david fernandez / Mbed 2 deprecated Nucleo_i2c_master_David_4_

Multithread approach to 6DOF Mag Tracker

Dependencies:   mbed mbed-rtos

MadgwickAHRS.cpp@0:9621bbc04b9b, 2020-05-21 (annotated)

Committer:
darkraxx
Date:
Thu May 21 13:10:58 2020 +0000
Revision:
0:9621bbc04b9b
Multithread approach Mag Track

Who changed what in which revision?

UserRevisionLine numberNew contents of line
darkraxx 0:9621bbc04b9b 1 //=====================================================================================================
darkraxx 0:9621bbc04b9b 2 // MadgwickAHRS.c
darkraxx 0:9621bbc04b9b 3 //=====================================================================================================
darkraxx 0:9621bbc04b9b 4 //
darkraxx 0:9621bbc04b9b 5 // Implementation of Madgwick's IMU and AHRS algorithms.
darkraxx 0:9621bbc04b9b 6 // See: http://www.x-io.co.uk/node/8#open_source_ahrs_and_imu_algorithms
darkraxx 0:9621bbc04b9b 7 //
darkraxx 0:9621bbc04b9b 8 // Date Author Notes
darkraxx 0:9621bbc04b9b 9 // 29/09/2011 SOH Madgwick Initial release
darkraxx 0:9621bbc04b9b 10 // 02/10/2011 SOH Madgwick Optimised for reduced CPU load
darkraxx 0:9621bbc04b9b 11 // 19/02/2012 SOH Madgwick Magnetometer measurement is normalised
darkraxx 0:9621bbc04b9b 12 //
darkraxx 0:9621bbc04b9b 13 //=====================================================================================================
darkraxx 0:9621bbc04b9b 14
darkraxx 0:9621bbc04b9b 15 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 16 // Header files
darkraxx 0:9621bbc04b9b 17
darkraxx 0:9621bbc04b9b 18 #include "MadgwickAHRS.h"
darkraxx 0:9621bbc04b9b 19 #include <math.h>
darkraxx 0:9621bbc04b9b 20
darkraxx 0:9621bbc04b9b 21 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 22 // Definitions
darkraxx 0:9621bbc04b9b 23
darkraxx 0:9621bbc04b9b 24 #define sampleFreq 100.0f // sample frequency in Hz
darkraxx 0:9621bbc04b9b 25 #define betaDef 10.0f // 2 * proportional gain
darkraxx 0:9621bbc04b9b 26
darkraxx 0:9621bbc04b9b 27 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 28 // Variable definitions
darkraxx 0:9621bbc04b9b 29
darkraxx 0:9621bbc04b9b 30 volatile float beta = betaDef; // 2 * proportional gain (Kp)
darkraxx 0:9621bbc04b9b 31 volatile float q0 = 1.0f, q1 = 0.0f, q2 = 0.0f, q3 = 0.0f; // quaternion of sensor frame relative to auxiliary frame
darkraxx 0:9621bbc04b9b 32
darkraxx 0:9621bbc04b9b 33 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 34 // Function declarations
darkraxx 0:9621bbc04b9b 35
darkraxx 0:9621bbc04b9b 36 float invSqrt(float x);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 37
darkraxx 0:9621bbc04b9b 38 //====================================================================================================
darkraxx 0:9621bbc04b9b 39 // Functions
darkraxx 0:9621bbc04b9b 40
darkraxx 0:9621bbc04b9b 41 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 42 // AHRS algorithm update
darkraxx 0:9621bbc04b9b 43
darkraxx 0:9621bbc04b9b 44 void MadgwickAHRSupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz) {
darkraxx 0:9621bbc04b9b 45 float recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 46 float s0, s1, s2, s3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 47 float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 48 float hx, hy;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 49 float _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, _2bx, _2bz, _4bx, _4bz, _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _2q0q2, _2q2q3, q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 50
darkraxx 0:9621bbc04b9b 51 // Use IMU algorithm if magnetometer measurement invalid (avoids NaN in magnetometer normalisation)
darkraxx 0:9621bbc04b9b 52 if((mx == 0.0f) && (my == 0.0f) && (mz == 0.0f)) {
darkraxx 0:9621bbc04b9b 53 MadgwickAHRSupdateIMU(gx, gy, gz, ax, ay, az);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 54 return;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 55 }
darkraxx 0:9621bbc04b9b 56
darkraxx 0:9621bbc04b9b 57 // Rate of change of quaternion from gyroscope
darkraxx 0:9621bbc04b9b 58 qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 59 qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 60 qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 61 qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 62
darkraxx 0:9621bbc04b9b 63 // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
darkraxx 0:9621bbc04b9b 64 if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {
darkraxx 0:9621bbc04b9b 65
darkraxx 0:9621bbc04b9b 66 // Normalise accelerometer measurement
darkraxx 0:9621bbc04b9b 67 recipNorm = invSqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 68 ax *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 69 ay *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 70 az *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 71
darkraxx 0:9621bbc04b9b 72 // Normalise magnetometer measurement
darkraxx 0:9621bbc04b9b 73 recipNorm = invSqrt(mx * mx + my * my + mz * mz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 74 mx *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 75 my *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 76 mz *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 77
darkraxx 0:9621bbc04b9b 78 // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
darkraxx 0:9621bbc04b9b 79 _2q0mx = 2.0f * q0 * mx;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 80 _2q0my = 2.0f * q0 * my;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 81 _2q0mz = 2.0f * q0 * mz;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 82 _2q1mx = 2.0f * q1 * mx;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 83 _2q0 = 2.0f * q0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 84 _2q1 = 2.0f * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 85 _2q2 = 2.0f * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 86 _2q3 = 2.0f * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 87 _2q0q2 = 2.0f * q0 * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 88 _2q2q3 = 2.0f * q2 * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 89 q0q0 = q0 * q0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 90 q0q1 = q0 * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 91 q0q2 = q0 * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 92 q0q3 = q0 * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 93 q1q1 = q1 * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 94 q1q2 = q1 * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 95 q1q3 = q1 * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 96 q2q2 = q2 * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 97 q2q3 = q2 * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 98 q3q3 = q3 * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 99
darkraxx 0:9621bbc04b9b 100 // Reference direction of Earth's magnetic field
darkraxx 0:9621bbc04b9b 101 hx = mx * q0q0 - _2q0my * q3 + _2q0mz * q2 + mx * q1q1 + _2q1 * my * q2 + _2q1 * mz * q3 - mx * q2q2 - mx * q3q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 102 hy = _2q0mx * q3 + my * q0q0 - _2q0mz * q1 + _2q1mx * q2 - my * q1q1 + my * q2q2 + _2q2 * mz * q3 - my * q3q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 103 _2bx = sqrt(hx * hx + hy * hy);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 104 _2bz = -_2q0mx * q2 + _2q0my * q1 + mz * q0q0 + _2q1mx * q3 - mz * q1q1 + _2q2 * my * q3 - mz * q2q2 + mz * q3q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 105 _4bx = 2.0f * _2bx;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 106 _4bz = 2.0f * _2bz;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 107
darkraxx 0:9621bbc04b9b 108 // Gradient decent algorithm corrective step
darkraxx 0:9621bbc04b9b 109 s0 = -_2q2 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q1 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - _2bz * q2 * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-_2bx * q3 + _2bz * q1) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + _2bx * q2 * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 110 s1 = _2q3 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q0 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - 4.0f * q1 * (1 - 2.0f * q1q1 - 2.0f * q2q2 - az) + _2bz * q3 * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (_2bx * q2 + _2bz * q0) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (_2bx * q3 - _4bz * q1) * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 111 s2 = -_2q0 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q3 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - 4.0f * q2 * (1 - 2.0f * q1q1 - 2.0f * q2q2 - az) + (-_4bx * q2 - _2bz * q0) * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (_2bx * q1 + _2bz * q3) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (_2bx * q0 - _4bz * q2) * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 112 s3 = _2q1 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q2 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) + (-_4bx * q3 + _2bz * q1) * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-_2bx * q0 + _2bz * q2) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + _2bx * q1 * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 113 recipNorm = invSqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
darkraxx 0:9621bbc04b9b 114 s0 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 115 s1 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 116 s2 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 117 s3 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 118
darkraxx 0:9621bbc04b9b 119 // Apply feedback step
darkraxx 0:9621bbc04b9b 120 qDot1 -= beta * s0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 121 qDot2 -= beta * s1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 122 qDot3 -= beta * s2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 123 qDot4 -= beta * s3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 124 }
darkraxx 0:9621bbc04b9b 125
darkraxx 0:9621bbc04b9b 126 // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
darkraxx 0:9621bbc04b9b 127 q0 += qDot1 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 128 q1 += qDot2 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 129 q2 += qDot3 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 130 q3 += qDot4 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 131
darkraxx 0:9621bbc04b9b 132 // Normalise quaternion
darkraxx 0:9621bbc04b9b 133 recipNorm = invSqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 134 q0 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 135 q1 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 136 q2 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 137 q3 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 138 }
darkraxx 0:9621bbc04b9b 139
darkraxx 0:9621bbc04b9b 140 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 141 // IMU algorithm update
darkraxx 0:9621bbc04b9b 142
darkraxx 0:9621bbc04b9b 143 void MadgwickAHRSupdateIMU(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az) {
darkraxx 0:9621bbc04b9b 144 float recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 145 float s0, s1, s2, s3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 146 float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 147 float _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2 ,_8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 148
darkraxx 0:9621bbc04b9b 149 // Rate of change of quaternion from gyroscope
darkraxx 0:9621bbc04b9b 150 qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 151 qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 152 qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 153 qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 154
darkraxx 0:9621bbc04b9b 155 // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
darkraxx 0:9621bbc04b9b 156 if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {
darkraxx 0:9621bbc04b9b 157
darkraxx 0:9621bbc04b9b 158 // Normalise accelerometer measurement
darkraxx 0:9621bbc04b9b 159 recipNorm = invSqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 160 ax *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 161 ay *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 162 az *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 163
darkraxx 0:9621bbc04b9b 164 // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
darkraxx 0:9621bbc04b9b 165 _2q0 = 2.0f * q0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 166 _2q1 = 2.0f * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 167 _2q2 = 2.0f * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 168 _2q3 = 2.0f * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 169 _4q0 = 4.0f * q0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 170 _4q1 = 4.0f * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 171 _4q2 = 4.0f * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 172 _8q1 = 8.0f * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 173 _8q2 = 8.0f * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 174 q0q0 = q0 * q0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 175 q1q1 = q1 * q1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 176 q2q2 = q2 * q2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 177 q3q3 = q3 * q3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 178
darkraxx 0:9621bbc04b9b 179 // Gradient decent algorithm corrective step
darkraxx 0:9621bbc04b9b 180 s0 = _4q0 * q2q2 + _2q2 * ax + _4q0 * q1q1 - _2q1 * ay;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 181 s1 = _4q1 * q3q3 - _2q3 * ax + 4.0f * q0q0 * q1 - _2q0 * ay - _4q1 + _8q1 * q1q1 + _8q1 * q2q2 + _4q1 * az;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 182 s2 = 4.0f * q0q0 * q2 + _2q0 * ax + _4q2 * q3q3 - _2q3 * ay - _4q2 + _8q2 * q1q1 + _8q2 * q2q2 + _4q2 * az;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 183 s3 = 4.0f * q1q1 * q3 - _2q1 * ax + 4.0f * q2q2 * q3 - _2q2 * ay;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 184 recipNorm = invSqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
darkraxx 0:9621bbc04b9b 185 s0 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 186 s1 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 187 s2 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 188 s3 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 189
darkraxx 0:9621bbc04b9b 190 // Apply feedback step
darkraxx 0:9621bbc04b9b 191 qDot1 -= beta * s0;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 192 qDot2 -= beta * s1;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 193 qDot3 -= beta * s2;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 194 qDot4 -= beta * s3;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 195 }
darkraxx 0:9621bbc04b9b 196
darkraxx 0:9621bbc04b9b 197 // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
darkraxx 0:9621bbc04b9b 198 q0 += qDot1 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 199 q1 += qDot2 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 200 q2 += qDot3 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 201 q3 += qDot4 * (1.0f / sampleFreq);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 202
darkraxx 0:9621bbc04b9b 203 // Normalise quaternion
darkraxx 0:9621bbc04b9b 204 recipNorm = invSqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 205 q0 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 206 q1 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 207 q2 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 208 q3 *= recipNorm;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 209 }
darkraxx 0:9621bbc04b9b 210
darkraxx 0:9621bbc04b9b 211 //---------------------------------------------------------------------------------------------------
darkraxx 0:9621bbc04b9b 212 // Fast inverse square-root
darkraxx 0:9621bbc04b9b 213 // See: http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_inverse_square_root
darkraxx 0:9621bbc04b9b 214
darkraxx 0:9621bbc04b9b 215 float invSqrt(float x) {
darkraxx 0:9621bbc04b9b 216 float halfx = 0.5f * x;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 217 float y = x;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 218 long i = *(long*)&y;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 219 i = 0x5f3759df - (i>>1);
darkraxx 0:9621bbc04b9b 220 y = *(float*)&i;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 221 y = y * (1.5f - (halfx * y * y));
darkraxx 0:9621bbc04b9b 222 return y;
darkraxx 0:9621bbc04b9b 223 }
darkraxx 0:9621bbc04b9b 224
darkraxx 0:9621bbc04b9b 225 //====================================================================================================
darkraxx 0:9621bbc04b9b 226 // END OF CODE
darkraxx 0:9621bbc04b9b 227 //====================================================================================================
darkraxx 0:9621bbc04b9b 228