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| author | Thomas Gubler <thomasgubler@gmail.com> | 2015-01-21 14:41:03 +0100 |
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| committer | Thomas Gubler <thomasgubler@gmail.com> | 2015-01-21 14:41:03 +0100 |
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Merge remote-tracking branch 'upstream/master' into ros_messagelayer_merge
Conflicts:
src/modules/attitude_estimator_ekf/attitude_estimator_ekf_main.cpp
src/modules/uORB/topics/vehicle_attitude.h
Diffstat (limited to 'src/modules/ekf_att_pos_estimator')
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| -rw-r--r-- | src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp | 2142 | ||||
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| -rw-r--r-- | src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_22states.cpp (renamed from src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.cpp) | 986 | ||||
| -rw-r--r-- | src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_22states.h (renamed from src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.h) | 42 | ||||
| -rw-r--r-- | src/modules/ekf_att_pos_estimator/module.mk | 2 |
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diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/ekf_att_pos_estimator_main.cpp b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/ekf_att_pos_estimator_main.cpp index 968270847..d51075b8c 100644 --- a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/ekf_att_pos_estimator_main.cpp +++ b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/ekf_att_pos_estimator_main.cpp @@ -1,6 +1,6 @@ /**************************************************************************** * - * Copyright (c) 2013, 2014 PX4 Development Team. All rights reserved. + * Copyright (c) 2013-2015 PX4 Development Team. All rights reserved. * * Redistribution and use in source and binary forms, with or without * modification, are permitted provided that the following conditions @@ -82,12 +82,11 @@ #include <systemlib/perf_counter.h> #include <systemlib/systemlib.h> #include <mathlib/mathlib.h> +#include <mathlib/math/filter/LowPassFilter2p.hpp> #include <mavlink/mavlink_log.h> #include <platforms/px4_defines.h> -#include "estimator_23states.h" - - +#include "estimator_22states.h" /** * estimator app start / stop handling function @@ -102,7 +101,7 @@ __EXPORT uint64_t getMicros(); static uint64_t IMUmsec = 0; static uint64_t IMUusec = 0; -static const uint64_t FILTER_INIT_DELAY = 1 * 1000 * 1000; +static const uint64_t FILTER_INIT_DELAY = 1 * 1000 * 1000; // units: microseconds uint32_t millis() { @@ -223,8 +222,10 @@ private: float _baro_ref; /**< barometer reference altitude */ float _baro_ref_offset; /**< offset between initial baro reference and GPS init baro altitude */ float _baro_gps_offset; /**< offset between baro altitude (at GPS init time) and GPS altitude */ + hrt_abstime _last_debug_print = 0; perf_counter_t _loop_perf; ///< loop performance counter + perf_counter_t _loop_intvl; ///< loop rate counter perf_counter_t _perf_gyro; ///<local performance counter for gyro updates perf_counter_t _perf_mag; ///<local performance counter for mag updates perf_counter_t _perf_gps; ///<local performance counter for gps updates @@ -291,10 +292,6 @@ private: AttPosEKF *_ekf; - float _velocity_xy_filtered; - float _velocity_z_filtered; - float _airspeed_filtered; - /** * Update our local parameter cache. */ @@ -400,6 +397,7 @@ FixedwingEstimator::FixedwingEstimator() : /* performance counters */ _loop_perf(perf_alloc(PC_ELAPSED, "ekf_att_pos_estimator")), + _loop_intvl(perf_alloc(PC_INTERVAL, "ekf_att_pos_est_interval")), _perf_gyro(perf_alloc(PC_INTERVAL, "ekf_att_pos_gyro_upd")), _perf_mag(perf_alloc(PC_INTERVAL, "ekf_att_pos_mag_upd")), _perf_gps(perf_alloc(PC_INTERVAL, "ekf_att_pos_gps_upd")), @@ -423,10 +421,7 @@ FixedwingEstimator::FixedwingEstimator() : _mavlink_fd(-1), _parameters{}, _parameter_handles{}, - _ekf(nullptr), - _velocity_xy_filtered(0.0f), - _velocity_z_filtered(0.0f), - _airspeed_filtered(0.0f) + _ekf(nullptr) { _last_run = hrt_absolute_time(); @@ -783,6 +778,11 @@ FixedwingEstimator::task_main() _gps.vel_e_m_s = 0.0f; _gps.vel_d_m_s = 0.0f; + // init lowpass filters for baro and gps altitude + float _gps_alt_filt = 0, _baro_alt_filt = 0; + float rc = 10.0f; // RC time constant of 1st order LPF in seconds + hrt_abstime baro_last = 0; + _task_running = true; while (!_task_should_exit) { @@ -801,6 +801,7 @@ FixedwingEstimator::task_main() } perf_begin(_loop_perf); + perf_count(_loop_intvl); /* only update parameters if they changed */ if (fds[0].revents & POLLIN) { @@ -1056,6 +1057,11 @@ FixedwingEstimator::task_main() _ekf->gpsLon = math::radians(_gps.lon / (double)1e7) - M_PI; _ekf->gpsHgt = _gps.alt / 1e3f; + // update LPF + _gps_alt_filt += (gps_elapsed / (rc + gps_elapsed)) * (_ekf->gpsHgt - _gps_alt_filt); + + //warnx("gps alt: %6.1f, interval: %6.3f", (double)_ekf->gpsHgt, (double)gps_elapsed); + // if (_gps.s_variance_m_s > 0.25f && _gps.s_variance_m_s < 100.0f * 100.0f) { // _ekf->vneSigma = sqrtf(_gps.s_variance_m_s); // } else { @@ -1071,7 +1077,6 @@ FixedwingEstimator::task_main() // warnx("vel: %8.4f pos: %8.4f", _gps.s_variance_m_s, _gps.p_variance_m); newDataGps = true; - last_gps = _gps.timestamp_position; } @@ -1083,15 +1088,15 @@ FixedwingEstimator::task_main() if (baro_updated) { - hrt_abstime baro_last = _baro.timestamp; - orb_copy(ORB_ID(sensor_baro0), _baro_sub, &_baro); float baro_elapsed = (_baro.timestamp - baro_last) / 1e6f; + baro_last = _baro.timestamp; _ekf->updateDtHgtFilt(math::constrain(baro_elapsed, 0.001f, 0.1f)); _ekf->baroHgt = _baro.altitude; + _baro_alt_filt += (baro_elapsed/(rc + baro_elapsed)) * (_baro.altitude - _baro_alt_filt); if (!_baro_init) { _baro_ref = _baro.altitude; @@ -1181,6 +1186,24 @@ FixedwingEstimator::task_main() float initVelNED[3]; + // maintain filtered baro and gps altitudes to calculate weather offset + // baro sample rate is ~70Hz and measurement bandwidth is high + // gps sample rate is 5Hz and altitude is assumed accurate when averaged over 30 seconds + // maintain heavily filtered values for both baro and gps altitude + // Assume the filtered output should be identical for both sensors + _baro_gps_offset = _baro_alt_filt - _gps_alt_filt; +// if (hrt_elapsed_time(&_last_debug_print) >= 5e6) { +// _last_debug_print = hrt_absolute_time(); +// perf_print_counter(_perf_baro); +// perf_reset(_perf_baro); +// warnx("gpsoff: %5.1f, baro_alt_filt: %6.1f, gps_alt_filt: %6.1f, gpos.alt: %5.1f, lpos.z: %6.1f", +// (double)_baro_gps_offset, +// (double)_baro_alt_filt, +// (double)_gps_alt_filt, +// (double)_global_pos.alt, +// (double)_local_pos.z); +// } + /* Initialize the filter first */ if (!_gps_initialized && _gps.fix_type > 2 && _gps.eph < _parameters.pos_stddev_threshold && _gps.epv < _parameters.pos_stddev_threshold) { @@ -1196,7 +1219,11 @@ FixedwingEstimator::task_main() // Set up height correctly orb_copy(ORB_ID(sensor_baro0), _baro_sub, &_baro); _baro_ref_offset = _ekf->states[9]; // this should become zero in the local frame - _baro_gps_offset = _baro.altitude - gps_alt; + + // init filtered gps and baro altitudes + _gps_alt_filt = gps_alt; + _baro_alt_filt = _baro.altitude; + _ekf->baroHgt = _baro.altitude; _ekf->hgtMea = 1.0f * (_ekf->baroHgt - (_baro_ref)); @@ -1372,10 +1399,15 @@ FixedwingEstimator::task_main() } if (newRangeData) { - _ekf->fuseRngData = true; - _ekf->useRangeFinder = true; - _ekf->RecallStates(_ekf->statesAtRngTime, (IMUmsec - 100.0f)); - _ekf->GroundEKF(); + + if (_ekf->Tnb.z.z > 0.9f) { + // _ekf->rngMea is set in sensor readout already + _ekf->fuseRngData = true; + _ekf->fuseOptFlowData = false; + _ekf->RecallStates(_ekf->statesAtRngTime, (IMUmsec - 100.0f)); + _ekf->OpticalFlowEKF(); + _ekf->fuseRngData = false; + } } @@ -1435,22 +1467,6 @@ FixedwingEstimator::task_main() _local_pos.v_z_valid = true; _local_pos.xy_global = true; - _velocity_xy_filtered = 0.95f*_velocity_xy_filtered + 0.05f*sqrtf(_local_pos.vx*_local_pos.vx + _local_pos.vy*_local_pos.vy); - _velocity_z_filtered = 0.95f*_velocity_z_filtered + 0.05f*fabsf(_local_pos.vz); - _airspeed_filtered = 0.95f*_airspeed_filtered + 0.05f*_airspeed.true_airspeed_m_s; - - - /* crude land detector for fixedwing only, - * TODO: adapt so that it works for both, maybe move to another location - */ - if (_velocity_xy_filtered < 5 - && _velocity_z_filtered < 10 - && _airspeed_filtered < 10) { - _local_pos.landed = true; - } else { - _local_pos.landed = false; - } - _local_pos.z_global = false; _local_pos.yaw = _att.yaw; @@ -1515,8 +1531,8 @@ FixedwingEstimator::task_main() if (hrt_elapsed_time(&_wind.timestamp) > 99000) { _wind.timestamp = _global_pos.timestamp; - _wind.windspeed_north = _ekf->windSpdFiltNorth; - _wind.windspeed_east = _ekf->windSpdFiltEast; + _wind.windspeed_north = _ekf->states[14]; + _wind.windspeed_east = _ekf->states[15]; // XXX we need to do something smart about the covariance here // but we default to the estimate covariance for now _wind.covariance_north = _ekf->P[14][14]; diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp deleted file mode 100644 index 67bfec4ea..000000000 --- a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.cpp +++ /dev/null @@ -1,2142 +0,0 @@ -#include "estimator_21states.h" - -#include <string.h> - -AttPosEKF::AttPosEKF() : - fusionModeGPS(0), - covSkipCount(0), - EAS2TAS(1.0f), - statesInitialised(false), - fuseVelData(false), - fusePosData(false), - fuseHgtData(false), - fuseMagData(false), - fuseVtasData(false), - onGround(true), - staticMode(true), - useAirspeed(true), - useCompass(true), - numericalProtection(true), - storeIndex(0), - magDeclination(0.0f) -{ - InitialiseParameters(); -} - -AttPosEKF::~AttPosEKF() -{ -} - -void AttPosEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() -{ - Vector3f delVelNav; - float q00; - float q11; - float q22; - float q33; - float q01; - float q02; - float q03; - float q12; - float q13; - float q23; - Mat3f Tbn; - Mat3f Tnb; - float rotationMag; - float qUpdated[4]; - float quatMag; - double deltaQuat[4]; - const Vector3f gravityNED = {0.0,0.0,GRAVITY_MSS}; - -// Remove sensor bias errors - correctedDelAng.x = dAngIMU.x - states[10]; - correctedDelAng.y = dAngIMU.y - states[11]; - correctedDelAng.z = dAngIMU.z - states[12]; - dVelIMU.x = dVelIMU.x; - dVelIMU.y = dVelIMU.y; - dVelIMU.z = dVelIMU.z; - -// Save current measurements - Vector3f prevDelAng = correctedDelAng; - -// Apply corrections for earths rotation rate and coning errors -// * and + operators have been overloaded - correctedDelAng = correctedDelAng - Tnb*earthRateNED*dtIMU + 8.333333333333333e-2f*(prevDelAng % correctedDelAng); -// Convert the rotation vector to its equivalent quaternion - rotationMag = correctedDelAng.length(); - if (rotationMag < 1e-12f) - { - deltaQuat[0] = 1.0; - deltaQuat[1] = 0.0; - deltaQuat[2] = 0.0; - deltaQuat[3] = 0.0; - } - else - { - deltaQuat[0] = cos(0.5f*rotationMag); - double rotScaler = (sin(0.5f*rotationMag))/rotationMag; - deltaQuat[1] = correctedDelAng.x*rotScaler; - deltaQuat[2] = correctedDelAng.y*rotScaler; - deltaQuat[3] = correctedDelAng.z*rotScaler; - } - -// Update the quaternions by rotating from the previous attitude through -// the delta angle rotation quaternion - qUpdated[0] = states[0]*deltaQuat[0] - states[1]*deltaQuat[1] - states[2]*deltaQuat[2] - states[3]*deltaQuat[3]; - qUpdated[1] = states[0]*deltaQuat[1] + states[1]*deltaQuat[0] + states[2]*deltaQuat[3] - states[3]*deltaQuat[2]; - qUpdated[2] = states[0]*deltaQuat[2] + states[2]*deltaQuat[0] + states[3]*deltaQuat[1] - states[1]*deltaQuat[3]; - qUpdated[3] = states[0]*deltaQuat[3] + states[3]*deltaQuat[0] + states[1]*deltaQuat[2] - states[2]*deltaQuat[1]; - -// Normalise the quaternions and update the quaternion states - quatMag = sqrtf(sq(qUpdated[0]) + sq(qUpdated[1]) + sq(qUpdated[2]) + sq(qUpdated[3])); - if (quatMag > 1e-16f) - { - float quatMagInv = 1.0f/quatMag; - states[0] = quatMagInv*qUpdated[0]; - states[1] = quatMagInv*qUpdated[1]; - states[2] = quatMagInv*qUpdated[2]; - states[3] = quatMagInv*qUpdated[3]; - } - -// Calculate the body to nav cosine matrix - q00 = sq(states[0]); - q11 = sq(states[1]); - q22 = sq(states[2]); - q33 = sq(states[3]); - q01 = states[0]*states[1]; - q02 = states[0]*states[2]; - q03 = states[0]*states[3]; - q12 = states[1]*states[2]; - q13 = states[1]*states[3]; - q23 = states[2]*states[3]; - - Tbn.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; - Tbn.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; - Tbn.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; - Tbn.x.y = 2*(q12 - q03); - Tbn.x.z = 2*(q13 + q02); - Tbn.y.x = 2*(q12 + q03); - Tbn.y.z = 2*(q23 - q01); - Tbn.z.x = 2*(q13 - q02); - Tbn.z.y = 2*(q23 + q01); - - Tnb = Tbn.transpose(); - -// transform body delta velocities to delta velocities in the nav frame -// * and + operators have been overloaded - //delVelNav = Tbn*dVelIMU + gravityNED*dtIMU; - delVelNav.x = Tbn.x.x*dVelIMU.x + Tbn.x.y*dVelIMU.y + Tbn.x.z*dVelIMU.z + gravityNED.x*dtIMU; - delVelNav.y = Tbn.y.x*dVelIMU.x + Tbn.y.y*dVelIMU.y + Tbn.y.z*dVelIMU.z + gravityNED.y*dtIMU; - delVelNav.z = Tbn.z.x*dVelIMU.x + Tbn.z.y*dVelIMU.y + Tbn.z.z*dVelIMU.z + gravityNED.z*dtIMU; - -// calculate the magnitude of the nav acceleration (required for GPS -// variance estimation) - accNavMag = delVelNav.length()/dtIMU; - -// If calculating position save previous velocity - float lastVelocity[3]; - lastVelocity[0] = states[4]; - lastVelocity[1] = states[5]; - lastVelocity[2] = states[6]; - -// Sum delta velocities to get velocity - states[4] = states[4] + delVelNav.x; - states[5] = states[5] + delVelNav.y; - states[6] = states[6] + delVelNav.z; - -// If calculating postions, do a trapezoidal integration for position - states[7] = states[7] + 0.5f*(states[4] + lastVelocity[0])*dtIMU; - states[8] = states[8] + 0.5f*(states[5] + lastVelocity[1])*dtIMU; - states[9] = states[9] + 0.5f*(states[6] + lastVelocity[2])*dtIMU; - - // Constrain states (to protect against filter divergence) - //ConstrainStates(); -} - -void AttPosEKF::CovariancePrediction(float dt) -{ - // scalars - float daxCov; - float dayCov; - float dazCov; - float dvxCov; - float dvyCov; - float dvzCov; - float dvx; - float dvy; - float dvz; - float dax; - float day; - float daz; - float q0; - float q1; - float q2; - float q3; - float dax_b; - float day_b; - float daz_b; - - // arrays - float processNoise[21]; - float SF[14]; - float SG[8]; - float SQ[11]; - float SPP[13] = {0}; - float nextP[21][21]; - - // calculate covariance prediction process noise - windVelSigma = dt*0.1f; - dAngBiasSigma = dt*5.0e-7f; - magEarthSigma = dt*3.0e-4f; - magBodySigma = dt*3.0e-4f; - for (uint8_t i= 0; i<=9; i++) processNoise[i] = 1.0e-9f; - for (uint8_t i=10; i<=12; i++) processNoise[i] = dAngBiasSigma; - if (onGround) processNoise[12] = dAngBiasSigma * yawVarScale; - for (uint8_t i=13; i<=14; i++) processNoise[i] = windVelSigma; - for (uint8_t i=15; i<=17; i++) processNoise[i] = magEarthSigma; - for (uint8_t i=18; i<=20; i++) processNoise[i] = magBodySigma; - for (uint8_t i= 0; i<=20; i++) processNoise[i] = sq(processNoise[i]); - - // set variables used to calculate covariance growth - dvx = summedDelVel.x; - dvy = summedDelVel.y; - dvz = summedDelVel.z; - dax = summedDelAng.x; - day = summedDelAng.y; - daz = summedDelAng.z; - q0 = states[0]; - q1 = states[1]; - q2 = states[2]; - q3 = states[3]; - dax_b = states[10]; - day_b = states[11]; - daz_b = states[12]; - daxCov = sq(dt*1.4544411e-2f); - dayCov = sq(dt*1.4544411e-2f); - dazCov = sq(dt*1.4544411e-2f); - if (onGround) dazCov = dazCov * sq(yawVarScale); - dvxCov = sq(dt*0.5f); - dvyCov = sq(dt*0.5f); - dvzCov = sq(dt*0.5f); - - // Predicted covariance calculation - SF[0] = 2*dvx*q1 + 2*dvy*q2 + 2*dvz*q3; - SF[1] = 2*dvx*q3 + 2*dvy*q0 - 2*dvz*q1; - SF[2] = 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3 + 2*dvz*q2; - SF[3] = day/2 - day_b/2; - SF[4] = daz/2 - daz_b/2; - SF[5] = dax/2 - dax_b/2; - SF[6] = dax_b/2 - dax/2; - SF[7] = daz_b/2 - daz/2; - SF[8] = day_b/2 - day/2; - SF[9] = q1/2; - SF[10] = q2/2; - SF[11] = q3/2; 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- SQ[8] = (dayCov*q2*q3)/4 - (daxCov*q1*SG[0])/2 - (dazCov*q2*q3)/4; - SQ[9] = sq(SG[0]); - SQ[10] = sq(q1); - - SPP[0] = SF[12] + SF[13] - 2*dvx*q2; - SPP[1] = 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3 + 2*dvz*q2; - SPP[2] = 2*dvx*q3 + 2*dvy*q0 - 2*dvz*q1; - SPP[3] = SF[11]; - SPP[4] = SF[10]; - SPP[5] = SF[9]; - SPP[6] = SF[7]; - SPP[7] = SF[8]; - - nextP[0][0] = P[0][0] + P[1][0]*SF[6] + P[2][0]*SPP[7] + P[3][0]*SPP[6] + P[10][0]*SPP[5] + P[11][0]*SPP[4] + P[12][0]*SPP[3] + (daxCov*SQ[10])/4 + SF[6]*(P[0][1] + P[1][1]*SF[6] + P[2][1]*SPP[7] + P[3][1]*SPP[6] + P[10][1]*SPP[5] + P[11][1]*SPP[4] + P[12][1]*SPP[3]) + SPP[7]*(P[0][2] + P[1][2]*SF[6] + P[2][2]*SPP[7] + P[3][2]*SPP[6] + P[10][2]*SPP[5] + P[11][2]*SPP[4] + P[12][2]*SPP[3]) + SPP[6]*(P[0][3] + P[1][3]*SF[6] + P[2][3]*SPP[7] + P[3][3]*SPP[6] + P[10][3]*SPP[5] + P[11][3]*SPP[4] + P[12][3]*SPP[3]) + SPP[5]*(P[0][10] + P[1][10]*SF[6] + P[2][10]*SPP[7] + P[3][10]*SPP[6] + P[10][10]*SPP[5] + P[11][10]*SPP[4] + P[12][10]*SPP[3]) + SPP[4]*(P[0][11] + P[1][11]*SF[6] + P[2][11]*SPP[7] + P[3][11]*SPP[6] + P[10][11]*SPP[5] + P[11][11]*SPP[4] + P[12][11]*SPP[3]) + SPP[3]*(P[0][12] + P[1][12]*SF[6] + P[2][12]*SPP[7] + P[3][12]*SPP[6] + P[10][12]*SPP[5] + P[11][12]*SPP[4] + P[12][12]*SPP[3]) + (dayCov*sq(q2))/4 + (dazCov*sq(q3))/4; 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- nextP[20][17] = P[20][17]; - nextP[20][18] = P[20][18]; - nextP[20][19] = P[20][19]; - nextP[20][20] = P[20][20]; - - for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) - { - nextP[i][i] = nextP[i][i] + processNoise[i]; - } - - // If on ground or no magnetometer fitted, inhibit magnetometer bias updates by - // setting the coresponding covariance terms to zero. - if (onGround || !useCompass) - { - zeroRows(nextP,15,20); - zeroCols(nextP,15,20); - } - - // If on ground or not using airspeed sensing, inhibit wind velocity - // covariance growth. - if (onGround || !useAirspeed) - { - zeroRows(nextP,13,14); - zeroCols(nextP,13,14); - } - - // If the total position variance exceds 1E6 (1000m), then stop covariance - // growth by setting the predicted to the previous values - // This prevent an ill conditioned matrix from occurring for long periods - // without GPS - if ((P[7][7] + P[8][8]) > 1E6f) - { - for (uint8_t i=7; i<=8; i++) - { - for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) - { - nextP[i][j] = P[i][j]; - nextP[j][i] = P[j][i]; - } - } - } - - if (onGround || staticMode) { - // copy the portion of the variances we want to - // propagate - for (unsigned i = 0; i < 14; i++) { - P[i][i] = nextP[i][i]; - - // force symmetry for observable states - // force zero for non-observable states - for (unsigned i = 1; i < n_states; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j < i; j++) - { - if ((i > 12) || (j > 12)) { - P[i][j] = 0.0f; - } else { - P[i][j] = 0.5f * (nextP[i][j] + nextP[j][i]); - } - P[j][i] = P[i][j]; - } - } - } - - } else { - - // Copy covariance - for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { - P[i][i] = nextP[i][i]; - } - - // force symmetry for observable states - for (unsigned i = 1; i < n_states; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j < i; j++) - { - P[i][j] = 0.5f * (nextP[i][j] + nextP[j][i]); - P[j][i] = P[i][j]; - } - } - - } - - ConstrainVariances(); -} - -void AttPosEKF::FuseVelposNED() -{ - -// declare variables used by fault isolation logic - uint32_t gpsRetryTime = 30000; // time in msec before GPS fusion will be retried following innovation consistency failure - uint32_t gpsRetryTimeNoTAS = 5000; // retry time if no TAS measurement available - uint32_t hgtRetryTime = 5000; // height measurement retry time - uint32_t horizRetryTime; - -// declare variables used to check measurement errors - float velInnov[3] = {0.0f,0.0f,0.0f}; - float posInnov[2] = {0.0f,0.0f}; - float hgtInnov = 0.0f; - -// declare variables used to control access to arrays - bool fuseData[6] = {false,false,false,false,false,false}; - uint8_t stateIndex; - uint8_t obsIndex; - uint8_t indexLimit; - -// declare variables used by state and covariance update calculations - float velErr; - float posErr; - float R_OBS[6]; - float observation[6]; - float SK; - float quatMag; - -// Perform sequential fusion of GPS measurements. This assumes that the -// errors in the different velocity and position components are -// uncorrelated which is not true, however in the absence of covariance -// data from the GPS receiver it is the only assumption we can make -// so we might as well take advantage of the computational efficiencies -// associated with sequential fusion - if (fuseVelData || fusePosData || fuseHgtData) - { - // set the GPS data timeout depending on whether airspeed data is present - if (useAirspeed) horizRetryTime = gpsRetryTime; - else horizRetryTime = gpsRetryTimeNoTAS; - - // Form the observation vector - for (uint8_t i=0; i<=2; i++) observation[i] = velNED[i]; - for (uint8_t i=3; i<=4; i++) observation[i] = posNE[i-3]; - observation[5] = -(hgtMea); - - // Estimate the GPS Velocity, GPS horiz position and height measurement variances. - velErr = 0.2f*accNavMag; // additional error in GPS velocities caused by manoeuvring - posErr = 0.2f*accNavMag; // additional error in GPS position caused by manoeuvring - R_OBS[0] = 0.04f + sq(velErr); - R_OBS[1] = R_OBS[0]; - R_OBS[2] = 0.08f + sq(velErr); - R_OBS[3] = R_OBS[2]; - R_OBS[4] = 4.0f + sq(posErr); - R_OBS[5] = 4.0f; - - // Set innovation variances to zero default - for (uint8_t i = 0; i<=5; i++) - { - varInnovVelPos[i] = 0.0f; - } - // calculate innovations and check GPS data validity using an innovation consistency check - if (fuseVelData) - { - // test velocity measurements - uint8_t imax = 2; - if (fusionModeGPS == 1) imax = 1; - for (uint8_t i = 0; i<=imax; i++) - { - velInnov[i] = statesAtVelTime[i+4] - velNED[i]; - stateIndex = 4 + i; - varInnovVelPos[i] = P[stateIndex][stateIndex] + R_OBS[i]; - } - // apply a 5-sigma threshold - current_ekf_state.velHealth = (sq(velInnov[0]) + sq(velInnov[1]) + sq(velInnov[2])) < 25.0f * (varInnovVelPos[0] + varInnovVelPos[1] + varInnovVelPos[2]); - current_ekf_state.velTimeout = (millis() - current_ekf_state.velFailTime) > horizRetryTime; - if (current_ekf_state.velHealth || current_ekf_state.velTimeout) - { - current_ekf_state.velHealth = true; - current_ekf_state.velFailTime = millis(); - } - else - { - current_ekf_state.velHealth = false; - } - } - if (fusePosData) - { - // test horizontal position measurements - posInnov[0] = statesAtPosTime[7] - posNE[0]; - posInnov[1] = statesAtPosTime[8] - posNE[1]; - varInnovVelPos[3] = P[7][7] + R_OBS[3]; - varInnovVelPos[4] = P[8][8] + R_OBS[4]; - // apply a 10-sigma threshold - current_ekf_state.posHealth = (sq(posInnov[0]) + sq(posInnov[1])) < 100.0f*(varInnovVelPos[3] + varInnovVelPos[4]); - current_ekf_state.posTimeout = (millis() - current_ekf_state.posFailTime) > horizRetryTime; - if (current_ekf_state.posHealth || current_ekf_state.posTimeout) - { - current_ekf_state.posHealth = true; - current_ekf_state.posFailTime = millis(); - } - else - { - current_ekf_state.posHealth = false; - } - } - // test height measurements - if (fuseHgtData) - { - hgtInnov = statesAtHgtTime[9] + hgtMea; - varInnovVelPos[5] = P[9][9] + R_OBS[5]; - // apply a 10-sigma threshold - current_ekf_state.hgtHealth = sq(hgtInnov) < 100.0f*varInnovVelPos[5]; - current_ekf_state.hgtTimeout = (millis() - current_ekf_state.hgtFailTime) > hgtRetryTime; - if (current_ekf_state.hgtHealth || current_ekf_state.hgtTimeout) - { - current_ekf_state.hgtHealth = true; - current_ekf_state.hgtFailTime = millis(); - } - else - { - current_ekf_state.hgtHealth = false; - } - } - // Set range for sequential fusion of velocity and position measurements depending - // on which data is available and its health - if (fuseVelData && fusionModeGPS == 0 && current_ekf_state.velHealth) - { - fuseData[0] = true; - fuseData[1] = true; - fuseData[2] = true; - } - if (fuseVelData && fusionModeGPS == 1 && current_ekf_state.velHealth) - { - fuseData[0] = true; - fuseData[1] = true; - } - if (fusePosData && fusionModeGPS <= 2 && current_ekf_state.posHealth) - { - fuseData[3] = true; - fuseData[4] = true; - } - if (fuseHgtData && current_ekf_state.hgtHealth) - { - fuseData[5] = true; - } - // Limit range of states modified when on ground - if(!onGround) - { - indexLimit = 20; - } - else - { - indexLimit = 12; - } - // Fuse measurements sequentially - for (obsIndex=0; obsIndex<=5; obsIndex++) - { - if (fuseData[obsIndex]) - { - stateIndex = 4 + obsIndex; - // Calculate the measurement innovation, using states from a - // different time coordinate if fusing height data - if (obsIndex >= 0 && obsIndex <= 2) - { - innovVelPos[obsIndex] = statesAtVelTime[stateIndex] - observation[obsIndex]; - } - else if (obsIndex == 3 || obsIndex == 4) - { - innovVelPos[obsIndex] = statesAtPosTime[stateIndex] - observation[obsIndex]; - } - else if (obsIndex == 5) - { - innovVelPos[obsIndex] = statesAtHgtTime[stateIndex] - observation[obsIndex]; - } - // Calculate the Kalman Gain - // Calculate innovation variances - also used for data logging - varInnovVelPos[obsIndex] = P[stateIndex][stateIndex] + R_OBS[obsIndex]; - SK = 1.0/varInnovVelPos[obsIndex]; - for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) - { - Kfusion[i] = P[i][stateIndex]*SK; - } - // Calculate state corrections and re-normalise the quaternions - for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) - { - states[i] = states[i] - Kfusion[i] * innovVelPos[obsIndex]; - } - quatMag = sqrt(states[0]*states[0] + states[1]*states[1] + states[2]*states[2] + states[3]*states[3]); - if (quatMag > 1e-12f) // divide by 0 protection - { - for (uint8_t i = 0; i<=3; i++) - { - states[i] = states[i] / quatMag; - } - } - // Update the covariance - take advantage of direct observation of a - // single state at index = stateIndex to reduce computations - // Optimised implementation of standard equation P = (I - K*H)*P; - for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) - { - for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) - { - KHP[i][j] = Kfusion[i] * P[stateIndex][j]; - } - } - for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) - { - for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) - { - P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; - } - } - } - } - } - - ForceSymmetry(); - ConstrainVariances(); - - //printf("velh: %s, posh: %s, hgth: %s\n", ((velHealth) ? "OK" : "FAIL"), ((posHealth) ? "OK" : "FAIL"), ((hgtHealth) ? "OK" : "FAIL")); -} - -void AttPosEKF::FuseMagnetometer() -{ - uint8_t obsIndex; - uint8_t indexLimit; - float DCM[3][3] = - { - {1.0f,0.0f,0.0f} , - {0.0f,1.0f,0.0f} , - {0.0f,0.0f,1.0f} - }; - float MagPred[3] = {0.0f,0.0f,0.0f}; - float SK_MX[6]; - float SK_MY[5]; - float SK_MZ[6]; - float SH_MAG[9] = {0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f}; - -// Perform sequential fusion of Magnetometer measurements. -// This assumes that the errors in the different components are -// uncorrelated which is not true, however in the absence of covariance -// data fit is the only assumption we can make -// so we might as well take advantage of the computational efficiencies -// associated with sequential fusion - if (useCompass && (fuseMagData || obsIndex == 1 || obsIndex == 2)) - { - // Limit range of states modified when on ground - if(!onGround) - { - indexLimit = 20; - } - else - { - indexLimit = 12; - } - - static float q0 = 0.0f; - static float q1 = 0.0f; - static float q2 = 0.0f; - static float q3 = 1.0f; - static float magN = 0.4f; - static float magE = 0.0f; - static float magD = 0.3f; - - static float R_MAG = 0.0025f; - - float H_MAG[21] = {0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f}; - - // Sequential fusion of XYZ components to spread processing load across - // three prediction time steps. - - // Calculate observation jacobians and Kalman gains - if (fuseMagData) - { - static float magXbias = 0.0f; - static float magYbias = 0.0f; - static float magZbias = 0.0f; - - // Copy required states to local variable names - q0 = statesAtMagMeasTime[0]; - q1 = statesAtMagMeasTime[1]; - q2 = statesAtMagMeasTime[2]; - q3 = statesAtMagMeasTime[3]; - magN = statesAtMagMeasTime[15]; - magE = statesAtMagMeasTime[16]; - magD = statesAtMagMeasTime[17]; - magXbias = statesAtMagMeasTime[18]; - magYbias = statesAtMagMeasTime[19]; - magZbias = statesAtMagMeasTime[20]; - - // rotate predicted earth components into body axes and calculate - // predicted measurments - DCM[0][0] = q0*q0 + q1*q1 - q2*q2 - q3*q3; - DCM[0][1] = 2*(q1*q2 + q0*q3); - DCM[0][2] = 2*(q1*q3-q0*q2); - DCM[1][0] = 2*(q1*q2 - q0*q3); - DCM[1][1] = q0*q0 - q1*q1 + q2*q2 - q3*q3; - DCM[1][2] = 2*(q2*q3 + q0*q1); - DCM[2][0] = 2*(q1*q3 + q0*q2); - DCM[2][1] = 2*(q2*q3 - q0*q1); - DCM[2][2] = q0*q0 - q1*q1 - q2*q2 + q3*q3; - MagPred[0] = DCM[0][0]*magN + DCM[0][1]*magE + DCM[0][2]*magD + magXbias; - MagPred[1] = DCM[1][0]*magN + DCM[1][1]*magE + DCM[1][2]*magD + magYbias; - MagPred[2] = DCM[2][0]*magN + DCM[2][1]*magE + DCM[2][2]*magD + magZbias; - - // scale magnetometer observation error with total angular rate - R_MAG = 0.0025f + sq(0.05f*dAngIMU.length()/dtIMU); - - // Calculate observation jacobians - SH_MAG[0] = 2*magD*q3 + 2*magE*q2 + 2*magN*q1; - SH_MAG[1] = 2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2; - SH_MAG[2] = 2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3; - SH_MAG[3] = sq(q3); - SH_MAG[4] = sq(q2); - SH_MAG[5] = sq(q1); - SH_MAG[6] = sq(q0); - SH_MAG[7] = 2*magN*q0; - SH_MAG[8] = 2*magE*q3; - - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) H_MAG[i] = 0; - H_MAG[0] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; - H_MAG[1] = SH_MAG[0]; - H_MAG[2] = 2*magE*q1 - 2*magD*q0 - 2*magN*q2; - H_MAG[3] = SH_MAG[2]; - H_MAG[15] = SH_MAG[5] - SH_MAG[4] - SH_MAG[3] + SH_MAG[6]; - H_MAG[16] = 2*q0*q3 + 2*q1*q2; - H_MAG[17] = 2*q1*q3 - 2*q0*q2; - H_MAG[18] = 1.0f; - - // Calculate Kalman gain - SK_MX[0] = 1/(P[18][18] + R_MAG + P[1][18]*SH_MAG[0] + P[3][18]*SH_MAG[2] - P[15][18]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2)*(P[18][2] + P[1][2]*SH_MAG[0] + P[3][2]*SH_MAG[2] - P[15][2]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][2]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][2]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][2]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][2]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[18][0] + P[1][0]*SH_MAG[0] + P[3][0]*SH_MAG[2] - P[15][0]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][0]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][0]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][0]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[18][1] + P[1][1]*SH_MAG[0] + P[3][1]*SH_MAG[2] - P[15][1]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][1]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][1]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][1]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[2]*(P[18][3] + P[1][3]*SH_MAG[0] + P[3][3]*SH_MAG[2] - P[15][3]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][3]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6])*(P[18][15] + P[1][15]*SH_MAG[0] + P[3][15]*SH_MAG[2] - P[15][15]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][15]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][15]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][15]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][15]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[16][18]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][18]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][18]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + (2*q0*q3 + 2*q1*q2)*(P[18][16] + P[1][16]*SH_MAG[0] + P[3][16]*SH_MAG[2] - P[15][16]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][16]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][16]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][16]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (2*q0*q2 - 2*q1*q3)*(P[18][17] + P[1][17]*SH_MAG[0] + P[3][17]*SH_MAG[2] - P[15][17]*(SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) + P[16][17]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[17][17]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[2][17]*(2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2) + P[0][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[0][18]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); - SK_MX[1] = SH_MAG[3] + SH_MAG[4] - SH_MAG[5] - SH_MAG[6]; - SK_MX[2] = 2*magD*q0 - 2*magE*q1 + 2*magN*q2; - SK_MX[3] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; - SK_MX[4] = 2*q0*q2 - 2*q1*q3; - SK_MX[5] = 2*q0*q3 + 2*q1*q2; - Kfusion[0] = SK_MX[0]*(P[0][18] + P[0][1]*SH_MAG[0] + P[0][3]*SH_MAG[2] + P[0][0]*SK_MX[3] - P[0][2]*SK_MX[2] - P[0][15]*SK_MX[1] + P[0][16]*SK_MX[5] - P[0][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[1] = SK_MX[0]*(P[1][18] + P[1][1]*SH_MAG[0] + P[1][3]*SH_MAG[2] + P[1][0]*SK_MX[3] - P[1][2]*SK_MX[2] - P[1][15]*SK_MX[1] + P[1][16]*SK_MX[5] - P[1][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[2] = SK_MX[0]*(P[2][18] + P[2][1]*SH_MAG[0] + P[2][3]*SH_MAG[2] + P[2][0]*SK_MX[3] - P[2][2]*SK_MX[2] - P[2][15]*SK_MX[1] + P[2][16]*SK_MX[5] - P[2][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[3] = SK_MX[0]*(P[3][18] + P[3][1]*SH_MAG[0] + P[3][3]*SH_MAG[2] + P[3][0]*SK_MX[3] - P[3][2]*SK_MX[2] - P[3][15]*SK_MX[1] + P[3][16]*SK_MX[5] - P[3][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[4] = SK_MX[0]*(P[4][18] + P[4][1]*SH_MAG[0] + P[4][3]*SH_MAG[2] + P[4][0]*SK_MX[3] - P[4][2]*SK_MX[2] - P[4][15]*SK_MX[1] + P[4][16]*SK_MX[5] - P[4][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[5] = SK_MX[0]*(P[5][18] + P[5][1]*SH_MAG[0] + P[5][3]*SH_MAG[2] + P[5][0]*SK_MX[3] - P[5][2]*SK_MX[2] - P[5][15]*SK_MX[1] + P[5][16]*SK_MX[5] - P[5][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[6] = SK_MX[0]*(P[6][18] + P[6][1]*SH_MAG[0] + P[6][3]*SH_MAG[2] + P[6][0]*SK_MX[3] - P[6][2]*SK_MX[2] - P[6][15]*SK_MX[1] + P[6][16]*SK_MX[5] - P[6][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[7] = SK_MX[0]*(P[7][18] + P[7][1]*SH_MAG[0] + P[7][3]*SH_MAG[2] + P[7][0]*SK_MX[3] - P[7][2]*SK_MX[2] - P[7][15]*SK_MX[1] + P[7][16]*SK_MX[5] - P[7][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[8] = SK_MX[0]*(P[8][18] + P[8][1]*SH_MAG[0] + P[8][3]*SH_MAG[2] + P[8][0]*SK_MX[3] - P[8][2]*SK_MX[2] - P[8][15]*SK_MX[1] + P[8][16]*SK_MX[5] - P[8][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[9] = SK_MX[0]*(P[9][18] + P[9][1]*SH_MAG[0] + P[9][3]*SH_MAG[2] + P[9][0]*SK_MX[3] - P[9][2]*SK_MX[2] - P[9][15]*SK_MX[1] + P[9][16]*SK_MX[5] - P[9][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[10] = SK_MX[0]*(P[10][18] + P[10][1]*SH_MAG[0] + P[10][3]*SH_MAG[2] + P[10][0]*SK_MX[3] - P[10][2]*SK_MX[2] - P[10][15]*SK_MX[1] + P[10][16]*SK_MX[5] - P[10][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[11] = SK_MX[0]*(P[11][18] + P[11][1]*SH_MAG[0] + P[11][3]*SH_MAG[2] + P[11][0]*SK_MX[3] - P[11][2]*SK_MX[2] - P[11][15]*SK_MX[1] + P[11][16]*SK_MX[5] - P[11][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[12] = SK_MX[0]*(P[12][18] + P[12][1]*SH_MAG[0] + P[12][3]*SH_MAG[2] + P[12][0]*SK_MX[3] - P[12][2]*SK_MX[2] - P[12][15]*SK_MX[1] + P[12][16]*SK_MX[5] - P[12][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[13] = SK_MX[0]*(P[13][18] + P[13][1]*SH_MAG[0] + P[13][3]*SH_MAG[2] + P[13][0]*SK_MX[3] - P[13][2]*SK_MX[2] - P[13][15]*SK_MX[1] + P[13][16]*SK_MX[5] - P[13][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[14] = SK_MX[0]*(P[14][18] + P[14][1]*SH_MAG[0] + P[14][3]*SH_MAG[2] + P[14][0]*SK_MX[3] - P[14][2]*SK_MX[2] - P[14][15]*SK_MX[1] + P[14][16]*SK_MX[5] - P[14][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[15] = SK_MX[0]*(P[15][18] + P[15][1]*SH_MAG[0] + P[15][3]*SH_MAG[2] + P[15][0]*SK_MX[3] - P[15][2]*SK_MX[2] - P[15][15]*SK_MX[1] + P[15][16]*SK_MX[5] - P[15][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[16] = SK_MX[0]*(P[16][18] + P[16][1]*SH_MAG[0] + P[16][3]*SH_MAG[2] + P[16][0]*SK_MX[3] - P[16][2]*SK_MX[2] - P[16][15]*SK_MX[1] + P[16][16]*SK_MX[5] - P[16][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[17] = SK_MX[0]*(P[17][18] + P[17][1]*SH_MAG[0] + P[17][3]*SH_MAG[2] + P[17][0]*SK_MX[3] - P[17][2]*SK_MX[2] - P[17][15]*SK_MX[1] + P[17][16]*SK_MX[5] - P[17][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[18] = SK_MX[0]*(P[18][18] + P[18][1]*SH_MAG[0] + P[18][3]*SH_MAG[2] + P[18][0]*SK_MX[3] - P[18][2]*SK_MX[2] - P[18][15]*SK_MX[1] + P[18][16]*SK_MX[5] - P[18][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[19] = SK_MX[0]*(P[19][18] + P[19][1]*SH_MAG[0] + P[19][3]*SH_MAG[2] + P[19][0]*SK_MX[3] - P[19][2]*SK_MX[2] - P[19][15]*SK_MX[1] + P[19][16]*SK_MX[5] - P[19][17]*SK_MX[4]); - Kfusion[20] = SK_MX[0]*(P[20][18] + P[20][1]*SH_MAG[0] + P[20][3]*SH_MAG[2] + P[20][0]*SK_MX[3] - P[20][2]*SK_MX[2] - P[20][15]*SK_MX[1] + P[20][16]*SK_MX[5] - P[20][17]*SK_MX[4]); - varInnovMag[0] = 1.0f/SK_MX[0]; - innovMag[0] = MagPred[0] - magData.x; - - // reset the observation index to 0 (we start by fusing the X - // measurement) - obsIndex = 0; - } - else if (obsIndex == 1) // we are now fusing the Y measurement - { - // Calculate observation jacobians - for (unsigned int i=0; i<n_states; i++) H_MAG[i] = 0; - H_MAG[0] = SH_MAG[2]; - H_MAG[1] = SH_MAG[1]; - H_MAG[2] = SH_MAG[0]; - H_MAG[3] = 2*magD*q2 - SH_MAG[8] - SH_MAG[7]; - H_MAG[15] = 2*q1*q2 - 2*q0*q3; - H_MAG[16] = SH_MAG[4] - SH_MAG[3] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; - H_MAG[17] = 2*q0*q1 + 2*q2*q3; - H_MAG[19] = 1; - - // Calculate Kalman gain - SK_MY[0] = 1/(P[19][19] + R_MAG + P[0][19]*SH_MAG[2] + P[1][19]*SH_MAG[1] + P[2][19]*SH_MAG[0] - P[16][19]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*q0*q3 - 2*q1*q2)*(P[19][15] + P[0][15]*SH_MAG[2] + P[1][15]*SH_MAG[1] + P[2][15]*SH_MAG[0] - P[16][15]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][15]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][15]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][15]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (2*q0*q1 + 2*q2*q3)*(P[19][17] + P[0][17]*SH_MAG[2] + P[1][17]*SH_MAG[1] + P[2][17]*SH_MAG[0] - P[16][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][17]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][17]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[19][3] + P[0][3]*SH_MAG[2] + P[1][3]*SH_MAG[1] + P[2][3]*SH_MAG[0] - P[16][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][3]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][3]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[15][19]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][19]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) + SH_MAG[2]*(P[19][0] + P[0][0]*SH_MAG[2] + P[1][0]*SH_MAG[1] + P[2][0]*SH_MAG[0] - P[16][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][0]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][0]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[1]*(P[19][1] + P[0][1]*SH_MAG[2] + P[1][1]*SH_MAG[1] + P[2][1]*SH_MAG[0] - P[16][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][1]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][1]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[19][2] + P[0][2]*SH_MAG[2] + P[1][2]*SH_MAG[1] + P[2][2]*SH_MAG[0] - P[16][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][2]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][2]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][2]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6])*(P[19][16] + P[0][16]*SH_MAG[2] + P[1][16]*SH_MAG[1] + P[2][16]*SH_MAG[0] - P[16][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[15][16]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[17][16]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[3][19]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); - SK_MY[1] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]; - SK_MY[2] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; - SK_MY[3] = 2*q0*q3 - 2*q1*q2; - SK_MY[4] = 2*q0*q1 + 2*q2*q3; - Kfusion[0] = SK_MY[0]*(P[0][19] + P[0][0]*SH_MAG[2] + P[0][1]*SH_MAG[1] + P[0][2]*SH_MAG[0] - P[0][3]*SK_MY[2] - P[0][16]*SK_MY[1] - P[0][15]*SK_MY[3] + P[0][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[1] = SK_MY[0]*(P[1][19] + P[1][0]*SH_MAG[2] + P[1][1]*SH_MAG[1] + P[1][2]*SH_MAG[0] - P[1][3]*SK_MY[2] - P[1][16]*SK_MY[1] - P[1][15]*SK_MY[3] + P[1][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[2] = SK_MY[0]*(P[2][19] + P[2][0]*SH_MAG[2] + P[2][1]*SH_MAG[1] + P[2][2]*SH_MAG[0] - P[2][3]*SK_MY[2] - P[2][16]*SK_MY[1] - P[2][15]*SK_MY[3] + P[2][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[3] = SK_MY[0]*(P[3][19] + P[3][0]*SH_MAG[2] + P[3][1]*SH_MAG[1] + P[3][2]*SH_MAG[0] - P[3][3]*SK_MY[2] - P[3][16]*SK_MY[1] - P[3][15]*SK_MY[3] + P[3][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[4] = SK_MY[0]*(P[4][19] + P[4][0]*SH_MAG[2] + P[4][1]*SH_MAG[1] + P[4][2]*SH_MAG[0] - P[4][3]*SK_MY[2] - P[4][16]*SK_MY[1] - P[4][15]*SK_MY[3] + P[4][17]*SK_MY[4]); 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- H_MAG[2] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; - H_MAG[3] = SH_MAG[0]; - H_MAG[15] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; - H_MAG[16] = 2*q2*q3 - 2*q0*q1; - H_MAG[17] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; - H_MAG[20] = 1; - - // Calculate Kalman gain - SK_MZ[0] = 1/(P[20][20] + R_MAG + P[0][20]*SH_MAG[1] + P[3][20]*SH_MAG[0] + P[17][20]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) - (2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3)*(P[20][1] + P[0][1]*SH_MAG[1] + P[3][1]*SH_MAG[0] + P[17][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][1]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][1]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][1]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[20][2] + P[0][2]*SH_MAG[1] + P[3][2]*SH_MAG[0] + P[17][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][2]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][2]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][2]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][2]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[1]*(P[20][0] + P[0][0]*SH_MAG[1] + P[3][0]*SH_MAG[0] + P[17][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][0]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][0]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][0]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[20][3] + P[0][3]*SH_MAG[1] + P[3][3]*SH_MAG[0] + P[17][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][3]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][3]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][3]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6])*(P[20][17] + P[0][17]*SH_MAG[1] + P[3][17]*SH_MAG[0] + P[17][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][17]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][17]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][17]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[15][20]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][20]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][20]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + (2*q0*q2 + 2*q1*q3)*(P[20][15] + P[0][15]*SH_MAG[1] + P[3][15]*SH_MAG[0] + P[17][15]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][15]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][15]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][15]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][15]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (2*q0*q1 - 2*q2*q3)*(P[20][16] + P[0][16]*SH_MAG[1] + P[3][16]*SH_MAG[0] + P[17][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]) + P[15][16]*(2*q0*q2 + 2*q1*q3) - P[16][16]*(2*q0*q1 - 2*q2*q3) - P[1][16]*(2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3) + P[2][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + P[2][20]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); - SK_MZ[1] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; - SK_MZ[2] = 2*magD*q1 + 2*magE*q0 - 2*magN*q3; - SK_MZ[3] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; - SK_MZ[4] = 2*q0*q1 - 2*q2*q3; - SK_MZ[5] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; - Kfusion[0] = SK_MZ[0]*(P[0][20] + P[0][0]*SH_MAG[1] + P[0][3]*SH_MAG[0] - P[0][1]*SK_MZ[2] + P[0][2]*SK_MZ[3] + P[0][17]*SK_MZ[1] + P[0][15]*SK_MZ[5] - P[0][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[1] = SK_MZ[0]*(P[1][20] + P[1][0]*SH_MAG[1] + P[1][3]*SH_MAG[0] - P[1][1]*SK_MZ[2] + P[1][2]*SK_MZ[3] + P[1][17]*SK_MZ[1] + P[1][15]*SK_MZ[5] - P[1][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[2] = SK_MZ[0]*(P[2][20] + P[2][0]*SH_MAG[1] + P[2][3]*SH_MAG[0] - P[2][1]*SK_MZ[2] + P[2][2]*SK_MZ[3] + P[2][17]*SK_MZ[1] + P[2][15]*SK_MZ[5] - P[2][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[3] = SK_MZ[0]*(P[3][20] + P[3][0]*SH_MAG[1] + P[3][3]*SH_MAG[0] - P[3][1]*SK_MZ[2] + P[3][2]*SK_MZ[3] + P[3][17]*SK_MZ[1] + P[3][15]*SK_MZ[5] - P[3][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[4] = SK_MZ[0]*(P[4][20] + P[4][0]*SH_MAG[1] + P[4][3]*SH_MAG[0] - P[4][1]*SK_MZ[2] + P[4][2]*SK_MZ[3] + P[4][17]*SK_MZ[1] + P[4][15]*SK_MZ[5] - P[4][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[5] = SK_MZ[0]*(P[5][20] + P[5][0]*SH_MAG[1] + P[5][3]*SH_MAG[0] - P[5][1]*SK_MZ[2] + P[5][2]*SK_MZ[3] + P[5][17]*SK_MZ[1] + P[5][15]*SK_MZ[5] - P[5][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[6] = SK_MZ[0]*(P[6][20] + P[6][0]*SH_MAG[1] + P[6][3]*SH_MAG[0] - P[6][1]*SK_MZ[2] + P[6][2]*SK_MZ[3] + P[6][17]*SK_MZ[1] + P[6][15]*SK_MZ[5] - P[6][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[7] = SK_MZ[0]*(P[7][20] + P[7][0]*SH_MAG[1] + P[7][3]*SH_MAG[0] - P[7][1]*SK_MZ[2] + P[7][2]*SK_MZ[3] + P[7][17]*SK_MZ[1] + P[7][15]*SK_MZ[5] - P[7][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[8] = SK_MZ[0]*(P[8][20] + P[8][0]*SH_MAG[1] + P[8][3]*SH_MAG[0] - P[8][1]*SK_MZ[2] + P[8][2]*SK_MZ[3] + P[8][17]*SK_MZ[1] + P[8][15]*SK_MZ[5] - P[8][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[9] = SK_MZ[0]*(P[9][20] + P[9][0]*SH_MAG[1] + P[9][3]*SH_MAG[0] - P[9][1]*SK_MZ[2] + P[9][2]*SK_MZ[3] + P[9][17]*SK_MZ[1] + P[9][15]*SK_MZ[5] - P[9][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[10] = SK_MZ[0]*(P[10][20] + P[10][0]*SH_MAG[1] + P[10][3]*SH_MAG[0] - P[10][1]*SK_MZ[2] + P[10][2]*SK_MZ[3] + P[10][17]*SK_MZ[1] + P[10][15]*SK_MZ[5] - P[10][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[11] = SK_MZ[0]*(P[11][20] + P[11][0]*SH_MAG[1] + P[11][3]*SH_MAG[0] - P[11][1]*SK_MZ[2] + P[11][2]*SK_MZ[3] + P[11][17]*SK_MZ[1] + P[11][15]*SK_MZ[5] - P[11][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[12] = SK_MZ[0]*(P[12][20] + P[12][0]*SH_MAG[1] + P[12][3]*SH_MAG[0] - P[12][1]*SK_MZ[2] + P[12][2]*SK_MZ[3] + P[12][17]*SK_MZ[1] + P[12][15]*SK_MZ[5] - P[12][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[13] = SK_MZ[0]*(P[13][20] + P[13][0]*SH_MAG[1] + P[13][3]*SH_MAG[0] - P[13][1]*SK_MZ[2] + P[13][2]*SK_MZ[3] + P[13][17]*SK_MZ[1] + P[13][15]*SK_MZ[5] - P[13][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[14] = SK_MZ[0]*(P[14][20] + P[14][0]*SH_MAG[1] + P[14][3]*SH_MAG[0] - P[14][1]*SK_MZ[2] + P[14][2]*SK_MZ[3] + P[14][17]*SK_MZ[1] + P[14][15]*SK_MZ[5] - P[14][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[15] = SK_MZ[0]*(P[15][20] + P[15][0]*SH_MAG[1] + P[15][3]*SH_MAG[0] - P[15][1]*SK_MZ[2] + P[15][2]*SK_MZ[3] + P[15][17]*SK_MZ[1] + P[15][15]*SK_MZ[5] - P[15][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[16] = SK_MZ[0]*(P[16][20] + P[16][0]*SH_MAG[1] + P[16][3]*SH_MAG[0] - P[16][1]*SK_MZ[2] + P[16][2]*SK_MZ[3] + P[16][17]*SK_MZ[1] + P[16][15]*SK_MZ[5] - P[16][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[17] = SK_MZ[0]*(P[17][20] + P[17][0]*SH_MAG[1] + P[17][3]*SH_MAG[0] - P[17][1]*SK_MZ[2] + P[17][2]*SK_MZ[3] + P[17][17]*SK_MZ[1] + P[17][15]*SK_MZ[5] - P[17][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[18] = SK_MZ[0]*(P[18][20] + P[18][0]*SH_MAG[1] + P[18][3]*SH_MAG[0] - P[18][1]*SK_MZ[2] + P[18][2]*SK_MZ[3] + P[18][17]*SK_MZ[1] + P[18][15]*SK_MZ[5] - P[18][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[19] = SK_MZ[0]*(P[19][20] + P[19][0]*SH_MAG[1] + P[19][3]*SH_MAG[0] - P[19][1]*SK_MZ[2] + P[19][2]*SK_MZ[3] + P[19][17]*SK_MZ[1] + P[19][15]*SK_MZ[5] - P[19][16]*SK_MZ[4]); - Kfusion[20] = SK_MZ[0]*(P[20][20] + P[20][0]*SH_MAG[1] + P[20][3]*SH_MAG[0] - P[20][1]*SK_MZ[2] + P[20][2]*SK_MZ[3] + P[20][17]*SK_MZ[1] + P[20][15]*SK_MZ[5] - P[20][16]*SK_MZ[4]); - varInnovMag[2] = 1.0f/SK_MZ[0]; - innovMag[2] = MagPred[2] - magData.z; - - } - - // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma - if ((innovMag[obsIndex]*innovMag[obsIndex]/varInnovMag[obsIndex]) < 25.0) - { - // correct the state vector - for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) - { - states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovMag[obsIndex]; - } - // normalise the quaternion states - float quatMag = sqrt(states[0]*states[0] + states[1]*states[1] + states[2]*states[2] + states[3]*states[3]); - if (quatMag > 1e-12) - { - for (uint8_t j= 0; j<=3; j++) - { - float quatMagInv = 1.0f/quatMag; - states[j] = states[j] * quatMagInv; - } - } - // correct the covariance P = (I - K*H)*P - // take advantage of the empty columns in KH to reduce the - // number of operations - for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j<=3; j++) - { - KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; - } - for (uint8_t j = 4; j<=17; j++) KH[i][j] = 0.0f; - if (!onGround) - { - for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) - { - KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; - } - } - else - { - for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) - { - KH[i][j] = 0.0f; - } - } - } - for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j<=indexLimit; j++) - { - KHP[i][j] = 0.0f; - for (uint8_t k = 0; k<=3; k++) - { - KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; - } - if (!onGround) - { - for (uint8_t k = 15; k<=20; k++) - { - KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; - } - } - } - } - } - for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j<=indexLimit; j++) - { - P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; - } - } - } - obsIndex = obsIndex + 1; - - ForceSymmetry(); - ConstrainVariances(); -} - -void AttPosEKF::FuseAirspeed() -{ - float vn; - float ve; - float vd; - float vwn; - float vwe; - const float R_TAS = 2.0f; - float SH_TAS[3]; - float Kfusion[21]; - float VtasPred; - - // Copy required states to local variable names - vn = statesAtVtasMeasTime[4]; - ve = statesAtVtasMeasTime[5]; - vd = statesAtVtasMeasTime[6]; - vwn = statesAtVtasMeasTime[13]; - vwe = statesAtVtasMeasTime[14]; - - // Need to check that it is flying before fusing airspeed data - // Calculate the predicted airspeed - VtasPred = sqrtf((ve - vwe)*(ve - vwe) + (vn - vwn)*(vn - vwn) + vd*vd); - // Perform fusion of True Airspeed measurement - if (useAirspeed && fuseVtasData && (VtasPred > 1.0f) && (VtasMeas > 8.0f)) - { - // Calculate observation jacobians - SH_TAS[0] = 1/(sqrt(sq(ve - vwe) + sq(vn - vwn) + sq(vd))); - SH_TAS[1] = (SH_TAS[0]*(2.0f*ve - 2*vwe))/2.0f; - SH_TAS[2] = (SH_TAS[0]*(2.0f*vn - 2*vwn))/2.0f; - - float H_TAS[21]; - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) H_TAS[i] = 0.0f; - H_TAS[4] = SH_TAS[2]; - H_TAS[5] = SH_TAS[1]; - H_TAS[6] = vd*SH_TAS[0]; - H_TAS[13] = -SH_TAS[2]; - H_TAS[14] = -SH_TAS[1]; - - // Calculate Kalman gains - float SK_TAS = 1.0f/(R_TAS + SH_TAS[2]*(P[4][4]*SH_TAS[2] + P[5][4]*SH_TAS[1] - P[13][4]*SH_TAS[2] - P[14][4]*SH_TAS[1] + P[6][4]*vd*SH_TAS[0]) + SH_TAS[1]*(P[4][5]*SH_TAS[2] + P[5][5]*SH_TAS[1] - P[13][5]*SH_TAS[2] - P[14][5]*SH_TAS[1] + P[6][5]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[2]*(P[4][13]*SH_TAS[2] + P[5][13]*SH_TAS[1] - P[13][13]*SH_TAS[2] - P[14][13]*SH_TAS[1] + P[6][13]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[1]*(P[4][14]*SH_TAS[2] + P[5][14]*SH_TAS[1] - P[13][14]*SH_TAS[2] - P[14][14]*SH_TAS[1] + P[6][14]*vd*SH_TAS[0]) + vd*SH_TAS[0]*(P[4][6]*SH_TAS[2] + P[5][6]*SH_TAS[1] - P[13][6]*SH_TAS[2] - P[14][6]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0])); - Kfusion[0] = SK_TAS*(P[0][4]*SH_TAS[2] - P[0][13]*SH_TAS[2] + P[0][5]*SH_TAS[1] - P[0][14]*SH_TAS[1] + P[0][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[1] = SK_TAS*(P[1][4]*SH_TAS[2] - P[1][13]*SH_TAS[2] + P[1][5]*SH_TAS[1] - P[1][14]*SH_TAS[1] + P[1][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[2] = SK_TAS*(P[2][4]*SH_TAS[2] - P[2][13]*SH_TAS[2] + P[2][5]*SH_TAS[1] - P[2][14]*SH_TAS[1] + P[2][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[3] = SK_TAS*(P[3][4]*SH_TAS[2] - P[3][13]*SH_TAS[2] + P[3][5]*SH_TAS[1] - P[3][14]*SH_TAS[1] + P[3][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[4] = SK_TAS*(P[4][4]*SH_TAS[2] - P[4][13]*SH_TAS[2] + P[4][5]*SH_TAS[1] - P[4][14]*SH_TAS[1] + P[4][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[5] = SK_TAS*(P[5][4]*SH_TAS[2] - P[5][13]*SH_TAS[2] + P[5][5]*SH_TAS[1] - P[5][14]*SH_TAS[1] + P[5][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[6] = SK_TAS*(P[6][4]*SH_TAS[2] - P[6][13]*SH_TAS[2] + P[6][5]*SH_TAS[1] - P[6][14]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[7] = SK_TAS*(P[7][4]*SH_TAS[2] - P[7][13]*SH_TAS[2] + P[7][5]*SH_TAS[1] - P[7][14]*SH_TAS[1] + P[7][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[8] = SK_TAS*(P[8][4]*SH_TAS[2] - P[8][13]*SH_TAS[2] + P[8][5]*SH_TAS[1] - P[8][14]*SH_TAS[1] + P[8][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[9] = SK_TAS*(P[9][4]*SH_TAS[2] - P[9][13]*SH_TAS[2] + P[9][5]*SH_TAS[1] - P[9][14]*SH_TAS[1] + P[9][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[10] = SK_TAS*(P[10][4]*SH_TAS[2] - P[10][13]*SH_TAS[2] + P[10][5]*SH_TAS[1] - P[10][14]*SH_TAS[1] + P[10][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[11] = SK_TAS*(P[11][4]*SH_TAS[2] - P[11][13]*SH_TAS[2] + P[11][5]*SH_TAS[1] - P[11][14]*SH_TAS[1] + P[11][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[12] = SK_TAS*(P[12][4]*SH_TAS[2] - P[12][13]*SH_TAS[2] + P[12][5]*SH_TAS[1] - P[12][14]*SH_TAS[1] + P[12][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[13] = SK_TAS*(P[13][4]*SH_TAS[2] - P[13][13]*SH_TAS[2] + P[13][5]*SH_TAS[1] - P[13][14]*SH_TAS[1] + P[13][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[14] = SK_TAS*(P[14][4]*SH_TAS[2] - P[14][13]*SH_TAS[2] + P[14][5]*SH_TAS[1] - P[14][14]*SH_TAS[1] + P[14][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[15] = SK_TAS*(P[15][4]*SH_TAS[2] - P[15][13]*SH_TAS[2] + P[15][5]*SH_TAS[1] - P[15][14]*SH_TAS[1] + P[15][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[16] = SK_TAS*(P[16][4]*SH_TAS[2] - P[16][13]*SH_TAS[2] + P[16][5]*SH_TAS[1] - P[16][14]*SH_TAS[1] + P[16][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[17] = SK_TAS*(P[17][4]*SH_TAS[2] - P[17][13]*SH_TAS[2] + P[17][5]*SH_TAS[1] - P[17][14]*SH_TAS[1] + P[17][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[18] = SK_TAS*(P[18][4]*SH_TAS[2] - P[18][13]*SH_TAS[2] + P[18][5]*SH_TAS[1] - P[18][14]*SH_TAS[1] + P[18][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[19] = SK_TAS*(P[19][4]*SH_TAS[2] - P[19][13]*SH_TAS[2] + P[19][5]*SH_TAS[1] - P[19][14]*SH_TAS[1] + P[19][6]*vd*SH_TAS[0]); - Kfusion[20] = SK_TAS*(P[20][4]*SH_TAS[2] - P[20][13]*SH_TAS[2] + P[20][5]*SH_TAS[1] - P[20][14]*SH_TAS[1] + P[20][6]*vd*SH_TAS[0]); - varInnovVtas = 1.0f/SK_TAS; - - // Calculate the measurement innovation - innovVtas = VtasPred - VtasMeas; - // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma - if ((innovVtas*innovVtas*SK_TAS) < 25.0) - { - // correct the state vector - for (uint8_t j=0; j<=20; j++) - { - states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovVtas; - } - // normalise the quaternion states - float quatMag = sqrt(states[0]*states[0] + states[1]*states[1] + states[2]*states[2] + states[3]*states[3]); - if (quatMag > 1e-12f) - { - for (uint8_t j= 0; j<=3; j++) - { - float quatMagInv = 1.0f/quatMag; - states[j] = states[j] * quatMagInv; - } - } - // correct the covariance P = (I - K*H)*P - // take advantage of the empty columns in H to reduce the - // number of operations - for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j<=3; j++) KH[i][j] = 0.0; - for (uint8_t j = 4; j<=6; j++) - { - KH[i][j] = Kfusion[i] * H_TAS[j]; - } - for (uint8_t j = 7; j<=12; j++) KH[i][j] = 0.0; - for (uint8_t j = 13; j<=14; j++) - { - KH[i][j] = Kfusion[i] * H_TAS[j]; - } - for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) KH[i][j] = 0.0; - } - for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j<=20; j++) - { - KHP[i][j] = 0.0; - for (uint8_t k = 4; k<=6; k++) - { - KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; - } - for (uint8_t k = 13; k<=14; k++) - { - KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; - } - } - } - for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j<=20; j++) - { - P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; - } - } - } - } - - ForceSymmetry(); - ConstrainVariances(); -} - -void AttPosEKF::zeroRows(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last) -{ - uint8_t row; - uint8_t col; - for (row=first; row<=last; row++) - { - for (col=0; col<n_states; col++) - { - covMat[row][col] = 0.0; - } - } -} - -void AttPosEKF::zeroCols(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last) -{ - uint8_t row; - uint8_t col; - for (col=first; col<=last; col++) - { - for (row=0; row < n_states; row++) - { - covMat[row][col] = 0.0; - } - } -} - -float AttPosEKF::sq(float valIn) -{ - return valIn*valIn; -} - -// Store states in a history array along with time stamp -void AttPosEKF::StoreStates(uint64_t timestamp_ms) -{ - for (unsigned i=0; i<n_states; i++) - storedStates[i][storeIndex] = states[i]; - statetimeStamp[storeIndex] = timestamp_ms; - storeIndex++; - if (storeIndex == data_buffer_size) - storeIndex = 0; -} - -void AttPosEKF::ResetStoredStates() -{ - // reset all stored states - memset(&storedStates[0][0], 0, sizeof(storedStates)); - memset(&statetimeStamp[0], 0, sizeof(statetimeStamp)); - - // reset store index to first - storeIndex = 0; - - // overwrite all existing states - for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { - storedStates[i][storeIndex] = states[i]; - } - - statetimeStamp[storeIndex] = millis(); - - // increment to next storage index - storeIndex++; -} - -// Output the state vector stored at the time that best matches that specified by msec -int AttPosEKF::RecallStates(float statesForFusion[n_states], uint64_t msec) -{ - int ret = 0; - - // int64_t bestTimeDelta = 200; - // unsigned bestStoreIndex = 0; - // for (unsigned storeIndex = 0; storeIndex < data_buffer_size; storeIndex++) - // { - // // The time delta can also end up as negative number, - // // since we might compare future to past or past to future - // // therefore cast to int64. - // int64_t timeDelta = (int64_t)msec - (int64_t)statetimeStamp[storeIndex]; - // if (timeDelta < 0) { - // timeDelta = -timeDelta; - // } - - // if (timeDelta < bestTimeDelta) - // { - // bestStoreIndex = storeIndex; - // bestTimeDelta = timeDelta; - // } - // } - // if (bestTimeDelta < 200) // only output stored state if < 200 msec retrieval error - // { - // for (uint8_t i=0; i < n_states; i++) { - // if (isfinite(storedStates[i][bestStoreIndex])) { - // statesForFusion[i] = storedStates[i][bestStoreIndex]; - // } else if (isfinite(states[i])) { - // statesForFusion[i] = states[i]; - // } else { - // // There is not much we can do here, except reporting the error we just - // // found. - // ret++; - // } - // } - // else // otherwise output current state - // { - for (uint8_t i=0; i < n_states; i++) { - if (isfinite(states[i])) { - statesForFusion[i] = states[i]; - } else { - ret++; - } - } - // } - - return ret; -} - -void AttPosEKF::quat2Tnb(Mat3f &Tnb, const float (&quat)[4]) -{ - // Calculate the nav to body cosine matrix - float q00 = sq(quat[0]); - float q11 = sq(quat[1]); - float q22 = sq(quat[2]); - float q33 = sq(quat[3]); - float q01 = quat[0]*quat[1]; - float q02 = quat[0]*quat[2]; - float q03 = quat[0]*quat[3]; - float q12 = quat[1]*quat[2]; - float q13 = quat[1]*quat[3]; - float q23 = quat[2]*quat[3]; - - Tnb.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; - Tnb.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; - Tnb.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; - Tnb.y.x = 2*(q12 - q03); - Tnb.z.x = 2*(q13 + q02); - Tnb.x.y = 2*(q12 + q03); - Tnb.z.y = 2*(q23 - q01); - Tnb.x.z = 2*(q13 - q02); - Tnb.y.z = 2*(q23 + q01); -} - -void AttPosEKF::quat2Tbn(Mat3f &Tbn, const float (&quat)[4]) -{ - // Calculate the body to nav cosine matrix - float q00 = sq(quat[0]); - float q11 = sq(quat[1]); - float q22 = sq(quat[2]); - float q33 = sq(quat[3]); - float q01 = quat[0]*quat[1]; - float q02 = quat[0]*quat[2]; - float q03 = quat[0]*quat[3]; - float q12 = quat[1]*quat[2]; - float q13 = quat[1]*quat[3]; - float q23 = quat[2]*quat[3]; - - Tbn.x.x = q00 + q11 - q22 - q33; - Tbn.y.y = q00 - q11 + q22 - q33; - Tbn.z.z = q00 - q11 - q22 + q33; - Tbn.x.y = 2*(q12 - q03); - Tbn.x.z = 2*(q13 + q02); - Tbn.y.x = 2*(q12 + q03); - Tbn.y.z = 2*(q23 - q01); - Tbn.z.x = 2*(q13 - q02); - Tbn.z.y = 2*(q23 + q01); -} - -void AttPosEKF::eul2quat(float (&quat)[4], const float (&eul)[3]) -{ - float u1 = cos(0.5f*eul[0]); - float u2 = cos(0.5f*eul[1]); - float u3 = cos(0.5f*eul[2]); - float u4 = sin(0.5f*eul[0]); - float u5 = sin(0.5f*eul[1]); - float u6 = sin(0.5f*eul[2]); - quat[0] = u1*u2*u3+u4*u5*u6; - quat[1] = u4*u2*u3-u1*u5*u6; - quat[2] = u1*u5*u3+u4*u2*u6; - quat[3] = u1*u2*u6-u4*u5*u3; -} - -void AttPosEKF::quat2eul(float (&y)[3], const float (&u)[4]) -{ - y[0] = atan2f((2.0f*(u[2]*u[3]+u[0]*u[1])) , (u[0]*u[0]-u[1]*u[1]-u[2]*u[2]+u[3]*u[3])); - y[1] = -asinf(2.0f*(u[1]*u[3]-u[0]*u[2])); - y[2] = atan2f((2.0f*(u[1]*u[2]+u[0]*u[3])) , (u[0]*u[0]+u[1]*u[1]-u[2]*u[2]-u[3]*u[3])); -} - -void AttPosEKF::calcvelNED(float (&velNED)[3], float gpsCourse, float gpsGndSpd, float gpsVelD) -{ - velNED[0] = gpsGndSpd*cosf(gpsCourse); - velNED[1] = gpsGndSpd*sinf(gpsCourse); - velNED[2] = gpsVelD; -} - -void AttPosEKF::calcposNED(float (&posNED)[3], float lat, float lon, float hgt, float latRef, float lonRef, float hgtRef) -{ - posNED[0] = earthRadius * (lat - latRef); - posNED[1] = earthRadius * cos(latRef) * (lon - lonRef); - posNED[2] = -(hgt - hgtRef); -} - -void AttPosEKF::calcLLH(float (&posNED)[3], float lat, float lon, float hgt, float latRef, float lonRef, float hgtRef) -{ - lat = latRef + posNED[0] * earthRadiusInv; - lon = lonRef + posNED[1] * earthRadiusInv / cos(latRef); - hgt = hgtRef - posNED[2]; -} - -void AttPosEKF::OnGroundCheck() -{ - onGround = (((sq(velNED[0]) + sq(velNED[1]) + sq(velNED[2])) < 4.0f) && (VtasMeas < 8.0f)); - if (staticMode) { - staticMode = !(GPSstatus > GPS_FIX_2D); - } -} - -void AttPosEKF::calcEarthRateNED(Vector3f &omega, float latitude) -{ - //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame - omega.x = earthRate*cosf(latitude); - omega.y = 0.0f; - omega.z = -earthRate*sinf(latitude); -} - -void AttPosEKF::CovarianceInit() -{ - // Calculate the initial covariance matrix P - P[0][0] = 0.25f * sq(1.0f*deg2rad); - P[1][1] = 0.25f * sq(1.0f*deg2rad); - P[2][2] = 0.25f * sq(1.0f*deg2rad); - P[3][3] = 0.25f * sq(10.0f*deg2rad); - P[4][4] = sq(0.7); - P[5][5] = P[4][4]; - P[6][6] = sq(0.7); - P[7][7] = sq(15.0); - P[8][8] = P[7][7]; - P[9][9] = sq(5.0); - P[10][10] = sq(0.1*deg2rad*dtIMU); - P[11][11] = P[10][10]; - P[12][12] = P[10][10]; - P[13][13] = sq(8.0f); - P[14][4] = P[13][13]; - P[15][15] = sq(0.02f); - P[16][16] = P[15][15]; - P[17][17] = P[15][15]; - P[18][18] = sq(0.02f); - P[19][19] = P[18][18]; - P[20][20] = P[18][18]; -} - -float AttPosEKF::ConstrainFloat(float val, float min, float max) -{ - return (val > max) ? max : ((val < min) ? min : val); -} - -void AttPosEKF::ConstrainVariances() -{ - if (!numericalProtection) { - return; - } - - // State vector: - // 0-3: quaternions (q0, q1, q2, q3) - // 4-6: Velocity - m/sec (North, East, Down) - // 7-9: Position - m (North, East, Down) - // 10-12: Delta Angle bias - rad (X,Y,Z) - // 13-14: Wind Vector - m/sec (North,East) - // 15-17: Earth Magnetic Field Vector - gauss (North, East, Down) - // 18-20: Body Magnetic Field Vector - gauss (X,Y,Z) - - // Constrain quaternion variances - for (unsigned i = 0; i < 4; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); - } - - // Constrain velocitie variances - for (unsigned i = 4; i < 7; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e3f); - } - - // Constrain position variances - for (unsigned i = 7; i < 10; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e6f); - } - - // Angle bias variances - for (unsigned i = 10; i < 13; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, sq(0.175f * dtIMU)); - } - - // Wind velocity variances - for (unsigned i = 13; i < 15; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0e3f); - } - - // Earth magnetic field variances - for (unsigned i = 15; i < 18; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); - } - - // Body magnetic field variances - for (unsigned i = 18; i < 21; i++) { - P[i][i] = ConstrainFloat(P[i][i], 0.0f, 1.0f); - } - -} - -void AttPosEKF::ConstrainStates() -{ - if (!numericalProtection) { - return; - } - - // State vector: - // 0-3: quaternions (q0, q1, q2, q3) - // 4-6: Velocity - m/sec (North, East, Down) - // 7-9: Position - m (North, East, Down) - // 10-12: Delta Angle bias - rad (X,Y,Z) - // 13-14: Wind Vector - m/sec (North,East) - // 15-17: Earth Magnetic Field Vector - gauss (North, East, Down) - // 18-20: Body Magnetic Field Vector - gauss (X,Y,Z) - - - // Constrain quaternion - for (unsigned i = 0; i < 4; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0f, 1.0f); - } - - // Constrain velocities to what GPS can do for us - for (unsigned i = 4; i < 7; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -5.0e2f, 5.0e2f); - } - - // Constrain position to a reasonable vehicle range (in meters) - for (unsigned i = 7; i < 9; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0e6f, 1.0e6f); - } - - // Constrain altitude - states[9] = ConstrainFloat(states[9], -4.0e4f, 1.0e4f); - - // Angle bias limit - set to 8 degrees / sec - for (unsigned i = 10; i < 13; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.12f * dtIMU, 0.12f * dtIMU); - } - - // Wind velocity limits - assume 120 m/s max velocity - for (unsigned i = 13; i < 15; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -120.0f, 120.0f); - } - - // Earth magnetic field limits (in Gauss) - for (unsigned i = 15; i < 18; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -1.0f, 1.0f); - } - - // Body magnetic field variances (in Gauss). - // the max offset should be in this range. - for (unsigned i = 18; i < 21; i++) { - states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.5f, 0.5f); - } - -} - -void AttPosEKF::ForceSymmetry() -{ - if (!numericalProtection) { - return; - } - - // Force symmetry on the covariance matrix to prevent ill-conditioning - // of the matrix which would cause the filter to blow-up - for (unsigned i = 1; i < n_states; i++) - { - for (uint8_t j = 0; j < i; j++) - { - P[i][j] = 0.5f * (P[i][j] + P[j][i]); - P[j][i] = P[i][j]; - } - } -} - -bool AttPosEKF::FilterHealthy() -{ - if (!statesInitialised) { - return false; - } - - // XXX Check state vector for NaNs and ill-conditioning - - // Check if any of the major inputs timed out - if (current_ekf_state.posTimeout || current_ekf_state.velTimeout || current_ekf_state.hgtTimeout) { - return false; - } - - // Nothing fired, return ok. - return true; -} - -/** - * Reset the filter position states - * - * This resets the position to the last GPS measurement - * or to zero in case of static position. - */ -void AttPosEKF::ResetPosition(void) -{ - if (staticMode) { - states[7] = 0; - states[8] = 0; - } else if (GPSstatus >= GPS_FIX_3D) { - - // reset the states from the GPS measurements - states[7] = posNE[0]; - states[8] = posNE[1]; - } -} - -/** - * Reset the height state. - * - * This resets the height state with the last altitude measurements - */ -void AttPosEKF::ResetHeight(void) -{ - // write to the state vector - states[9] = -hgtMea; -} - -/** - * Reset the velocity state. - */ -void AttPosEKF::ResetVelocity(void) -{ - if (staticMode) { - states[4] = 0.0f; - states[5] = 0.0f; - states[6] = 0.0f; - } else if (GPSstatus >= GPS_FIX_3D) { - - states[4] = velNED[0]; // north velocity from last reading - states[5] = velNED[1]; // east velocity from last reading - states[6] = velNED[2]; // down velocity from last reading - } -} - - -void AttPosEKF::FillErrorReport(struct ekf_status_report *err) -{ - for (int i = 0; i < n_states; i++) - { - err->states[i] = states[i]; - } - - err->velHealth = current_ekf_state.velHealth; - err->posHealth = current_ekf_state.posHealth; - err->hgtHealth = current_ekf_state.hgtHealth; - err->velTimeout = current_ekf_state.velTimeout; - err->posTimeout = current_ekf_state.posTimeout; - err->hgtTimeout = current_ekf_state.hgtTimeout; -} - -bool AttPosEKF::StatesNaN(struct ekf_status_report *err_report) { - bool err = false; - - // check all states and covariance matrices - for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { - for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) { - if (!isfinite(KH[i][j])) { - - err_report->covarianceNaN = true; - err = true; - } // intermediate result used for covariance updates - if (!isfinite(KHP[i][j])) { - - err_report->covarianceNaN = true; - err = true; - } // intermediate result used for covariance updates - if (!isfinite(P[i][j])) { - - err_report->covarianceNaN = true; - err = true; - } // covariance matrix - } - - if (!isfinite(Kfusion[i])) { - - err_report->kalmanGainsNaN = true; - err = true; - } // Kalman gains - - if (!isfinite(states[i])) { - - err_report->statesNaN = true; - err = true; - } // state matrix - } - - if (err) { - FillErrorReport(err_report); - } - - return err; - -} - -/** - * Check the filter inputs and bound its operational state - * - * This check will reset the filter states if required - * due to a failure of consistency or timeout checks. - * it should be run after the measurement data has been - * updated, but before any of the fusion steps are - * executed. - */ -int AttPosEKF::CheckAndBound() -{ - - // Store the old filter state - bool currStaticMode = staticMode; - - // Reset the filter if the states went NaN - if (StatesNaN(&last_ekf_error)) { - - InitializeDynamic(velNED, magDeclination); - - return 1; - } - - // Reset the filter if the IMU data is too old - if (dtIMU > 0.2f) { - - ResetVelocity(); - ResetPosition(); - ResetHeight(); - ResetStoredStates(); - - // that's all we can do here, return - return 2; - } - - // Check if we're on ground - this also sets static mode. - OnGroundCheck(); - - // Check if we switched between states - if (currStaticMode != staticMode) { - ResetVelocity(); - ResetPosition(); - ResetHeight(); - ResetStoredStates(); - - return 3; - } - - return 0; -} - -void AttPosEKF::AttitudeInit(float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz, float declination, float *initQuat) -{ - float initialRoll, initialPitch; - float cosRoll, sinRoll, cosPitch, sinPitch; - float magX, magY; - float initialHdg, cosHeading, sinHeading; - - initialRoll = atan2(-ay, -az); - initialPitch = atan2(ax, -az); - - cosRoll = cosf(initialRoll); - sinRoll = sinf(initialRoll); - cosPitch = cosf(initialPitch); - sinPitch = sinf(initialPitch); - - magX = mx * cosPitch + my * sinRoll * sinPitch + mz * cosRoll * sinPitch; - - magY = my * cosRoll - mz * sinRoll; - - initialHdg = atan2f(-magY, magX); - /* true heading is the mag heading minus declination */ - initialHdg += declination; - - cosRoll = cosf(initialRoll * 0.5f); - sinRoll = sinf(initialRoll * 0.5f); - - cosPitch = cosf(initialPitch * 0.5f); - sinPitch = sinf(initialPitch * 0.5f); - - cosHeading = cosf(initialHdg * 0.5f); - sinHeading = sinf(initialHdg * 0.5f); - - initQuat[0] = cosRoll * cosPitch * cosHeading + sinRoll * sinPitch * sinHeading; - initQuat[1] = sinRoll * cosPitch * cosHeading - cosRoll * sinPitch * sinHeading; - initQuat[2] = cosRoll * sinPitch * cosHeading + sinRoll * cosPitch * sinHeading; - initQuat[3] = cosRoll * cosPitch * sinHeading - sinRoll * sinPitch * cosHeading; -} - -void AttPosEKF::InitializeDynamic(float (&initvelNED)[3], float declination) -{ - - // Clear the init flag - statesInitialised = false; - - magDeclination = declination; - - ZeroVariables(); - - // Calculate initial filter quaternion states from raw measurements - float initQuat[4]; - Vector3f initMagXYZ; - initMagXYZ = magData - magBias; - AttitudeInit(accel.x, accel.y, accel.z, initMagXYZ.x, initMagXYZ.y, initMagXYZ.z, magDeclination, initQuat); - - // Calculate initial Tbn matrix and rotate Mag measurements into NED - // to set initial NED magnetic field states - Mat3f DCM; - quat2Tbn(DCM, initQuat); - Vector3f initMagNED; - initMagXYZ = magData - magBias; - initMagNED.x = DCM.x.x*initMagXYZ.x + DCM.x.y*initMagXYZ.y + DCM.x.z*initMagXYZ.z; - initMagNED.y = DCM.y.x*initMagXYZ.x + DCM.y.y*initMagXYZ.y + DCM.y.z*initMagXYZ.z; - initMagNED.z = DCM.z.x*initMagXYZ.x + DCM.z.y*initMagXYZ.y + DCM.z.z*initMagXYZ.z; - - - - // write to state vector - for (uint8_t j=0; j<=3; j++) states[j] = initQuat[j]; // quaternions - for (uint8_t j=0; j<=2; j++) states[j+4] = initvelNED[j]; // velocities - for (uint8_t j=0; j<=7; j++) states[j+7] = 0.0f; // positiions, dAngBias, windVel - states[15] = initMagNED.x; // Magnetic Field North - states[16] = initMagNED.y; // Magnetic Field East - states[17] = initMagNED.z; // Magnetic Field Down - states[18] = magBias.x; // Magnetic Field Bias X - states[19] = magBias.y; // Magnetic Field Bias Y - states[20] = magBias.z; // Magnetic Field Bias Z - - statesInitialised = true; - - // initialise the covariance matrix - CovarianceInit(); - - //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame - calcEarthRateNED(earthRateNED, latRef); - - //Initialise summed variables used by covariance prediction - summedDelAng.x = 0.0f; - summedDelAng.y = 0.0f; - summedDelAng.z = 0.0f; - summedDelVel.x = 0.0f; - summedDelVel.y = 0.0f; - summedDelVel.z = 0.0f; -} - -void AttPosEKF::InitialiseFilter(float (&initvelNED)[3], double referenceLat, double referenceLon, float referenceHgt, float declination) -{ - //store initial lat,long and height - latRef = referenceLat; - lonRef = referenceLon; - hgtRef = referenceHgt; - - memset(&last_ekf_error, 0, sizeof(last_ekf_error)); - - InitializeDynamic(initvelNED, declination); -} - -void AttPosEKF::ZeroVariables() -{ - // Do the data structure init - for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { - for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) { - KH[i][j] = 0.0f; // intermediate result used for covariance updates - KHP[i][j] = 0.0f; // intermediate result used for covariance updates - P[i][j] = 0.0f; // covariance matrix - } - - Kfusion[i] = 0.0f; // Kalman gains - states[i] = 0.0f; // state matrix - } - - for (unsigned i = 0; i < data_buffer_size; i++) { - - for (unsigned j = 0; j < n_states; j++) { - storedStates[j][i] = 0.0f; - } - - statetimeStamp[i] = 0; - } - - memset(¤t_ekf_state, 0, sizeof(current_ekf_state)); -} - -void AttPosEKF::GetFilterState(struct ekf_status_report *state) -{ - memcpy(state, ¤t_ekf_state, sizeof(state)); -} - -void AttPosEKF::GetLastErrorState(struct ekf_status_report *last_error) -{ - memcpy(last_error, &last_ekf_error, sizeof(last_error)); -} diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.h b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.h deleted file mode 100644 index a19ff1995..000000000 --- a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_21states.h +++ /dev/null @@ -1,247 +0,0 @@ -#pragma once - -#include "estimator_utilities.h" - -class AttPosEKF { - -public: - - AttPosEKF(); - ~AttPosEKF(); - - /* ############################################## - * - * M A I N F I L T E R P A R A M E T E R S - * - * ########################################### */ - - /* - * parameters are defined here and initialised in - * the InitialiseParameters() (which is just 20 lines down) - */ - - float covTimeStepMax; // maximum time allowed between covariance predictions - float covDelAngMax; // maximum delta angle between covariance predictions - float rngFinderPitch; // pitch angle of laser range finder in radians. Zero is aligned with the Z body axis. Positive is RH rotation about Y body axis. - - float yawVarScale; - float windVelSigma; - float dAngBiasSigma; - float dVelBiasSigma; - float magEarthSigma; - float magBodySigma; - float gndHgtSigma; - - float vneSigma; - float vdSigma; - float posNeSigma; - float posDSigma; - float magMeasurementSigma; - float airspeedMeasurementSigma; - - float gyroProcessNoise; - float accelProcessNoise; - - float EAS2TAS; // ratio f true to equivalent airspeed - - void InitialiseParameters() - { - covTimeStepMax = 0.07f; // maximum time allowed between covariance predictions - covDelAngMax = 0.02f; // maximum delta angle between covariance predictions - rngFinderPitch = 0.0f; // pitch angle of laser range finder in radians. Zero is aligned with the Z body axis. Positive is RH rotation about Y body axis. - EAS2TAS = 1.0f; - - yawVarScale = 1.0f; - windVelSigma = 0.1f; - dAngBiasSigma = 5.0e-7f; - dVelBiasSigma = 1e-4f; - magEarthSigma = 3.0e-4f; - magBodySigma = 3.0e-4f; - gndHgtSigma = 0.02f; // assume 2% terrain gradient 1-sigma - - vneSigma = 0.2f; - vdSigma = 0.3f; - posNeSigma = 2.0f; - posDSigma = 2.0f; - - magMeasurementSigma = 0.05; - airspeedMeasurementSigma = 1.4f; - gyroProcessNoise = 1.4544411e-2f; - accelProcessNoise = 0.5f; - } - - // Global variables - float KH[n_states][n_states]; // intermediate result used for covariance updates - float KHP[n_states][n_states]; // intermediate result used for covariance updates - float P[n_states][n_states]; // covariance matrix - float Kfusion[n_states]; // Kalman gains - float states[n_states]; // state matrix - float storedStates[n_states][data_buffer_size]; // state vectors stored for the last 50 time steps - uint32_t statetimeStamp[data_buffer_size]; // time stamp for each state vector stored - - float statesAtVelTime[n_states]; // States at the effective measurement time for posNE and velNED measurements - float statesAtPosTime[n_states]; // States at the effective measurement time for posNE and velNED measurements - float statesAtHgtTime[n_states]; // States at the effective measurement time for the hgtMea measurement - float statesAtMagMeasTime[n_states]; // filter satates at the effective measurement time - float statesAtVtasMeasTime[n_states]; // filter states at the effective measurement time - - Vector3f correctedDelAng; // delta angles about the xyz body axes corrected for errors (rad) - Vector3f correctedDelVel; // delta velocities along the XYZ body axes corrected for errors (m/s) - Vector3f summedDelAng; // summed delta angles about the xyz body axes corrected for errors (rad) - Vector3f summedDelVel; // summed delta velocities along the XYZ body axes corrected for errors (m/s) - float accNavMag; // magnitude of navigation accel (- used to adjust GPS obs variance (m/s^2) - Vector3f earthRateNED; // earths angular rate vector in NED (rad/s) - Vector3f angRate; // angular rate vector in XYZ body axes measured by the IMU (rad/s) - Vector3f accel; // acceleration vector in XYZ body axes measured by the IMU (m/s^2) - Vector3f dVelIMU; - Vector3f dAngIMU; - float dtIMU; // time lapsed since the last IMU measurement or covariance update (sec) - uint8_t fusionModeGPS; // 0 = GPS outputs 3D velocity, 1 = GPS outputs 2D velocity, 2 = GPS outputs no velocity - float innovVelPos[6]; // innovation output - float varInnovVelPos[6]; // innovation variance output - - float velNED[3]; // North, East, Down velocity obs (m/s) - float posNE[2]; // North, East position obs (m) - float hgtMea; // measured height (m) - float posNED[3]; // North, East Down position (m) - - float innovMag[3]; // innovation output - float varInnovMag[3]; // innovation variance output - Vector3f magData; // magnetometer flux radings in X,Y,Z body axes - float innovVtas; // innovation output - float varInnovVtas; // innovation variance output - float VtasMeas; // true airspeed measurement (m/s) - float magDeclination; - float latRef; // WGS-84 latitude of reference point (rad) - float lonRef; // WGS-84 longitude of reference point (rad) - float hgtRef; // WGS-84 height of reference point (m) - Vector3f magBias; // states representing magnetometer bias vector in XYZ body axes - uint8_t covSkipCount; // Number of state prediction frames (IMU daya updates to skip before doing the covariance prediction - - // GPS input data variables - float gpsCourse; - float gpsVelD; - float gpsLat; - float gpsLon; - float gpsHgt; - uint8_t GPSstatus; - - // Baro input - float baroHgt; - - bool statesInitialised; - - bool fuseVelData; // this boolean causes the posNE and velNED obs to be fused - bool fusePosData; // this boolean causes the posNE and velNED obs to be fused - bool fuseHgtData; // this boolean causes the hgtMea obs to be fused - bool fuseMagData; // boolean true when magnetometer data is to be fused - bool fuseVtasData; // boolean true when airspeed data is to be fused - - bool onGround; ///< boolean true when the flight vehicle is on the ground (not flying) - bool staticMode; ///< boolean true if no position feedback is fused - bool useAirspeed; ///< boolean true if airspeed data is being used - bool useCompass; ///< boolean true if magnetometer data is being used - - struct ekf_status_report current_ekf_state; - struct ekf_status_report last_ekf_error; - - bool numericalProtection; - - unsigned storeIndex; - - -void UpdateStrapdownEquationsNED(); - -void CovariancePrediction(float dt); - -void FuseVelposNED(); - -void FuseMagnetometer(); - -void FuseAirspeed(); - -void zeroRows(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last); - -void zeroCols(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last); - -void quatNorm(float (&quatOut)[4], const float quatIn[4]); - -// store staes along with system time stamp in msces -void StoreStates(uint64_t timestamp_ms); - -/** - * Recall the state vector. - * - * Recalls the vector stored at closest time to the one specified by msec - * - * @return zero on success, integer indicating the number of invalid states on failure. - * Does only copy valid states, if the statesForFusion vector was initialized - * correctly by the caller, the result can be safely used, but is a mixture - * time-wise where valid states were updated and invalid remained at the old - * value. - */ -int RecallStates(float statesForFusion[n_states], uint64_t msec); - -void ResetStoredStates(); - -void quat2Tbn(Mat3f &Tbn, const float (&quat)[4]); - -void calcEarthRateNED(Vector3f &omega, float latitude); - -static void eul2quat(float (&quat)[4], const float (&eul)[3]); - -static void quat2eul(float (&eul)[3], const float (&quat)[4]); - -static void calcvelNED(float (&velNED)[3], float gpsCourse, float gpsGndSpd, float gpsVelD); - -static void calcposNED(float (&posNED)[3], float lat, float lon, float hgt, float latRef, float lonRef, float hgtRef); - -static void calcLLH(float (&posNED)[3], float lat, float lon, float hgt, float latRef, float lonRef, float hgtRef); - -static void quat2Tnb(Mat3f &Tnb, const float (&quat)[4]); - -static float sq(float valIn); - -void OnGroundCheck(); - -void CovarianceInit(); - -void InitialiseFilter(float (&initvelNED)[3], double referenceLat, double referenceLon, float referenceHgt, float declination); - -float ConstrainFloat(float val, float min, float max); - -void ConstrainVariances(); - -void ConstrainStates(); - -void ForceSymmetry(); - -int CheckAndBound(); - -void ResetPosition(); - -void ResetVelocity(); - -void ZeroVariables(); - -void GetFilterState(struct ekf_status_report *state); - -void GetLastErrorState(struct ekf_status_report *last_error); - -bool StatesNaN(struct ekf_status_report *err_report); -void FillErrorReport(struct ekf_status_report *err); - -void InitializeDynamic(float (&initvelNED)[3], float declination); - -protected: - -bool FilterHealthy(); - -void ResetHeight(void); - -void AttitudeInit(float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz, float declination, float *initQuat); - -}; - -uint32_t millis(); - diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.cpp b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_22states.cpp index c17e034ad..15d018ab6 100644 --- a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.cpp +++ b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_22states.cpp @@ -1,4 +1,4 @@ -#include "estimator_23states.h" +#include "estimator_22states.h" #include <string.h> #include <stdio.h> #include <stdarg.h> @@ -14,9 +14,6 @@ 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), @@ -71,10 +68,6 @@ AttPosEKF::AttPosEKF() : dtVelPosFilt(0.01f), dtHgtFilt(0.01f), dtGpsFilt(0.1f), - windSpdFiltNorth(0.0f), - windSpdFiltEast(0.0f), - windSpdFiltAltitude(0.0f), - windSpdFiltClimb(0.0f), fusionModeGPS(0), innovVelPos{}, varInnovVelPos{}, @@ -87,7 +80,6 @@ AttPosEKF::AttPosEKF() : innovMag{}, varInnovMag{}, magData{}, - losData{}, innovVtas(0.0f), innovRng(0.0f), innovOptFlow{}, @@ -102,6 +94,8 @@ AttPosEKF::AttPosEKF() : refSet(false), magBias(), covSkipCount(0), + lastFixTime_ms(0), + globalTimeStamp_ms(0), gpsLat(0.0), gpsLon(-M_PI), gpsHgt(0.0f), @@ -123,6 +117,7 @@ AttPosEKF::AttPosEKF() : onGround(true), staticMode(true), + useGPS(false), useAirspeed(true), useCompass(true), useRangeFinder(true), @@ -133,7 +128,7 @@ AttPosEKF::AttPosEKF() : current_ekf_state{}, last_ekf_error{}, numericalProtection(true), - storeIndex(0), + storeIndex(0), storedOmega{}, Popt{}, flowStates{}, @@ -152,6 +147,7 @@ AttPosEKF::AttPosEKF() : minFlowRng(0.0f), moCompR_LOS(0.0f) { + memset(&last_ekf_error, 0, sizeof(last_ekf_error)); memset(¤t_ekf_state, 0, sizeof(current_ekf_state)); ZeroVariables(); @@ -185,9 +181,12 @@ void AttPosEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() 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]; + + Vector3f dVelIMURel; + + dVelIMURel.x = dVelIMU.x; + dVelIMURel.y = dVelIMU.y; + dVelIMURel.z = dVelIMU.z - states[13]; delAngTotal.x += correctedDelAng.x; delAngTotal.y += correctedDelAng.y; @@ -267,9 +266,9 @@ void AttPosEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() // 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; + delVelNav.x = Tbn.x.x*dVelIMURel.x + Tbn.x.y*dVelIMURel.y + Tbn.x.z*dVelIMURel.z + gravityNED.x*dtIMU; + delVelNav.y = Tbn.y.x*dVelIMURel.x + Tbn.y.y*dVelIMURel.y + Tbn.y.z*dVelIMURel.z + gravityNED.y*dtIMU; + delVelNav.z = Tbn.z.x*dVelIMURel.x + Tbn.z.y*dVelIMURel.y + Tbn.z.z*dVelIMURel.z + gravityNED.z*dtIMU; // calculate the magnitude of the nav acceleration (required for GPS // variance estimation) @@ -344,14 +343,9 @@ void AttPosEKF::CovariancePrediction(float dt) } 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 (!inhibitGndState) { - processNoise[22] = dt * sqrtf(sq(states[4]) + sq(states[5])) * gndHgtSigma; + for (uint8_t i=19; i < n_states; i++) processNoise[i] = dt * magBodySigma; } else { - processNoise[22] = 0; + for (uint8_t i=16; i < n_states; i++) processNoise[i] = 0; } // square all sigmas @@ -451,7 +445,6 @@ void AttPosEKF::CovariancePrediction(float dt) nextP[0][19] = P[0][19] + P[1][19]*SF[7] + P[2][19]*SF[9] + P[3][19]*SF[8] + P[10][19]*SF[11] + P[11][19]*SPP[7] + P[12][19]*SPP[6]; nextP[0][20] = P[0][20] + P[1][20]*SF[7] + P[2][20]*SF[9] + P[3][20]*SF[8] + P[10][20]*SF[11] + P[11][20]*SPP[7] + P[12][20]*SPP[6]; nextP[0][21] = P[0][21] + P[1][21]*SF[7] + P[2][21]*SF[9] + P[3][21]*SF[8] + P[10][21]*SF[11] + P[11][21]*SPP[7] + P[12][21]*SPP[6]; - nextP[0][22] = P[0][22] + P[1][22]*SF[7] + P[2][22]*SF[9] + P[3][22]*SF[8] + P[10][22]*SF[11] + P[11][22]*SPP[7] + P[12][22]*SPP[6]; nextP[1][0] = P[1][0] + SQ[8] + P[0][0]*SF[6] + P[2][0]*SF[5] + P[3][0]*SF[9] + P[11][0]*SPP[6] - 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nextP[22][10] = P[22][10]; - nextP[22][11] = P[22][11]; - nextP[22][12] = P[22][12]; - nextP[22][13] = P[22][13]; - nextP[22][14] = P[22][14]; - nextP[22][15] = P[22][15]; - nextP[22][16] = P[22][16]; - nextP[22][17] = P[22][17]; - nextP[22][18] = P[22][18]; - nextP[22][19] = P[22][19]; - nextP[22][20] = P[22][20]; - nextP[22][21] = P[22][21]; - nextP[22][22] = P[22][22]; for (unsigned i = 0; i < n_states; i++) { @@ -1031,7 +980,7 @@ void AttPosEKF::FuseVelposNED() bool fuseData[6] = {false,false,false,false,false,false}; uint8_t stateIndex; uint8_t obsIndex; - uint8_t indexLimit = 22; + uint8_t indexLimit = 21; // declare variables used by state and covariance update calculations float velErr; @@ -1230,15 +1179,11 @@ void AttPosEKF::FuseVelposNED() } // Don't update magnetic field states if inhibited if (inhibitMagStates) { - for (uint8_t i = 16; i<=21; i++) + for (uint8_t i = 16; i < n_states; i++) { Kfusion[i] = 0; } } - // Don't update terrain state if inhibited - if (inhibitGndState) { - Kfusion[22] = 0; - } // Calculate state corrections and re-normalise the quaternions for (uint8_t i = 0; i<=indexLimit; i++) @@ -1415,15 +1360,10 @@ void AttPosEKF::FuseMagnetometer() 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++) { + for (uint8_t i=16; i < n_states; i++) { Kfusion[i] = 0; } } - if (!inhibitGndState) { - 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; } @@ -1598,14 +1538,14 @@ void AttPosEKF::FuseMagnetometer() for (uint8_t j = 4; j <= 15; j++) KH[i][j] = 0.0f; if (!onGround) { - for (uint8_t j = 16; j <= 21; j++) + for (uint8_t j = 16; j < n_states; j++) { KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; } } else { - for (uint8_t j = 16; j <= 21; j++) + for (uint8_t j = 16; j < n_states; j++) { KH[i][j] = 0.0f; } @@ -1622,7 +1562,7 @@ void AttPosEKF::FuseMagnetometer() } if (!onGround) { - for (uint8_t k = 16; k<=21; k++) + for (uint8_t k = 16; k < n_states; k++) { KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; } @@ -1669,32 +1609,6 @@ void AttPosEKF::FuseAirspeed() // Perform fusion of True Airspeed measurement if (useAirspeed && fuseVtasData && (VtasPred > 1.0f) && (VtasMeas > 8.0f)) { - - float altDiff = fabsf(windSpdFiltAltitude - hgtMea); - - if (isfinite(windSpdFiltClimb)) { - windSpdFiltClimb = ((1.0f - 0.0002f) * windSpdFiltClimb) + (0.0002f * states[6]); - } else { - windSpdFiltClimb = states[6]; - } - - if (altDiff < 20.0f) { - // Lowpass the output of the wind estimate - we want a long-term - // stable estimate, but not start to load into the overall dynamics - // of the system (which adjusting covariances would do) - - // Change filter coefficient based on altitude change rate - float windFiltCoeff = ConstrainFloat(fabsf(windSpdFiltClimb) / 1000.0f, 0.00005f, 0.2f); - - windSpdFiltNorth = ((1.0f - windFiltCoeff) * windSpdFiltNorth) + (windFiltCoeff * vwn); - windSpdFiltEast = ((1.0f - windFiltCoeff) * windSpdFiltEast) + (windFiltCoeff * vwe); - } else { - windSpdFiltNorth = vwn; - windSpdFiltEast = vwe; - } - - windSpdFiltAltitude = hgtMea; - // 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; @@ -1750,7 +1664,7 @@ void AttPosEKF::FuseAirspeed() 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++) { + for (uint8_t i=16; i < n_states; i++) { Kfusion[i] = 0; } } @@ -1762,7 +1676,7 @@ void AttPosEKF::FuseAirspeed() if ((innovVtas*innovVtas*SK_TAS) < 25.0f) { // correct the state vector - for (uint8_t j=0; j <= 22; j++) + for (uint8_t j=0; j < n_states; j++) { states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovVtas; } @@ -1779,7 +1693,7 @@ void AttPosEKF::FuseAirspeed() // 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 i = 0; i < n_states; i++) { for (uint8_t j = 0; j <= 3; j++) KH[i][j] = 0.0; for (uint8_t j = 4; j <= 6; j++) @@ -1791,11 +1705,11 @@ void AttPosEKF::FuseAirspeed() { KH[i][j] = Kfusion[i] * H_TAS[j]; } - for (uint8_t j = 16; j <= 22; j++) KH[i][j] = 0.0; + for (uint8_t j = 16; j < n_states; j++) KH[i][j] = 0.0; } - for (uint8_t i = 0; i <= 22; i++) + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) { - for (uint8_t j = 0; j <= 22; j++) + for (uint8_t j = 0; j < n_states; j++) { KHP[i][j] = 0.0; for (uint8_t k = 4; k <= 6; k++) @@ -1808,9 +1722,9 @@ void AttPosEKF::FuseAirspeed() } } } - for (uint8_t i = 0; i <= 22; i++) + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) { - for (uint8_t j = 0; j <= 22; j++) + for (uint8_t j = 0; j < n_states; j++) { P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; } @@ -1835,356 +1749,269 @@ void AttPosEKF::zeroRows(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uin } } -void AttPosEKF::FuseRangeFinder() +void AttPosEKF::FuseOptFlow() { - - // 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) + static float SH_LOS[13]; + static float SK_LOS[9]; + 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 losPred[2]; + + // Transformation matrix from nav to body axes + float H_LOS[2][n_states]; + float K_LOS[2][n_states]; + Vector3f velNED_local; + Vector3f relVelSensor; + + // Perform sequential fusion of optical flow measurements only with valid tilt and height + flowStates[1] = maxf(flowStates[1], statesAtFlowTime[9] + minFlowRng); + float heightAboveGndEst = flowStates[1] - statesAtFlowTime[9]; + bool validTilt = Tnb.z.z > 0.71f; + if (validTilt) { - // 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]); + // Sequential fusion of XY components. - // Calculate the innovation variance for data logging - varInnovRng = 1.0f/SK_RNG[0]; + // Calculate observation jacobians and Kalman gains + if (fuseOptFlowData) + { + // Copy required states to local variable names + q0 = statesAtFlowTime[0]; + q1 = statesAtFlowTime[1]; + q2 = statesAtFlowTime[2]; + q3 = statesAtFlowTime[3]; + vn = statesAtFlowTime[4]; + ve = statesAtFlowTime[5]; + vd = statesAtFlowTime[6]; + pd = statesAtFlowTime[9]; + ptd = flowStates[1]; + velNED_local.x = vn; + velNED_local.y = ve; + velNED_local.z = vd; + + // calculate range from ground plain to centre of sensor fov assuming flat earth + float range = heightAboveGndEst/Tnb_flow.z.z; + + // calculate relative velocity in sensor frame + relVelSensor = Tnb_flow*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; + + // Calculate common expressions for observation jacobians + SH_LOS[0] = sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3); + SH_LOS[1] = vn*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3)) - vd*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) + ve*(2*q0*q3 + 2*q1*q2); + SH_LOS[2] = ve*(sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) - sq(q3)) + vd*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - vn*(2*q0*q3 - 2*q1*q2); + SH_LOS[3] = 1/(pd - ptd); + SH_LOS[4] = 1/sq(pd - ptd); + + // Calculate common expressions for Kalman gains + SK_LOS[0] = 1.0f/((R_LOS + sq(omegaAcrossFlowTime[0] * moCompR_LOS)) + (SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3])*(P[0][0]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[1][0]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) - P[2][0]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[3][0]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[5][0]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[6][0]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[9][0]*SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4] + P[4][0]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3))) + (SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3])*(P[0][1]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[1][1]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) - P[2][1]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[3][1]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[5][1]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[6][1]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[9][1]*SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4] + P[4][1]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3))) - (SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3])*(P[0][2]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[1][2]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) - P[2][2]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[3][2]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[5][2]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[6][2]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[9][2]*SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4] + P[4][2]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3))) + (SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3])*(P[0][3]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[1][3]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) - P[2][3]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[3][3]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[5][3]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[6][3]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[9][3]*SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4] + P[4][3]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3))) - SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4]*(P[0][9]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[1][9]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) - P[2][9]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[3][9]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[5][9]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[6][9]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[9][9]*SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4] + P[4][9]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3))) + SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3))*(P[0][4]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[1][4]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) - P[2][4]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) + 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[3][4]*(SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]) + P[5][4]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - P[6][4]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3) - P[9][4]*SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4] + P[4][4]*SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - 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2*q1*q3); + tempVar[7] = SH_LOS[0]*SH_LOS[1]*SH_LOS[4]; + tempVar[8] = SH_LOS[0]*SK_LOS[7]*SK_LOS[8]; + + // Calculate observation jacobians for Y LOS rate + for (uint8_t i = 0; i < n_states; i++) H_LOS[1][i] = 0; + H_LOS[1][0] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*ve - 2*q2*vd + 2*q0*vn) + 2*q0*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]; + H_LOS[1][1] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q3*vd + 2*q2*ve + 2*q1*vn) - 2*q1*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]; + H_LOS[1][2] = - SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*vd - 2*q1*ve + 2*q2*vn) - 2*q2*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]; + H_LOS[1][3] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q1*vd + 2*q0*ve - 2*q3*vn) + 2*q3*SH_LOS[1]*SH_LOS[3]; + H_LOS[1][4] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3)); + H_LOS[1][5] = SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q3 + 2*q1*q2); + H_LOS[1][6] = -SH_LOS[0]*SH_LOS[3]*(2*q0*q2 - 2*q1*q3); + H_LOS[1][9] = -tempVar[7]; + + // Calculate Kalman gains for Y LOS rate + K_LOS[1][0] = SK_LOS[0]*(P[0][0]*tempVar[1] + P[0][1]*tempVar[2] - P[0][2]*tempVar[3] + P[0][3]*tempVar[4] + P[0][5]*tempVar[5] - P[0][6]*tempVar[6] - P[0][9]*tempVar[7] + P[0][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][1] = SK_LOS[0]*(P[1][0]*tempVar[1] + P[1][1]*tempVar[2] - P[1][2]*tempVar[3] + P[1][3]*tempVar[4] + P[1][5]*tempVar[5] - P[1][6]*tempVar[6] - P[1][9]*tempVar[7] + P[1][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][2] = SK_LOS[0]*(P[2][0]*tempVar[1] + P[2][1]*tempVar[2] - P[2][2]*tempVar[3] + P[2][3]*tempVar[4] + P[2][5]*tempVar[5] - P[2][6]*tempVar[6] - P[2][9]*tempVar[7] + P[2][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][3] = SK_LOS[0]*(P[3][0]*tempVar[1] + P[3][1]*tempVar[2] - P[3][2]*tempVar[3] + P[3][3]*tempVar[4] + P[3][5]*tempVar[5] - P[3][6]*tempVar[6] - P[3][9]*tempVar[7] + P[3][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][4] = SK_LOS[0]*(P[4][0]*tempVar[1] + P[4][1]*tempVar[2] - P[4][2]*tempVar[3] + P[4][3]*tempVar[4] + P[4][5]*tempVar[5] - P[4][6]*tempVar[6] - P[4][9]*tempVar[7] + P[4][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][5] = SK_LOS[0]*(P[5][0]*tempVar[1] + P[5][1]*tempVar[2] - P[5][2]*tempVar[3] + P[5][3]*tempVar[4] + P[5][5]*tempVar[5] - P[5][6]*tempVar[6] - P[5][9]*tempVar[7] + P[5][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][6] = SK_LOS[0]*(P[6][0]*tempVar[1] + P[6][1]*tempVar[2] - 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P[16][2]*tempVar[3] + P[16][3]*tempVar[4] + P[16][5]*tempVar[5] - P[16][6]*tempVar[6] - P[16][9]*tempVar[7] + P[16][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][17] = SK_LOS[0]*(P[17][0]*tempVar[1] + P[17][1]*tempVar[2] - P[17][2]*tempVar[3] + P[17][3]*tempVar[4] + P[17][5]*tempVar[5] - P[17][6]*tempVar[6] - P[17][9]*tempVar[7] + P[17][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][18] = SK_LOS[0]*(P[18][0]*tempVar[1] + P[18][1]*tempVar[2] - P[18][2]*tempVar[3] + P[18][3]*tempVar[4] + P[18][5]*tempVar[5] - P[18][6]*tempVar[6] - P[18][9]*tempVar[7] + P[18][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][19] = SK_LOS[0]*(P[19][0]*tempVar[1] + P[19][1]*tempVar[2] - P[19][2]*tempVar[3] + P[19][3]*tempVar[4] + P[19][5]*tempVar[5] - P[19][6]*tempVar[6] - P[19][9]*tempVar[7] + P[19][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][20] = SK_LOS[0]*(P[20][0]*tempVar[1] + P[20][1]*tempVar[2] - P[20][2]*tempVar[3] + P[20][3]*tempVar[4] + P[20][5]*tempVar[5] - P[20][6]*tempVar[6] - P[20][9]*tempVar[7] + P[20][4]*tempVar[8]); + K_LOS[1][21] = SK_LOS[0]*(P[21][0]*tempVar[1] + P[21][1]*tempVar[2] - P[21][2]*tempVar[3] + P[21][3]*tempVar[4] + P[21][5]*tempVar[5] - P[21][6]*tempVar[6] - P[21][9]*tempVar[7] + P[21][4]*tempVar[8]); + } else { + for (uint8_t i = 16; i < n_states; i++) { + K_LOS[1][i] = 0.0f; + } + } - // calculate the innovation consistency test ratio - auxRngTestRatio = sq(innovRng) / (sq(rngInnovGate) * varInnovRng); + // calculate variance and innovation for Y observation + varInnovOptFlow[1] = 1.0f/SK_LOS[1]; + innovOptFlow[1] = losPred[1] - flowRadXYcomp[1]; - // Check the innovation for consistency and don't fuse if out of bounds - if (auxRngTestRatio < 1.0f) - { - // 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); + // loop through the X and Y observations and fuse them sequentially + for (uint8_t obsIndex = 0; obsIndex < 2; obsIndex++) { + // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma + if ((innovOptFlow[obsIndex]*innovOptFlow[obsIndex]/varInnovOptFlow[obsIndex]) < 25.0f) { + // correct the state vector + for (uint8_t j = 0; j < n_states; j++) + { + states[j] = states[j] - K_LOS[obsIndex][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] = K_LOS[obsIndex][i] * H_LOS[obsIndex][j]; + } + for (uint8_t j = 7; j <= 8; j++) + { + KH[i][j] = 0.0f; + } + KH[i][9] = K_LOS[obsIndex][i] * H_LOS[obsIndex][9]; + for (uint8_t j = 10; j < n_states; 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 <= 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]; + } + } + 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]; + } + } + } } + ForceSymmetry(); + ConstrainVariances(); } - -} - -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] - 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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]; - -// // reset the observation index -// obsIndex = 0; -// fuseOptFlowData = false; -// } - -// // 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]; -// } -// } -// ForceSymmetry(); -// ConstrainVariances(); -// } } /* @@ -2192,27 +2019,29 @@ Estimation of optical flow sensor focal length scale factor and terrain height u This fiter requires optical flow rates that are not motion compensated Range to ground measurement is assumed to be via a narrow beam type sensor - eg laser */ -void AttPosEKF::GroundEKF() +void AttPosEKF::OpticalFlowEKF() { // propagate ground position state noise each time this is called using the difference in position since the last observations and an RMS gradient assumption // limit distance to prevent intialisation afer bad gps causing bad numerical conditioning if (!inhibitGndState) { float distanceTravelledSq; - distanceTravelledSq = sq(statesAtRngTime[7] - prevPosN) + sq(statesAtRngTime[8] - prevPosE); - prevPosN = statesAtRngTime[7]; - prevPosE = statesAtRngTime[8]; + if (fuseRngData) { + distanceTravelledSq = sq(statesAtRngTime[7] - prevPosN) + sq(statesAtRngTime[8] - prevPosE); + prevPosN = statesAtRngTime[7]; + prevPosE = statesAtRngTime[8]; + } else if (fuseOptFlowData) { + distanceTravelledSq = sq(statesAtFlowTime[7] - prevPosN) + sq(statesAtFlowTime[8] - prevPosE); + prevPosN = statesAtFlowTime[7]; + prevPosE = statesAtFlowTime[8]; + } else { + return; + } distanceTravelledSq = min(distanceTravelledSq, 100.0f); Popt[1][1] += (distanceTravelledSq * sq(gndHgtSigma)); } - // we aren't using optical flow measurements in this hacked implementation so set the covariances for this state to zero to avoid numerical problems - Popt[0][0] = 0.0f; - Popt[0][1] = 0.0f; - Popt[1][0] = 0.0f; - // Fuse range finder data - // Need to check that our range finder tilt angle is less than 30 degrees - float cosRngTilt = - Tbn.z.x * sinf(rngFinderPitch) + Tbn.z.z * cosf(rngFinderPitch); - if (useRangeFinder && fuseRngData && cosRngTilt > 0.87f) { + // fuse range finder data + if (fuseRngData) { float range; // range from camera to centre of image float q0; // quaternion at optical flow measurement time float q1; // quaternion at optical flow measurement time @@ -2266,10 +2095,7 @@ void AttPosEKF::GroundEKF() flowStates[i] -= K_RNG[i] * innovRng; } // constrain the states - - // constrain focal length to 0.1 to 10 mm flowStates[0] = ConstrainFloat(flowStates[0], 0.1f, 10.0f); - // constrain altitude flowStates[1] = maxf(flowStates[1], statesAtRngTime[9] + minFlowRng); // correct the covariance matrix @@ -2285,6 +2111,132 @@ void AttPosEKF::GroundEKF() Popt[1][0] = Popt[0][1]; } } + + if (fuseOptFlowData) { + Vector3f vel; // velocity of sensor relative to ground in NED axes + Vector3f relVelSensor; // velocity of sensor relative to ground in sensor axes + float losPred[2]; // predicted optical flow angular rate measurements + float range; // range from camera to centre of image + float q0; // quaternion at optical flow measurement time + float q1; // quaternion at optical flow measurement time + float q2; // quaternion at optical flow measurement time + float q3; // quaternion at optical flow measurement time + float HP[2]; + float SH_OPT[6]; + float SK_OPT[3]; + float K_OPT[2][2]; + float H_OPT[2][2]; + float nextPopt[2][2]; + + // propagate scale factor state noise + if (!inhibitScaleState) { + Popt[0][0] += 1e-8f; + } else { + Popt[0][0] = 0.0f; + } + + // Copy required states to local variable names + q0 = statesAtFlowTime[0]; + q1 = statesAtFlowTime[1]; + q2 = statesAtFlowTime[2]; + q3 = statesAtFlowTime[3]; + vel.x = statesAtFlowTime[4]; + vel.y = statesAtFlowTime[5]; + vel.z = statesAtFlowTime[6]; + + // constrain terrain height to be below the vehicle + flowStates[1] = maxf(flowStates[1], statesAtFlowTime[9] + minFlowRng); + + // estimate range to centre of image + range = (flowStates[1] - statesAtFlowTime[9]) / Tnb_flow.z.z; + + // calculate relative velocity in sensor frame + relVelSensor = Tnb_flow * vel; + + // divide velocity by range, subtract body rates and apply scale factor to + // get predicted sensed angular optical rates relative to X and Y sensor axes + losPred[0] = flowStates[0]*( relVelSensor.y / range) - omegaAcrossFlowTime[0]; + losPred[1] = flowStates[0]*(-relVelSensor.x / range) - omegaAcrossFlowTime[1]; + + // calculate innovations + auxFlowObsInnov[0] = losPred[0] - flowRadXY[0]; + auxFlowObsInnov[1] = losPred[1] - flowRadXY[1]; + + // calculate Kalman gains + SH_OPT[0] = sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3); + SH_OPT[1] = vel.x*(sq(q0) + sq(q1) - sq(q2) - sq(q3)) + vel.y*(2*q0*q3 + 2*q1*q2) - vel.z*(2*q0*q2 - 2*q1*q3); + SH_OPT[2] = vel.y*(sq(q0) - sq(q1) + sq(q2) - sq(q3)) - vel.x*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + vel.z*(2*q0*q1 + 2*q2*q3); + SH_OPT[3] = statesAtFlowTime[9] - flowStates[1]; + SH_OPT[4] = 1.0f/sq(SH_OPT[3]); + SH_OPT[5] = 1.0f/SH_OPT[3]; + float SH015 = SH_OPT[0]*SH_OPT[1]*SH_OPT[5]; + float SH025 = SH_OPT[0]*SH_OPT[2]*SH_OPT[5]; + float SH014 = SH_OPT[0]*SH_OPT[1]*SH_OPT[4]; + float SH024 = SH_OPT[0]*SH_OPT[2]*SH_OPT[4]; + SK_OPT[0] = 1.0f/(R_LOS + SH015*(Popt[0][0]*SH015 + Popt[1][0]*flowStates[0]*SH014) + flowStates[0]*SH014*(Popt[0][1]*SH015 + Popt[1][1]*flowStates[0]*SH014)); + SK_OPT[1] = 1.0f/(R_LOS + SH025*(Popt[0][0]*SH025 + Popt[1][0]*flowStates[0]*SH024) + flowStates[0]*SH024*(Popt[0][1]*SH025 + Popt[1][1]*flowStates[0]*SH024)); + SK_OPT[2] = SH_OPT[0]; + if (!inhibitScaleState) { + K_OPT[0][0] = -SK_OPT[1]*(Popt[0][0]*SH_OPT[2]*SH_OPT[5]*SK_OPT[2] + Popt[0][1]*flowStates[0]*SH_OPT[2]*SH_OPT[4]*SK_OPT[2]); + K_OPT[0][1] = SK_OPT[0]*(Popt[0][0]*SH_OPT[1]*SH_OPT[5]*SK_OPT[2] + Popt[0][1]*flowStates[0]*SH_OPT[1]*SH_OPT[4]*SK_OPT[2]); + } else { + K_OPT[0][0] = 0.0f; + K_OPT[0][1] = 0.0f; + } + if (!inhibitGndState) { + K_OPT[1][0] = -SK_OPT[1]*(Popt[1][0]*SH_OPT[2]*SH_OPT[5]*SK_OPT[2] + Popt[1][1]*flowStates[0]*SH_OPT[2]*SH_OPT[4]*SK_OPT[2]); + K_OPT[1][1] = SK_OPT[0]*(Popt[1][0]*SH_OPT[1]*SH_OPT[5]*SK_OPT[2] + Popt[1][1]*flowStates[0]*SH_OPT[1]*SH_OPT[4]*SK_OPT[2]); + } else { + K_OPT[1][0] = 0.0f; + K_OPT[1][1] = 0.0f; + } + + // calculate innovation variances + auxFlowObsInnovVar[0] = 1.0f/SK_OPT[1]; + auxFlowObsInnovVar[1] = 1.0f/SK_OPT[0]; + + // calculate observations jacobians + H_OPT[0][0] = -SH025; + H_OPT[0][1] = -flowStates[0]*SH024; + H_OPT[1][0] = SH015; + H_OPT[1][1] = flowStates[0]*SH014; + + // Check the innovation for consistency and don't fuse if > threshold + for (uint8_t obsIndex = 0; obsIndex < 2; obsIndex++) { + + // calculate the innovation consistency test ratio + auxFlowTestRatio[obsIndex] = sq(auxFlowObsInnov[obsIndex]) / (sq(auxFlowInnovGate) * auxFlowObsInnovVar[obsIndex]); + if (auxFlowTestRatio[obsIndex] < 1.0f) { + // correct the state + for (uint8_t i = 0; i < 2 ; i++) { + flowStates[i] -= K_OPT[i][obsIndex] * auxFlowObsInnov[obsIndex]; + } + // constrain the states + flowStates[0] = ConstrainFloat(flowStates[0], 0.1f, 10.0f); + flowStates[1] = maxf(flowStates[1], statesAtFlowTime[9] + minFlowRng); + + // correct the covariance matrix + for (uint8_t i = 0; i < 2 ; i++) { + HP[i] = 0.0f; + for (uint8_t j = 0; j < 2 ; j++) { + HP[i] += H_OPT[obsIndex][j] * P[j][i]; + } + } + for (uint8_t i = 0; i < 2 ; i++) { + for (uint8_t j = 0; j < 2 ; j++) { + nextPopt[i][j] = P[i][j] - K_OPT[i][obsIndex] * HP[j]; + } + } + + // prevent the state variances from becoming negative and maintain symmetry + Popt[0][0] = maxf(nextPopt[0][0],0.0f); + Popt[1][1] = maxf(nextPopt[1][1],0.0f); + Popt[0][1] = 0.5f * (nextPopt[0][1] + nextPopt[1][0]); + Popt[1][0] = Popt[0][1]; + } + } + } + } void AttPosEKF::zeroCols(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last) @@ -2328,6 +2280,9 @@ void AttPosEKF::StoreStates(uint64_t timestamp_ms) { for (unsigned i=0; i<n_states; i++) storedStates[i][storeIndex] = states[i]; + storedOmega[0][storeIndex] = angRate.x; + storedOmega[1][storeIndex] = angRate.y; + storedOmega[2][storeIndex] = angRate.z; statetimeStamp[storeIndex] = timestamp_ms; storeIndex++; if (storeIndex == data_buffer_size) @@ -2338,16 +2293,12 @@ void AttPosEKF::ResetStoredStates() { // reset all stored states memset(&storedStates[0][0], 0, sizeof(storedStates)); + memset(&storedOmega[0][0], 0, sizeof(storedOmega)); 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 @@ -2407,6 +2358,37 @@ int AttPosEKF::RecallStates(float* statesForFusion, uint64_t msec) return ret; } +void AttPosEKF::RecallOmega(float* omegaForFusion, uint64_t msec) +{ + // work back in time and calculate average angular rate over the time interval + for (unsigned i=0; i < 3; i++) { + omegaForFusion[i] = 0.0f; + } + uint8_t sumIndex = 0; + int64_t timeDelta; + for (unsigned storeIndexLocal = 0; storeIndexLocal < data_buffer_size; storeIndexLocal++) + { + // calculate the average of all samples younger than msec + timeDelta = statetimeStamp[storeIndexLocal] - msec; + if (timeDelta > 0) + { + for (unsigned i=0; i < 3; i++) { + omegaForFusion[i] += storedOmega[i][storeIndexLocal]; + } + sumIndex += 1; + } + } + if (sumIndex >= 1) { + for (unsigned i=0; i < 3; i++) { + omegaForFusion[i] = omegaForFusion[i] / float(sumIndex); + } + } else { + omegaForFusion[0] = angRate.x; + omegaForFusion[1] = angRate.y; + omegaForFusion[2] = angRate.z; + } +} + void AttPosEKF::quat2Tnb(Mat3f &Tnb, const float (&quat)[4]) { // Calculate the nav to body cosine matrix @@ -2502,6 +2484,7 @@ void AttPosEKF::calcLLH(float posNED[3], double &lat, double &lon, float &hgt, d 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)); } @@ -2517,12 +2500,25 @@ void AttPosEKF::OnGroundCheck() } else { inhibitMagStates = false; } - // don't update terrain offset state if on ground - if (onGround) { + // don't update terrain offset state if there is no range finder and flying at low velocity or without GPS + if ((onGround || !useGPS) && !useRangeFinder) { inhibitGndState = true; } else { inhibitGndState = false; } + // don't update terrain offset state if there is no range finder and flying at low velocity, or without GPS, as it is poorly observable + if ((onGround || (globalTimeStamp_ms - lastFixTime_ms) > 1000) && !useRangeFinder) { + inhibitGndState = true; + } else { + inhibitGndState = false; + } + // Don't update focal length offset state if there is no range finder or optical flow sensor + // we need both sensors to do this estimation + if (!useRangeFinder || !useOpticalFlow) { + inhibitScaleState = true; + } else { + inhibitScaleState = false; + } } void AttPosEKF::calcEarthRateNED(Vector3f &omega, float latitude) @@ -2558,7 +2554,9 @@ void AttPosEKF::CovarianceInit() P[19][19] = sq(0.02f); P[20][20] = P[19][19]; P[21][21] = P[19][19]; - P[22][22] = sq(0.5f); + + fScaleFactorVar = 0.001f; // focal length scale factor variance + Popt[0][0] = 0.001f; } float AttPosEKF::ConstrainFloat(float val, float min_val, float max_val) @@ -2596,7 +2594,6 @@ void AttPosEKF::ConstrainVariances() // 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++) { @@ -2636,8 +2633,6 @@ void AttPosEKF::ConstrainVariances() 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() @@ -2655,7 +2650,6 @@ void AttPosEKF::ConstrainStates() // 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++) { @@ -2673,7 +2667,8 @@ void AttPosEKF::ConstrainStates() } // Constrain altitude - states[9] = ConstrainFloat(states[9], -4.0e4f, 1.0e4f); + // NOT FOR FLIGHT : Upper value of 0.0 is a temporary fix to get around lack of range finder data during development testing + states[9] = ConstrainFloat(states[9], -4.0e4f, 4.0e4f); // Angle bias limit - set to 8 degrees / sec for (unsigned i = 10; i <= 12; i++) { @@ -2699,9 +2694,6 @@ void AttPosEKF::ConstrainStates() states[i] = ConstrainFloat(states[i], -0.5f, 0.5f); } - // Constrain terrain offset - states[22] = ConstrainFloat(states[22], -1000.0f, 1000.0f); - } void AttPosEKF::ForceSymmetry() @@ -3162,12 +3154,14 @@ void AttPosEKF::InitializeDynamic(float (&initvelNED)[3], float declination) 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(); + // initialise focal length scale factor estimator states + flowStates[0] = 1.0f; + statesInitialised = true; // initialise the covariance matrix @@ -3223,6 +3217,9 @@ void AttPosEKF::ZeroVariables() states[i] = 0.0f; // state matrix } + // initialise the variables for the focal length scale factor to unity + flowStates[0] = 1.0f; + correctedDelAng.zero(); summedDelAng.zero(); summedDelVel.zero(); @@ -3230,12 +3227,9 @@ void AttPosEKF::ZeroVariables() dVelIMU.zero(); lastGyroOffset.zero(); - windSpdFiltNorth = 0.0f; - windSpdFiltEast = 0.0f; - // setting the altitude to zero will give us a higher - // gain to adjust faster in the first step - windSpdFiltAltitude = 0.0f; - windSpdFiltClimb = 0.0f; + // initialise states used by OpticalFlowEKF + flowStates[0] = 1.0f; + flowStates[1] = 0.0f; for (unsigned i = 0; i < data_buffer_size; i++) { diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.h b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_22states.h index a607955a8..b1d71bd74 100644 --- a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_23states.h +++ b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/estimator_22states.h @@ -2,7 +2,7 @@ #include "estimator_utilities.h" -const unsigned int n_states = 23; +const unsigned int n_states = 22; const unsigned int data_buffer_size = 50; class AttPosEKF { @@ -29,10 +29,6 @@ public: float covDelAngMax; // maximum delta angle between covariance predictions float rngFinderPitch; // pitch angle of laser range finder in radians. Zero is aligned with the Z body axis. Positive is RH rotation about Y body axis. - float a1; // optical flow sensor misalgnment angle about X axis (rad) - float a2; // optical flow sensor misalgnment angle about Y axis (rad) - float a3; // optical flow sensor misalgnment angle about Z axis (rad) - float yawVarScale; float windVelSigma; float dAngBiasSigma; @@ -59,9 +55,6 @@ public: covDelAngMax = 0.02f; // maximum delta angle between covariance predictions rngFinderPitch = 0.0f; // pitch angle of laser range finder in radians. Zero is aligned with the Z body axis. Positive is RH rotation about Y body axis. EAS2TAS = 1.0f; - a1 = 0.0f; // optical flow sensor misalgnment angle about X axis (rad) - a2 = 0.0f; // optical flow sensor misalgnment angle about Y axis (rad) - a3 = 0.0f; // optical flow sensor misalgnment angle about Z axis (rad) yawVarScale = 1.0f; windVelSigma = 0.1f; @@ -69,7 +62,6 @@ public: dVelBiasSigma = 1e-4f; magEarthSigma = 3.0e-4f; magBodySigma = 3.0e-4f; - gndHgtSigma = 0.02f; // assume 2% terrain gradient 1-sigma vneSigma = 0.2f; vdSigma = 0.3f; @@ -82,12 +74,13 @@ public: accelProcessNoise = 0.5f; gndHgtSigma = 0.1f; // terrain gradient 1-sigma - R_LOS = 0.03f; // optical flow measurement noise variance (rad/sec)^2 + R_LOS = 0.3f; // optical flow measurement noise variance (rad/sec)^2 flowInnovGate = 3.0f; // number of standard deviations applied to the optical flow innovation consistency check auxFlowInnovGate = 10.0f; // number of standard deviations applied to the optical flow innovation consistency check used by the auxiliary filter - rngInnovGate = 10.0f; // number of standard deviations applied to the rnage finder innovation consistency check - minFlowRng = 0.01f; //minimum range between ground and flow sensor - moCompR_LOS = 0.2; // scaler from sensor gyro rate to uncertainty in LOS rate + rngInnovGate = 5.0f; // number of standard deviations applied to the range finder innovation consistency check + minFlowRng = 0.3f; //minimum range between ground and flow sensor + moCompR_LOS = 0.0; // scaler from sensor gyro rate to uncertainty in LOS rate + } struct mag_state_struct { @@ -134,6 +127,7 @@ public: float statesAtVtasMeasTime[n_states]; // filter states at the effective measurement time float statesAtRngTime[n_states]; // filter states at the effective measurement time float statesAtFlowTime[n_states]; // States at the effective optical flow measurement time + float omegaAcrossFlowTime[3]; // angular rates at the effective optical flow measurement time Vector3f correctedDelAng; // delta angles about the xyz body axes corrected for errors (rad) Vector3f correctedDelVel; // delta velocities along the XYZ body axes corrected for errors (m/s) @@ -145,7 +139,7 @@ public: Vector3f lastGyroOffset; // Last gyro offset Vector3f delAngTotal; - Mat3f Tbn; // transformation matrix from body to NED coordinates + Mat3f Tbn; // transformation matrix from body to NED coordinatesFuseOptFlow Mat3f Tnb; // transformation amtrix from NED to body coordinates Vector3f accel; // acceleration vector in XYZ body axes measured by the IMU (m/s^2) @@ -157,10 +151,6 @@ public: float dtVelPosFilt; // average time between position / velocity fusion steps float dtHgtFilt; // average time between height measurement updates float dtGpsFilt; // average time between gps measurement updates - float windSpdFiltNorth; // average wind speed north component - float windSpdFiltEast; // average wind speed east component - float windSpdFiltAltitude; // the last altitude used to filter wind speed - float windSpdFiltClimb; // filtered climb rate uint8_t fusionModeGPS; // 0 = GPS outputs 3D velocity, 1 = GPS outputs 2D velocity, 2 = GPS outputs no velocity float innovVelPos[6]; // innovation output float varInnovVelPos[6]; // innovation variance output @@ -175,7 +165,8 @@ public: float innovMag[3]; // innovation output float varInnovMag[3]; // innovation variance output Vector3f magData; // magnetometer flux radings in X,Y,Z body axes - float losData[2]; // optical flow LOS rate measurements (rad/sec) + float flowRadXYcomp[2]; // motion compensated optical flow angular rates(rad/sec) + float flowRadXY[2]; // raw (non motion compensated) optical flow angular rates (rad/sec) float innovVtas; // innovation output float innovRng; ///< Range finder innovation float innovOptFlow[2]; // optical flow LOS innovations (rad/sec) @@ -190,6 +181,8 @@ public: bool refSet; ///< flag to indicate if the reference position has been set Vector3f magBias; // states representing magnetometer bias vector in XYZ body axes unsigned covSkipCount; // Number of state prediction frames (IMU daya updates to skip before doing the covariance prediction + uint32_t lastFixTime_ms; // Number of msec since last GPS Fix that was used + uint32_t globalTimeStamp_ms; // time in msec of current prediction cycle // GPS input data variables double gpsLat; @@ -217,6 +210,7 @@ public: bool onGround; ///< boolean true when the flight vehicle is on the ground (not flying) bool staticMode; ///< boolean true if no position feedback is fused + bool useGPS; // boolean true if GPS data is being used bool useAirspeed; ///< boolean true if airspeed data is being used bool useCompass; ///< boolean true if magnetometer data is being used bool useRangeFinder; ///< true when rangefinder is being used @@ -267,11 +261,9 @@ void FuseMagnetometer(); void FuseAirspeed(); -void FuseRangeFinder(); - void FuseOptFlow(); -void GroundEKF(); +void OpticalFlowEKF(); void zeroRows(float (&covMat)[n_states][n_states], uint8_t first, uint8_t last); @@ -286,7 +278,7 @@ void StoreStates(uint64_t timestamp_ms); * Recall the state vector. * * Recalls the vector stored at closest time to the one specified by msec - * + *FuseOptFlow * @return zero on success, integer indicating the number of invalid states on failure. * Does only copy valid states, if the statesForFusion vector was initialized * correctly by the caller, the result can be safely used, but is a mixture @@ -295,6 +287,8 @@ void StoreStates(uint64_t timestamp_ms); */ int RecallStates(float *statesForFusion, uint64_t msec); +void RecallOmega(float *omegaForFusion, uint64_t msec); + void ResetStoredStates(); void quat2Tbn(Mat3f &TBodyNed, const float (&quat)[4]); @@ -325,7 +319,7 @@ void CovarianceInit(); void InitialiseFilter(float (&initvelNED)[3], double referenceLat, double referenceLon, float referenceHgt, float declination); -float ConstrainFloat(float val, float min, float max); +float ConstrainFloat(float val, float min, float maxf); void ConstrainVariances(); diff --git a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/module.mk b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/module.mk index 843dde978..f51962113 100644 --- a/src/modules/ekf_att_pos_estimator/module.mk +++ b/src/modules/ekf_att_pos_estimator/module.mk @@ -39,7 +39,7 @@ MODULE_COMMAND = ekf_att_pos_estimator SRCS = ekf_att_pos_estimator_main.cpp \ ekf_att_pos_estimator_params.c \ - estimator_23states.cpp \ + estimator_22states.cpp \ estimator_utilities.cpp EXTRACXXFLAGS = -Weffc++ -Wframe-larger-than=6100 |