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diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp new file mode 100644 index 000000000..67bfec4ea --- /dev/null +++ b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp @@ -0,0 +1,2142 @@ +#include "estimator_21states.h" + +#include <string.h> + +AttPosEKF::AttPosEKF() : + fusionModeGPS(0), + covSkipCount(0), + EAS2TAS(1.0f), + statesInitialised(false), + fuseVelData(false), + fusePosData(false), + fuseHgtData(false), + fuseMagData(false), + fuseVtasData(false), + onGround(true), + staticMode(true), + useAirspeed(true), + useCompass(true), + numericalProtection(true), + storeIndex(0), + magDeclination(0.0f) +{ + InitialiseParameters(); +} + +AttPosEKF::~AttPosEKF() +{ +} + +void AttPosEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() +{ + Vector3f delVelNav; + float q00; + float q11; + float q22; + float q33; + float q01; + float q02; + float q03; + float q12; + float q13; + float q23; + Mat3f Tbn; + Mat3f Tnb; + float rotationMag; + float qUpdated[4]; + float quatMag; + double deltaQuat[4]; + const Vector3f gravityNED = {0.0,0.0,GRAVITY_MSS}; + +// Remove sensor bias errors + correctedDelAng.x = dAngIMU.x - states[10]; + correctedDelAng.y = dAngIMU.y - states[11]; + correctedDelAng.z = dAngIMU.z - states[12]; + dVelIMU.x = dVelIMU.x; + dVelIMU.y = dVelIMU.y; + dVelIMU.z = dVelIMU.z; + +// Save current measurements + Vector3f prevDelAng = correctedDelAng; + +// Apply corrections for earths rotation rate and coning errors +// * and + operators have been overloaded + correctedDelAng = correctedDelAng - Tnb*earthRateNED*dtIMU + 8.333333333333333e-2f*(prevDelAng % correctedDelAng); +// Convert the rotation vector to its equivalent quaternion + rotationMag = correctedDelAng.length(); + if (rotationMag < 1e-12f) + { + deltaQuat[0] = 1.0; + deltaQuat[1] = 0.0; + deltaQuat[2] = 0.0; + deltaQuat[3] = 0.0; + } + else + { + deltaQuat[0] = cos(0.5f*rotationMag); + double rotScaler = (sin(0.5f*rotationMag))/rotationMag; + deltaQuat[1] = correctedDelAng.x*rotScaler; + deltaQuat[2] = correctedDelAng.y*rotScaler; + deltaQuat[3] = correctedDelAng.z*rotScaler; + } + +// Update the quaternions by rotating from the previous attitude through +// the delta angle rotation quaternion + qUpdated[0] = states[0]*deltaQuat[0] - states[1]*deltaQuat[1] - states[2]*deltaQuat[2] - states[3]*deltaQuat[3]; + qUpdated[1] = states[0]*deltaQuat[1] + states[1]*deltaQuat[0] + states[2]*deltaQuat[3] - states[3]*deltaQuat[2]; + qUpdated[2] = states[0]*deltaQuat[2] + states[2]*deltaQuat[0] + states[3]*deltaQuat[1] - states[1]*deltaQuat[3]; + qUpdated[3] = states[0]*deltaQuat[3] + states[3]*deltaQuat[0] + states[1]*deltaQuat[2] - states[2]*deltaQuat[1]; + +// Normalise the quaternions and update the quaternion states + quatMag = sqrtf(sq(qUpdated[0]) + sq(qUpdated[1]) + sq(qUpdated[2]) + sq(qUpdated[3])); + if (quatMag > 1e-16f) + { + float quatMagInv = 1.0f/quatMag; + states[0] = quatMagInv*qUpdated[0]; + states[1] = quatMagInv*qUpdated[1]; + states[2] = quatMagInv*qUpdated[2]; + states[3] = quatMagInv*qUpdated[3]; + } + +// Calculate the body to nav cosine matrix + q00 = sq(states[0]); + q11 = sq(states[1]); + q22 = sq(states[2]); + q33 = sq(states[3]); + q01 = states[0]*states[1]; + q02 = states[0]*states[2]; + q03 = states[0]*states[3]; + q12 = states[1]*states[2]; + q13 = states[1]*states[3]; + q23 = states[2]*states[3]; + + Tbn.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; + Tbn.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; + Tbn.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; + Tbn.x.y = 2*(q12 - q03); + Tbn.x.z = 2*(q13 + q02); + Tbn.y.x = 2*(q12 + q03); + Tbn.y.z = 2*(q23 - q01); + Tbn.z.x = 2*(q13 - q02); + Tbn.z.y = 2*(q23 + q01); + + Tnb = Tbn.transpose(); + +// transform body delta velocities to delta velocities in the nav frame +// * and + operators have been overloaded + //delVelNav = Tbn*dVelIMU + gravityNED*dtIMU; + delVelNav.x = Tbn.x.x*dVelIMU.x + Tbn.x.y*dVelIMU.y + Tbn.x.z*dVelIMU.z + gravityNED.x*dtIMU; + delVelNav.y = Tbn.y.x*dVelIMU.x + Tbn.y.y*dVelIMU.y + Tbn.y.z*dVelIMU.z + gravityNED.y*dtIMU; + delVelNav.z = Tbn.z.x*dVelIMU.x + Tbn.z.y*dVelIMU.y + Tbn.z.z*dVelIMU.z + gravityNED.z*dtIMU; + +// calculate the magnitude of the nav acceleration (required for GPS +// variance estimation) + accNavMag = delVelNav.length()/dtIMU; + +// If calculating position save previous velocity + float lastVelocity[3]; + lastVelocity[0] = states[4]; + lastVelocity[1] = states[5]; + lastVelocity[2] = states[6]; + +// Sum delta velocities to get velocity + states[4] = states[4] + delVelNav.x; + states[5] = states[5] + delVelNav.y; + states[6] = states[6] + delVelNav.z; + +// If calculating postions, do a trapezoidal integration for position + states[7] = states[7] + 0.5f*(states[4] + lastVelocity[0])*dtIMU; + states[8] = states[8] + 0.5f*(states[5] + lastVelocity[1])*dtIMU; + states[9] = states[9] + 0.5f*(states[6] + lastVelocity[2])*dtIMU; + + // Constrain states (to protect against filter divergence) + //ConstrainStates(); +} + +void AttPosEKF::CovariancePrediction(float dt) +{ + // scalars + float daxCov; + float dayCov; + float dazCov; + float dvxCov; + float dvyCov; + float dvzCov; + float dvx; + float dvy; + float dvz; + float dax; + float day; + float daz; + float q0; + float q1; + float q2; + float q3; + float dax_b; + float day_b; + float daz_b; + + // arrays + float processNoise[21]; + float SF[14]; + float SG[8]; + float SQ[11]; + float SPP[13] = {0}; + float nextP[21][21]; + + // calculate covariance prediction process noise + windVelSigma = dt*0.1f; + dAngBiasSigma = dt*5.0e-7f; + magEarthSigma = dt*3.0e-4f; + magBodySigma = dt*3.0e-4f; + for (uint8_t i= 0; i<=9; i++) processNoise[i] = 1.0e-9f; + for (uint8_t i=10; i<=12; i++) processNoise[i] = dAngBiasSigma; + if (onGround) processNoise[12] = dAngBiasSigma * yawVarScale; + for (uint8_t i=13; i<=14; i++) processNoise[i] = windVelSigma; + for (uint8_t i=15; i<=17; i++) processNoise[i] = magEarthSigma; + for (uint8_t i=18; i<=20; i++) processNoise[i] = magBodySigma; + for (uint8_t i= 0; i<=20; i++) processNoise[i] = sq(processNoise[i]); + + // set variables used to calculate covariance growth + dvx = summedDelVel.x; + dvy = summedDelVel.y; + dvz = summedDelVel.z; + dax = summedDelAng.x; + day = summedDelAng.y; + daz = summedDelAng.z; + q0 = states[0]; + q1 = states[1]; + q2 = states[2]; + q3 = states[3]; + dax_b = states[10]; + day_b = states[11]; + daz_b = states[12]; + daxCov = sq(dt*1.4544411e-2f); + dayCov = sq(dt*1.4544411e-2f); + dazCov = sq(dt*1.4544411e-2f); + if (onGround) dazCov = dazCov * sq(yawVarScale); + dvxCov = sq(dt*0.5f); + dvyCov = sq(dt*0.5f); + dvzCov = sq(dt*0.5f); + + // Predicted covariance calculation + SF[0] = 2*dvx*q1 + 2*dvy*q2 + 2*dvz*q3; + SF[1] = 2*dvx*q3 + 2*dvy*q0 - 2*dvz*q1; + SF[2] = 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3 + 2*dvz*q2; + SF[3] = day/2 - day_b/2; + SF[4] = daz/2 - daz_b/2; + SF[5] = dax/2 - dax_b/2; + SF[6] = dax_b/2 - dax/2; + SF[7] = daz_b/2 - daz/2; + SF[8] = day_b/2 - day/2; + SF[9] = q1/2; + SF[10] = q2/2; + SF[11] = q3/2; + SF[12] = 2*dvz*q0; + SF[13] = 2*dvy*q1; + + SG[0] = q0/2; + SG[1] = sq(q3); + SG[2] = sq(q2); + SG[3] = sq(q1); + SG[4] = sq(q0); + SG[5] = 2*q2*q3; + SG[6] = 2*q1*q3; + SG[7] = 2*q1*q2; + + SQ[0] = dvzCov*(SG[5] - 2*q0*q1)*(SG[1] - SG[2] - SG[3] + SG[4]) - dvyCov*(SG[5] + 2*q0*q1)*(SG[1] - SG[2] + SG[3] - SG[4]) + dvxCov*(SG[6] - 2*q0*q2)*(SG[7] + 2*q0*q3); + SQ[1] = dvzCov*(SG[6] + 2*q0*q2)*(SG[1] - SG[2] - SG[3] + SG[4]) - dvxCov*(SG[6] - 2*q0*q2)*(SG[1] + SG[2] - SG[3] - SG[4]) + dvyCov*(SG[5] + 2*q0*q1)*(SG[7] - 2*q0*q3); + SQ[2] = dvzCov*(SG[5] - 2*q0*q1)*(SG[6] + 2*q0*q2) - dvyCov*(SG[7] - 2*q0*q3)*(SG[1] - SG[2] + SG[3] - SG[4]) - dvxCov*(SG[7] + 2*q0*q3)*(SG[1] + SG[2] - SG[3] - SG[4]); + SQ[3] = (dayCov*q1*SG[0])/2 - (dazCov*q1*SG[0])/2 - (daxCov*q2*q3)/4; + SQ[4] = (dazCov*q2*SG[0])/2 - (daxCov*q2*SG[0])/2 - (dayCov*q1*q3)/4; + SQ[5] = (daxCov*q3*SG[0])/2 - (dayCov*q3*SG[0])/2 - (dazCov*q1*q2)/4; + SQ[6] = (daxCov*q1*q2)/4 - (dazCov*q3*SG[0])/2 - (dayCov*q1*q2)/4; + SQ[7] = (dazCov*q1*q3)/4 - (daxCov*q1*q3)/4 - (dayCov*q2*SG[0])/2; + SQ[8] = (dayCov*q2*q3)/4 - (daxCov*q1*SG[0])/2 - (dazCov*q2*q3)/4; + SQ[9] = sq(SG[0]); + SQ[10] = sq(q1); + + SPP[0] = SF[12] + SF[13] - 2*dvx*q2; + SPP[1] = 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3 + 2*dvz*q2; + SPP[2] = 2*dvx*q3 + 2*dvy*q0 - 2*dvz*q1; + SPP[3] = SF[11]; + SPP[4] = SF[10]; + SPP[5] = SF[9]; + SPP[6] = SF[7]; + SPP[7] = SF[8]; + + nextP[0][0] = P[0][0] + P[1][0]*SF[6] + P[2][0]*SPP[7] + P[3][0]*SPP[6] + P[10][0]*SPP[5] + P[11][0]*SPP[4] + P[12][0]*SPP[3] + (daxCov*SQ[10])/4 + SF[6]*(P[0][1] + P[1][1]*SF[6] + P[2][1]*SPP[7] + P[3][1]*SPP[6] + P[10][1]*SPP[5] + P[11][1]*SPP[4] + P[12][1]*SPP[3]) + SPP[7]*(P[0][2] + P[1][2]*SF[6] + P[2][2]*SPP[7] + P[3][2]*SPP[6] + P[10][2]*SPP[5] + P[11][2]*SPP[4] + P[12][2]*SPP[3]) + SPP[6]*(P[0][3] + P[1][3]*SF[6] + P[2][3]*SPP[7] + P[3][3]*SPP[6] + P[10][3]*SPP[5] + P[11][3]*SPP[4] + P[12][3]*SPP[3]) + SPP[5]*(P[0][10] + P[1][10]*SF[6] + P[2][10]*SPP[7] + P[3][10]*SPP[6] + P[10][10]*SPP[5] + P[11][10]*SPP[4] + P[12][10]*SPP[3]) + SPP[4]*(P[0][11] + P[1][11]*SF[6] + P[2][11]*SPP[7] + P[3][11]*SPP[6] + P[10][11]*SPP[5] + P[11][11]*SPP[4] + P[12][11]*SPP[3]) + SPP[3]*(P[0][12] + P[1][12]*SF[6] + P[2][12]*SPP[7] + P[3][12]*SPP[6] + P[10][12]*SPP[5] + P[11][12]*SPP[4] + P[12][12]*SPP[3]) + (dayCov*sq(q2))/4 + (dazCov*sq(q3))/4; + nextP[0][1] = P[0][1] + SQ[8] + P[1][1]*SF[6] + P[2][1]*SPP[7] + P[3][1]*SPP[6] + P[10][1]*SPP[5] + P[11][1]*SPP[4] + P[12][1]*SPP[3] + SF[5]*(P[0][0] + P[1][0]*SF[6] + P[2][0]*SPP[7] + P[3][0]*SPP[6] + P[10][0]*SPP[5] + P[11][0]*SPP[4] + P[12][0]*SPP[3]) + SF[4]*(P[0][2] + P[1][2]*SF[6] + P[2][2]*SPP[7] + P[3][2]*SPP[6] + P[10][2]*SPP[5] + P[11][2]*SPP[4] + P[12][2]*SPP[3]) + SPP[7]*(P[0][3] + P[1][3]*SF[6] + P[2][3]*SPP[7] + P[3][3]*SPP[6] + P[10][3]*SPP[5] + P[11][3]*SPP[4] + P[12][3]*SPP[3]) + SPP[3]*(P[0][11] + P[1][11]*SF[6] + P[2][11]*SPP[7] + P[3][11]*SPP[6] + P[10][11]*SPP[5] + P[11][11]*SPP[4] + P[12][11]*SPP[3]) - SPP[4]*(P[0][12] + P[1][12]*SF[6] + P[2][12]*SPP[7] + P[3][12]*SPP[6] + P[10][12]*SPP[5] + P[11][12]*SPP[4] + P[12][12]*SPP[3]) - (q0*(P[0][10] + P[1][10]*SF[6] + P[2][10]*SPP[7] + P[3][10]*SPP[6] + P[10][10]*SPP[5] + P[11][10]*SPP[4] + P[12][10]*SPP[3]))/2; + nextP[0][2] = P[0][2] + SQ[7] + P[1][2]*SF[6] + P[2][2]*SPP[7] + P[3][2]*SPP[6] + P[10][2]*SPP[5] + P[11][2]*SPP[4] + P[12][2]*SPP[3] + SF[3]*(P[0][0] + P[1][0]*SF[6] + P[2][0]*SPP[7] + P[3][0]*SPP[6] + P[10][0]*SPP[5] + P[11][0]*SPP[4] + P[12][0]*SPP[3]) + SF[5]*(P[0][3] + P[1][3]*SF[6] + P[2][3]*SPP[7] + P[3][3]*SPP[6] + P[10][3]*SPP[5] + P[11][3]*SPP[4] + P[12][3]*SPP[3]) + SPP[6]*(P[0][1] + P[1][1]*SF[6] + P[2][1]*SPP[7] + P[3][1]*SPP[6] + P[10][1]*SPP[5] + P[11][1]*SPP[4] + P[12][1]*SPP[3]) - SPP[3]*(P[0][10] + P[1][10]*SF[6] + P[2][10]*SPP[7] + P[3][10]*SPP[6] + P[10][10]*SPP[5] + P[11][10]*SPP[4] + P[12][10]*SPP[3]) + SPP[5]*(P[0][12] + P[1][12]*SF[6] + P[2][12]*SPP[7] + P[3][12]*SPP[6] + P[10][12]*SPP[5] + P[11][12]*SPP[4] + P[12][12]*SPP[3]) - (q0*(P[0][11] + P[1][11]*SF[6] + P[2][11]*SPP[7] + P[3][11]*SPP[6] + P[10][11]*SPP[5] + P[11][11]*SPP[4] + P[12][11]*SPP[3]))/2; 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+ nextP[j][i] = P[j][i]; + } + } + } + + if (onGround || staticMode) { + // copy the portion of the variances we want to + // propagate + for (unsigned i = 0; i < 14; i++) { + P[i][i] = nextP[i][i]; + + // force symmetry for observable states + // force zero for non-observable states + for (unsigned i = 1; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < i; j++) + { + if ((i > 12) || (j > 12)) { + P[i][j] = 0.0f; + } else { + P[i][j] = 0.5f * (nextP[i][j] + nextP[j][i]); + } + P[j][i] = P[i][j]; + } + } + } + + } else { + + // Copy covariance + for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { + P[i][i] = nextP[i][i]; + } + + // force symmetry for observable states + for (unsigned i = 1; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < i; j++) + { + P[i][j] = 0.5f * (nextP[i][j] + nextP[j][i]); + P[j][i] = P[i][j]; + } + } + + } + + ConstrainVariances(); +} + +void AttPosEKF::FuseVelposNED() +{ + +// declare variables used by fault isolation logic + uint32_t gpsRetryTime = 30000; // time in msec before GPS fusion will be retried following innovation consistency failure + uint32_t gpsRetryTimeNoTAS = 5000; // retry time if no TAS measurement available + uint32_t hgtRetryTime = 5000; // height measurement retry time + uint32_t horizRetryTime; + +// declare variables used to check measurement errors + float velInnov[3] = {0.0f,0.0f,0.0f}; + float posInnov[2] = {0.0f,0.0f}; + float hgtInnov = 0.0f; + +// declare variables used to control access to arrays + bool fuseData[6] = {false,false,false,false,false,false}; + uint8_t stateIndex; + uint8_t obsIndex; + uint8_t indexLimit; + +// declare variables used by state and covariance update calculations + float velErr; + float posErr; + float R_OBS[6]; + float observation[6]; + float SK; + float quatMag; + +// Perform sequential fusion of GPS measurements. This assumes that the +// errors in the different velocity and position components are +// uncorrelated which is not true, however in the absence of covariance +// data from the GPS receiver it is the only assumption we can make +// so we might as well take advantage of the computational efficiencies +// associated with sequential fusion + if (fuseVelData || fusePosData || fuseHgtData) + { + // set the GPS data timeout depending on whether airspeed data is present + if (useAirspeed) horizRetryTime = gpsRetryTime; + else horizRetryTime = gpsRetryTimeNoTAS; + + // Form the observation vector + for (uint8_t i=0; i<=2; i++) observation[i] = velNED[i]; + for (uint8_t i=3; i<=4; i++) observation[i] = posNE[i-3]; + observation[5] = -(hgtMea); + + // Estimate the GPS Velocity, GPS horiz position and height measurement variances. + velErr = 0.2f*accNavMag; // additional error in GPS velocities caused by manoeuvring + posErr = 0.2f*accNavMag; // additional error in GPS position caused by manoeuvring + R_OBS[0] = 0.04f + sq(velErr); + R_OBS[1] = R_OBS[0]; + R_OBS[2] = 0.08f + sq(velErr); + R_OBS[3] = R_OBS[2]; + R_OBS[4] = 4.0f + sq(posErr); + R_OBS[5] = 4.0f; + + // Set innovation variances to zero default + for (uint8_t i = 0; i<=5; i++) + { + varInnovVelPos[i] = 0.0f; + } + // calculate innovations and check GPS data validity using an innovation consistency check + if (fuseVelData) + { + // test velocity measurements + uint8_t imax = 2; + if (fusionModeGPS == 1) imax = 1; + for (uint8_t i = 0; i<=imax; i++) + { + velInnov[i] = statesAtVelTime[i+4] - velNED[i]; + stateIndex = 4 + i; + varInnovVelPos[i] = P[stateIndex][stateIndex] + R_OBS[i]; + } + // apply a 5-sigma threshold + current_ekf_state.velHealth = (sq(velInnov[0]) + sq(velInnov[1]) + sq(velInnov[2])) < 25.0f * (varInnovVelPos[0] + varInnovVelPos[1] + varInnovVelPos[2]); + current_ekf_state.velTimeout = (millis() - current_ekf_state.velFailTime) > horizRetryTime; + if (current_ekf_state.velHealth || current_ekf_state.velTimeout) + { + current_ekf_state.velHealth = true; + current_ekf_state.velFailTime = millis(); + } + else + { + current_ekf_state.velHealth = false; + } + } + if (fusePosData) + { + // test horizontal position measurements + posInnov[0] = statesAtPosTime[7] - posNE[0]; + posInnov[1] = statesAtPosTime[8] - posNE[1]; + varInnovVelPos[3] = P[7][7] + R_OBS[3]; + varInnovVelPos[4] = P[8][8] + R_OBS[4]; + // apply a 10-sigma threshold + current_ekf_state.posHealth = (sq(posInnov[0]) + sq(posInnov[1])) < 100.0f*(varInnovVelPos[3] + varInnovVelPos[4]); + current_ekf_state.posTimeout = (millis() - current_ekf_state.posFailTime) > horizRetryTime; + if (current_ekf_state.posHealth || current_ekf_state.posTimeout) + { + current_ekf_state.posHealth = true; + current_ekf_state.posFailTime = millis(); + } + else + { + current_ekf_state.posHealth = false; + } + } + // test height measurements + if (fuseHgtData) + { + hgtInnov = statesAtHgtTime[9] + hgtMea; + varInnovVelPos[5] = P[9][9] + R_OBS[5]; + // apply a 10-sigma threshold + current_ekf_state.hgtHealth = sq(hgtInnov) < 100.0f*varInnovVelPos[5]; + current_ekf_state.hgtTimeout = (millis() - current_ekf_state.hgtFailTime) > hgtRetryTime; + if (current_ekf_state.hgtHealth || current_ekf_state.hgtTimeout) + { + current_ekf_state.hgtHealth = true; + current_ekf_state.hgtFailTime = millis(); + } + else + { + current_ekf_state.hgtHealth = false; + } + } + // Set range for sequential fusion of velocity and position measurements depending + // on which data is available and its health + if (fuseVelData && fusionModeGPS == 0 && current_ekf_state.velHealth) + { + fuseData[0] = true; + fuseData[1] = true; + fuseData[2] = true; + } + if (fuseVelData && fusionModeGPS == 1 && current_ekf_state.velHealth) + { + fuseData[0] = true; + fuseData[1] = true; + } + if (fusePosData && fusionModeGPS <= 2 && current_ekf_state.posHealth) + { + fuseData[3] = true; + fuseData[4] = true; + } + if (fuseHgtData && current_ekf_state.hgtHealth) + { + fuseData[5] = true; + } + // Limit range of states modified when on ground + if(!onGround) + { + indexLimit = 20; + } + else + { + indexLimit = 12; + } + // Fuse measurements sequentially + for (obsIndex=0; obsIndex<=5; obsIndex++) + { + if (fuseData[obsIndex]) + { + stateIndex = 4 + obsIndex; + // Calculate the measurement innovation, using states from a + // different time coordinate if fusing height data + if (obsIndex >= 0 && obsIndex <= 2) + { + innovVelPos[obsIndex] = statesAtVelTime[stateIndex] - observation[obsIndex]; + } + else if (obsIndex == 3 || obsIndex == 4) + { + innovVelPos[obsIndex] = statesAtPosTime[stateIndex] - observation[obsIndex]; + } + else if (obsIndex == 5) + { + innovVelPos[obsIndex] = statesAtHgtTime[stateIndex] - observation[obsIndex]; + } + // Calculate the Kalman Gain + // Calculate innovation variances - also used for data logging + varInnovVelPos[obsIndex] = P[stateIndex][stateIndex] + R_OBS[obsIndex]; + SK = 1.0/varInnovVelPos[obsIndex]; + for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) + { + Kfusion[i] = P[i][stateIndex]*SK; + } + // Calculate state corrections and re-normalise the quaternions + for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) + { + states[i] = states[i] - Kfusion[i] * innovVelPos[obsIndex]; + } + quatMag = sqrt(states[0]*states[0] + states[1]*states[1] + states[2]*states[2] + states[3]*states[3]); + if (quatMag > 1e-12f) // divide by 0 protection + { + for (uint8_t i = 0; i<=3; i++) + { + states[i] = states[i] / quatMag; + } + } + // Update the covariance - take advantage of direct observation of a + // single state at index = stateIndex to reduce computations + // Optimised implementation of standard equation P = (I - K*H)*P; + for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) + { + for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) + { + KHP[i][j] = Kfusion[i] * P[stateIndex][j]; + } + } + for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) + { + for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) + { + P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; + } + } + } + } + } + + ForceSymmetry(); + ConstrainVariances(); + + //printf("velh: %s, posh: %s, hgth: %s\n", ((velHealth) ? "OK" : "FAIL"), ((posHealth) ? "OK" : "FAIL"), ((hgtHealth) ? "OK" : "FAIL")); +} + +void AttPosEKF::FuseMagnetometer() +{ + uint8_t obsIndex; + uint8_t indexLimit; + float DCM[3][3] = + { + {1.0f,0.0f,0.0f} , + {0.0f,1.0f,0.0f} , + {0.0f,0.0f,1.0f} + }; + float MagPred[3] = {0.0f,0.0f,0.0f}; + float SK_MX[6]; + float SK_MY[5]; + float SK_MZ[6]; + float SH_MAG[9] = {0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f}; + +// Perform sequential fusion of Magnetometer measurements. +// This assumes that the errors in the different components are +// uncorrelated which is not true, however in the absence of covariance +// data fit is the only assumption we can make +// so we might as well take advantage of the computational efficiencies +// associated with sequential fusion + if (useCompass && (fuseMagData || obsIndex == 1 || obsIndex == 2)) + { + // Limit range of states modified when on ground + if(!onGround) + { + indexLimit = 20; + } + else + { + indexLimit = 12; + } + + static float q0 = 0.0f; + static float q1 = 0.0f; + static float q2 = 0.0f; + static float q3 = 1.0f; + static float magN = 0.4f; + static float magE = 0.0f; + static float magD = 0.3f; + + static float R_MAG = 0.0025f; + + float H_MAG[21] = {0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f}; + + // Sequential fusion of XYZ components to spread processing load across + // three prediction time steps. + + // Calculate observation jacobians and Kalman gains + if (fuseMagData) + { + static float magXbias = 0.0f; + static float magYbias = 0.0f; + static float magZbias = 0.0f; + + // Copy required states to local variable names + q0 = statesAtMagMeasTime[0]; + q1 = statesAtMagMeasTime[1]; + q2 = statesAtMagMeasTime[2]; + q3 = statesAtMagMeasTime[3]; + magN = statesAtMagMeasTime[15]; + magE = statesAtMagMeasTime[16]; + magD = statesAtMagMeasTime[17]; + magXbias = statesAtMagMeasTime[18]; + magYbias = statesAtMagMeasTime[19]; + magZbias = statesAtMagMeasTime[20]; + + // rotate predicted earth components into body axes and calculate + // predicted measurments + DCM[0][0] = q0*q0 + q1*q1 - q2*q2 - q3*q3; + DCM[0][1] = 2*(q1*q2 + q0*q3); + DCM[0][2] = 2*(q1*q3-q0*q2); + DCM[1][0] = 2*(q1*q2 - q0*q3); + DCM[1][1] = q0*q0 - q1*q1 + q2*q2 - q3*q3; + DCM[1][2] = 2*(q2*q3 + q0*q1); + DCM[2][0] = 2*(q1*q3 + q0*q2); + DCM[2][1] = 2*(q2*q3 - q0*q1); + DCM[2][2] = q0*q0 - q1*q1 - q2*q2 + q3*q3; + MagPred[0] = DCM[0][0]*magN + DCM[0][1]*magE + DCM[0][2]*magD + magXbias; + MagPred[1] = DCM[1][0]*magN + DCM[1][1]*magE + DCM[1][2]*magD + magYbias; + MagPred[2] = DCM[2][0]*magN + DCM[2][1]*magE + DCM[2][2]*magD + magZbias; + + // scale magnetometer observation error with total angular rate + R_MAG = 0.0025f + sq(0.05f*dAngIMU.length()/dtIMU); + + // Calculate observation jacobians + SH_MAG[0] = 2*magD*q3 + 2*magE*q2 + 2*magN*q1; + SH_MAG[1] = 2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2; + SH_MAG[2] = 2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3; + SH_MAG[3] = sq(q3); + SH_MAG[4] = sq(q2); + SH_MAG[5] = sq(q1); + SH_MAG[6] = sq(q0); + SH_MAG[7] = 2*magN*q0; + SH_MAG[8] = 2*magE*q3; + + for (uint8_t i=0; i<=20; i++) H_MAG[i] = 0; + H_MAG[0] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; + H_MAG[1] = SH_MAG[0]; + H_MAG[2] = 2*magE*q1 - 2*magD*q0 - 2*magN*q2; + H_MAG[3] = SH_MAG[2]; + H_MAG[15] = SH_MAG[5] - SH_MAG[4] - SH_MAG[3] + SH_MAG[6]; + H_MAG[16] = 2*q0*q3 + 2*q1*q2; + H_MAG[17] = 2*q1*q3 - 2*q0*q2; + H_MAG[18] = 1.0f; + + // Calculate Kalman gain + SK_MX[0] = 1/(P[18][18] + R_MAG + P[1][18]*SH_MAG[0] + P[3][18]*SH_MAG[2] - P[15][18]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2)*(P[18][2] + P[1][2]*SH_MAG[0] + P[3][2]*SH_MAG[2] - P[15][2]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][2]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][2]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][2]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][2]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[18][0] + P[1][0]*SH_MAG[0] + P[3][0]*SH_MAG[2] - P[15][0]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][0]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][0]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][0]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[18][1] + P[1][1]*SH_MAG[0] + P[3][1]*SH_MAG[2] - P[15][1]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][1]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][1]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][1]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[2]*(P[18][3] + P[1][3]*SH_MAG[0] + P[3][3]*SH_MAG[2] - P[15][3]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][3]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6])*(P[18][15] + P[1][15]*SH_MAG[0] + P[3][15]*SH_MAG[2] - P[15][15]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][15]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][15]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][15]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][15]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[16][18]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][18]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][18]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + (2*q0*q3 + 2*q1*q2)*(P[18][16] + P[1][16]*SH_MAG[0] + P[3][16]*SH_MAG[2] - P[15][16]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][16]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][16]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][16]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (2*q0*q2 - 2*q1*q3)*(P[18][17] + P[1][17]*SH_MAG[0] + P[3][17]*SH_MAG[2] - P[15][17]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][17]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][17]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][17]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[0][18]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); + SK_MX[1] = SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]; + SK_MX[2] = 2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2; + SK_MX[3] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; + SK_MX[4] = 2*q0*q2 - 2*q1*q3; + SK_MX[5] = 2*q0*q3 + 2*q1*q2; + Kfusion[0] = SK_MX[0]*(P[0][18] + P[0][1]*SH_MAG[0] + P[0][3]*SH_MAG[2] + P[0][0]*SK_MX[3] - P[0][2]*SK_MX[2] - P[0][15]*SK_MX[1] + P[0][16]*SK_MX[5] - P[0][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[1] = SK_MX[0]*(P[1][18] + P[1][1]*SH_MAG[0] + P[1][3]*SH_MAG[2] + P[1][0]*SK_MX[3] - P[1][2]*SK_MX[2] - P[1][15]*SK_MX[1] + P[1][16]*SK_MX[5] - P[1][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[2] = SK_MX[0]*(P[2][18] + P[2][1]*SH_MAG[0] + P[2][3]*SH_MAG[2] + P[2][0]*SK_MX[3] - P[2][2]*SK_MX[2] - P[2][15]*SK_MX[1] + P[2][16]*SK_MX[5] - P[2][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[3] = SK_MX[0]*(P[3][18] + P[3][1]*SH_MAG[0] + P[3][3]*SH_MAG[2] + P[3][0]*SK_MX[3] - P[3][2]*SK_MX[2] - P[3][15]*SK_MX[1] + P[3][16]*SK_MX[5] - P[3][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[4] = SK_MX[0]*(P[4][18] + P[4][1]*SH_MAG[0] + P[4][3]*SH_MAG[2] + P[4][0]*SK_MX[3] - P[4][2]*SK_MX[2] - P[4][15]*SK_MX[1] + P[4][16]*SK_MX[5] - P[4][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[5] = SK_MX[0]*(P[5][18] + P[5][1]*SH_MAG[0] + P[5][3]*SH_MAG[2] + P[5][0]*SK_MX[3] - P[5][2]*SK_MX[2] - P[5][15]*SK_MX[1] + P[5][16]*SK_MX[5] - P[5][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[6] = SK_MX[0]*(P[6][18] + P[6][1]*SH_MAG[0] + P[6][3]*SH_MAG[2] + P[6][0]*SK_MX[3] - P[6][2]*SK_MX[2] - P[6][15]*SK_MX[1] + P[6][16]*SK_MX[5] - P[6][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[7] = SK_MX[0]*(P[7][18] + P[7][1]*SH_MAG[0] + P[7][3]*SH_MAG[2] + P[7][0]*SK_MX[3] - P[7][2]*SK_MX[2] - P[7][15]*SK_MX[1] + P[7][16]*SK_MX[5] - P[7][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[8] = SK_MX[0]*(P[8][18] + P[8][1]*SH_MAG[0] + P[8][3]*SH_MAG[2] + P[8][0]*SK_MX[3] - P[8][2]*SK_MX[2] - P[8][15]*SK_MX[1] + P[8][16]*SK_MX[5] - P[8][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[9] = SK_MX[0]*(P[9][18] + P[9][1]*SH_MAG[0] + P[9][3]*SH_MAG[2] + P[9][0]*SK_MX[3] - P[9][2]*SK_MX[2] - P[9][15]*SK_MX[1] + P[9][16]*SK_MX[5] - P[9][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[10] = SK_MX[0]*(P[10][18] + P[10][1]*SH_MAG[0] + P[10][3]*SH_MAG[2] + P[10][0]*SK_MX[3] - P[10][2]*SK_MX[2] - P[10][15]*SK_MX[1] + P[10][16]*SK_MX[5] - P[10][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[11] = SK_MX[0]*(P[11][18] + P[11][1]*SH_MAG[0] + P[11][3]*SH_MAG[2] + P[11][0]*SK_MX[3] - P[11][2]*SK_MX[2] - P[11][15]*SK_MX[1] + P[11][16]*SK_MX[5] - P[11][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[12] = SK_MX[0]*(P[12][18] + P[12][1]*SH_MAG[0] + P[12][3]*SH_MAG[2] + P[12][0]*SK_MX[3] - P[12][2]*SK_MX[2] - P[12][15]*SK_MX[1] + P[12][16]*SK_MX[5] - P[12][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[13] = SK_MX[0]*(P[13][18] + P[13][1]*SH_MAG[0] + P[13][3]*SH_MAG[2] + P[13][0]*SK_MX[3] - P[13][2]*SK_MX[2] - P[13][15]*SK_MX[1] + P[13][16]*SK_MX[5] - P[13][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[14] = SK_MX[0]*(P[14][18] + P[14][1]*SH_MAG[0] + P[14][3]*SH_MAG[2] + P[14][0]*SK_MX[3] - P[14][2]*SK_MX[2] - P[14][15]*SK_MX[1] + P[14][16]*SK_MX[5] - P[14][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[15] = SK_MX[0]*(P[15][18] + P[15][1]*SH_MAG[0] + P[15][3]*SH_MAG[2] + P[15][0]*SK_MX[3] - P[15][2]*SK_MX[2] - P[15][15]*SK_MX[1] + P[15][16]*SK_MX[5] - P[15][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[16] = SK_MX[0]*(P[16][18] + P[16][1]*SH_MAG[0] + P[16][3]*SH_MAG[2] + P[16][0]*SK_MX[3] - P[16][2]*SK_MX[2] - P[16][15]*SK_MX[1] + P[16][16]*SK_MX[5] - P[16][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[17] = SK_MX[0]*(P[17][18] + P[17][1]*SH_MAG[0] + P[17][3]*SH_MAG[2] + P[17][0]*SK_MX[3] - P[17][2]*SK_MX[2] - P[17][15]*SK_MX[1] + P[17][16]*SK_MX[5] - P[17][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[18] = SK_MX[0]*(P[18][18] + P[18][1]*SH_MAG[0] + P[18][3]*SH_MAG[2] + P[18][0]*SK_MX[3] - P[18][2]*SK_MX[2] - P[18][15]*SK_MX[1] + P[18][16]*SK_MX[5] - P[18][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[19] = SK_MX[0]*(P[19][18] + P[19][1]*SH_MAG[0] + P[19][3]*SH_MAG[2] + P[19][0]*SK_MX[3] - P[19][2]*SK_MX[2] - P[19][15]*SK_MX[1] + P[19][16]*SK_MX[5] - P[19][17]*SK_MX[4]); + Kfusion[20] = SK_MX[0]*(P[20][18] + P[20][1]*SH_MAG[0] + P[20][3]*SH_MAG[2] + P[20][0]*SK_MX[3] - P[20][2]*SK_MX[2] - P[20][15]*SK_MX[1] + P[20][16]*SK_MX[5] - P[20][17]*SK_MX[4]); + varInnovMag[0] = 1.0f/SK_MX[0]; + innovMag[0] = MagPred[0] - magData.x; + + // reset the observation index to 0 (we start by fusing the X + // measurement) + obsIndex = 0; + } + else if (obsIndex == 1) // we are now fusing the Y measurement + { + // Calculate observation jacobians + for (unsigned int i=0; i<n_states; i++) H_MAG[i] = 0; + H_MAG[0] = SH_MAG[2]; + H_MAG[1] = SH_MAG[1]; + H_MAG[2] = SH_MAG[0]; + H_MAG[3] = 2*magD*q2 - SH_MAG[8] - SH_MAG[7]; + H_MAG[15] = 2*q1*q2 - 2*q0*q3; + H_MAG[16] = SH_MAG[4] - SH_MAG[3] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + H_MAG[17] = 2*q0*q1 + 2*q2*q3; + H_MAG[19] = 1; + + // Calculate Kalman gain + SK_MY[0] = 1/(P[19][19] + R_MAG + P[0][19]*SH_MAG[2] + P[1][19]*SH_MAG[1] + P[2][19]*SH_MAG[0] - P[16][19]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*q0*q3 - 2*q1*q2)*(P[19][15] + P[0][15]*SH_MAG[2] + P[1][15]*SH_MAG[1] + P[2][15]*SH_MAG[0] - P[16][15]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][15]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][15]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][15]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (2*q0*q1 + 2*q2*q3)*(P[19][17] + P[0][17]*SH_MAG[2] + P[1][17]*SH_MAG[1] + P[2][17]*SH_MAG[0] - P[16][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][17]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][17]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[19][3] + P[0][3]*SH_MAG[2] + P[1][3]*SH_MAG[1] + P[2][3]*SH_MAG[0] - P[16][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][3]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][3]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[15][19]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][19]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) + SH_MAG[2]*(P[19][0] + P[0][0]*SH_MAG[2] + P[1][0]*SH_MAG[1] + P[2][0]*SH_MAG[0] - P[16][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][0]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][0]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[1]*(P[19][1] + P[0][1]*SH_MAG[2] + P[1][1]*SH_MAG[1] + P[2][1]*SH_MAG[0] - P[16][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][1]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][1]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[19][2] + P[0][2]*SH_MAG[2] + P[1][2]*SH_MAG[1] + P[2][2]*SH_MAG[0] - P[16][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][2]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][2]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][2]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6])*(P[19][16] + P[0][16]*SH_MAG[2] + P[1][16]*SH_MAG[1] + P[2][16]*SH_MAG[0] - P[16][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][16]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][16]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[3][19]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); + SK_MY[1] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]; + SK_MY[2] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; + SK_MY[3] = 2*q0*q3 - 2*q1*q2; + SK_MY[4] = 2*q0*q1 + 2*q2*q3; + Kfusion[0] = SK_MY[0]*(P[0][19] + P[0][0]*SH_MAG[2] + P[0][1]*SH_MAG[1] + P[0][2]*SH_MAG[0] - P[0][3]*SK_MY[2] - P[0][16]*SK_MY[1] - P[0][15]*SK_MY[3] + P[0][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[1] = SK_MY[0]*(P[1][19] + P[1][0]*SH_MAG[2] + P[1][1]*SH_MAG[1] + P[1][2]*SH_MAG[0] - P[1][3]*SK_MY[2] - P[1][16]*SK_MY[1] - P[1][15]*SK_MY[3] + P[1][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[2] = SK_MY[0]*(P[2][19] + P[2][0]*SH_MAG[2] + P[2][1]*SH_MAG[1] + P[2][2]*SH_MAG[0] - P[2][3]*SK_MY[2] - P[2][16]*SK_MY[1] - P[2][15]*SK_MY[3] + P[2][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[3] = SK_MY[0]*(P[3][19] + P[3][0]*SH_MAG[2] + P[3][1]*SH_MAG[1] + P[3][2]*SH_MAG[0] - P[3][3]*SK_MY[2] - P[3][16]*SK_MY[1] - P[3][15]*SK_MY[3] + P[3][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[4] = SK_MY[0]*(P[4][19] + P[4][0]*SH_MAG[2] + P[4][1]*SH_MAG[1] + P[4][2]*SH_MAG[0] - P[4][3]*SK_MY[2] - P[4][16]*SK_MY[1] - P[4][15]*SK_MY[3] + P[4][17]*SK_MY[4]); 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+ Kfusion[17] = SK_MY[0]*(P[17][19] + P[17][0]*SH_MAG[2] + P[17][1]*SH_MAG[1] + P[17][2]*SH_MAG[0] - P[17][3]*SK_MY[2] - P[17][16]*SK_MY[1] - P[17][15]*SK_MY[3] + P[17][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[18] = SK_MY[0]*(P[18][19] + P[18][0]*SH_MAG[2] + P[18][1]*SH_MAG[1] + P[18][2]*SH_MAG[0] - P[18][3]*SK_MY[2] - P[18][16]*SK_MY[1] - P[18][15]*SK_MY[3] + P[18][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[19] = SK_MY[0]*(P[19][19] + P[19][0]*SH_MAG[2] + P[19][1]*SH_MAG[1] + P[19][2]*SH_MAG[0] - P[19][3]*SK_MY[2] - P[19][16]*SK_MY[1] - P[19][15]*SK_MY[3] + P[19][17]*SK_MY[4]); + Kfusion[20] = SK_MY[0]*(P[20][19] + P[20][0]*SH_MAG[2] + P[20][1]*SH_MAG[1] + P[20][2]*SH_MAG[0] - P[20][3]*SK_MY[2] - P[20][16]*SK_MY[1] - P[20][15]*SK_MY[3] + P[20][17]*SK_MY[4]); + varInnovMag[1] = 1.0f/SK_MY[0]; + innovMag[1] = MagPred[1] - magData.y; + } + else if (obsIndex == 2) // we are now fusing the Z measurement + { + // Calculate observation jacobians + for (uint8_t i=0; i<=20; i++) H_MAG[i] = 0; + H_MAG[0] = SH_MAG[1]; + H_MAG[1] = 2*magN*q3 - 2*magE*q0 - 2*magD*q1; + H_MAG[2] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; + H_MAG[3] = SH_MAG[0]; + H_MAG[15] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; + H_MAG[16] = 2*q2*q3 - 2*q0*q1; + H_MAG[17] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + H_MAG[20] = 1; + + // Calculate Kalman gain + SK_MZ[0] = 1/(P[20][20] + R_MAG + P[0][20]*SH_MAG[1] + P[3][20]*SH_MAG[0] + P[17][20]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) - (2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3)*(P[20][1] + P[0][1]*SH_MAG[1] + P[3][1]*SH_MAG[0] + P[17][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][1]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][1]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][1]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[20][2] + P[0][2]*SH_MAG[1] + P[3][2]*SH_MAG[0] + P[17][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][2]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][2]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][2]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][2]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[1]*(P[20][0] + P[0][0]*SH_MAG[1] + P[3][0]*SH_MAG[0] + P[17][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][0]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][0]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][0]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[20][3] + P[0][3]*SH_MAG[1] + P[3][3]*SH_MAG[0] + P[17][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][3]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][3]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][3]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6])*(P[20][17] + P[0][17]*SH_MAG[1] + P[3][17]*SH_MAG[0] + P[17][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][17]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][17]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][17]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[15][20]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][20]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][20]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + (2*q0*q2 + 2*q1*q3)*(P[20][15] + P[0][15]*SH_MAG[1] + P[3][15]*SH_MAG[0] + P[17][15]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][15]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][15]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][15]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][15]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (2*q0*q1 - 2*q2*q3)*(P[20][16] + P[0][16]*SH_MAG[1] + P[3][16]*SH_MAG[0] + P[17][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][16]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][16]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][16]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[2][20]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); + SK_MZ[1] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + SK_MZ[2] = 2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3; + SK_MZ[3] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; + SK_MZ[4] = 2*q0*q1 - 2*q2*q3; + SK_MZ[5] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; + Kfusion[0] = SK_MZ[0]*(P[0][20] + P[0][0]*SH_MAG[1] + P[0][3]*SH_MAG[0] - P[0][1]*SK_MZ[2] + P[0][2]*SK_MZ[3] + P[0][17]*SK_MZ[1] + P[0][15]*SK_MZ[5] - P[0][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[1] = SK_MZ[0]*(P[1][20] + P[1][0]*SH_MAG[1] + P[1][3]*SH_MAG[0] - P[1][1]*SK_MZ[2] + P[1][2]*SK_MZ[3] + P[1][17]*SK_MZ[1] + P[1][15]*SK_MZ[5] - P[1][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[2] = SK_MZ[0]*(P[2][20] + P[2][0]*SH_MAG[1] + P[2][3]*SH_MAG[0] - P[2][1]*SK_MZ[2] + P[2][2]*SK_MZ[3] + P[2][17]*SK_MZ[1] + P[2][15]*SK_MZ[5] - P[2][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[3] = SK_MZ[0]*(P[3][20] + P[3][0]*SH_MAG[1] + P[3][3]*SH_MAG[0] - P[3][1]*SK_MZ[2] + P[3][2]*SK_MZ[3] + P[3][17]*SK_MZ[1] + P[3][15]*SK_MZ[5] - P[3][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[4] = SK_MZ[0]*(P[4][20] + P[4][0]*SH_MAG[1] + P[4][3]*SH_MAG[0] - P[4][1]*SK_MZ[2] + P[4][2]*SK_MZ[3] + P[4][17]*SK_MZ[1] + P[4][15]*SK_MZ[5] - P[4][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[5] = SK_MZ[0]*(P[5][20] + P[5][0]*SH_MAG[1] + P[5][3]*SH_MAG[0] - P[5][1]*SK_MZ[2] + P[5][2]*SK_MZ[3] + P[5][17]*SK_MZ[1] + P[5][15]*SK_MZ[5] - P[5][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[6] = SK_MZ[0]*(P[6][20] + P[6][0]*SH_MAG[1] + P[6][3]*SH_MAG[0] - P[6][1]*SK_MZ[2] + P[6][2]*SK_MZ[3] + P[6][17]*SK_MZ[1] + P[6][15]*SK_MZ[5] - P[6][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[7] = SK_MZ[0]*(P[7][20] + P[7][0]*SH_MAG[1] + P[7][3]*SH_MAG[0] - P[7][1]*SK_MZ[2] + P[7][2]*SK_MZ[3] + P[7][17]*SK_MZ[1] + P[7][15]*SK_MZ[5] - P[7][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[8] = SK_MZ[0]*(P[8][20] + P[8][0]*SH_MAG[1] + P[8][3]*SH_MAG[0] - P[8][1]*SK_MZ[2] + P[8][2]*SK_MZ[3] + P[8][17]*SK_MZ[1] + P[8][15]*SK_MZ[5] - P[8][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[9] = SK_MZ[0]*(P[9][20] + P[9][0]*SH_MAG[1] + P[9][3]*SH_MAG[0] - P[9][1]*SK_MZ[2] + P[9][2]*SK_MZ[3] + P[9][17]*SK_MZ[1] + P[9][15]*SK_MZ[5] - P[9][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[10] = SK_MZ[0]*(P[10][20] + P[10][0]*SH_MAG[1] + P[10][3]*SH_MAG[0] - P[10][1]*SK_MZ[2] + P[10][2]*SK_MZ[3] + P[10][17]*SK_MZ[1] + P[10][15]*SK_MZ[5] - P[10][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[11] = SK_MZ[0]*(P[11][20] + P[11][0]*SH_MAG[1] + P[11][3]*SH_MAG[0] - P[11][1]*SK_MZ[2] + P[11][2]*SK_MZ[3] + P[11][17]*SK_MZ[1] + P[11][15]*SK_MZ[5] - P[11][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[12] = SK_MZ[0]*(P[12][20] + P[12][0]*SH_MAG[1] + P[12][3]*SH_MAG[0] - P[12][1]*SK_MZ[2] + P[12][2]*SK_MZ[3] + P[12][17]*SK_MZ[1] + P[12][15]*SK_MZ[5] - P[12][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[13] = SK_MZ[0]*(P[13][20] + P[13][0]*SH_MAG[1] + P[13][3]*SH_MAG[0] - P[13][1]*SK_MZ[2] + P[13][2]*SK_MZ[3] + P[13][17]*SK_MZ[1] + P[13][15]*SK_MZ[5] - P[13][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[14] = SK_MZ[0]*(P[14][20] + P[14][0]*SH_MAG[1] + P[14][3]*SH_MAG[0] - P[14][1]*SK_MZ[2] + P[14][2]*SK_MZ[3] + P[14][17]*SK_MZ[1] + P[14][15]*SK_MZ[5] - P[14][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[15] = SK_MZ[0]*(P[15][20] + P[15][0]*SH_MAG[1] + P[15][3]*SH_MAG[0] - P[15][1]*SK_MZ[2] + P[15][2]*SK_MZ[3] + P[15][17]*SK_MZ[1] + P[15][15]*SK_MZ[5] - P[15][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[16] = SK_MZ[0]*(P[16][20] + P[16][0]*SH_MAG[1] + P[16][3]*SH_MAG[0] - P[16][1]*SK_MZ[2] + P[16][2]*SK_MZ[3] + P[16][17]*SK_MZ[1] + P[16][15]*SK_MZ[5] - P[16][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[17] = SK_MZ[0]*(P[17][20] + P[17][0]*SH_MAG[1] + P[17][3]*SH_MAG[0] - P[17][1]*SK_MZ[2] + P[17][2]*SK_MZ[3] + P[17][17]*SK_MZ[1] + P[17][15]*SK_MZ[5] - P[17][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[18] = SK_MZ[0]*(P[18][20] + P[18][0]*SH_MAG[1] + P[18][3]*SH_MAG[0] - P[18][1]*SK_MZ[2] + P[18][2]*SK_MZ[3] + P[18][17]*SK_MZ[1] + P[18][15]*SK_MZ[5] - P[18][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[19] = SK_MZ[0]*(P[19][20] + P[19][0]*SH_MAG[1] + P[19][3]*SH_MAG[0] - P[19][1]*SK_MZ[2] + P[19][2]*SK_MZ[3] + P[19][17]*SK_MZ[1] + P[19][15]*SK_MZ[5] - P[19][16]*SK_MZ[4]); + Kfusion[20] = SK_MZ[0]*(P[20][20] + P[20][0]*SH_MAG[1] + P[20][3]*SH_MAG[0] - P[20][1]*SK_MZ[2] + P[20][2]*SK_MZ[3] + P[20][17]*SK_MZ[1] + P[20][15]*SK_MZ[5] - P[20][16]*SK_MZ[4]); + varInnovMag[2] = 1.0f/SK_MZ[0]; + innovMag[2] = MagPred[2] - magData.z; + + } + + // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma + if ((innovMag[obsIndex]*innovMag[obsIndex]/varInnovMag[obsIndex]) < 25.0) + { + // correct the state vector + for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) + { + states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovMag[obsIndex]; + } + // normalise the quaternion states + float quatMag = sqrt(states[0]*states[0] + states[1]*states[1] + states[2]*states[2] + states[3]*states[3]); + if (quatMag > 1e-12) + { + for (uint8_t j= 0; j<=3; j++) + { + float quatMagInv = 1.0f/quatMag; + states[j] = states[j] * quatMagInv; + } + } + // correct the covariance P = (I - K*H)*P + // take advantage of the empty columns in KH to reduce the + // number of operations + for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j<=3; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; + } + for (uint8_t j = 4; j<=17; j++) KH[i][j] = 0.0f; + if (!onGround) + { + for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; + } + } + else + { + for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) + { + KH[i][j] = 0.0f; + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j<=indexLimit; j++) + { + KHP[i][j] = 0.0f; + for (uint8_t k = 0; k<=3; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + if (!onGround) + { + for (uint8_t k = 15; k<=20; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + } + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j<=indexLimit; j++) + { + P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; + } + } + } + obsIndex = obsIndex + 1; + + ForceSymmetry(); + ConstrainVariances(); +} + +void AttPosEKF::FuseAirspeed() +{ + float vn; + float ve; + float vd; + float vwn; + float vwe; + const float R_TAS = 2.0f; + float SH_TAS[3]; + float Kfusion[21]; + float VtasPred; + + // Copy required states to local variable names + vn = statesAtVtasMeasTime[4]; + ve = statesAtVtasMeasTime[5]; + vd = statesAtVtasMeasTime[6]; + vwn = statesAtVtasMeasTime[13]; + vwe = statesAtVtasMeasTime[14]; + + // Need to check that it is flying before fusing airspeed data + // Calculate the predicted airspeed + VtasPred = sqrtf((ve - vwe)*(ve - vwe) + (vn - vwn)*(vn - vwn) + vd*vd); + // Perform fusion of True Airspeed measurement + if (useAirspeed && fuseVtasData && (VtasPred > 1.0f) && (VtasMeas > 8.0f)) + { + // Calculate observation jacobians + SH_TAS[0] = 1/(sqrt(sq(ve - vwe) + sq(vn - vwn) + sq(vd))); + SH_TAS[1] = (SH_TAS[0]*(2.0f*ve - 2*vwe))/2.0f; + SH_TAS[2] = (SH_TAS[0]*(2.0f*vn - 2*vwn))/2.0f; + + float H_TAS[21]; + for (uint8_t i=0; i<=20; i++) H_TAS[i] = 0.0f; + H_TAS[4] = SH_TAS[2]; + H_TAS[5] = SH_TAS[1]; + H_TAS[6] = vd*SH_TAS[0]; + H_TAS[13] = -SH_TAS[2]; + H_TAS[14] = -SH_TAS[1]; + + // Calculate Kalman gains + float SK_TAS = 1.0f/(R_TAS + SH_TAS[2]*(P[4][4]*SH_TAS[2] + P[5][4]*SH_TAS[1] - P[13][4]*SH_TAS[2] - P[14][4]*SH_TAS[1] + P[6][4]*vd*SH_TAS[0]) + SH_TAS[1]*(P[4][5]*SH_TAS[2] + P[5][5]*SH_TAS[1] - P[13][5]*SH_TAS[2] - P[14][5]*SH_TAS[1] + P[6][5]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[2]*(P[4][13]*SH_TAS[2] + P[5][13]*SH_TAS[1] - P[13][13]*SH_TAS[2] - P[14][13]*SH_TAS[1] + P[6][13]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[1]*(P[4][14]*SH_TAS[2] + P[5][14]*SH_TAS[1] - P[13][14]*SH_TAS[2] - P[14][14]*SH_TAS[1] + P[6][14]*vd*SH_TAS[0]) + vd*SH_TAS[0]*(P[4][6]*SH_TAS[2] + P[5][6]*SH_TAS[1] - P[13][6]*SH_TAS[2] - P[14][6]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0])); + Kfusion[0] = SK_TAS*(P[0][4]*SH_TAS[2] - P[0][13]*SH_TAS[2] + P[0][5]*SH_TAS[1] - P[0][14]*SH_TAS[1] + P[0][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[1] = SK_TAS*(P[1][4]*SH_TAS[2] - P[1][13]*SH_TAS[2] + P[1][5]*SH_TAS[1] - P[1][14]*SH_TAS[1] + P[1][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[2] = SK_TAS*(P[2][4]*SH_TAS[2] - P[2][13]*SH_TAS[2] + P[2][5]*SH_TAS[1] - P[2][14]*SH_TAS[1] + P[2][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[3] = SK_TAS*(P[3][4]*SH_TAS[2] - P[3][13]*SH_TAS[2] + P[3][5]*SH_TAS[1] - P[3][14]*SH_TAS[1] + P[3][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[4] = SK_TAS*(P[4][4]*SH_TAS[2] - P[4][13]*SH_TAS[2] + P[4][5]*SH_TAS[1] - P[4][14]*SH_TAS[1] + P[4][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[5] = SK_TAS*(P[5][4]*SH_TAS[2] - P[5][13]*SH_TAS[2] + P[5][5]*SH_TAS[1] - P[5][14]*SH_TAS[1] + P[5][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[6] = SK_TAS*(P[6][4]*SH_TAS[2] - P[6][13]*SH_TAS[2] + P[6][5]*SH_TAS[1] - P[6][14]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[7] = SK_TAS*(P[7][4]*SH_TAS[2] - P[7][13]*SH_TAS[2] + P[7][5]*SH_TAS[1] - P[7][14]*SH_TAS[1] + P[7][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[8] = SK_TAS*(P[8][4]*SH_TAS[2] - P[8][13]*SH_TAS[2] + P[8][5]*SH_TAS[1] - P[8][14]*SH_TAS[1] + P[8][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[9] = SK_TAS*(P[9][4]*SH_TAS[2] - P[9][13]*SH_TAS[2] + P[9][5]*SH_TAS[1] - P[9][14]*SH_TAS[1] + P[9][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[10] = SK_TAS*(P[10][4]*SH_TAS[2] - P[10][13]*SH_TAS[2] + P[10][5]*SH_TAS[1] - P[10][14]*SH_TAS[1] + P[10][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[11] = SK_TAS*(P[11][4]*SH_TAS[2] - P[11][13]*SH_TAS[2] + P[11][5]*SH_TAS[1] - P[11][14]*SH_TAS[1] + P[11][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[12] = SK_TAS*(P[12][4]*SH_TAS[2] - P[12][13]*SH_TAS[2] + P[12][5]*SH_TAS[1] - P[12][14]*SH_TAS[1] + P[12][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[13] = SK_TAS*(P[13][4]*SH_TAS[2] - P[13][13]*SH_TAS[2] + P[13][5]*SH_TAS[1] - P[13][14]*SH_TAS[1] + P[13][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[14] = SK_TAS*(P[14][4]*SH_TAS[2] - P[14][13]*SH_TAS[2] + P[14][5]*SH_TAS[1] - P[14][14]*SH_TAS[1] + P[14][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[15] = SK_TAS*(P[15][4]*SH_TAS[2] - P[15][13]*SH_TAS[2] + P[15][5]*SH_TAS[1] - P[15][14]*SH_TAS[1] + P[15][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[16] = SK_TAS*(P[16][4]*SH_TAS[2] - P[16][13]*SH_TAS[2] + P[16][5]*SH_TAS[1] - P[16][14]*SH_TAS[1] + P[16][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[17] = SK_TAS*(P[17][4]*SH_TAS[2] - P[17][13]*SH_TAS[2] + P[17][5]*SH_TAS[1] - P[17][14]*SH_TAS[1] + P[17][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[18] = SK_TAS*(P[18][4]*SH_TAS[2] - P[18][13]*SH_TAS[2] + P[18][5]*SH_TAS[1] - P[18][14]*SH_TAS[1] + P[18][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[19] = SK_TAS*(P[19][4]*SH_TAS[2] - P[19][13]*SH_TAS[2] + P[19][5]*SH_TAS[1] - P[19][14]*SH_TAS[1] + P[19][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[20] = SK_TAS*(P[20][4]*SH_TAS[2] - P[20][13]*SH_TAS[2] + P[20][5]*SH_TAS[1] - P[20][14]*SH_TAS[1] + P[20][6]*vd*SH_TAS[0]); + varInnovVtas = 1.0f/SK_TAS; + + // Calculate the measurement innovation + innovVtas = VtasPred - VtasMeas; + // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma + if ((innovVtas*innovVtas*SK_TAS) < 25.0) + { + // correct the state vector + for (uint8_t j=0; j<=20; j++) + { + states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovVtas; + } + // normalise the quaternion states + float quatMag = sqrt(states[0]*states[0] + states[1]*states[1] + states[2]*states[2] + states[3]*states[3]); + if (quatMag > 1e-12f) + { + for (uint8_t j= 0; j<=3; j++) + { + float quatMagInv = 1.0f/quatMag; + states[j] = states[j] * quatMagInv; + } + } + // correct the covariance P = (I - K*H)*P + // take advantage of the empty columns in H to reduce the + // number of operations + for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j<=3; j++) KH[i][j] = 0.0; + for (uint8_t j = 4; j<=6; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_TAS[j]; + } + for (uint8_t j = 7; j<=12; j++) KH[i][j] = 0.0; + for (uint8_t j = 13; j<=14; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_TAS[j]; + } + for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) KH[i][j] = 0.0; + } + for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j<=20; j++) + { + KHP[i][j] = 0.0; + for (uint8_t k = 4; k<=6; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + for (uint8_t k = 13; k<=14; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j<=20; j++) + { + P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; + } + } + } + } + + ForceSymmetry(); + ConstrainVariances(); +} + +void AttPosEKF::zeroRows(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last) +{ + uint8_t row; + uint8_t col; + for (row=first; row<=last; row++) + { + for (col=0; col<n_states; col++) + { + covMat[row][col] = 0.0; + } + } +} + +void AttPosEKF::zeroCols(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last) +{ + uint8_t row; + uint8_t col; + for (col=first; col<=last; col++) + { + for (row=0; row < n_states; row++) + { + covMat[row][col] = 0.0; + } + } +} + +float AttPosEKF::sq(float valIn) +{ + return valIn*valIn; +} + +// Store states in a history array along with time stamp +void AttPosEKF::StoreStates(uint64_t timestamp_ms) +{ + for (unsigned i=0; i<n_states; i++) + storedStates[i][storeIndex] = states[i]; + statetimeStamp[storeIndex] = timestamp_ms; + storeIndex++; + if (storeIndex == data_buffer_size) + storeIndex = 0; +} + +void AttPosEKF::ResetStoredStates() +{ + // reset all stored states + memset(&storedStates[0][0], 0, sizeof(storedStates)); + memset(&statetimeStamp[0], 0, sizeof(statetimeStamp)); + + // reset store index to first + storeIndex = 0; + + // overwrite all existing states + for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { + storedStates[i][storeIndex] = states[i]; + } + + statetimeStamp[storeIndex] = millis(); + + // increment to next storage index + storeIndex++; +} + +// Output the state vector stored at the time that best matches that specified by msec +int AttPosEKF::RecallStates(float statesForFusion[n_states], uint64_t msec) +{ + int ret = 0; + + // int64_t bestTimeDelta = 200; + // unsigned bestStoreIndex = 0; + // for (unsigned storeIndex = 0; storeIndex < data_buffer_size; storeIndex++) + // { + // // The time delta can also end up as negative number, + // // since we might compare future to past or past to future + // // therefore cast to int64. + // int64_t timeDelta = (int64_t)msec - (int64_t)statetimeStamp[storeIndex]; + // if (timeDelta < 0) { + // timeDelta = -timeDelta; + // } + + // if (timeDelta < bestTimeDelta) + // { + // bestStoreIndex = storeIndex; + // bestTimeDelta = timeDelta; + // } + // } + // if (bestTimeDelta < 200) // only output stored state if < 200 msec retrieval error + // { + // for (uint8_t i=0; i < n_states; i++) { + // if (isfinite(storedStates[i][bestStoreIndex])) { + // statesForFusion[i] = storedStates[i][bestStoreIndex]; + // } else if (isfinite(states[i])) { + // statesForFusion[i] = states[i]; + // } else { + // // There is not much we can do here, except reporting the error we just + // // found. + // ret++; + // } + // } + // else // otherwise output current state + // { + for (uint8_t i=0; i < n_states; i++) { + if (isfinite(states[i])) { + statesForFusion[i] = states[i]; + } else { + ret++; + } + } + // } + + return ret; +} + +void AttPosEKF::quat2Tnb(Mat3f &Tnb, const float (&quat)[4]) +{ + // Calculate the nav to body cosine matrix + float q00 = sq(quat[0]); + float q11 = sq(quat[1]); + float q22 = sq(quat[2]); + float q33 = sq(quat[3]); + float q01 = quat[0]*quat[1]; + float q02 = quat[0]*quat[2]; + float q03 = quat[0]*quat[3]; + float q12 = quat[1]*quat[2]; + float q13 = quat[1]*quat[3]; + float q23 = quat[2]*quat[3]; + + Tnb.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; + Tnb.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; + Tnb.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; + Tnb.y.x = 2*(q12 - q03); + Tnb.z.x = 2*(q13 + q02); + Tnb.x.y = 2*(q12 + q03); + Tnb.z.y = 2*(q23 - q01); + Tnb.x.z = 2*(q13 - q02); + Tnb.y.z = 2*(q23 + q01); +} + +void AttPosEKF::quat2Tbn(Mat3f &Tbn, const float (&quat)[4]) +{ + // Calculate the body to nav cosine matrix + float q00 = sq(quat[0]); + float q11 = sq(quat[1]); + float q22 = sq(quat[2]); + float q33 = sq(quat[3]); + float q01 = quat[0]*quat[1]; + float q02 = quat[0]*quat[2]; + float q03 = quat[0]*quat[3]; + float q12 = quat[1]*quat[2]; + float q13 = quat[1]*quat[3]; + float q23 = quat[2]*quat[3]; + + Tbn.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; + Tbn.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; + Tbn.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; + Tbn.x.y = 2*(q12 - q03); + Tbn.x.z = 2*(q13 + q02); + Tbn.y.x = 2*(q12 + q03); + Tbn.y.z = 2*(q23 - q01); + Tbn.z.x = 2*(q13 - q02); + Tbn.z.y = 2*(q23 + q01); +} + +void AttPosEKF::eul2quat(float (&quat)[4], const float (&eul)[3]) +{ + float u1 = cos(0.5f*eul[0]); + float u2 = cos(0.5f*eul[1]); + float u3 = cos(0.5f*eul[2]); + float u4 = sin(0.5f*eul[0]); + float u5 = sin(0.5f*eul[1]); + float u6 = sin(0.5f*eul[2]); + quat[0] = u1*u2*u3+u4*u5*u6; + quat[1] = u4*u2*u3-u1*u5*u6; + quat[2] = u1*u5*u3+u4*u2*u6; + quat[3] = u1*u2*u6-u4*u5*u3; +} + +void AttPosEKF::quat2eul(float (&y)[3], const float (&u)[4]) +{ + y[0] = atan2f((2.0f*(u[2]*u[3]+u[0]*u[1])) , (u[0]*u[0]-u[1]*u[1]-u[2]*u[2]+u[3]*u[3])); + y[1] = -asinf(2.0f*(u[1]*u[3]-u[0]*u[2])); + y[2] = atan2f((2.0f*(u[1]*u[2]+u[0]*u[3])) , (u[0]*u[0]+u[1]*u[1]-u[2]*u[2]-u[3]*u[3])); +} + +void AttPosEKF::calcvelNED(float (&velNED)[3], float gpsCourse, float gpsGndSpd, float gpsVelD) +{ + velNED[0] = gpsGndSpd*cosf(gpsCourse); + velNED[1] = gpsGndSpd*sinf(gpsCourse); + velNED[2] = gpsVelD; +} + +void AttPosEKF::calcposNED(float (&posNED)[3], float lat, float lon, float hgt, float latRef, float lonRef, float hgtRef) +{ + posNED[0] = earthRadius * (lat - latRef); + posNED[1] = earthRadius * cos(latRef) * (lon - lonRef); + posNED[2] = -(hgt - hgtRef); +} + +void AttPosEKF::calcLLH(float (&posNED)[3], float lat, float lon, float hgt, float latRef, float lonRef, float hgtRef) +{ + lat = latRef + posNED[0] * earthRadiusInv; + lon = lonRef + posNED[1] * earthRadiusInv / cos(latRef); + hgt = hgtRef - posNED[2]; +} + +void AttPosEKF::OnGroundCheck() +{ + onGround = (((sq(velNED[0]) + sq(velNED[1]) + sq(velNED[2])) < 4.0f) && (VtasMeas < 8.0f)); + if (staticMode) { + staticMode = !(GPSstatus > GPS_FIX_2D); + } +} + +void AttPosEKF::calcEarthRateNED(Vector3f &omega, float latitude) +{ + //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame + omega.x = earthRate*cosf(latitude); + omega.y = 0.0f; + omega.z = -earthRate*sinf(latitude); +} + +void AttPosEKF::CovarianceInit() +{ + // Calculate the initial covariance matrix P + P[0][0] = 0.25f * sq(1.0f*deg2rad); + P[1][1] = 0.25f * sq(1.0f*deg2rad); + P[2][2] = 0.25f * sq(1.0f*deg2rad); + P[3][3] = 0.25f * sq(10.0f*deg2rad); + P[4][4] = sq(0.7); + P[5][5] = P[4][4]; + P[6][6] = sq(0.7); + P[7][7] = sq(15.0); + P[8][8] = P[7][7]; + P[9][9] = sq(5.0); + P[10][10] = sq(0.1*deg2rad*dtIMU); + P[11][11] = P[10][10]; + P[12][12] = P[10][10]; + P[13][13] = sq(8.0f); + P[14][4] = P[13][13]; + P[15][15] = sq(0.02f); + P[16][16] = P[15][15]; + P[17][17] = P[15][15]; + P[18][18] = sq(0.02f); + P[19][19] = P[18][18]; + P[20][20] = P[18][18]; +} + +float AttPosEKF::ConstrainFloat(float val, float min, float max) +{ + return (val > max) ? max : ((val < min) ? min : val); +} + +void AttPosEKF::ConstrainVariances() +{ + if (!numericalProtection) { + return; + } + + // State vector: + // 0-3: quaternions (q0, q1, q2, q3) + // 4-6: Velocity - m/sec (North, East, Down) + // 7-9: Position - m (North, East, Down) + // 10-12: Delta Angle bias - rad (X,Y,Z) + // 13-14: Wind Vector - m/sec (North,East) + // 15-17: Earth Magnetic Field Vector - gauss (North, East, Down) + // 18-20: Body Magnetic Field Vector - gauss (X,Y,Z) + + // Constrain quaternion variances + for (unsigned i = 0; i < 4; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); + } + + // Constrain velocitie variances + for (unsigned i = 4; i < 7; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e3f); + } + + // Constrain position variances + for (unsigned i = 7; i < 10; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e6f); + } + + // Angle bias variances + for (unsigned i = 10; i < 13; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, sq(0.175f * dtIMU)); + } + + // Wind velocity variances + for (unsigned i = 13; i < 15; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e3f); + } + + // Earth magnetic field variances + for (unsigned i = 15; i < 18; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); + } + + // Body magnetic field variances + for (unsigned i = 18; i < 21; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); + } + +} + +void AttPosEKF::ConstrainStates() +{ + if (!numericalProtection) { + return; + } + + // State vector: + // 0-3: quaternions (q0, q1, q2, q3) + // 4-6: Velocity - m/sec (North, East, Down) + // 7-9: Position - m (North, East, Down) + // 10-12: Delta Angle bias - rad (X,Y,Z) + // 13-14: Wind Vector - m/sec (North,East) + // 15-17: Earth Magnetic Field Vector - gauss (North, East, Down) + // 18-20: Body Magnetic Field Vector - gauss (X,Y,Z) + + + // Constrain quaternion + for (unsigned i = 0; i < 4; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0f, 1.0f); + } + + // Constrain velocities to what GPS can do for us + for (unsigned i = 4; i < 7; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -5.0e2f, 5.0e2f); + } + + // Constrain position to a reasonable vehicle range (in meters) + for (unsigned i = 7; i < 9; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0e6f, 1.0e6f); + } + + // Constrain altitude + states[9] = ConstrainFloat(states[9], -4.0e4f, 1.0e4f); + + // Angle bias limit - set to 8 degrees / sec + for (unsigned i = 10; i < 13; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.12f * dtIMU, 0.12f * dtIMU); + } + + // Wind velocity limits - assume 120 m/s max velocity + for (unsigned i = 13; i < 15; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -120.0f, 120.0f); + } + + // Earth magnetic field limits (in Gauss) + for (unsigned i = 15; i < 18; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0f, 1.0f); + } + + // Body magnetic field variances (in Gauss). + // the max offset should be in this range. + for (unsigned i = 18; i < 21; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.5f, 0.5f); + } + +} + +void AttPosEKF::ForceSymmetry() +{ + if (!numericalProtection) { + return; + } + + // Force symmetry on the covariance matrix to prevent ill-conditioning + // of the matrix which would cause the filter to blow-up + for (unsigned i = 1; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < i; j++) + { + P[i][j] = 0.5f * (P[i][j] + P[j][i]); + P[j][i] = P[i][j]; + } + } +} + +bool AttPosEKF::FilterHealthy() +{ + if (!statesInitialised) { + return false; + } + + // XXX Check state vector for NaNs and ill-conditioning + + // Check if any of the major inputs timed out + if (current_ekf_state.posTimeout || current_ekf_state.velTimeout || current_ekf_state.hgtTimeout) { + return false; + } + + // Nothing fired, return ok. + return true; +} + +/** + * Reset the filter position states + * + * This resets the position to the last GPS measurement + * or to zero in case of static position. + */ +void AttPosEKF::ResetPosition(void) +{ + if (staticMode) { + states[7] = 0; + states[8] = 0; + } else if (GPSstatus >= GPS_FIX_3D) { + + // reset the states from the GPS measurements + states[7] = posNE[0]; + states[8] = posNE[1]; + } +} + +/** + * Reset the height state. + * + * This resets the height state with the last altitude measurements + */ +void AttPosEKF::ResetHeight(void) +{ + // write to the state vector + states[9] = -hgtMea; +} + +/** + * Reset the velocity state. + */ +void AttPosEKF::ResetVelocity(void) +{ + if (staticMode) { + states[4] = 0.0f; + states[5] = 0.0f; + states[6] = 0.0f; + } else if (GPSstatus >= GPS_FIX_3D) { + + states[4] = velNED[0]; // north velocity from last reading + states[5] = velNED[1]; // east velocity from last reading + states[6] = velNED[2]; // down velocity from last reading + } +} + + +void AttPosEKF::FillErrorReport(struct ekf_status_report *err) +{ + for (int i = 0; i < n_states; i++) + { + err->states[i] = states[i]; + } + + err->velHealth = current_ekf_state.velHealth; + err->posHealth = current_ekf_state.posHealth; + err->hgtHealth = current_ekf_state.hgtHealth; + err->velTimeout = current_ekf_state.velTimeout; + err->posTimeout = current_ekf_state.posTimeout; + err->hgtTimeout = current_ekf_state.hgtTimeout; +} + +bool AttPosEKF::StatesNaN(struct ekf_status_report *err_report) { + bool err = false; + + // check all states and covariance matrices + for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { + for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) { + if (!isfinite(KH[i][j])) { + + err_report->covarianceNaN = true; + err = true; + } // intermediate result used for covariance updates + if (!isfinite(KHP[i][j])) { + + err_report->covarianceNaN = true; + err = true; + } // intermediate result used for covariance updates + if (!isfinite(P[i][j])) { + + err_report->covarianceNaN = true; + err = true; + } // covariance matrix + } + + if (!isfinite(Kfusion[i])) { + + err_report->kalmanGainsNaN = true; + err = true; + } // Kalman gains + + if (!isfinite(states[i])) { + + err_report->statesNaN = true; + err = true; + } // state matrix + } + + if (err) { + FillErrorReport(err_report); + } + + return err; + +} + +/** + * Check the filter inputs and bound its operational state + * + * This check will reset the filter states if required + * due to a failure of consistency or timeout checks. + * it should be run after the measurement data has been + * updated, but before any of the fusion steps are + * executed. + */ +int AttPosEKF::CheckAndBound() +{ + + // Store the old filter state + bool currStaticMode = staticMode; + + // Reset the filter if the states went NaN + if (StatesNaN(&last_ekf_error)) { + + InitializeDynamic(velNED, magDeclination); + + return 1; + } + + // Reset the filter if the IMU data is too old + if (dtIMU > 0.2f) { + + ResetVelocity(); + ResetPosition(); + ResetHeight(); + ResetStoredStates(); + + // that's all we can do here, return + return 2; + } + + // Check if we're on ground - this also sets static mode. + OnGroundCheck(); + + // Check if we switched between states + if (currStaticMode != staticMode) { + ResetVelocity(); + ResetPosition(); + ResetHeight(); + ResetStoredStates(); + + return 3; + } + + return 0; +} + +void AttPosEKF::AttitudeInit(float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz, float declination, float *initQuat) +{ + float initialRoll, initialPitch; + float cosRoll, sinRoll, cosPitch, sinPitch; + float magX, magY; + float initialHdg, cosHeading, sinHeading; + + initialRoll = atan2(-ay, -az); + initialPitch = atan2(ax, -az); + + cosRoll = cosf(initialRoll); + sinRoll = sinf(initialRoll); + cosPitch = cosf(initialPitch); + sinPitch = sinf(initialPitch); + + magX = mx * cosPitch + my * sinRoll * sinPitch + mz * cosRoll * sinPitch; + + magY = my * cosRoll - mz * sinRoll; + + initialHdg = atan2f(-magY, magX); + /* true heading is the mag heading minus declination */ + initialHdg += declination; + + cosRoll = cosf(initialRoll * 0.5f); + sinRoll = sinf(initialRoll * 0.5f); + + cosPitch = cosf(initialPitch * 0.5f); + sinPitch = sinf(initialPitch * 0.5f); + + cosHeading = cosf(initialHdg * 0.5f); + sinHeading = sinf(initialHdg * 0.5f); + + initQuat[0] = cosRoll * cosPitch * cosHeading + sinRoll * sinPitch * sinHeading; + initQuat[1] = sinRoll * cosPitch * cosHeading - cosRoll * sinPitch * sinHeading; + initQuat[2] = cosRoll * sinPitch * cosHeading + sinRoll * cosPitch * sinHeading; + initQuat[3] = cosRoll * cosPitch * sinHeading - sinRoll * sinPitch * cosHeading; +} + +void AttPosEKF::InitializeDynamic(float (&initvelNED)[3], float declination) +{ + + // Clear the init flag + statesInitialised = false; + + magDeclination = declination; + + ZeroVariables(); + + // Calculate initial filter quaternion states from raw measurements + float initQuat[4]; + Vector3f initMagXYZ; + initMagXYZ = magData - magBias; + AttitudeInit(accel.x, accel.y, accel.z, initMagXYZ.x, initMagXYZ.y, initMagXYZ.z, magDeclination, initQuat); + + // Calculate initial Tbn matrix and rotate Mag measurements into NED + // to set initial NED magnetic field states + Mat3f DCM; + quat2Tbn(DCM, initQuat); + Vector3f initMagNED; + initMagXYZ = magData - magBias; + initMagNED.x = DCM.x.x*initMagXYZ.x + DCM.x.y*initMagXYZ.y + DCM.x.z*initMagXYZ.z; + initMagNED.y = DCM.y.x*initMagXYZ.x + DCM.y.y*initMagXYZ.y + DCM.y.z*initMagXYZ.z; + initMagNED.z = DCM.z.x*initMagXYZ.x + DCM.z.y*initMagXYZ.y + DCM.z.z*initMagXYZ.z; + + + + // write to state vector + for (uint8_t j=0; j<=3; j++) states[j] = initQuat[j]; // quaternions + for (uint8_t j=0; j<=2; j++) states[j+4] = initvelNED[j]; // velocities + for (uint8_t j=0; j<=7; j++) states[j+7] = 0.0f; // positiions, dAngBias, windVel + states[15] = initMagNED.x; // Magnetic Field North + states[16] = initMagNED.y; // Magnetic Field East + states[17] = initMagNED.z; // Magnetic Field Down + states[18] = magBias.x; // Magnetic Field Bias X + states[19] = magBias.y; // Magnetic Field Bias Y + states[20] = magBias.z; // Magnetic Field Bias Z + + statesInitialised = true; + + // initialise the covariance matrix + CovarianceInit(); + + //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame + calcEarthRateNED(earthRateNED, latRef); + + //Initialise summed variables used by covariance prediction + summedDelAng.x = 0.0f; + summedDelAng.y = 0.0f; + summedDelAng.z = 0.0f; + summedDelVel.x = 0.0f; + summedDelVel.y = 0.0f; + summedDelVel.z = 0.0f; +} + +void AttPosEKF::InitialiseFilter(float (&initvelNED)[3], double referenceLat, double referenceLon, float referenceHgt, float declination) +{ + //store initial lat,long and height + latRef = referenceLat; + lonRef = referenceLon; + hgtRef = referenceHgt; + + memset(&last_ekf_error, 0, sizeof(last_ekf_error)); + + InitializeDynamic(initvelNED, declination); +} + +void AttPosEKF::ZeroVariables() +{ + // Do the data structure init + for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { + for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) { + KH[i][j] = 0.0f; // intermediate result used for covariance updates + KHP[i][j] = 0.0f; // intermediate result used for covariance updates + P[i][j] = 0.0f; // covariance matrix + } + + Kfusion[i] = 0.0f; // Kalman gains + states[i] = 0.0f; // state matrix + } + + for (unsigned i = 0; i < data_buffer_size; i++) { + + for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) { + storedStates[j][i] = 0.0f; + } + + statetimeStamp[i] = 0; + } + + memset(¤t_ekf_state, 0, sizeof(current_ekf_state)); +} + +void AttPosEKF::GetFilterState(struct ekf_status_report *state) +{ + memcpy(state, ¤t_ekf_state, sizeof(state)); +} + +void AttPosEKF::GetLastErrorState(struct ekf_status_report *last_error) +{ + memcpy(last_error, &last_ekf_error, sizeof(last_error)); +} |