PQ_Hybrid_Electrical_Equipment_Team
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．
Dependencies: Quaternion
Dependents: Hybrid_main_FirstEdtion rocket_logger_sinkan2018_v1 HYBRYD2018_IZU_ROCKET Hybrid_IZU2019 ... more
Fork of
MadgwickFilter
by 
Gaku Matsumoto
Diff: MadgwickFilter.hpp
- Revision:
- 0:c160cac4c370
- Child:
- 1:b6856781fcdd
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000
+++ b/MadgwickFilter.hpp Sat Jan 28 19:52:47 2017 +0000
@@ -0,0 +1,303 @@
+#ifndef _MADGWICK_FILTER_HPP_
+#define _MADGWICK_FILTER_HPP_
+
+#include "mbed.h"
+#include "Quaternion.hpp"
+
+#define BETA_DEF 0.1
+
+/**
+ @file MadgwickFilter.hpp
+ @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
\ No newline at end of file