Akifumi Takahashi
Madgewick Filter to get attitude from IMU or MARG. Confirmed IMU ver works well.
Dependents: NineIMUAttitude_MadgwickFilter
Revision 8:72c013425ecc, committed 2020-08-21
- Comitter:
- aktk
- Date:
- Fri Aug 21 03:13:08 2020 +0000
- Parent:
- 7:c20656d96585
- Commit message:
- Forked and modified some parts
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diff -r c20656d96585 -r 72c013425ecc MadgwickFilter.hpp
--- a/MadgwickFilter.hpp Wed Feb 28 17:10:35 2018 +0000
+++ b/MadgwickFilter.hpp Fri Aug 21 03:13:08 2020 +0000
@@ -6,20 +6,22 @@
#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{
-
+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(float B = BETA_DEF);
-
+ MadgwickFilter(float B = BETA_DEF, float dT_sec = 0.05f);
+
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．
@@ -30,17 +32,17 @@
@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(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz);
-
- /**
- @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 gyro 角速度データ，[rad]に変換してから入れてください．
- @param acc 加速度データ, 特に規格化は必要ありません
- @param mag 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．
+
+ /**
+ @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 gyro 角速度データ，[rad]に変換してから入れてください．
+ @param acc 加速度データ, 特に規格化は必要ありません
+ @param mag 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(float *gyro, float *acc, float *mag);
-
+
/**
@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．
@@ -48,14 +50,14 @@
@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(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float 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
@@ -65,7 +67,7 @@
@note unityに入れる際は軸方向を修正してください．
*/
void getAttitude(float *_q0, float *_q1, float *_q2, float *_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．
@@ -76,39 +78,63 @@
Timer madgwickTimer;
Quaternion q;
float q0,q1,q2,q3;
- float beta;
+ float beta;
+ float zeta;
+ float deltaT_sec;
+ static int counter_numofojbect;
+ int ID;
+
+// Var for UpadateIMU
+private:
+ float deltaT;
+ unsigned int newTime, oldTime;
+ float recipNorm;
+ float s0, s1, s2, s3;
+ float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
+ float _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2,_8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3;
+ float acc_norm;
};
-MadgwickFilter::MadgwickFilter(float B){
+int MadgwickFilter::counter_numofojbect = 0;
+
+MadgwickFilter::MadgwickFilter(float B, float dT_sec)
+{
+ ID = counter_numofojbect;
+ counter_numofojbect++;
q.w = 1.0f;
q.x = 0.0f;
q.y = 0.0f;
q.z = 0.0f;
beta = B;
+ zeta = beta * 0.2 /5;
+ deltaT_sec = dT_sec;
q0 = 1.0f;
q1 = 0.0f;
q2 = 0.0f;
- q3 = 0.0f;
+ q3 = 0.0f;
madgwickTimer.start();
}
-void MadgwickFilter::getAttitude(Quaternion *Q){
+void MadgwickFilter::getAttitude(Quaternion *Q)
+{
*Q = q;
- return;
+ return;
}
-void MadgwickFilter::getAttitude(float *_q0, float *_q1, float *_q2, float *_q3){
+void MadgwickFilter::getAttitude(float *_q0, float *_q1, float *_q2, float *_q3)
+{
*_q0 = q0;
*_q1 = q1;
*_q2 = q2;
*_q3 = q3;
- return;
+ return;
}
-void MadgwickFilter::getEulerAngle(float *val){
+void MadgwickFilter::getEulerAngle(float *val)
+{
float 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)));
@@ -117,8 +143,193 @@
//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// AHRS algorithm update
-inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz) {
-
+inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz)
+{
+
+ static float acc_norm;
+ static float deltaT = 0.0f;
+ static unsigned int newTime = 0, oldTime = 0;
+ static float recipNorm;
+ static float s0, s1, s2, s3;
+ static float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
+ static float w_bx = 0, w_by = 0, w_bz = 0;
+ static float hx=0, hy=0, hz=0;
+ static float init_itr = 0;
+ //static float _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, bx = 0.0f, bz = 1.0f, _2bx, _2bz, _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _2q0q2, _2q2q3, q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3;
+ static float _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, bx = 0.0f, bz = 1.0f, _2bx, _2bz, _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;
+ }
+ */
+
+ // 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
+ acc_norm = sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
+ recipNorm = 1.0f / acc_norm;
+ ax *= recipNorm;
+ ay *= recipNorm;
+ az *= recipNorm;
+
+ // Normalise magnetometer measurement
+ if((mx == 0.0f) && (my == 0.0f) && (mz == 0.0f)) {
+ recipNorm = 1.0f;
+ } else {
+ recipNorm = 1.0f / 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;
+ //hx = mx * (q0q0 + q1q1 - q2q2 - q3q3) + 2.0f * my * (q1q2 - q0q3) + 2.0f * mz * (q1q3 + q0q2);
+ hx = mx
+ - 2.0f * mx * (q2q2 + q3q3)
+ + 2.0f * my * (q1q2 - q0q3)
+ + 2.0f * mz * (q1q3 + q0q2);
+
+ //hy = _2q0mx * q3 + my * q0q0 - _2q0mz * q1 + _2q1mx * q2 - my * q1q1 + my * q2q2 + _2q2 * mz * q3 - my * q3q3;
+ //hy = 2.0f * mx * (q0q3 + q1q2) + my * (q0q0 - q1q1 + q2q2 - q3q3) + 2.0f * mz * (q2q3 - q0q1);
+ hy = 2.0f * mx * (q1q2 + q0q3)
+ + my
+ - 2.0f * my * (q1q1 + q3q3)
+ + 2.0f * mz * (q2q3 - q0q1);
+
+ //hz = -_2q0mx * q2 + _2q0my * q1 + mz * q0q0 + _2q1mx * q3 - mz * q1q1 + _2q2 * my * q3 - mz * q2q2 + mz * q3q3;
+ hz = 2.0f * mx * (q1q3 - q0q2)
+ + 2.0f * my * (q2q3 + q0q1)
+ + mz
+ - 2.0f * mz * (q1q1 + q2q2);
+
+
+ bx = sqrt(hx * hx + hy * hy);
+ bz = hz;
+
+ _2bx = 2.0f * bx;
+ _2bz = 2.0f * bz;
+
+ //aux
+ float f_0 = _2q1 * q3 - _2q0 * q2 - ax;
+ float f_1 = _2q0 * q1 + _2q2 * q3 - ay;
+ float f_2 = 1.0f - _2q1 * q1 - _2q2 * q2 - az;
+ float f_3 = _2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx;
+ float f_4 = _2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my;
+ float f_5 = _2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz;
+ float J_00or13 = _2q2; // J_00 negated in matrix multiplication
+ float J_01or12 = 2.0f * q3;
+ float J_02or11 = _2q0; // J_02 negated in matrix multiplication
+ float J_03or10 = _2q1;
+ float J_21 = 2.0f * J_03or10; // negated in matrix multiplication
+ float J_22 = 2.0f * J_00or13; // negated in matrix multiplication
+ float J_30 = _2bz*q2; // negated in matrix multiplication
+ float J_31 = _2bz*q3;
+ float J_32 = 2.0f * _2bx*q2 + _2bz*q0; // negated in matrix multiplication
+ float J_33 = 2.0f * _2bx*q3 - _2bz*q1; // negated in matrix multiplication
+ float J_40 = _2bx*q3 - _2bz*q1; // negated in matrix multiplication
+ float J_41 = _2bx*q2 + _2bz*q0;
+ float J_42 = _2bx*q1 + _2bz*q3;
+ float J_43 = _2bx*q0 - _2bz*q2; // negated in matrix multiplication
+ float J_50 = _2bx*q2;
+ float J_51 = _2bx*q3 - 2.0f * _2bz*q1;
+ float J_52 = _2bx*q0 - 2.0f * _2bz*q2;
+ float J_53 = _2bx*q1;
+
+ // 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) + bz * q3 * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (bx * q2 + bz * q0) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (bx * q3 - _2bz * q1) * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (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) + (-_2bx * q2 - bz * q0) * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (bx * q1 + bz * q3) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (bx * q0 - _2bz * q2) * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
+ s3 = _2q1 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q2 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) + (-_2bx * q3 + bz * q1) * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-bx * q0 + bz * q2) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + bx * q1 * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
+ */
+ s0 = J_03or10 * f_1 - J_00or13 * f_0 - J_30 * f_3 - J_40 * f_4 + J_50 * f_5;
+ s1 = J_01or12 * f_0 + J_02or11 * f_1 - J_21 * f_2 + J_31 * f_3 + J_41 * f_4 + J_51 * f_5;
+ s2 = J_01or12 * f_1 - J_22 * f_2 - J_02or11 * f_0 - J_32 * f_3 + J_42 * f_4 + J_52 * f_5;
+ s3 = J_03or10 * f_0 + J_00or13 * f_1 - J_33 * f_3 - J_43 * f_4 + J_53 * f_5;
+
+ recipNorm = 1.0f / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
+ s0 *= recipNorm;
+ s1 *= recipNorm;
+ s2 *= recipNorm;
+ s3 *= recipNorm;
+
+ }
+
+ // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
+ newTime = (unsigned int)madgwickTimer.read_us();
+ deltaT = (newTime - oldTime) / 1000000.0f;
+ deltaT = fabs(deltaT);
+ oldTime = newTime;
+
+ // compute angular estimated direction of the gyroscope error
+ float w_err_x = _2q0 * s1 - _2q1 * s0 - _2q2 * s3 + _2q3 * s2;
+ float w_err_y = _2q0 * s2 + _2q1 * s3 - _2q2 * s0 - _2q3 * s1;
+ float w_err_z = _2q0 * s3 - _2q1 * s2 + _2q2 * s1 - _2q3 * s0;
+ // compute and remove the gyroscope baises
+ w_bx += w_err_x * deltaT * zeta;
+ w_by += w_err_y * deltaT * zeta;
+ w_bz += w_err_z * deltaT * zeta;
+ gx -= w_bx;
+ gy -= w_by;
+ gz -= w_bz;
+
+
+
+ // 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);
+
+ q0 += (qDot1 - beta * s0) * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
+ q1 += (qDot2 - beta * s1) * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
+ q2 += (qDot3 - beta * s2) * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
+ q3 += (qDot4 - beta * s3) * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
+
+ // Normalise quaternion
+ recipNorm = 1.0f / 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;
+}
+
+inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdate(float *gyro, float *acc, float *mag)
+{
+
+ static float gx = 0, gy = 0, gz = 0.0f, ax = 0.0f, ay = 0.0f, az = 0.0f, mx = 0.0f, my = 0.0f, mz = 0.0f;
static float acc_norm;
static float deltaT = 0.0f;
static unsigned int newTime = 0, oldTime = 0;
@@ -126,7 +337,17 @@
static float s0, s1, s2, s3;
static float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
static float hx, hy;
- static 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;
+ static float _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, bx, bz, _2bx, _2bz, _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _2q0q2, _2q2q3, q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3;
+
+ gx = gyro[0];
+ gy = gyro[1];
+ gz = gyro[2];
+ ax = acc[0];
+ ay = acc[1];
+ az = acc[2];
+ mx = mag[0];
+ my = mag[1];
+ mz = mag[2];
// Use IMU algorithm if magnetometer measurement invalid (avoids NaN in magnetometer normalisation)
if((mx == 0.0f) && (my == 0.0f) && (mz == 0.0f)) {
@@ -148,7 +369,7 @@
recipNorm = 1.0f / acc_norm;
ax *= recipNorm;
ay *= recipNorm;
- az *= recipNorm;
+ az *= recipNorm;
// Normalise magnetometer measurement
recipNorm = 1.0f / sqrt(mx * mx + my * my + mz * mz);
@@ -181,16 +402,16 @@
// 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;
+ bx = sqrt(hx * hx + hy * hy);
+ bz = -_2q0mx * q2 + _2q0my * q1 + mz * q0q0 + _2q1mx * q3 - mz * q1q1 + _2q2 * my * q3 - mz * q2q2 + mz * q3q3;
+ _2bx = 2.0f * bx;
+ _2bz = 2.0f * bz;
// 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);
+ s0 = -_2q2 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q1 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - bz * q2 * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-bx * q3 + bz * q1) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + bx * q2 * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (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) + bz * q3 * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (bx * q2 + bz * q0) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (bx * q3 - _2bz * q1) * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (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) + (-_2bx * q2 - bz * q0) * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (bx * q1 + bz * q3) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (bx * q0 - _2bz * q2) * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
+ s3 = _2q1 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q2 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) + (-_2bx * q3 + bz * q1) * (bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-bx * q0 + bz * q2) * (bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3) - my) + bx * q1 * (bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
recipNorm = 1.0f / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
s0 *= recipNorm;
s1 *= recipNorm;
@@ -216,7 +437,7 @@
deltaT = (newTime - oldTime) / 1000000.0f;
deltaT = fabs(deltaT);
oldTime = newTime;
-
+
q0 += qDot1 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
q1 += qDot2 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
q2 += qDot3 * deltaT;//(1.0f / sampleFreq);
@@ -228,41 +449,18 @@
q1 *= recipNorm;
q2 *= recipNorm;
q3 *= recipNorm;
-
+
q.w = q0;
q.x = q1;
q.y = q2;
q.z = q3;
}
-inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdate(float *gyro, float *acc, float *mag){
-
- static float gx = 0, gy = 0, gz = 0.0f, ax = 0.0f, ay = 0.0f, az = 0.0f, mx = 0.0f, my = 0.0f, mz = 0.0f;
- static float acc_norm;
- static float deltaT = 0.0f;
- static unsigned int newTime = 0, oldTime = 0;
- static float recipNorm;
- static float s0, s1, s2, s3;
- static float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
- static float hx, hy;
- static 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;
+//---------------------------------------------------------------------------------------------------
+// IMU algorithm update
- gx = gyro[0];
- gy = gyro[1];
- gz = gyro[2];
- ax = acc[0];
- ay = acc[1];
- az = acc[2];
- mx = mag[0];
- my = mag[1];
- mz = mag[2];
-
- // 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;
- }
-
+inline void MadgwickFilter::MadgwickAHRSupdateIMU(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az)
+{
// 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);
@@ -277,120 +475,7 @@
recipNorm = 1.0f / acc_norm;
ax *= recipNorm;
ay *= recipNorm;
- az *= recipNorm;
-
- // Normalise magnetometer measurement
- recipNorm = 1.0f / 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 = 1.0f / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
- s0 *= recipNorm;
- s1 *= recipNorm;
- s2 *= recipNorm;
- s3 *= recipNorm;
-
- float deltaA = fabs(acc_norm - 1.00f);
- //beta = 0.1*exp(-1.0*deltaA*deltaA);
- //beta = 0.3*exp(-20.0*deltaA*deltaA);
- //beta = beta*exp(-30.0f*deltaA*deltaA);
- //printf("%f\r\n", beta);
- //beta = 1.0;
- //if(deltaA > 0.3) beta = 0.0;
- // 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) / 1000000.0f;
- 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 = 1.0f / 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(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az) {
- static float deltaT = 0;
- static unsigned int newTime = 0, oldTime = 0;
- static float recipNorm;
- static float s0, s1, s2, s3;
- static float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
- static float _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2 ,_8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3;
- static float acc_norm;
-
- // 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
- acc_norm = sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
- recipNorm = 1.0f / acc_norm;
- ax *= recipNorm;
- ay *= recipNorm;
- az *= recipNorm;
+ az *= recipNorm;
// Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
_2q0 = 2.0f * q0;
@@ -408,7 +493,7 @@
q3q3 = q3 * q3;
// Gradient decent algorithm corrective step
- s0 = _4q0 * q2q2 + _2q2 * ax + _4q0 * q1q1 - _2q1 * ay;
+ 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;
@@ -419,11 +504,11 @@
s3 *= recipNorm;
// Apply feedback step
- static float deltaA;
- deltaA = fabs(acc_norm - 1.00f);
+ //static float deltaA;
+ //deltaA = fabs(acc_norm - 1.00f);
//beta = 0.5*exp(-20.0*deltaA*deltaA);
- if(deltaA > 0.3f) beta = 0.0f;
- else beta = 0.1f;
+ //if(deltaA > 0.3f) beta = 0.0f;
+ //else beta = 0.1f;
qDot1 -= beta * s0;
qDot2 -= beta * s1;
qDot3 -= beta * s2;
@@ -431,14 +516,16 @@
}
// Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
+
newTime = (unsigned int)madgwickTimer.read_us();
- deltaT = (newTime - oldTime) / 1000000.0f;
- deltaT = fabs(deltaT);
+ deltaT = ((newTime - oldTime) % 0xFFFFFFFF) / 1000000.0f;
oldTime = newTime;
- q0 += qDot1 * deltaT;;
- q1 += qDot2 * deltaT;;
- q2 += qDot3 * deltaT;;
- q3 += qDot4 * deltaT;;
+ deltaT = fabs(deltaT);
+
+ q0 += qDot1 * deltaT;
+ q1 += qDot2 * deltaT;
+ q2 += qDot3 * deltaT;
+ q3 += qDot4 * deltaT;
// Normalise quaternion
recipNorm = 1.0f / sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);