 242
 243 real[...] kaiser_filter(real[...] d, int half_width) {
 244 #       real[half_width * 2 + 1] fir = { [n] = sinc(2 * pi * n / (2 * half_width)) };
 245         real M = half_width * 2 + 1;
 246         real[M] fir = { [n] = kaiser(n, M, 8) };
 247         real fir_sum = sum(fir);
 248         for (int i = 0; i < dim(fir); i++) fir[i] /= fir_sum;
 249         return convolve(d, fir);
 250 }
 251
 252 int[...] int_filter(int[...] d, int shift) {
 253         /* Emulate the exponential IIR filter used in the TeleMetrum flight
 254         software */
 255
 256         int     v = d[0];
 257         int     n;
 258         int[dim(d)] ret;
 259
 260         for (n = 0; n < dim(d); n++) {
 261                 v -= (v + (1 << (shift - 1))) >> shift;
 262                 v += (d[n] + (1 << (shift - 1))) >> shift;
 263                 ret[n] = v;
 264         }
 265         return ret;
 266 }
 267
 268 real gravity = 9.80665;
 269
 270 int[...] pressure_value, accelerometer_value;
 271 real[...] clock;
 272
 273 void readsamples_log(file in) {
 274         setdim(pressure_value, 0);
 275         setdim(accelerometer_value, 0);
 276         while (!File::end(in)) {
 277                 flight_record r = read_record(in);
 278                 if (r.type == 'F') {
 279                         g_base = r.a;
 280                 }
 281                 if (r.type == 'A') {
 282                         clock[dim(clock)] = r.time / 100;
 283                         pressure_value[dim(pressure_value)] = r.b;
 284                         accelerometer_value[dim(accelerometer_value)] = r.a;
 285                 }
 286         }
 287 }
 288
 289 typedef struct {
 290         int     time;
 291         int     accel;
 292         int     pressure;
 293         string  state;
 294 } telem_record;
 295
 296 autoimport String;
 297
 298 telem_record read_telem(file in) {
 299         string[*]       r = wordsplit(chomp(fgets(in)), " ");
 300
 301         if (dim(r) < 15)
 302                 return read_telem(in);
 303         return (telem_record) {
 304                 .time = string_to_integer(r[10]),
 305                 .accel = string_to_integer(r[12]),
 306                 .pressure = string_to_integer(r[14]),
 307                 .state = r[9]
 308         };
 309 }
 310
 311 void readsamples_telem(file in) {
 312         setdim(clock, 0);
 313         setdim(pressure_value, 0);
 314         setdim(accelerometer_value, 0);
 315
 316         telem_record[...] save = {};
 317
 318         setdim(save, 0);
 319         while (!File::end(in)) {
 320                 save[dim(save)] = read_telem(in);
 321                 if (save[dim(save)-1].state == "boost")
 322                         break;
 323         }
 324         int     start = dim(save) - 4;
 325
 326         int     accel_total = 0;
 327         for (int i = 0; i < start; i++)
 328                 accel_total += save[i].accel;
 329         g_base = accel_total // start;
 330
 331         for (int i = start; i < dim(save); i++) {
 332                 clock[dim(clock)] = save[i].time/100;
 333                 pressure_value[dim(pressure_value)] = save[i].pressure;
 334                 accelerometer_value[dim(accelerometer_value)] = save[i].accel;
 335         }
 336
 337         while (!File::end(in)) {
 338                 telem_record t = read_telem(in);
 339                 if (dim(clock) > 0 &&
 340                     abs(t.time / 100 - clock[dim(clock)-1]) > 500)
 341                         break;
 342                 clock[dim(clock)] = t.time / 100;
 343                 pressure_value[dim(pressure_value)] = t.pressure;
 344                 accelerometer_value[dim(accelerometer_value)] = t.accel;
 345         }
 346 }
 347
 348 readsamples_log(stdin);
 349
 350 int[...] int_integrate(int[...] d, int base) {
 351         int v = 0;
 352         int[dim(d)] ret;
 353
 354         ret[0] = 0;
 355         for (int i = 1; i < dim(d); i++)
 356                 ret[i] = (v += (d[i-1] + d[i] + 1) // 2);
 357         return ret;
 358 }
 359
 360 int[...] int_differentiate(int[...] d) {
 361         return (int[dim(d)]) { [n] = n == 0 ? 0 : d[n] - d[n-1] };
 362 }
 363
 364 int average(int[...] d, int n) {
 365         int     sum = 0;
 366         for (int i = 0; i < n; i++)
 367                 sum += d[n];
 368         return sum // n;
 369 }
 370
 371 int[...] rebase(int[...] d, int m, int a) = (int[dim(d)]) { [n] = d[n] * m + a };
 372
 373 int size = dim(accelerometer_value);
 374
 375 if (false) {
 376         accelerometer_value = rebase(accelerometer_value, -1, g_base);
 377         int accel_i0_base = average(accelerometer_value, 30);
 378         int[size] pres_d0 = int_filter(pressure_value, 4);
 379         int[size] accel_i0 = int_filter(accelerometer_value, 4);
 380         int[size] pres_d1 = int_filter(int_differentiate(pres_d0), 4);
 381         int[size] accel_i1 = int_integrate(accelerometer_value, accel_i0_base);
 382         int[size] pres_d2 = int_filter(int_differentiate(pres_d1), 4);
 383         int[size] accel_i2 = int_integrate(accel_i1, 0);
 384
 385         real count_to_altitude(int count) = pressure_to_altitude(count_to_kPa(count / 16) * 1000);
 386
 387         for (int i = 0; i < size; i++)
 388                 printf("%g %g %g %g %g %g %g %g %g\n",
 389                        clock[i] - clock[0],
 390                        count_to_altitude(pres_d0[i]) - count_to_altitude(pres_d0[0]), accel_i2[i] / 10000 / g_count * gravity,
 391                        pres_d1[i] * 100, accel_i1[i] / 100 / g_count * gravity,
 392                        pres_d2[i] * 10000, accel_i0[i] / g_count * gravity,
 393                        count_to_altitude(pressure_value[i]) -
 394                        count_to_altitude(pressure_value[0]), accelerometer_value[i]
 395                        / g_count * gravity);
 396
 397 } else {
 398         real[size] accelerometer = { [n] = gravity * (count_to_g(accelerometer_value[n]) - 1.0) };
 399         real[size] barometer = { [n] = pressure_to_altitude(count_to_kPa(pressure_value[n] / 16) * 1000) };
 400         real[size] filtered_accelerometer = kaiser_filter(accelerometer, 8);
 401         real[size] filtered_barometer = kaiser_filter(barometer, 32);
 402
 403         real[...] integrate(real[...] d) {
 404                 real[dim(d)] ret;
 405                 for (int i = 0; i < dim(ret); i++)
 406                         ret[i] = i == 0 ? 0 : ret[i-1] + (d[i-1] + d[i]) / 2 * (clock[i] - clock[i-1]);
 407                 return ret;
 408         }
 409
 410         real[...] differentiate(real[...] d) {
 411                 real[dim(d)] ret;
 412                 for (int i = 1; i < dim(ret); i++)
 413                         ret[i] = (d[i] - d[i-1]) / (clock[i] - clock[i-1]);
 414                 ret[0] = ret[1];
 415                 return ret;
 416         }
 417
 418         real[size] accel_speed = integrate(filtered_accelerometer);
 419         real[size] accel_pos = integrate(accel_speed);
 420         real[size] baro_speed = differentiate(filtered_barometer);
 421         real[size] baro_accel = differentiate(baro_speed);
 422
 423         printf("%7s %12s %12s %12s %12s %12s %12s %12s %12s\n",
 424                "time",
 425                "height(baro)",
 426                "height(accel)",
 427                "speed(baro)",
 428                "speed(accel)",
 429                "accel(baro)",
 430                "accel(accel)",
 431                "raw(baro)",
 432                "raw(accel)");
 433         for (int i = 0; i < size; i++)
 434                 printf("%7.2f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f %12.6f\n",
 435                        clock[i] - clock[0],
 436                        filtered_barometer[i] - filtered_barometer[0], accel_pos[i],
 437                        baro_speed[i], accel_speed[i],
 438                        baro_accel[i], filtered_accelerometer[i],
 439                        barometer[i] - barometer[0], accelerometer[i]);
 440 }