Madgwick Filterをライブラリ化しました.内容はオープンソースになっていたやつのほぼ同じです.
Dependents: Hybrid_AttitudeEstimation
MadgwickFilter.hpp
- Committer:
- Gaku0606
- Date:
- 2017-01-28
- Revision:
- 1:b6856781fcdd
- Parent:
- 0:c160cac4c370
- Child:
- 2:e1de76e257f6
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#ifndef _MADGWICK_FILTER_HPP_ #define _MADGWICK_FILTER_HPP_ #include "mbed.h" #include "Quaternion.hpp" #define BETA_DEF 0.1 /** @bref Madgwick Filterを用いて,角速度・加速度・地磁気データを統合し,姿勢を推定するライブラリです. @note Quaternion.hppを利用されることをお勧めいたします. */ class MadgwickFilter{ public: /** @bref マドグウィックフィルター(マッジュウィックフィルター)クラスのコンストラクタ @param B double型, この値を大きくすると重力の影響を大きく取るようになります. @note 引数無しの場合,B = 0.1fが代入されます. */ MadgwickFilter(double B = BETA_DEF); public: /** @bref MadgwickFilterによって角速度・加速度・地磁気データを統合し,姿勢計算します. @param gx,gy,gz 角速度データ,[rad]に変換してから入れてください. @param ax,ay,az 加速度データ, 特に規格化は必要ありません @param mx,my,mz 地磁気データ, キャリブレーションを確実に行って下さい. @note 角速度は[rad]にしてください.この関数は出来るだけ高速に呼び出し続けた方が良いと思います. @note 外部でローパスフィルタなどをかけることをお勧めします. */ void MadgwickAHRSupdate(double gx, double gy, double gz, double ax, double ay, double az, double mx, double my, double mz); /** @bref MadgwickFilterを角速度と加速度のみで動かし,姿勢計算を更新します. @param gx,gy,gz 角速度データ,[rad]に変換してから入れてください. @param ax,ay,az 加速度データ, 特に規格化は必要ありません @note 通常の関数でも,地磁気成分を0.0にすればこの関数が呼ばれます. */ void MadgwickAHRSupdateIMU(double gx, double gy, double gz, double ax, double ay, double az); /** @bref 姿勢を四元数で取得します. @param Q クォータニオンクラスのインスタンスアドレス, w・i・j・kを更新します. @note unityに入れる際は軸方向を修正してください. */ void getAttitude(Quaternion *Q); /** @bref 姿勢を四元数で取得します. @param _q0 実部w, double型, アドレス @param _q1 虚部i, double型, アドレス @param _q2 虚部j, double型, アドレス @param _q3 虚部k, double型, アドレス @note unityに入れる際は軸方向を修正してください. */ void getAttitude(double *_q0, double *_q1, double *_q2, double *_q3); /** @bref オイラー角で姿勢を取得します. @param val ロール,ピッチ,ヨーの順に配列に格納します.3つ以上の要素の配列を入れてください. @note 値は[rad]です.[degree]に変換が必要な場合は別途計算して下さい. */ void getEulerAngle(double *val); public: Timer madgwickTimer; Quaternion q; double q0,q1,q2,q3; double beta; }; MadgwickFilter::MadgwickFilter(double B){ q.w = 1.0f; q.x = 0.0f; q.y = 0.0f; q.z = 0.0f; beta = B; q0 = 1.0f; q1 = 0.0f; q2 = 0.0f; q3 = 0.0f; madgwickTimer.start(); } void MadgwickFilter::getAttitude(Quaternion *Q){ *Q = q; return; } void MadgwickFilter::getAttitude(double *_q0, double *_q1, double *_q2, double *_q3){ *_q0 = q0; *_q1 = q1; *_q2 = q2; *_q3 = q3; return; } void MadgwickFilter::getEulerAngle(double *val){ double q0q0 = q0 * q0, q1q1q2q2 = q1 * q1 - q2 * q2, q3q3 = q3 * q3; val[0] = (atan2(2.0f * (q0 * q1 + q2 * q3), q0q0 - q1q1q2q2 + q3q3)); val[1] = (-asin(2.0f * (q1 * q3 - q0 * q2))); val[2] = (atan2(2.0f * (q1 * q2 + q0 * q3), q0q0 + q1q1q2q2 - q3q3)); } //--------------------------------------------------------------------------------------------------- // AHRS algorithm update inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdate(double gx, double gy, double gz, double ax, double ay, double az, double mx, double my, double mz) { static double deltaT = 0; static unsigned int newTime = 0, oldTime = 0; double recipNorm; double s0, s1, s2, s3; double qDot1, qDot2, qDot3, qDot4; double hx, hy; double _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, _2bx, _2bz, _4bx, _4bz, _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _2q0q2, _2q2q3, q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3; // Use IMU algorithm if magnetometer measurement invalid (avoids NaN in magnetometer normalisation) if((mx == 0.0f) && (my == 0.0f) && (mz == 0.0f)) { MadgwickAHRSupdateIMU(gx, gy, gz, ax, ay, az); return; } // Rate of change of quaternion from gyroscope qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz); qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy); qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx); qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx); // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation) if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) { // Normalise accelerometer measurement recipNorm = 1.0 / sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az); ax *= recipNorm; ay *= recipNorm; az *= recipNorm; // Normalise magnetometer measurement recipNorm = 1.0 / sqrt(mx * mx + my * my + mz * mz); mx *= recipNorm; my *= recipNorm; mz *= recipNorm; // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic _2q0mx = 2.0f * q0 * mx; _2q0my = 2.0f * q0 * my; _2q0mz = 2.0f * q0 * mz; _2q1mx = 2.0f * q1 * mx; _2q0 = 2.0f * q0; _2q1 = 2.0f * q1; _2q2 = 2.0f * q2; _2q3 = 2.0f * q3; _2q0q2 = 2.0f * q0 * q2; _2q2q3 = 2.0f * q2 * q3; q0q0 = q0 * q0; q0q1 = q0 * q1; q0q2 = q0 * q2; q0q3 = q0 * q3; q1q1 = q1 * q1; q1q2 = q1 * q2; q1q3 = q1 * q3; q2q2 = q2 * q2; q2q3 = q2 * q3; q3q3 = q3 * q3; // Reference direction of Earth's magnetic field hx = mx * q0q0 - _2q0my * q3 + _2q0mz * q2 + mx * q1q1 + _2q1 * my * q2 + _2q1 * mz * q3 - mx * q2q2 - mx * q3q3; hy = _2q0mx * q3 + my * q0q0 - _2q0mz * q1 + _2q1mx * q2 - my * q1q1 + my * q2q2 + _2q2 * mz * q3 - my * q3q3; _2bx = sqrt(hx * hx + hy * hy); _2bz = -_2q0mx * q2 + _2q0my * q1 + mz * q0q0 + _2q1mx * q3 - mz * q1q1 + _2q2 * my * q3 - mz * q2q2 + mz * q3q3; _4bx = 2.0f * _2bx; _4bz = 2.0f * _2bz; // Gradient decent algorithm corrective step 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); 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); 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); 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); recipNorm = 1.0 / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude s0 *= recipNorm; s1 *= recipNorm; s2 *= recipNorm; s3 *= recipNorm; // Apply feedback step qDot1 -= beta * s0; qDot2 -= beta * s1; qDot3 -= beta * s2; qDot4 -= beta * s3; } // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion newTime = (unsigned int)madgwickTimer.read_us(); deltaT = (newTime - oldTime) / 1000000.0; deltaT = fabs(deltaT); oldTime = newTime; q0 += qDot1 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq); q1 += qDot2 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq); q2 += qDot3 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq); q3 += qDot4 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq); // Normalise quaternion recipNorm = 1.0 / sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3); q0 *= recipNorm; q1 *= recipNorm; q2 *= recipNorm; q3 *= recipNorm; q.w = q0; q.x = q1; q.y = q2; q.z = q3; } //--------------------------------------------------------------------------------------------------- // IMU algorithm update inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdateIMU(double gx, double gy, double gz, double ax, double ay, double az) { static double deltaT = 0; static unsigned int newTime = 0, oldTime = 0; double recipNorm; double s0, s1, s2, s3; double qDot1, qDot2, qDot3, qDot4; double _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2 ,_8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3; // Rate of change of quaternion from gyroscope qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz); qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy); qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx); qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx); // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation) if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) { // Normalise accelerometer measurement recipNorm = 1.0 / sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az); ax *= recipNorm; ay *= recipNorm; az *= recipNorm; // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic _2q0 = 2.0f * q0; _2q1 = 2.0f * q1; _2q2 = 2.0f * q2; _2q3 = 2.0f * q3; _4q0 = 4.0f * q0; _4q1 = 4.0f * q1; _4q2 = 4.0f * q2; _8q1 = 8.0f * q1; _8q2 = 8.0f * q2; q0q0 = q0 * q0; q1q1 = q1 * q1; q2q2 = q2 * q2; q3q3 = q3 * q3; // Gradient decent algorithm corrective step s0 = _4q0 * q2q2 + _2q2 * ax + _4q0 * q1q1 - _2q1 * ay; s1 = _4q1 * q3q3 - _2q3 * ax + 4.0f * q0q0 * q1 - _2q0 * ay - _4q1 + _8q1 * q1q1 + _8q1 * q2q2 + _4q1 * az; s2 = 4.0f * q0q0 * q2 + _2q0 * ax + _4q2 * q3q3 - _2q3 * ay - _4q2 + _8q2 * q1q1 + _8q2 * q2q2 + _4q2 * az; s3 = 4.0f * q1q1 * q3 - _2q1 * ax + 4.0f * q2q2 * q3 - _2q2 * ay; recipNorm = 1.0 / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude s0 *= recipNorm; s1 *= recipNorm; s2 *= recipNorm; s3 *= recipNorm; // Apply feedback step qDot1 -= beta * s0; qDot2 -= beta * s1; qDot3 -= beta * s2; qDot4 -= beta * s3; } // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion newTime = (unsigned int)madgwickTimer.read_us(); deltaT = (newTime - oldTime) / 1000000.0; deltaT = fabs(deltaT); oldTime = newTime; q0 += qDot1 * deltaT;; q1 += qDot2 * deltaT;; q2 += qDot3 * deltaT;; q3 += qDot4 * deltaT;; // Normalise quaternion recipNorm = 1.0 / sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3); q0 *= recipNorm; q1 *= recipNorm; q2 *= recipNorm; q3 *= recipNorm; q.w = q0; q.x = q1; q.y = q2; q.z = q3; } #endif