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diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.cpp b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.cpp new file mode 100644 index 000000000..768e0be35 --- /dev/null +++ b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.cpp @@ -0,0 +1,3046 @@ +#include "estimator_23states.h" +#include <string.h> +#include <stdio.h> +#include <stdarg.h> + +#define EKF_COVARIANCE_DIVERGED 1.0e8f + +AttPosEKF::AttPosEKF() : + covTimeStepMax(0.0f), + covDelAngMax(0.0f), + rngFinderPitch(0.0f), + a1(0.0f), + a2(0.0f), + a3(0.0f), + yawVarScale(0.0f), + windVelSigma(0.0f), + dAngBiasSigma(0.0f), + dVelBiasSigma(0.0f), + magEarthSigma(0.0f), + magBodySigma(0.0f), + gndHgtSigma(0.0f), + vneSigma(0.0f), + vdSigma(0.0f), + posNeSigma(0.0f), + posDSigma(0.0f), + magMeasurementSigma(0.0f), + airspeedMeasurementSigma(0.0f), + gyroProcessNoise(0.0f), + accelProcessNoise(0.0f), + EAS2TAS(1.0f), + magstate{}, + resetMagState{}, + KH{}, + KHP{}, + P{}, + Kfusion{}, + states{}, + resetStates{}, + storedStates{}, + statetimeStamp{}, + statesAtVelTime{}, + statesAtPosTime{}, + statesAtHgtTime{}, + statesAtMagMeasTime{}, + statesAtVtasMeasTime{}, + statesAtRngTime{}, + statesAtOptFlowTime{}, + correctedDelAng(), + correctedDelVel(), + summedDelAng(), + summedDelVel(), + accNavMag(), + earthRateNED(), + angRate(), + lastGyroOffset(), + delAngTotal(), + Tbn(), + Tnb(), + accel(), + dVelIMU(), + dAngIMU(), + dtIMU(0), + fusionModeGPS(0), + innovVelPos{}, + varInnovVelPos{}, + velNED{}, + accelGPSNED{}, + posNE{}, + hgtMea(0.0f), + baroHgtOffset(0.0f), + rngMea(0.0f), + innovMag{}, + varInnovMag{}, + magData{}, + losData{}, + innovVtas(0.0f), + innovRng(0.0f), + innovOptFlow{}, + varInnovOptFlow{}, + varInnovVtas(0.0f), + varInnovRng(0.0f), + VtasMeas(0.0f), + magDeclination(0.0f), + latRef(0.0f), + lonRef(-M_PI_F), + hgtRef(0.0f), + refSet(false), + magBias(), + covSkipCount(0), + gpsLat(0.0), + gpsLon(-M_PI), + gpsHgt(0.0f), + GPSstatus(0), + baroHgt(0.0f), + statesInitialised(false), + fuseVelData(false), + fusePosData(false), + fuseHgtData(false), + fuseMagData(false), + fuseVtasData(false), + fuseRngData(false), + fuseOptFlowData(false), + + inhibitWindStates(true), + inhibitMagStates(true), + inhibitGndHgtState(true), + + onGround(true), + staticMode(true), + useAirspeed(true), + useCompass(true), + useRangeFinder(false), + useOpticalFlow(false), + + ekfDiverged(false), + lastReset(0), + current_ekf_state{}, + last_ekf_error{}, + numericalProtection(true), + storeIndex(0) +{ + memset(&last_ekf_error, 0, sizeof(last_ekf_error)); + memset(¤t_ekf_state, 0, sizeof(current_ekf_state)); + ZeroVariables(); + 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; + float rotationMag; + float qUpdated[4]; + float quatMag; + float deltaQuat[4]; + const Vector3f gravityNED(0.0f, 0.0f, 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 - states[13]; + + delAngTotal.x += correctedDelAng.x; + delAngTotal.y += correctedDelAng.y; + delAngTotal.z += correctedDelAng.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 + { + // We are using double here as we are unsure how small + // the angle differences are and if we get into numeric + // issues with float. The runtime impact is not measurable + // for these quantities. + deltaQuat[0] = cos(0.5*(double)rotationMag); + float rotScaler = (sin(0.5*(double)rotationMag))/(double)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; + float dvz_b; + + // arrays + float processNoise[n_states]; + float SF[15]; + float SG[8]; + float SQ[11]; + float SPP[8] = {0}; + float nextP[n_states][n_states]; + + // calculate covariance prediction process noise + for (uint8_t i= 0; i<4; i++) processNoise[i] = 1.0e-9f; + for (uint8_t i= 4; i<10; i++) processNoise[i] = 1.0e-9f; + for (uint8_t i=10; i<=12; i++) processNoise[i] = dt * dAngBiasSigma; + // scale gyro bias noise when on ground to allow for faster bias estimation + for (uint8_t i=10; i<=12; i++) processNoise[i] = dt * dAngBiasSigma; + processNoise[13] = dVelBiasSigma; + if (!inhibitWindStates) { + for (uint8_t i=14; i<=15; i++) processNoise[i] = dt * windVelSigma; + } else { + for (uint8_t i=14; i<=15; i++) processNoise[i] = 0; + } + if (!inhibitMagStates) { + for (uint8_t i=16; i<=18; i++) processNoise[i] = dt * magEarthSigma; + for (uint8_t i=19; i<=21; i++) processNoise[i] = dt * magBodySigma; + } else { + for (uint8_t i=16; i<=21; i++) processNoise[i] = 0; + } + if (!inhibitGndHgtState) { + processNoise[22] = dt * sqrtf(sq(states[4]) + sq(states[5])) * gndHgtSigma; + } else { + processNoise[22] = 0; + } + + // square all sigmas + for (unsigned i = 0; i < n_states; 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]; + dvz_b = states[13]; + gyroProcessNoise = ConstrainFloat(gyroProcessNoise, 1e-3f, 5e-2f); + daxCov = sq(dt*gyroProcessNoise); + dayCov = sq(dt*gyroProcessNoise); + dazCov = sq(dt*gyroProcessNoise); + if (onGround) dazCov = dazCov * sq(yawVarScale); + accelProcessNoise = ConstrainFloat(accelProcessNoise, 5e-2, 1.0f); + dvxCov = sq(dt*accelProcessNoise); + dvyCov = sq(dt*accelProcessNoise); + dvzCov = sq(dt*accelProcessNoise); + + // Predicted covariance calculation + SF[0] = dvz - dvz_b; + SF[1] = 2*q3*SF[0] + 2*dvx*q1 + 2*dvy*q2; + SF[2] = 2*dvx*q3 - 2*q1*SF[0] + 2*dvy*q0; + SF[3] = 2*q2*SF[0] + 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3; + SF[4] = day/2 - day_b/2; + SF[5] = daz/2 - daz_b/2; + SF[6] = dax/2 - dax_b/2; + SF[7] = dax_b/2 - dax/2; + SF[8] = daz_b/2 - daz/2; + SF[9] = day_b/2 - day/2; + SF[10] = 2*q0*SF[0]; + SF[11] = q1/2; + SF[12] = q2/2; + SF[13] = q3/2; + SF[14] = 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[10] + SF[14] - 2*dvx*q2; + SPP[1] = 2*q2*SF[0] + 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3; + SPP[2] = 2*dvx*q3 - 2*q1*SF[0] + 2*dvy*q0; + SPP[3] = 2*q0*q1 - 2*q2*q3; + SPP[4] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; + SPP[5] = sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3); 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i<=8; i++) + { + for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) + { + nextP[i][j] = P[i][j]; + nextP[j][i] = P[j][i]; + } + } + } + + // 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 = 3000; // time in msec before GPS fusion will be retried following innovation consistency failure + uint32_t gpsRetryTimeNoTAS = 500; // retry time if no TAS measurement available + uint32_t hgtRetryTime = 500; // 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 = 22; + +// 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] = sq(vneSigma) + sq(velErr); + R_OBS[1] = R_OBS[0]; + R_OBS[2] = sq(vdSigma) + sq(velErr); + R_OBS[3] = sq(posNeSigma) + sq(posErr); + R_OBS[4] = R_OBS[3]; + R_OBS[5] = sq(posDSigma) + sq(posErr); + + // 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; + } + // 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 <= 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/(double)varInnovVelPos[obsIndex]; + for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) + { + Kfusion[i] = P[i][stateIndex]*SK; + } + + // Don't update Z accel bias state unless using a height observation (GPS velocities can be biased) + if (obsIndex != 5) { + Kfusion[13] = 0; + } + // Don't update wind states if inhibited + if (inhibitWindStates) { + Kfusion[14] = 0; + Kfusion[15] = 0; + } + // Don't update magnetic field states if inhibited + if (inhibitMagStates) { + for (uint8_t i = 16; i<=21; i++) + { + Kfusion[i] = 0; + } + } + // Don't update terrain state if inhibited + if (inhibitGndHgtState) { + Kfusion[22] = 0; + } + + // 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(); + +} + +void AttPosEKF::FuseMagnetometer() +{ + + float &q0 = magstate.q0; + float &q1 = magstate.q1; + float &q2 = magstate.q2; + float &q3 = magstate.q3; + float &magN = magstate.magN; + float &magE = magstate.magE; + float &magD = magstate.magD; + float &magXbias = magstate.magXbias; + float &magYbias = magstate.magYbias; + float &magZbias = magstate.magZbias; + unsigned &obsIndex = magstate.obsIndex; + Mat3f &DCM = magstate.DCM; + float *MagPred = &magstate.MagPred[0]; + float &R_MAG = magstate.R_MAG; + float *SH_MAG = &magstate.SH_MAG[0]; + + float SK_MX[6]; + float SK_MY[5]; + float SK_MZ[6]; + float H_MAG[n_states]; + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) { + H_MAG[i] = 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 < 3)) + { + // Calculate observation jacobians and Kalman gains + if (obsIndex == 0) + { + // Copy required states to local variable names + q0 = statesAtMagMeasTime[0]; + q1 = statesAtMagMeasTime[1]; + q2 = statesAtMagMeasTime[2]; + q3 = statesAtMagMeasTime[3]; + magN = statesAtMagMeasTime[16]; + magE = statesAtMagMeasTime[17]; + magD = statesAtMagMeasTime[18]; + magXbias = statesAtMagMeasTime[19]; + magYbias = statesAtMagMeasTime[20]; + magZbias = statesAtMagMeasTime[21]; + + // rotate predicted earth components into body axes and calculate + // predicted measurments + DCM.x.x = q0*q0 + q1*q1 - q2*q2 - q3*q3; + DCM.x.y = 2*(q1*q2 + q0*q3); + DCM.x.z = 2*(q1*q3-q0*q2); + DCM.y.x = 2*(q1*q2 - q0*q3); + DCM.y.y = q0*q0 - q1*q1 + q2*q2 - q3*q3; + DCM.y.z = 2*(q2*q3 + q0*q1); + DCM.z.x = 2*(q1*q3 + q0*q2); + DCM.z.y = 2*(q2*q3 - q0*q1); + DCM.z.z = q0*q0 - q1*q1 - q2*q2 + q3*q3; + MagPred[0] = DCM.x.x*magN + DCM.x.y*magE + DCM.x.z*magD + magXbias; + MagPred[1] = DCM.y.x*magN + DCM.y.y*magE + DCM.y.z*magD + magYbias; + MagPred[2] = DCM.z.x*magN + DCM.z.y*magE + DCM.z.z*magD + magZbias; + + // scale magnetometer observation error with total angular rate + R_MAG = sq(magMeasurementSigma) + 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 < n_states; 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[16] = SH_MAG[5] - SH_MAG[4] - SH_MAG[3] + SH_MAG[6]; + H_MAG[17] = 2*q0*q3 + 2*q1*q2; + H_MAG[18] = 2*q1*q3 - 2*q0*q2; + H_MAG[19] = 1.0f; + + // Calculate Kalman gain + float temp = (P[19][19] + R_MAG + P[1][19]*SH_MAG[0] + P[3][19]*SH_MAG[2] - P[16][19]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2)*(P[19][2] + P[1][2]*SH_MAG[0] + P[3][2]*SH_MAG[2] - P[16][2]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][2]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][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[19][0] + P[1][0]*SH_MAG[0] + P[3][0]*SH_MAG[2] - P[16][0]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][0]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][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[19][1] + P[1][1]*SH_MAG[0] + P[3][1]*SH_MAG[2] - P[16][1]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][1]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][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[19][3] + P[1][3]*SH_MAG[0] + P[3][3]*SH_MAG[2] - P[16][3]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][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[19][16] + P[1][16]*SH_MAG[0] + P[3][16]*SH_MAG[2] - P[16][16]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][16]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][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)) + P[17][19]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][19]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][19]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + (2*q0*q3 + 2*q1*q2)*(P[19][17] + P[1][17]*SH_MAG[0] + P[3][17]*SH_MAG[2] - P[16][17]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][17]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][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)) - (2*q0*q2 - 2*q1*q3)*(P[19][18] + P[1][18]*SH_MAG[0] + P[3][18]*SH_MAG[2] - P[16][18]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[17][18]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[18][18]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][18]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][18]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[0][19]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); + if (temp >= R_MAG) { + SK_MX[0] = 1.0f / temp; + } else { + // the calculation is badly conditioned, so we cannot perform fusion on this step + // we increase the state variances and try again next time + P[19][19] += 0.1f*R_MAG; + obsIndex = 1; + return; + } + 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][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[0][17]*SK_MX[5] - P[0][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[1] = SK_MX[0]*(P[1][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[1][17]*SK_MX[5] - P[1][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[2] = SK_MX[0]*(P[2][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[2][17]*SK_MX[5] - P[2][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[3] = SK_MX[0]*(P[3][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[3][17]*SK_MX[5] - P[3][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[4] = SK_MX[0]*(P[4][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[4][17]*SK_MX[5] - P[4][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[5] = SK_MX[0]*(P[5][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[5][17]*SK_MX[5] - P[5][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[6] = SK_MX[0]*(P[6][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[6][17]*SK_MX[5] - P[6][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[7] = SK_MX[0]*(P[7][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[7][17]*SK_MX[5] - P[7][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[8] = SK_MX[0]*(P[8][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[8][17]*SK_MX[5] - P[8][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[9] = SK_MX[0]*(P[9][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[9][17]*SK_MX[5] - P[9][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[10] = SK_MX[0]*(P[10][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[10][17]*SK_MX[5] - P[10][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[11] = SK_MX[0]*(P[11][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[11][17]*SK_MX[5] - P[11][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[12] = SK_MX[0]*(P[12][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[12][17]*SK_MX[5] - P[12][18]*SK_MX[4]); + // Only height measurements are allowed to modify the Z delta velocity bias state. This improves the stability of the estimate + Kfusion[13] = 0.0f;//SK_MX[0]*(P[13][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[13][17]*SK_MX[5] - P[13][18]*SK_MX[4]); + // Estimation of selected states is inhibited by setting their Kalman gains to zero + if (!inhibitWindStates) { + Kfusion[14] = SK_MX[0]*(P[14][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[14][17]*SK_MX[5] - P[14][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[15] = SK_MX[0]*(P[15][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[15][17]*SK_MX[5] - P[15][18]*SK_MX[4]); + } else { + Kfusion[14] = 0; + Kfusion[15] = 0; + } + if (!inhibitMagStates) { + Kfusion[16] = SK_MX[0]*(P[16][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[16][17]*SK_MX[5] - P[16][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[17] = SK_MX[0]*(P[17][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[17][17]*SK_MX[5] - P[17][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[18] = SK_MX[0]*(P[18][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[18][17]*SK_MX[5] - P[18][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[19] = SK_MX[0]*(P[19][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[19][17]*SK_MX[5] - P[19][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[20] = SK_MX[0]*(P[20][19] + 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][16]*SK_MX[1] + P[20][17]*SK_MX[5] - P[20][18]*SK_MX[4]); + Kfusion[21] = SK_MX[0]*(P[21][19] + P[21][1]*SH_MAG[0] + P[21][3]*SH_MAG[2] + P[21][0]*SK_MX[3] - P[21][2]*SK_MX[2] - P[21][16]*SK_MX[1] + P[21][17]*SK_MX[5] - P[21][18]*SK_MX[4]); + } else { + for (uint8_t i=16; i <= 21; i++) { + Kfusion[i] = 0; + } + } + if (!inhibitGndHgtState) { + Kfusion[22] = SK_MX[0]*(P[22][19] + P[22][1]*SH_MAG[0] + P[22][3]*SH_MAG[2] + P[22][0]*SK_MX[3] - P[22][2]*SK_MX[2] - P[22][16]*SK_MX[1] + P[22][17]*SK_MX[5] - P[22][18]*SK_MX[4]); + } else { + Kfusion[22] = 0; + } + varInnovMag[0] = 1.0f/SK_MX[0]; + innovMag[0] = MagPred[0] - magData.x; + } + 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[16] = 2*q1*q2 - 2*q0*q3; + H_MAG[17] = SH_MAG[4] - SH_MAG[3] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + H_MAG[18] = 2*q0*q1 + 2*q2*q3; + H_MAG[20] = 1; + + // Calculate Kalman gain + float temp = (P[20][20] + R_MAG + P[0][20]*SH_MAG[2] + P[1][20]*SH_MAG[1] + P[2][20]*SH_MAG[0] - P[17][20]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*q0*q3 - 2*q1*q2)*(P[20][16] + P[0][16]*SH_MAG[2] + P[1][16]*SH_MAG[1] + P[2][16]*SH_MAG[0] - P[17][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][16]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][16]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (2*q0*q1 + 2*q2*q3)*(P[20][18] + P[0][18]*SH_MAG[2] + P[1][18]*SH_MAG[1] + P[2][18]*SH_MAG[0] - P[17][18]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][18]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][18]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][18]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[20][3] + P[0][3]*SH_MAG[2] + P[1][3]*SH_MAG[1] + P[2][3]*SH_MAG[0] - P[17][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][3]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][3]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[16][20]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][20]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) + SH_MAG[2]*(P[20][0] + P[0][0]*SH_MAG[2] + P[1][0]*SH_MAG[1] + P[2][0]*SH_MAG[0] - P[17][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][0]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][0]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[1]*(P[20][1] + P[0][1]*SH_MAG[2] + P[1][1]*SH_MAG[1] + P[2][1]*SH_MAG[0] - P[17][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][1]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][1]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[20][2] + P[0][2]*SH_MAG[2] + P[1][2]*SH_MAG[1] + P[2][2]*SH_MAG[0] - P[17][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][2]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][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[20][17] + P[0][17]*SH_MAG[2] + P[1][17]*SH_MAG[1] + P[2][17]*SH_MAG[0] - P[17][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][17]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][17]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[3][20]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); + if (temp >= R_MAG) { + SK_MY[0] = 1.0f / temp; + } else { + // the calculation is badly conditioned, so we cannot perform fusion on this step + // we increase the state variances and try again next time + P[20][20] += 0.1f*R_MAG; + obsIndex = 2; + return; + } + 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][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[0][16]*SK_MY[3] + P[0][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[1] = SK_MY[0]*(P[1][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[1][16]*SK_MY[3] + P[1][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[2] = SK_MY[0]*(P[2][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[2][16]*SK_MY[3] + P[2][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[3] = SK_MY[0]*(P[3][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[3][16]*SK_MY[3] + P[3][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[4] = SK_MY[0]*(P[4][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[4][16]*SK_MY[3] + P[4][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[5] = SK_MY[0]*(P[5][20] + P[5][0]*SH_MAG[2] + P[5][1]*SH_MAG[1] + P[5][2]*SH_MAG[0] - P[5][3]*SK_MY[2] - P[5][17]*SK_MY[1] - P[5][16]*SK_MY[3] + P[5][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[6] = SK_MY[0]*(P[6][20] + P[6][0]*SH_MAG[2] + P[6][1]*SH_MAG[1] + P[6][2]*SH_MAG[0] - P[6][3]*SK_MY[2] - P[6][17]*SK_MY[1] - P[6][16]*SK_MY[3] + P[6][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[7] = SK_MY[0]*(P[7][20] + P[7][0]*SH_MAG[2] + P[7][1]*SH_MAG[1] + P[7][2]*SH_MAG[0] - P[7][3]*SK_MY[2] - P[7][17]*SK_MY[1] - P[7][16]*SK_MY[3] + P[7][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[8] = SK_MY[0]*(P[8][20] + P[8][0]*SH_MAG[2] + P[8][1]*SH_MAG[1] + P[8][2]*SH_MAG[0] - P[8][3]*SK_MY[2] - P[8][17]*SK_MY[1] - P[8][16]*SK_MY[3] + P[8][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[9] = SK_MY[0]*(P[9][20] + P[9][0]*SH_MAG[2] + P[9][1]*SH_MAG[1] + P[9][2]*SH_MAG[0] - P[9][3]*SK_MY[2] - P[9][17]*SK_MY[1] - P[9][16]*SK_MY[3] + P[9][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[10] = SK_MY[0]*(P[10][20] + P[10][0]*SH_MAG[2] + P[10][1]*SH_MAG[1] + P[10][2]*SH_MAG[0] - P[10][3]*SK_MY[2] - P[10][17]*SK_MY[1] - P[10][16]*SK_MY[3] + P[10][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[11] = SK_MY[0]*(P[11][20] + P[11][0]*SH_MAG[2] + P[11][1]*SH_MAG[1] + P[11][2]*SH_MAG[0] - P[11][3]*SK_MY[2] - P[11][17]*SK_MY[1] - P[11][16]*SK_MY[3] + P[11][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[12] = SK_MY[0]*(P[12][20] + P[12][0]*SH_MAG[2] + P[12][1]*SH_MAG[1] + P[12][2]*SH_MAG[0] - P[12][3]*SK_MY[2] - P[12][17]*SK_MY[1] - P[12][16]*SK_MY[3] + P[12][18]*SK_MY[4]); + // Only height measurements are allowed to modify the Z delta velocity bias state. This improves the stability of the estimate + Kfusion[13] = 0.0f;//SK_MY[0]*(P[13][20] + P[13][0]*SH_MAG[2] + P[13][1]*SH_MAG[1] + P[13][2]*SH_MAG[0] - P[13][3]*SK_MY[2] - P[13][17]*SK_MY[1] - P[13][16]*SK_MY[3] + P[13][18]*SK_MY[4]); + // Estimation of selected states is inhibited by setting their Kalman gains to zero + if (!inhibitWindStates) { + Kfusion[14] = SK_MY[0]*(P[14][20] + P[14][0]*SH_MAG[2] + P[14][1]*SH_MAG[1] + P[14][2]*SH_MAG[0] - P[14][3]*SK_MY[2] - P[14][17]*SK_MY[1] - P[14][16]*SK_MY[3] + P[14][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[15] = SK_MY[0]*(P[15][20] + P[15][0]*SH_MAG[2] + P[15][1]*SH_MAG[1] + P[15][2]*SH_MAG[0] - P[15][3]*SK_MY[2] - P[15][17]*SK_MY[1] - P[15][16]*SK_MY[3] + P[15][18]*SK_MY[4]); + } else { + Kfusion[14] = 0; + Kfusion[15] = 0; + } + if (!inhibitMagStates) { + Kfusion[16] = SK_MY[0]*(P[16][20] + P[16][0]*SH_MAG[2] + P[16][1]*SH_MAG[1] + P[16][2]*SH_MAG[0] - P[16][3]*SK_MY[2] - P[16][17]*SK_MY[1] - P[16][16]*SK_MY[3] + P[16][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[17] = SK_MY[0]*(P[17][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[17][16]*SK_MY[3] + P[17][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[18] = SK_MY[0]*(P[18][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[18][16]*SK_MY[3] + P[18][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[19] = SK_MY[0]*(P[19][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[19][16]*SK_MY[3] + P[19][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[20] = SK_MY[0]*(P[20][20] + 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][17]*SK_MY[1] - P[20][16]*SK_MY[3] + P[20][18]*SK_MY[4]); + Kfusion[21] = SK_MY[0]*(P[21][20] + P[21][0]*SH_MAG[2] + P[21][1]*SH_MAG[1] + P[21][2]*SH_MAG[0] - P[21][3]*SK_MY[2] - P[21][17]*SK_MY[1] - P[21][16]*SK_MY[3] + P[21][18]*SK_MY[4]); + } else { + Kfusion[16] = 0; + Kfusion[17] = 0; + Kfusion[18] = 0; + Kfusion[19] = 0; + Kfusion[20] = 0; + Kfusion[21] = 0; + } + if (!inhibitGndHgtState) { + Kfusion[22] = SK_MY[0]*(P[22][20] + P[22][0]*SH_MAG[2] + P[22][1]*SH_MAG[1] + P[22][2]*SH_MAG[0] - P[22][3]*SK_MY[2] - P[22][17]*SK_MY[1] - P[22][16]*SK_MY[3] + P[22][18]*SK_MY[4]); + } else { + Kfusion[22] = 0; + } + 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 < n_states; 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[16] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; + H_MAG[17] = 2*q2*q3 - 2*q0*q1; + H_MAG[18] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + H_MAG[21] = 1; + + // Calculate Kalman gain + float temp = (P[21][21] + R_MAG + P[0][21]*SH_MAG[1] + P[3][21]*SH_MAG[0] + P[18][21]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) - (2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3)*(P[21][1] + P[0][1]*SH_MAG[1] + P[3][1]*SH_MAG[0] + P[18][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][1]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][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[21][2] + P[0][2]*SH_MAG[1] + P[3][2]*SH_MAG[0] + P[18][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][2]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][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[21][0] + P[0][0]*SH_MAG[1] + P[3][0]*SH_MAG[0] + P[18][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][0]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][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[21][3] + P[0][3]*SH_MAG[1] + P[3][3]*SH_MAG[0] + P[18][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][3]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][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[21][18] + P[0][18]*SH_MAG[1] + P[3][18]*SH_MAG[0] + P[18][18]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][18]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][18]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][18]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][18]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[16][21]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][21]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][21]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + (2*q0*q2 + 2*q1*q3)*(P[21][16] + P[0][16]*SH_MAG[1] + P[3][16]*SH_MAG[0] + P[18][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][16]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][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)) - (2*q0*q1 - 2*q2*q3)*(P[21][17] + P[0][17]*SH_MAG[1] + P[3][17]*SH_MAG[0] + P[18][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[16][17]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[17][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[2][21]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); + if (temp >= R_MAG) { + SK_MZ[0] = 1.0f / temp; + } else { + // the calculation is badly conditioned, so we cannot perform fusion on this step + // we increase the state variances and try again next time + P[21][21] += 0.1f*R_MAG; + obsIndex = 3; + return; + } + 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][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[0][16]*SK_MZ[5] - P[0][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[1] = SK_MZ[0]*(P[1][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[1][16]*SK_MZ[5] - P[1][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[2] = SK_MZ[0]*(P[2][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[2][16]*SK_MZ[5] - P[2][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[3] = SK_MZ[0]*(P[3][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[3][16]*SK_MZ[5] - P[3][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[4] = SK_MZ[0]*(P[4][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[4][16]*SK_MZ[5] - P[4][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[5] = SK_MZ[0]*(P[5][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[5][16]*SK_MZ[5] - P[5][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[6] = SK_MZ[0]*(P[6][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[6][16]*SK_MZ[5] - P[6][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[7] = SK_MZ[0]*(P[7][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[7][16]*SK_MZ[5] - P[7][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[8] = SK_MZ[0]*(P[8][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[8][16]*SK_MZ[5] - P[8][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[9] = SK_MZ[0]*(P[9][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[9][16]*SK_MZ[5] - P[9][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[10] = SK_MZ[0]*(P[10][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[10][16]*SK_MZ[5] - P[10][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[11] = SK_MZ[0]*(P[11][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[11][16]*SK_MZ[5] - P[11][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[12] = SK_MZ[0]*(P[12][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[12][16]*SK_MZ[5] - P[12][17]*SK_MZ[4]); + // Only height measurements are allowed to modify the Z delta velocity bias state. This improves the stability of the estimate + Kfusion[13] = 0.0f;//SK_MZ[0]*(P[13][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[13][16]*SK_MZ[5] - P[13][17]*SK_MZ[4]); + // Estimation of selected states is inhibited by setting their Kalman gains to zero + if (!inhibitWindStates) { + Kfusion[14] = SK_MZ[0]*(P[14][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[14][16]*SK_MZ[5] - P[14][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[15] = SK_MZ[0]*(P[15][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[15][16]*SK_MZ[5] - P[15][17]*SK_MZ[4]); + } else { + Kfusion[14] = 0; + Kfusion[15] = 0; + } + if (!inhibitMagStates) { + Kfusion[16] = SK_MZ[0]*(P[16][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[16][16]*SK_MZ[5] - P[16][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[17] = SK_MZ[0]*(P[17][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[17][16]*SK_MZ[5] - P[17][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[18] = SK_MZ[0]*(P[18][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[18][16]*SK_MZ[5] - P[18][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[19] = SK_MZ[0]*(P[19][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[19][16]*SK_MZ[5] - P[19][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[20] = SK_MZ[0]*(P[20][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[20][16]*SK_MZ[5] - P[20][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[21] = SK_MZ[0]*(P[21][21] + P[21][0]*SH_MAG[1] + P[21][3]*SH_MAG[0] - P[21][1]*SK_MZ[2] + P[21][2]*SK_MZ[3] + P[21][18]*SK_MZ[1] + P[21][16]*SK_MZ[5] - P[21][17]*SK_MZ[4]); + } else { + Kfusion[16] = 0; + Kfusion[17] = 0; + Kfusion[18] = 0; + Kfusion[19] = 0; + Kfusion[20] = 0; + Kfusion[21] = 0; + } + if (!inhibitGndHgtState) { + Kfusion[22] = SK_MZ[0]*(P[22][21] + P[22][0]*SH_MAG[1] + P[22][3]*SH_MAG[0] - P[22][1]*SK_MZ[2] + P[22][2]*SK_MZ[3] + P[22][18]*SK_MZ[1] + P[22][16]*SK_MZ[5] - P[22][17]*SK_MZ[4]); + } else { + Kfusion[22] = 0; + } + 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]) < 25.0f) + { + // correct the state vector + for (uint8_t j= 0; j < n_states; 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-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 KH to reduce the + // number of operations + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j <= 3; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; + } + for (uint8_t j = 4; j <= 15; j++) KH[i][j] = 0.0f; + if (!onGround) + { + for (uint8_t j = 16; j <= 21; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; + } + } + else + { + for (uint8_t j = 16; j <= 21; j++) + { + KH[i][j] = 0.0f; + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < n_states; 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 = 16; k<=21; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + } + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < n_states; 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; + float R_TAS = sq(airspeedMeasurementSigma); + float SH_TAS[3]; + float SK_TAS; + float VtasPred; + + // Copy required states to local variable names + vn = statesAtVtasMeasTime[4]; + ve = statesAtVtasMeasTime[5]; + vd = statesAtVtasMeasTime[6]; + vwn = statesAtVtasMeasTime[14]; + vwe = statesAtVtasMeasTime[15]; + + // 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[n_states]; + for (uint8_t i = 0; i < n_states; 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[14] = -SH_TAS[2]; + H_TAS[15] = -SH_TAS[1]; + + // Calculate Kalman gains + float temp = (R_TAS + SH_TAS[2]*(P[4][4]*SH_TAS[2] + P[5][4]*SH_TAS[1] - P[14][4]*SH_TAS[2] - P[15][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[14][5]*SH_TAS[2] - P[15][5]*SH_TAS[1] + P[6][5]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[2]*(P[4][14]*SH_TAS[2] + P[5][14]*SH_TAS[1] - P[14][14]*SH_TAS[2] - P[15][14]*SH_TAS[1] + P[6][14]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[1]*(P[4][15]*SH_TAS[2] + P[5][15]*SH_TAS[1] - P[14][15]*SH_TAS[2] - P[15][15]*SH_TAS[1] + P[6][15]*vd*SH_TAS[0]) + vd*SH_TAS[0]*(P[4][6]*SH_TAS[2] + P[5][6]*SH_TAS[1] - P[14][6]*SH_TAS[2] - P[15][6]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0])); + if (temp >= R_TAS) { + SK_TAS = 1.0f / temp; + } else { + // the calculation is badly conditioned, so we cannot perform fusion on this step + // we increase the wind state variances and try again next time + P[14][14] += 0.05f*R_TAS; + P[15][15] += 0.05f*R_TAS; + return; + } + Kfusion[0] = SK_TAS*(P[0][4]*SH_TAS[2] - P[0][14]*SH_TAS[2] + P[0][5]*SH_TAS[1] - P[0][15]*SH_TAS[1] + P[0][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[1] = SK_TAS*(P[1][4]*SH_TAS[2] - P[1][14]*SH_TAS[2] + P[1][5]*SH_TAS[1] - P[1][15]*SH_TAS[1] + P[1][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[2] = SK_TAS*(P[2][4]*SH_TAS[2] - P[2][14]*SH_TAS[2] + P[2][5]*SH_TAS[1] - P[2][15]*SH_TAS[1] + P[2][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[3] = SK_TAS*(P[3][4]*SH_TAS[2] - P[3][14]*SH_TAS[2] + P[3][5]*SH_TAS[1] - P[3][15]*SH_TAS[1] + P[3][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[4] = SK_TAS*(P[4][4]*SH_TAS[2] - P[4][14]*SH_TAS[2] + P[4][5]*SH_TAS[1] - P[4][15]*SH_TAS[1] + P[4][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[5] = SK_TAS*(P[5][4]*SH_TAS[2] - P[5][14]*SH_TAS[2] + P[5][5]*SH_TAS[1] - P[5][15]*SH_TAS[1] + P[5][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[6] = SK_TAS*(P[6][4]*SH_TAS[2] - P[6][14]*SH_TAS[2] + P[6][5]*SH_TAS[1] - P[6][15]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[7] = SK_TAS*(P[7][4]*SH_TAS[2] - P[7][14]*SH_TAS[2] + P[7][5]*SH_TAS[1] - P[7][15]*SH_TAS[1] + P[7][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[8] = SK_TAS*(P[8][4]*SH_TAS[2] - P[8][14]*SH_TAS[2] + P[8][5]*SH_TAS[1] - P[8][15]*SH_TAS[1] + P[8][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[9] = SK_TAS*(P[9][4]*SH_TAS[2] - P[9][14]*SH_TAS[2] + P[9][5]*SH_TAS[1] - P[9][15]*SH_TAS[1] + P[9][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[10] = SK_TAS*(P[10][4]*SH_TAS[2] - P[10][14]*SH_TAS[2] + P[10][5]*SH_TAS[1] - P[10][15]*SH_TAS[1] + P[10][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[11] = SK_TAS*(P[11][4]*SH_TAS[2] - P[11][14]*SH_TAS[2] + P[11][5]*SH_TAS[1] - P[11][15]*SH_TAS[1] + P[11][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[12] = SK_TAS*(P[12][4]*SH_TAS[2] - P[12][14]*SH_TAS[2] + P[12][5]*SH_TAS[1] - P[12][15]*SH_TAS[1] + P[12][6]*vd*SH_TAS[0]); + // Only height measurements are allowed to modify the Z delta velocity bias state. This improves the stability of the estimate + Kfusion[13] = 0.0f;//SK_TAS*(P[13][4]*SH_TAS[2] - P[13][14]*SH_TAS[2] + P[13][5]*SH_TAS[1] - P[13][15]*SH_TAS[1] + P[13][6]*vd*SH_TAS[0]); + // Estimation of selected states is inhibited by setting their Kalman gains to zero + if (!inhibitWindStates) { + Kfusion[14] = SK_TAS*(P[14][4]*SH_TAS[2] - P[14][14]*SH_TAS[2] + P[14][5]*SH_TAS[1] - P[14][15]*SH_TAS[1] + P[14][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[15] = SK_TAS*(P[15][4]*SH_TAS[2] - P[15][14]*SH_TAS[2] + P[15][5]*SH_TAS[1] - P[15][15]*SH_TAS[1] + P[15][6]*vd*SH_TAS[0]); + } else { + Kfusion[14] = 0; + Kfusion[15] = 0; + } + if (!inhibitMagStates) { + Kfusion[16] = SK_TAS*(P[16][4]*SH_TAS[2] - P[16][14]*SH_TAS[2] + P[16][5]*SH_TAS[1] - P[16][15]*SH_TAS[1] + P[16][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[17] = SK_TAS*(P[17][4]*SH_TAS[2] - P[17][14]*SH_TAS[2] + P[17][5]*SH_TAS[1] - P[17][15]*SH_TAS[1] + P[17][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[18] = SK_TAS*(P[18][4]*SH_TAS[2] - P[18][14]*SH_TAS[2] + P[18][5]*SH_TAS[1] - P[18][15]*SH_TAS[1] + P[18][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[19] = SK_TAS*(P[19][4]*SH_TAS[2] - P[19][14]*SH_TAS[2] + P[19][5]*SH_TAS[1] - P[19][15]*SH_TAS[1] + P[19][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[20] = SK_TAS*(P[20][4]*SH_TAS[2] - P[20][14]*SH_TAS[2] + P[20][5]*SH_TAS[1] - P[20][15]*SH_TAS[1] + P[20][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[21] = SK_TAS*(P[21][4]*SH_TAS[2] - P[21][14]*SH_TAS[2] + P[21][5]*SH_TAS[1] - P[21][15]*SH_TAS[1] + P[21][6]*vd*SH_TAS[0]); + } else { + for (uint8_t i=16; i <= 21; i++) { + Kfusion[i] = 0; + } + } + if (!inhibitGndHgtState) { + Kfusion[22] = SK_TAS*(P[22][4]*SH_TAS[2] - P[22][14]*SH_TAS[2] + P[22][5]*SH_TAS[1] - P[22][15]*SH_TAS[1] + P[22][6]*vd*SH_TAS[0]); + } else { + Kfusion[22] = 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) < 25.0f) + { + // correct the state vector + for (uint8_t j=0; j <= 22; 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 <= 22; 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 <= 13; j++) KH[i][j] = 0.0; + for (uint8_t j = 14; j <= 15; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_TAS[j]; + } + for (uint8_t j = 16; j <= 22; j++) KH[i][j] = 0.0; + } + for (uint8_t i = 0; i <= 22; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j <= 22; 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 = 14; k <= 15; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i <= 22; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j <= 22; 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::FuseRangeFinder() +{ + + // Local variables + float rngPred; + float SH_RNG[5]; + float H_RNG[23]; + float SK_RNG[6]; + float cosRngTilt; + const float R_RNG = 0.25f; // 0.5 m2 rangefinder measurement variance + + // Copy required states to local variable names + float q0 = statesAtRngTime[0]; + float q1 = statesAtRngTime[1]; + float q2 = statesAtRngTime[2]; + float q3 = statesAtRngTime[3]; + float pd = statesAtRngTime[9]; + float ptd = statesAtRngTime[22]; + + // Need to check that our range finder tilt angle is less than 30 degrees and we are using range finder data + SH_RNG[4] = sinf(rngFinderPitch); + cosRngTilt = - Tbn.z.x * SH_RNG[4] + Tbn.z.z * cosf(rngFinderPitch); + if (useRangeFinder && fuseRngData && cosRngTilt > 0.87f) + { + // Calculate observation jacobian and Kalman gain ignoring all states other than the terrain offset + // This prevents the range finder measurement modifying any of the other filter states and significantly reduces computations + SH_RNG[0] = SH_RNG[4]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - sq(q0) + sq(q1) + sq(q2) - sq(q3); + SH_RNG[1] = pd - ptd; + SH_RNG[2] = 1/sq(SH_RNG[0]); + SH_RNG[3] = 1/SH_RNG[0]; + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) { + H_RNG[i] = 0.0f; + Kfusion[i] = 0.0f; + } + H_RNG[22] = -SH_RNG[3]; + SK_RNG[0] = 1/(R_RNG + SH_RNG[3]*(P[9][9]*SH_RNG[3] - P[22][9]*SH_RNG[3] + P[0][9]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]) - P[1][9]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]) - P[2][9]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]) + P[3][9]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4])) - SH_RNG[3]*(P[9][22]*SH_RNG[3] - P[22][22]*SH_RNG[3] + P[0][22]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]) - P[1][22]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]) - P[2][22]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]) + P[3][22]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4])) + SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4])*(P[9][0]*SH_RNG[3] - P[22][0]*SH_RNG[3] + P[0][0]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]) - P[1][0]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]) - P[2][0]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]) + P[3][0]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4])) - SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4])*(P[9][1]*SH_RNG[3] - P[22][1]*SH_RNG[3] + P[0][1]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]) - P[1][1]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]) - P[2][1]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]) + P[3][1]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4])) - SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4])*(P[9][2]*SH_RNG[3] - P[22][2]*SH_RNG[3] + P[0][2]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]) - P[1][2]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]) - P[2][2]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]) + P[3][2]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4])) + SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4])*(P[9][3]*SH_RNG[3] - P[22][3]*SH_RNG[3] + P[0][3]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]) - P[1][3]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]) - P[2][3]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]) + P[3][3]*SH_RNG[1]*SH_RNG[2]*(2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4]))); + SK_RNG[1] = 2*q1 - 2*q3*SH_RNG[4]; + SK_RNG[2] = 2*q0 - 2*q2*SH_RNG[4]; + SK_RNG[3] = 2*q3 + 2*q1*SH_RNG[4]; + SK_RNG[4] = 2*q2 + 2*q0*SH_RNG[4]; + SK_RNG[5] = SH_RNG[2]; + Kfusion[22] = SK_RNG[0]*(P[22][9]*SH_RNG[3] - P[22][22]*SH_RNG[3] + P[22][0]*SH_RNG[1]*SK_RNG[2]*SK_RNG[5] - P[22][1]*SH_RNG[1]*SK_RNG[1]*SK_RNG[5] - P[22][2]*SH_RNG[1]*SK_RNG[4]*SK_RNG[5] + P[22][3]*SH_RNG[1]*SK_RNG[3]*SK_RNG[5]); + + // Calculate the innovation variance for data logging + varInnovRng = 1.0f/SK_RNG[0]; + + // Calculate the measurement innovation + rngPred = (ptd - pd)/cosRngTilt; + innovRng = rngPred - rngMea; + + // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma + if ((innovRng*innovRng*SK_RNG[0]) < 25) + { + // correct the state vector + states[22] = states[22] - Kfusion[22] * innovRng; + + // correct the covariance P = (I - K*H)*P + P[22][22] = P[22][22] - Kfusion[22] * H_RNG[22] * P[22][22]; + P[22][22] = ConstrainFloat(P[22][22], 0.0f, 10000.0f); + } + } + +} + +void AttPosEKF::FuseOptFlow() +{ + static uint8_t obsIndex; + static float SH_LOS[13]; + static float SKK_LOS[15]; + static float SK_LOS[2]; + static float q0 = 0.0f; + static float q1 = 0.0f; + static float q2 = 0.0f; + static float q3 = 1.0f; + static float vn = 0.0f; + static float ve = 0.0f; + static float vd = 0.0f; + static float pd = 0.0f; + static float ptd = 0.0f; + static float R_LOS = 0.01f; + static float losPred[2]; + + // Transformation matrix from nav to body axes + Mat3f Tnb_local; + // Transformation matrix from body to sensor axes + // assume camera is aligned with Z body axis plus a misalignment + // defined by 3 small angles about X, Y and Z body axis + Mat3f Tbs; + Tbs.x.y = a3; + Tbs.y.x = -a3; + Tbs.x.z = -a2; + Tbs.z.x = a2; + Tbs.y.z = a1; + Tbs.z.y = -a1; + // Transformation matrix from navigation to sensor axes + Mat3f Tns; + float H_LOS[n_states]; + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) { + H_LOS[i] = 0.0f; + } + Vector3f velNED_local; + Vector3f relVelSensor; + +// Perform sequential fusion of optical flow measurements only when in the air and tilt is less than 30 deg. + if (useOpticalFlow && (fuseOptFlowData || obsIndex == 1) && !onGround && Tbs.z.z > 0.866f && rngMea > 5.0f && rngMea < 39.0f) + { + // Sequential fusion of XY components to spread processing load across + // two prediction time steps. + + // Calculate observation jacobians and Kalman gains + if (fuseOptFlowData) + { + // Copy required states to local variable names + q0 = statesAtOptFlowTime[0]; + q1 = statesAtOptFlowTime[1]; + q2 = statesAtOptFlowTime[2]; + q3 = statesAtOptFlowTime[3]; + vn = statesAtOptFlowTime[4]; + ve = statesAtOptFlowTime[5]; + vd = statesAtOptFlowTime[6]; + pd = statesAtOptFlowTime[9]; + ptd = statesAtOptFlowTime[22]; + velNED_local.x = vn; + velNED_local.y = ve; + velNED_local.z = vd; + + // calculate rotation from NED to body axes + float q00 = sq(q0); + float q11 = sq(q1); + float q22 = sq(q2); + float q33 = sq(q3); + float q01 = q0 * q1; + float q02 = q0 * q2; + float q03 = q0 * q3; + float q12 = q1 * q2; + float q13 = q1 * q3; + float q23 = q2 * q3; + Tnb_local.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; + Tnb_local.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; + Tnb_local.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; + Tnb_local.y.x = 2*(q12 - q03); + Tnb_local.z.x = 2*(q13 + q02); + Tnb_local.x.y = 2*(q12 + q03); + Tnb_local.z.y = 2*(q23 - q01); + Tnb_local.x.z = 2*(q13 - q02); + Tnb_local.y.z = 2*(q23 + q01); + + // calculate transformation from NED to sensor axes + Tns = Tbs*Tnb_local; + + // calculate range from ground plain to centre of sensor fov assuming flat earth + float range = ConstrainFloat(((ptd - pd)/Tns.z.z),0.5f,100.0f); + + // calculate relative velocity in sensor frame + relVelSensor = Tns*velNED_local; + + // divide velocity by range and include angular rate effects to get predicted angular LOS rates relative to X and Y axes + losPred[0] = relVelSensor.y/range; + losPred[1] = -relVelSensor.x/range; + + //printf("relVelSensor.x=%5.1f, relVelSensor.y=%5.1f\n", relVelSensor.x, relVelSensor.y); + //printf("Xpred=%5.2f, Xmea=%5.2f, Ypred=%5.2f, Ymea=%5.2f, delAng.x=%4.4f, delAng.y=%4.4f\n", losPred[0], losData[0], losPred[1], losData[1], delAng.x, delAng.y); + //printf("omegaX=%5.2f, omegaY=%5.2f, velY=%5.1f velX=%5.1f\n, range=%5.1f\n", delAngRel.x/dt, delAngRel.y/dt, relVelSensor.y, relVelSensor.x, range); + + // Calculate observation jacobians + SH_LOS[0] = a1*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) + a2*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - sq(q0) + sq(q1) + sq(q2) - sq(q3); + SH_LOS[1] = vd*(a2*(sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) + 2*q0*q2 - 2*q1*q3 - a3*(2*q0*q1 + 2*q2*q3)) - ve*(a3*(sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) - sq(q3)) + 2*q0*q3 + 2*q1*q2 + a2*(2*q0*q1 - 2*q2*q3)) + vn*(a2*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) + a3*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) - sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) + sq(q3)); + SH_LOS[2] = ve*(a1*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) + a3*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) - vd*(a1*(sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) + 2*q0*q1 + 2*q2*q3 + a3*(2*q0*q2 - 2*q1*q3)) + vn*(a3*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3)) + 2*q0*q3 - 2*q1*q2 - a1*(2*q0*q2 + 2*q1*q3)); + SH_LOS[3] = 1/(pd - ptd); + SH_LOS[4] = 2*q1 - 2*a2*q3 + 2*a3*q2; + SH_LOS[5] = 2*a2*q2 - 2*q0 + 2*a3*q3; + SH_LOS[6] = 2*q2 + 2*a2*q0 - 2*a3*q1; + SH_LOS[7] = 1/sq(pd - ptd); + SH_LOS[8] = 2*q2 + 2*a1*q3 - 2*a3*q1; + SH_LOS[9] = 2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a3*q0; + SH_LOS[10] = 2*a1*q1 - 2*q0 + 2*a3*q3; + SH_LOS[11] = 2*q3 + 2*a2*q1 + 2*a3*q0; + SH_LOS[12] = 2*q1 + 2*a1*q0 + 2*a3*q2; + + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) H_LOS[i] = 0; + H_LOS[0] = - SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*a1*q1 - 2*q0 + 2*a2*q2) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(ve*SH_LOS[10] - vd*SH_LOS[12] + vn*SH_LOS[9]); + H_LOS[1] = - SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*q1 + 2*a1*q0 - 2*a2*q3) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[10] + ve*SH_LOS[12] - vn*SH_LOS[8]); + H_LOS[2] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[9] + ve*SH_LOS[8] + vn*SH_LOS[12]) - SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*q2 + 2*a2*q0 + 2*a1*q3); + H_LOS[3] = SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a2*q1) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[8] - ve*SH_LOS[9] + vn*SH_LOS[10]); + H_LOS[4] = -SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(a3*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3)) + 2*q0*q3 - 2*q1*q2 - a1*(2*q0*q2 + 2*q1*q3)); + H_LOS[5] = -SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(a1*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) + a3*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)); + H_LOS[6] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(a1*(sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) + 2*q0*q1 + 2*q2*q3 + a3*(2*q0*q2 - 2*q1*q3)); + H_LOS[9] = SH_LOS[0]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]; + H_LOS[22] = -SH_LOS[0]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]; + + // Calculate Kalman gain + SKK_LOS[0] = a2*(sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) + 2*q0*q2 - 2*q1*q3 - a3*(2*q0*q1 + 2*q2*q3); + SKK_LOS[1] = a3*(sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) - sq(q3)) + 2*q0*q3 + 2*q1*q2 + a2*(2*q0*q1 - 2*q2*q3); + SKK_LOS[2] = a2*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) + a3*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) - sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) + sq(q3); + SKK_LOS[3] = a1*(sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) + 2*q0*q1 + 2*q2*q3 + a3*(2*q0*q2 - 2*q1*q3); + SKK_LOS[4] = a1*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) + a3*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) + sq(q3); + SKK_LOS[5] = a3*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3)) + 2*q0*q3 - 2*q1*q2 - a1*(2*q0*q2 + 2*q1*q3); + SKK_LOS[6] = SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a2*q1) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[8] - ve*SH_LOS[9] + vn*SH_LOS[10]); + SKK_LOS[7] = SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*q1 + 2*a1*q0 - 2*a2*q3) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[10] + ve*SH_LOS[12] - vn*SH_LOS[8]); + SKK_LOS[8] = SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*a1*q1 - 2*q0 + 2*a2*q2) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(ve*SH_LOS[10] - vd*SH_LOS[12] + vn*SH_LOS[9]); + SKK_LOS[9] = SH_LOS[2]*SH_LOS[3]*(2*q2 + 2*a2*q0 + 2*a1*q3) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[9] + ve*SH_LOS[8] + vn*SH_LOS[12]); + SKK_LOS[10] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*a1*q1 - 2*q0 + 2*a2*q2) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[6] - ve*SH_LOS[11] + vn*SH_LOS[5]); + SKK_LOS[11] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q1 + 2*a1*q0 - 2*a2*q3) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[11] + ve*SH_LOS[6] + vn*SH_LOS[4]); + SKK_LOS[12] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q2 + 2*a2*q0 + 2*a1*q3) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[5] + ve*SH_LOS[4] - vn*SH_LOS[6]); + SKK_LOS[13] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a2*q1) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(ve*SH_LOS[5] - vd*SH_LOS[4] + vn*SH_LOS[11]); + SKK_LOS[14] = SH_LOS[0]; + + SK_LOS[0] = 1/(R_LOS + SKK_LOS[8]*(P[0][0]*SKK_LOS[8] + P[1][0]*SKK_LOS[7] + P[2][0]*SKK_LOS[9] - P[3][0]*SKK_LOS[6] - P[9][0]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][0]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][0]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][0]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][0]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) + SKK_LOS[7]*(P[0][1]*SKK_LOS[8] + P[1][1]*SKK_LOS[7] + P[2][1]*SKK_LOS[9] - P[3][1]*SKK_LOS[6] - P[9][1]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][1]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][1]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][1]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][1]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) + SKK_LOS[9]*(P[0][2]*SKK_LOS[8] + P[1][2]*SKK_LOS[7] + P[2][2]*SKK_LOS[9] - P[3][2]*SKK_LOS[6] - P[9][2]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][2]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][2]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][2]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][2]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) - SKK_LOS[6]*(P[0][3]*SKK_LOS[8] + P[1][3]*SKK_LOS[7] + P[2][3]*SKK_LOS[9] - P[3][3]*SKK_LOS[6] - P[9][3]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][3]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][3]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][3]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][3]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) - SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14]*(P[0][9]*SKK_LOS[8] + P[1][9]*SKK_LOS[7] + P[2][9]*SKK_LOS[9] - P[3][9]*SKK_LOS[6] - P[9][9]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][9]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][9]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][9]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][9]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) + SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14]*(P[0][22]*SKK_LOS[8] + P[1][22]*SKK_LOS[7] + P[2][22]*SKK_LOS[9] - P[3][22]*SKK_LOS[6] - P[9][22]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][22]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][22]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][22]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][22]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) + SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14]*(P[0][4]*SKK_LOS[8] + P[1][4]*SKK_LOS[7] + P[2][4]*SKK_LOS[9] - P[3][4]*SKK_LOS[6] - P[9][4]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][4]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) + SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14]*(P[0][5]*SKK_LOS[8] + P[1][5]*SKK_LOS[7] + P[2][5]*SKK_LOS[9] - P[3][5]*SKK_LOS[6] - P[9][5]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][5]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]) - SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]*(P[0][6]*SKK_LOS[8] + P[1][6]*SKK_LOS[7] + P[2][6]*SKK_LOS[9] - P[3][6]*SKK_LOS[6] - P[9][6]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][6]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[5][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[6][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14])); + Kfusion[0] = -SK_LOS[0]*(P[0][0]*SKK_LOS[8] + P[0][1]*SKK_LOS[7] - P[0][3]*SKK_LOS[6] + P[0][2]*SKK_LOS[9] - P[0][9]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[0][22]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[0][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[0][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[0][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[1] = -SK_LOS[0]*(P[1][0]*SKK_LOS[8] + P[1][1]*SKK_LOS[7] - P[1][3]*SKK_LOS[6] + P[1][2]*SKK_LOS[9] - P[1][9]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[1][22]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[1][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[1][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[1][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[2] = -SK_LOS[0]*(P[2][0]*SKK_LOS[8] + P[2][1]*SKK_LOS[7] - P[2][3]*SKK_LOS[6] + P[2][2]*SKK_LOS[9] - P[2][9]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[2][22]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[2][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[2][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[2][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[3] = -SK_LOS[0]*(P[3][0]*SKK_LOS[8] + P[3][1]*SKK_LOS[7] - P[3][3]*SKK_LOS[6] + P[3][2]*SKK_LOS[9] - P[3][9]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[3][22]*SH_LOS[2]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[3][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[5]*SKK_LOS[14] + P[3][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[4]*SKK_LOS[14] - P[3][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[3]*SKK_LOS[14]); 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i < n_states; i++) H_LOS[i] = 0; + H_LOS[0] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*a1*q1 - 2*q0 + 2*a2*q2) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[6] - ve*SH_LOS[11] + vn*SH_LOS[5]); + H_LOS[1] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q1 + 2*a1*q0 - 2*a2*q3) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[11] + ve*SH_LOS[6] + vn*SH_LOS[4]); + H_LOS[2] = SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q2 + 2*a2*q0 + 2*a1*q3) - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(vd*SH_LOS[5] + ve*SH_LOS[4] - vn*SH_LOS[6]); + H_LOS[3] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(ve*SH_LOS[5] - vd*SH_LOS[4] + vn*SH_LOS[11]) - SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a2*q1); + H_LOS[4] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(a2*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) + a3*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) - sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) + sq(q3)); + H_LOS[5] = -SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(a3*(sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) - sq(q3)) + 2*q0*q3 + 2*q1*q2 + a2*(2*q0*q1 - 2*q2*q3)); + H_LOS[6] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(a2*(sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3)) + 2*q0*q2 - 2*q1*q3 - a3*(2*q0*q1 + 2*q2*q3)); + H_LOS[9] = -SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]; + H_LOS[22] = SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]; + + // Calculate Kalman gains + SK_LOS[1] = 1/(R_LOS + SKK_LOS[12]*(P[0][2]*SKK_LOS[10] + P[1][2]*SKK_LOS[11] + P[2][2]*SKK_LOS[12] - P[3][2]*SKK_LOS[13] - P[9][2]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][2]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][2]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][2]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][2]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) - SKK_LOS[13]*(P[0][3]*SKK_LOS[10] + P[1][3]*SKK_LOS[11] + P[2][3]*SKK_LOS[12] - P[3][3]*SKK_LOS[13] - P[9][3]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][3]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][3]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][3]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][3]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) + SKK_LOS[10]*(P[0][0]*SKK_LOS[10] + P[1][0]*SKK_LOS[11] + P[2][0]*(SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q2 + 2*a2*q0 + 2*a1*q3) - SH_LOS[3]*SKK_LOS[14]*(vd*SH_LOS[5] + ve*SH_LOS[4] - vn*SH_LOS[6])) - P[3][0]*(SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a2*q1) - SH_LOS[3]*SKK_LOS[14]*(ve*SH_LOS[5] - vd*SH_LOS[4] + vn*SH_LOS[11])) - P[9][0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][0]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][0]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][0]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) + SKK_LOS[11]*(P[0][1]*SKK_LOS[10] + P[1][1]*SKK_LOS[11] + P[2][1]*(SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q2 + 2*a2*q0 + 2*a1*q3) - SH_LOS[3]*SKK_LOS[14]*(vd*SH_LOS[5] + ve*SH_LOS[4] - vn*SH_LOS[6])) - P[3][1]*(SH_LOS[1]*SH_LOS[3]*(2*q3 - 2*a1*q2 + 2*a2*q1) - SH_LOS[3]*SKK_LOS[14]*(ve*SH_LOS[5] - vd*SH_LOS[4] + vn*SH_LOS[11])) - P[9][1]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][1]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][1]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][1]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][1]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) - SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14]*(P[0][9]*SKK_LOS[10] + P[1][9]*SKK_LOS[11] + P[2][9]*SKK_LOS[12] - P[3][9]*SKK_LOS[13] - P[9][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][9]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][9]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][9]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) + SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14]*(P[0][22]*SKK_LOS[10] + P[1][22]*SKK_LOS[11] + P[2][22]*SKK_LOS[12] - P[3][22]*SKK_LOS[13] - P[9][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][22]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][22]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][22]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) + SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14]*(P[0][4]*SKK_LOS[10] + P[1][4]*SKK_LOS[11] + P[2][4]*SKK_LOS[12] - P[3][4]*SKK_LOS[13] - P[9][4]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][4]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) - SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14]*(P[0][5]*SKK_LOS[10] + P[1][5]*SKK_LOS[11] + P[2][5]*SKK_LOS[12] - P[3][5]*SKK_LOS[13] - P[9][5]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][5]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]) + SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14]*(P[0][6]*SKK_LOS[10] + P[1][6]*SKK_LOS[11] + P[2][6]*SKK_LOS[12] - P[3][6]*SKK_LOS[13] - P[9][6]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][6]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[4][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[5][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14] + P[6][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14])); 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+ Kfusion[18] = SK_LOS[1]*(P[18][0]*SKK_LOS[10] - P[18][3]*SKK_LOS[13] + P[18][1]*SKK_LOS[11] + P[18][2]*SKK_LOS[12] - P[18][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[18][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[18][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14] + P[18][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[18][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[19] = SK_LOS[1]*(P[19][0]*SKK_LOS[10] - P[19][3]*SKK_LOS[13] + P[19][1]*SKK_LOS[11] + P[19][2]*SKK_LOS[12] - P[19][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[19][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[19][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14] + P[19][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[19][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[20] = SK_LOS[1]*(P[20][0]*SKK_LOS[10] - P[20][3]*SKK_LOS[13] + P[20][1]*SKK_LOS[11] + P[20][2]*SKK_LOS[12] - P[20][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[20][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[20][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14] + P[20][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[20][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[21] = SK_LOS[1]*(P[21][0]*SKK_LOS[10] - P[21][3]*SKK_LOS[13] + P[21][1]*SKK_LOS[11] + P[21][2]*SKK_LOS[12] - P[21][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[21][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[21][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14] + P[21][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[21][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14]); + Kfusion[22] = SK_LOS[1]*(P[22][0]*SKK_LOS[10] - P[22][3]*SKK_LOS[13] + P[22][1]*SKK_LOS[11] + P[22][2]*SKK_LOS[12] - P[22][9]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][22]*SH_LOS[1]*SH_LOS[7]*SKK_LOS[14] + P[22][6]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[0]*SKK_LOS[14] + P[22][4]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[2]*SKK_LOS[14] - P[22][5]*SH_LOS[3]*SKK_LOS[1]*SKK_LOS[14]); + varInnovOptFlow[1] = 1.0f/SK_LOS[1]; + innovOptFlow[1] = losPred[1] - losData[1]; + } + + // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 3Sigma + if ((innovOptFlow[obsIndex]*innovOptFlow[obsIndex]/varInnovOptFlow[obsIndex]) < 9.0f) + { + // correct the state vector + for (uint8_t j = 0; j < n_states; j++) + { + states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovOptFlow[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-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 KH to reduce the + // number of operations + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j <= 6; j++) + { + KH[i][j] = Kfusion[i] * H_LOS[j]; + } + for (uint8_t j = 7; j <= 8; j++) + { + KH[i][j] = 0.0f; + } + KH[i][9] = Kfusion[i] * H_LOS[9]; + for (uint8_t j = 10; j <= 21; j++) + { + KH[i][j] = 0.0f; + } + KH[i][22] = Kfusion[i] * H_LOS[22]; + } + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < n_states; j++) + { + KHP[i][j] = 0.0f; + for (uint8_t k = 0; k <= 6; k++) + { + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; + } + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][9] * P[9][j]; + KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][22] * P[2][j]; + } + } + } + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) + { + for (uint8_t j = 0; j < n_states; j++) + { + P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; + } + } + } + obsIndex = obsIndex + 1; + ForceSymmetry(); + ConstrainVariances(); +} + +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, uint64_t msec) +{ + int ret = 0; + + int64_t bestTimeDelta = 200; + unsigned bestStoreIndex = 0; + for (unsigned storeIndexLocal = 0; storeIndexLocal < data_buffer_size; storeIndexLocal++) + { + // Work around a GCC compiler bug - we know 64bit support on ARM is + // sketchy in GCC. + uint64_t timeDelta; + + if (msec > statetimeStamp[storeIndexLocal]) { + timeDelta = msec - statetimeStamp[storeIndexLocal]; + } else { + timeDelta = statetimeStamp[storeIndexLocal] - msec; + } + + if (timeDelta < (uint64_t)bestTimeDelta) + { + bestStoreIndex = storeIndexLocal; + bestTimeDelta = timeDelta; + } + } + if (bestTimeDelta < 200) // only output stored state if < 200 msec retrieval error + { + for (unsigned 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 (unsigned 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_ret, 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_ret.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; + Tbn_ret.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; + Tbn_ret.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; + Tbn_ret.x.y = 2*(q12 - q03); + Tbn_ret.x.z = 2*(q13 + q02); + Tbn_ret.y.x = 2*(q12 + q03); + Tbn_ret.y.z = 2*(q23 - q01); + Tbn_ret.z.x = 2*(q13 - q02); + Tbn_ret.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], double lat, double lon, float hgt, double latReference, double lonReference, float hgtReference) +{ + posNED[0] = earthRadius * (lat - latReference); + posNED[1] = earthRadius * cos(latReference) * (lon - lonReference); + posNED[2] = -(hgt - hgtReference); +} + +void AttPosEKF::calcLLH(float posNED[3], double &lat, double &lon, float &hgt, double latRef, double lonRef, float hgtRef) +{ + lat = latRef + (double)posNED[0] * earthRadiusInv; + lon = lonRef + (double)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 = (!refSet || (GPSstatus < GPS_FIX_3D)); + } + // don't update wind states if there is no airspeed measurement + if (onGround || !useAirspeed) { + inhibitWindStates = true; + } else { + inhibitWindStates =false; + } + // don't update magnetic field states if on ground or not using compass + if (onGround || !useCompass) { + inhibitMagStates = true; + } else { + inhibitMagStates = false; + } + // don't update terrain offset state if on ground + if (onGround) { + inhibitGndHgtState = true; + } else { + inhibitGndHgtState = false; + } +} + +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(0.7f); + P[5][5] = P[4][4]; + P[6][6] = sq(0.7f); + P[7][7] = sq(15.0f); + P[8][8] = P[7][7]; + P[9][9] = sq(5.0f); + P[10][10] = sq(0.1f*deg2rad*dtIMU); + P[11][11] = P[10][10]; + P[12][12] = P[10][10]; + P[13][13] = sq(0.2f*dtIMU); + P[14][14] = sq(0.0f); + P[15][15] = P[14][14]; + P[16][16] = sq(0.02f); + P[17][17] = P[16][16]; + P[18][18] = P[16][16]; + P[19][19] = sq(0.02f); + P[20][20] = P[19][19]; + P[21][21] = P[19][19]; + P[22][22] = sq(0.5f); +} + +float AttPosEKF::ConstrainFloat(float val, float min, float max) +{ + float ret; + if (val > max) { + ret = max; + ekf_debug("> max: %8.4f, val: %8.4f", (double)max, (double)val); + } else if (val < min) { + ret = min; + ekf_debug("< min: %8.4f, val: %8.4f", (double)min, (double)val); + } else { + ret = val; + } + + if (!isfinite(val)) { + //ekf_debug("constrain: non-finite!"); + } + + return ret; +} + +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: Delta Velocity bias - m/s (Z) + // 14-15: Wind Vector - m/sec (North,East) + // 16-18: Earth Magnetic Field Vector - gauss (North, East, Down) + // 19-21: Body Magnetic Field Vector - gauss (X,Y,Z) + // 22: Terrain offset - m + + // Constrain quaternion variances + for (unsigned i = 0; i <= 3; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); + } + + // Constrain velocity variances + for (unsigned i = 4; i <= 6; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e3f); + } + + // Constrain position variances + for (unsigned i = 7; i <= 9; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e6f); + } + + // Constrain delta angle bias variances + for (unsigned i = 10; i <= 12; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, sq(0.12f * dtIMU)); + } + + // Constrain delta velocity bias variance + P[13][13] = ConstrainFloat(P[13][13], 0.0f, sq(1.0f * dtIMU)); + + // Wind velocity variances + for (unsigned i = 14; i <= 15; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e3f); + } + + // Earth magnetic field variances + for (unsigned i = 16; i <= 18; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); + } + + // Body magnetic field variances + for (unsigned i = 19; i <= 21; i++) { + P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); + } + + // Constrain terrain offset variance + P[22][22] = ConstrainFloat(P[22][22], 0.0f, 10000.0f); +} + +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: Delta Velocity bias - m/s (Z) + // 14-15: Wind Vector - m/sec (North,East) + // 16-18: Earth Magnetic Field Vector - gauss (North, East, Down) + // 19-21: Body Magnetic Field Vector - gauss (X,Y,Z) + // 22: Terrain offset - m + + // Constrain quaternion + for (unsigned i = 0; i <= 3; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0f, 1.0f); + } + + // Constrain velocities to what GPS can do for us + for (unsigned i = 4; i <= 6; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -5.0e2f, 5.0e2f); + } + + // Constrain position to a reasonable vehicle range (in meters) + for (unsigned i = 7; i <= 8; 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 <= 12; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.12f * dtIMU, 0.12f * dtIMU); + } + + // Constrain delta velocity bias + states[13] = ConstrainFloat(states[13], -1.0f * dtIMU, 1.0f * dtIMU); + + // Wind velocity limits - assume 120 m/s max velocity + for (unsigned i = 14; i <= 15; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -120.0f, 120.0f); + } + + // Earth magnetic field limits (in Gauss) + for (unsigned i = 16; 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 = 19; i <= 21; i++) { + states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.5f, 0.5f); + } + + // Constrain terrain offset + states[22] = ConstrainFloat(states[22], -1000.0f, 1000.0f); + +} + +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]; + + if ((fabsf(P[i][j]) > EKF_COVARIANCE_DIVERGED) || + (fabsf(P[j][i]) > EKF_COVARIANCE_DIVERGED)) { + current_ekf_state.covariancesExcessive = true; + current_ekf_state.error |= true; + InitializeDynamic(velNED, magDeclination); + return; + } + + float symmetric = 0.5f * (P[i][j] + P[j][i]); + P[i][j] = symmetric; + P[j][i] = symmetric; + } + } +} + +bool AttPosEKF::GyroOffsetsDiverged() +{ + // Detect divergence by looking for rapid changes of the gyro offset + Vector3f current_bias; + current_bias.x = states[10]; + current_bias.y = states[11]; + current_bias.z = states[12]; + + Vector3f delta = current_bias - lastGyroOffset; + float delta_len = delta.length(); + float delta_len_scaled = 0.0f; + + // Protect against division by zero + if (delta_len > 0.0f) { + float cov_mag = ConstrainFloat((P[10][10] + P[11][11] + P[12][12]), 1e-12f, 1e-8f); + delta_len_scaled = (5e-7 / (double)cov_mag) * (double)delta_len / (double)dtIMU; + } + + bool diverged = (delta_len_scaled > 1.0f); + lastGyroOffset = current_bias; + current_ekf_state.error |= diverged; + current_ekf_state.gyroOffsetsExcessive = diverged; + + return diverged; +} + +bool AttPosEKF::VelNEDDiverged() +{ + Vector3f current_vel; + current_vel.x = states[4]; + current_vel.y = states[5]; + current_vel.z = states[6]; + + Vector3f gps_vel; + gps_vel.x = velNED[0]; + gps_vel.y = velNED[1]; + gps_vel.z = velNED[2]; + + Vector3f delta = current_vel - gps_vel; + float delta_len = delta.length(); + + bool excessive = (delta_len > 20.0f); + + current_ekf_state.error |= excessive; + current_ekf_state.velOffsetExcessive = excessive; + + return excessive; +} + +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 + } +} + +bool AttPosEKF::StatesNaN() { + bool err = false; + + // check all integrators + if (!isfinite(summedDelAng.x) || !isfinite(summedDelAng.y) || !isfinite(summedDelAng.z)) { + current_ekf_state.angNaN = true; + ekf_debug("summedDelAng NaN: x: %f y: %f z: %f", (double)summedDelAng.x, (double)summedDelAng.y, (double)summedDelAng.z); + err = true; + goto out; + } // delta angles + + if (!isfinite(correctedDelAng.x) || !isfinite(correctedDelAng.y) || !isfinite(correctedDelAng.z)) { + current_ekf_state.angNaN = true; + ekf_debug("correctedDelAng NaN: x: %f y: %f z: %f", (double)correctedDelAng.x, (double)correctedDelAng.y, (double)correctedDelAng.z); + err = true; + goto out; + } // delta angles + + if (!isfinite(summedDelVel.x) || !isfinite(summedDelVel.y) || !isfinite(summedDelVel.z)) { + current_ekf_state.summedDelVelNaN = true; + ekf_debug("summedDelVel NaN: x: %f y: %f z: %f", (double)summedDelVel.x, (double)summedDelVel.y, (double)summedDelVel.z); + err = true; + goto out; + } // delta velocities + + // 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])) { + + current_ekf_state.KHNaN = true; + err = true; + ekf_debug("KH NaN"); + goto out; + } // intermediate result used for covariance updates + + if (!isfinite(KHP[i][j])) { + + current_ekf_state.KHPNaN = true; + err = true; + ekf_debug("KHP NaN"); + goto out; + } // intermediate result used for covariance updates + + if (!isfinite(P[i][j])) { + + current_ekf_state.covarianceNaN = true; + err = true; + ekf_debug("P NaN"); + } // covariance matrix + } + + if (!isfinite(Kfusion[i])) { + + current_ekf_state.kalmanGainsNaN = true; + ekf_debug("Kfusion NaN"); + err = true; + goto out; + } // Kalman gains + + if (!isfinite(states[i])) { + + current_ekf_state.statesNaN = true; + ekf_debug("states NaN: i: %u val: %f", i, (double)states[i]); + err = true; + goto out; + } // state matrix + } + +out: + if (err) { + current_ekf_state.error |= true; + } + + 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(struct ekf_status_report *last_error) +{ + + // Store the old filter state + bool currStaticMode = staticMode; + + // Limit reset rate to 5 Hz to allow the filter + // to settle + if (millis() - lastReset < 200) { + return 0; + } + + if (ekfDiverged) { + ekfDiverged = false; + } + + int ret = 0; + + // Check if we're on ground - this also sets static mode. + OnGroundCheck(); + + // Reset the filter if the states went NaN + if (StatesNaN()) { + ekf_debug("re-initializing dynamic"); + + // Reset and fill error report + InitializeDynamic(velNED, magDeclination); + + ret = 1; + } + + // Reset the filter if the IMU data is too old + if (dtIMU > 0.3f) { + + current_ekf_state.imuTimeout = true; + + // Fill error report + GetFilterState(&last_ekf_error); + + ResetVelocity(); + ResetPosition(); + ResetHeight(); + ResetStoredStates(); + + // Timeout cleared with this reset + current_ekf_state.imuTimeout = false; + + // that's all we can do here, return + ret = 2; + } + + // Check if we switched between states + if (currStaticMode != staticMode) { + // Fill error report, but not setting error flag + GetFilterState(&last_ekf_error); + + ResetVelocity(); + ResetPosition(); + ResetHeight(); + ResetStoredStates(); + + ret = 3; + } + + // Reset the filter if gyro offsets are excessive + if (GyroOffsetsDiverged()) { + + // Reset and fill error report + InitializeDynamic(velNED, magDeclination); + + // that's all we can do here, return + ret = 4; + } + + // Reset the filter if it diverges too far from GPS + if (VelNEDDiverged()) { + + // Reset and fill error report + InitializeDynamic(velNED, magDeclination); + + // that's all we can do here, return + ret = 5; + } + + // The excessive covariance detection already + // reset the filter. Just need to report here. + if (last_ekf_error.covariancesExcessive) { + ret = 6; + } + + if (ret) { + ekfDiverged = true; + lastReset = millis(); + + // This reads the last error and clears it + GetLastErrorState(last_error); + } + + return ret; +} + +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 = atan2f(-ay, -az); + initialPitch = atan2f(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; + + /* normalize */ + float norm = sqrtf(initQuat[0]*initQuat[0] + initQuat[1]*initQuat[1] + initQuat[2]*initQuat[2] + initQuat[3]*initQuat[3]); + + initQuat[0] /= norm; + initQuat[1] /= norm; + initQuat[2] /= norm; + initQuat[3] /= norm; +} + +void AttPosEKF::InitializeDynamic(float (&initvelNED)[3], float declination) +{ + if (current_ekf_state.error) { + GetFilterState(&last_ekf_error); + } + + ZeroVariables(); + + // Reset error states + current_ekf_state.error = false; + current_ekf_state.angNaN = false; + current_ekf_state.summedDelVelNaN = false; + current_ekf_state.KHNaN = false; + current_ekf_state.KHPNaN = false; + current_ekf_state.PNaN = false; + current_ekf_state.covarianceNaN = false; + current_ekf_state.kalmanGainsNaN = false; + current_ekf_state.statesNaN = false; + + current_ekf_state.velHealth = true; + current_ekf_state.posHealth = true; + current_ekf_state.hgtHealth = true; + + current_ekf_state.velTimeout = false; + current_ekf_state.posTimeout = false; + current_ekf_state.hgtTimeout = false; + + fuseVelData = false; + fusePosData = false; + fuseHgtData = false; + fuseMagData = false; + fuseVtasData = false; + + // Fill variables with valid data + velNED[0] = initvelNED[0]; + velNED[1] = initvelNED[1]; + velNED[2] = initvelNED[2]; + magDeclination = declination; + + // 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, declination, initQuat); + + // Calculate initial Tbn matrix and rotate Mag measurements into NED + // to set initial NED magnetic field states + quat2Tbn(Tbn, initQuat); + Tnb = Tbn.transpose(); + Vector3f initMagNED; + initMagNED.x = Tbn.x.x*initMagXYZ.x + Tbn.x.y*initMagXYZ.y + Tbn.x.z*initMagXYZ.z; + initMagNED.y = Tbn.y.x*initMagXYZ.x + Tbn.y.y*initMagXYZ.y + Tbn.y.z*initMagXYZ.z; + initMagNED.z = Tbn.z.x*initMagXYZ.x + Tbn.z.y*initMagXYZ.y + Tbn.z.z*initMagXYZ.z; + + magstate.q0 = initQuat[0]; + magstate.q1 = initQuat[1]; + magstate.q2 = initQuat[2]; + magstate.q3 = initQuat[3]; + magstate.magN = initMagNED.x; + magstate.magE = initMagNED.y; + magstate.magD = initMagNED.z; + magstate.magXbias = magBias.x; + magstate.magYbias = magBias.y; + magstate.magZbias = magBias.z; + magstate.R_MAG = sq(magMeasurementSigma); + magstate.DCM = Tbn; + + // write to state vector + for (uint8_t j=0; j<=3; j++) states[j] = initQuat[j]; // quaternions + for (uint8_t j=4; j<=6; j++) states[j] = initvelNED[j-4]; // velocities + // positions: + states[7] = posNE[0]; + states[8] = posNE[1]; + states[9] = -hgtMea; + for (uint8_t j=10; j<=15; j++) states[j] = 0.0f; // dAngBias, dVelBias, windVel + states[16] = initMagNED.x; // Magnetic Field North + states[17] = initMagNED.y; // Magnetic Field East + states[18] = initMagNED.z; // Magnetic Field Down + states[19] = magBias.x; // Magnetic Field Bias X + states[20] = magBias.y; // Magnetic Field Bias Y + states[21] = magBias.z; // Magnetic Field Bias Z + states[22] = 0.0f; // terrain height + + ResetVelocity(); + ResetPosition(); + ResetHeight(); + + statesInitialised = true; + + // initialise the covariance matrix + CovarianceInit(); + + //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame + calcEarthRateNED(earthRateNED, latRef); + +} + +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; + refSet = true; + + // we are at reference position, so measurement must be zero + posNE[0] = 0.0f; + posNE[1] = 0.0f; + + // we are at an unknown, possibly non-zero altitude - so altitude + // is not reset (hgtMea) + + // the baro offset must be this difference now + baroHgtOffset = baroHgt - referenceHgt; + + InitializeDynamic(initvelNED, declination); +} + +void AttPosEKF::ZeroVariables() +{ + + // Initialize on-init initialized variables + + storeIndex = 0; + + // 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 + } + + correctedDelAng.zero(); + summedDelAng.zero(); + summedDelVel.zero(); + dAngIMU.zero(); + dVelIMU.zero(); + lastGyroOffset.zero(); + + 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(&magstate, 0, sizeof(magstate)); + magstate.q0 = 1.0f; + magstate.DCM.identity(); + + memset(¤t_ekf_state, 0, sizeof(current_ekf_state)); + +} + +void AttPosEKF::GetFilterState(struct ekf_status_report *err) +{ + + // Copy states + for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { + current_ekf_state.states[i] = states[i]; + } + current_ekf_state.n_states = n_states; + + memcpy(err, ¤t_ekf_state, sizeof(*err)); + + // 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; +} + +void AttPosEKF::GetLastErrorState(struct ekf_status_report *last_error) +{ + memcpy(last_error, &last_ekf_error, sizeof(*last_error)); + memset(&last_ekf_error, 0, sizeof(last_ekf_error)); +} |