diff --git a/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.cpp b/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.cpp index 462b27db60..57ea63f809 100644 --- a/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.cpp +++ b/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.cpp @@ -19,28 +19,20 @@ extern const AP_HAL::HAL& hal; -#define earthRate 0.000072921f +#define earthRate 0.000072921f // earth rotation rate (rad/sec) // constructor NavEKF::NavEKF(const AP_AHRS *ahrs, AP_Baro &baro) : _ahrs(ahrs), _baro(baro), - useAirspeed(true), - useCompass(true), - fusionModeGPS(1), // 0 = use 3D velocity, 1 = use 2D velocity, 2 = use no velocity - covTimeStepMax(0.07f), // maximum time (sec) between covariance prediction updates - covDelAngMax(0.05f), // maximum delta angle between covariance prediction updates - yawVarScale(1.0f), // scale factor applied to yaw gyro errors when on ground - TASmsecMax(333), // maximum allowed interal between airspeed measurement updates - MAGmsecMax(333), // maximum allowed interval between magnetometer measurement updates - HGTmsecMax(1000), // maximum interval between height measurement updates - fuseMeNow(true), // forces fusion to occur on the IMU frame that data arrives - staticMode(false), // staticMode forces position and velocity fusion with zero values - msecVelDelay(230), // msec of GPS velocity delay - msecPosDelay(210), // msec of GPS position delay - msecHgtDelay(350), // msec of barometric height delay - msecMagDelay(30), // msec of compass delay - msecTasDelay(210) // msec of true airspeed delay + useAirspeed(true), // activates fusion of compass data + useCompass(true), // activates fusion of airspeed data + covTimeStepMax(0.07f), // maximum time (sec) between covariance prediction updates + covDelAngMax(0.05f), // maximum delta angle between covariance prediction updates + TASmsecMax(333), // maximum allowed interval between airspeed measurement updates + fuseMeNow(false), // forces fusion to occur on the IMU frame that data arrives + staticMode(true) // staticMode forces position and velocity fusion with zero values + #if CONFIG_HAL_BOARD == HAL_BOARD_PX4 ,_perf_UpdateFilter(perf_alloc(PC_ELAPSED, "EKF_UpdateFilter")), _perf_CovariancePrediction(perf_alloc(PC_ELAPSED, "EKF_CovariancePrediction")), @@ -50,22 +42,52 @@ NavEKF::NavEKF(const AP_AHRS *ahrs, AP_Baro &baro) : #endif { // Tuning parameters - _gpsHorizVelNoise = 0.7f; // GPS horizontal velocity noise : m/s - _gpsVertVelNoise = 0.3f; // GPS vertical velocity noise : m/s - _gpsHorizPosNoise = 1.5f; // GPS horizontal position noise m - _gpsVertPosNoise = 2.0f; // GPS or Baro vertical position noise : m - _gpsVelVarAccScale = 0.2f; // scale factor applied to velocity variance due to Vdot - _gpsPosVarAccScale = 0.2f; // scale factor applied to position variance due to Vdot - _magNoise = 0.05f; // magnetometer measurement noise : gauss - _magVarRateScale = 0.05f; // scale factor applied to magnetometer variance due to angular rate - _easNoise = 1.4f; // equivalent airspeed noise : m/s - _windStateNoise = 0.1f; // RMS rate of change of wind : (m/s^2) - _wndVarHgtRateScale = 0.5f; // scale factor applied to wind process noise from height rate - _gyrNoise = 1.4544411e-2f; // gyro process noise : rad/s - _accNoise = 0.02f; // accelerometer process noise : m/s^2 - _dAngBiasNoise = 5.0e-7f; // gyro bias state noise : rad/s^2 - _magEarthNoise = 3.0e-4f; // earth magnetic field process noise : gauss/sec - _magBodyNoise = 3.0e-4f; // body magnetic field process noise : gauss/sec + _gpsHorizVelNoise = 0.15f; // GPS horizontal velocity measurement noise : m/s + _gpsVertVelNoise = 0.15f; // GPS vertical velocity measurement noise : m/s + _gpsHorizPosNoise = 0.5f; // GPS horizontal position measurement noise : m + _baroAltNoise = 0.5f; // Baro height measurement noise : m + _gpsNEVelVarAccScale = 0.1f; // scale factor applied to NE velocity measurement variance due to Vdot + _gpsDVelVarAccScale = 0.15f; // scale factor applied to D velocity measurement variance due to Vdot + _gpsPosVarAccScale = 0.1f; // scale factor applied to position measurement variance due to Vdot + _magNoise = 0.05f; // magnetometer measurement noise : gauss + _magVarRateScale = 0.05f; // scale factor applied to magnetometer variance due to angular rate + _easNoise = 1.4f; // equivalent airspeed measurement noise : m/s + _windVelProcessNoise = 0.1f; // wind velocity states process noise : (m/s^2) + _wndVarHgtRateScale = 0.5f; // scale factor applied to wind states process noise from height rate + _gyrNoise = 1.5e-2f; // gyro process noise : rad/s + _accNoise = 0.5f; // accelerometer process noise : m/s^2 + _gyroBiasNoiseScaler = 3.0f; // scale factor applied to gyro bias state process variance when on ground + _gyroBiasProcessNoise = 2.0e-6f; // gyro bias states process noise : rad/s + _accelBiasProcessNoise = 1.0e-3f; // accel bias state process noise : m/s^2 + _magEarthProcessNoise = 3.0e-4f; // earth magnetic field states process noise : gauss/sec + _magBodyProcessNoise = 3.0e-4f; // body magnetic field states process noise : gauss/sec + // When a new measurement is available, the filter states used to process it is taken from a delay + // buffer. These parameters control how far back in the buffer the states are taken for each measurement + _msecVelDelay = 220; // effective average delay of GPS velocity measurements rel to IMU (msec) + _msecPosDelay = 220; // effective average delay of GPS position measurements rel to (msec) + _msecHgtDelay = 60; // effective average delay of height measurements rel to (msec) + _msecMagDelay = 40; // effective average delay of magnetometer measurements rel to IMU (msec) + _msecTasDelay = 240; // effective average delay of airspeed measurements rel to IMU (msec) + // These parameters control the way that a single GPS or baro measurement is fused repeatedly to provide + // a 'smoother' trajectory output + _msecGpsAvg = 200; // average number of msec between GPS measurements + _msecHgtAvg = 100; // average number of msec between height measurements + _fusionModeGPS = 1; // 0 = use 3D velocity, 1 = use 2D velocity, 2 = use no velocity + // These parameters control the size of the gate that is applied to reject unreasonable measurements + // The innovation variancea (contained in the EKF4 log message) are multiplied by these scale factors to determine the +- + // gate thresholds. If the innovation for a measurement (contained in the EKF3 log message) is outside the gate, that measurement + // will not be used. Set too tight and good data will be rjected and there is a risk that the system could go free inertial for periods + // Set too loose and bad data that could corrupt the EKF solution could be accepted. + _gpsVelInnovGate = 5; // Number of standard deviations applied to GPS velocity innovation consistency check + _gpsPosInnovGate = 10; // Number of standard deviations applied to GPS position innovation consistency check + _hgtInnovGate = 10; // Number of standard deviations applied to height innovation consistency check + _magInnovGate = 5; // Number of standard deviations applied to magnetometer innovation consistency check + _tasInnovGate = 10; // Number of standard deviations applied to true airspeed innovation consistency check + // these parameters control how long GPS and height measurements can be locked out if they fail the innovation consistency check + _gpsRetryTimeUseTAS = 10000; // GPS retry time following innovation consistency fail if TAS measurements are used (msec) + _gpsRetryTimeNoTAS = 5000; // GPS retry time following innovation consistency fail if no TAS measurements are used (msec) + _hgtRetryTimeMode0 = 10000; // height measurement retry time following innovation consistency fail if GPS fusion mode is = 0 (msec) + _hgtRetryTimeMode12 = 5000; // height measurement retry time following innovation consistency fail if GPS fusion mode is > 0 (msec) // Misc initial conditions hgtRate = 0.0f; @@ -85,10 +107,29 @@ bool NavEKF::healthy(void) const if (isnan(states[4]) || isnan(states[5]) || isnan(states[6])) { return false; } + // If measurements have failed innovation consistency checks for long enough to time-out + // and force fusion then the nav solution can be conidered to be unhealthy + // This will only be set as a transient + if (posTimeout || velTimeout || hgtTimeout) { + return false; + } + // all OK return true; } +bool NavEKF::HeightDrifting(void) const +{ + // Set to true if height measurements are failing the innovation consistency check + return !hgtHealth; +} + +bool NavEKF::PositionDrifting(void) const +{ + // Set to true if position measurements are failing the innovation consistency check + return !posHealth; +} + void NavEKF::SetStaticMode(bool setting) { staticMode = !setting; } @@ -106,42 +147,138 @@ void NavEKF::ResetPosition(void) void NavEKF::InitialiseFilter(void) { - lastFixTime_ms = 0; - lastMagUpdate = 0; - lastAirspeedUpdate = 0; - velFailTime = 0; - posFailTime = 0; - hgtFailTime = 0; - storeIndex = 0; - memset(&P[0][0], 0, sizeof(P)); - memset(&nextP[0][0], 0, sizeof(nextP)); - memset(&processNoise[0], 0, sizeof(processNoise)); - memset(&storedStates[0][0], 0, sizeof(storedStates)); - memset(&statetimeStamp[0], 0, sizeof(statetimeStamp)); + // Set re-used variables to zero + ZeroVariables(); - // get initial dtIMU + // get initial time deltat between IMU measurements (sec) dtIMU = _ahrs->get_ins().get_delta_time(); - // Calculate initial filter quaternion states from ahrs solution + // Calculate initial filter quaternion states from AHRS solution Quaternion initQuat; initQuat.from_euler(_ahrs->roll, _ahrs->pitch, _ahrs->yaw); // Calculate initial Tbn matrix and rotate Mag measurements into NED // to set initial NED magnetic field states - Matrix3f DCM; - - initQuat.rotation_matrix(DCM); - + Matrix3f initTbn; + initQuat.rotation_matrix(initTbn); Vector3f initMagNED; Vector3f initMagXYZ; - if (useCompass) { readMagData(); initMagXYZ = magData - magBias; - initMagNED = DCM * initMagXYZ; + initMagNED = initTbn * initMagXYZ; } + // read the GPS height + readGpsData(); + + // read the barometer height + readHgtData(); + + // set onground flag + OnGroundCheck(); + + // write to state vector + for (uint8_t j=0; j<=3; j++) states[j] = initQuat[j]; // quaternions + states[4] = velNED[0]; + states[5] = velNED[1]; + states[6] = velNED[2]; + states[7] = posNE[0]; + states[8] = posNE[1]; + states[9] = - _baro.get_altitude(); + for (uint8_t j=10; j<=15; j++) states[j] = 0.0; // dAngBias, dVelBias, windVel + states[16] = initMagNED.x; // Magnetic Field North + states[17] = initMagNED.y; // Magnetic Field East + states[18] = initMagNED.z; // Magnetic Field Down + for (uint8_t j=19; j<=21; j++) states[j] = magBias[j-19]; // Magnetic Field Bias XYZ + + statesInitialised = true; + + // initialise the covariance matrix + CovarianceInit(_ahrs->roll, _ahrs->pitch, _ahrs->yaw); + + //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame + calcEarthRateNED(earthRateNED, _ahrs->get_home().lat); + + //Initialise summed variables used by covariance prediction + summedDelAng.x = 0.0; + summedDelAng.y = 0.0; + summedDelAng.z = 0.0; + summedDelVel.x = 0.0; + summedDelVel.y = 0.0; + summedDelVel.z = 0.0; + dt = 0.0; + + //Initialise IMU pre-processing states + readIMUData(); +} + +void NavEKF::InitialiseFilterBootstrap(void) +{ + // Set re-used variables to zero + ZeroVariables(); + + // acceleration vector in XYZ body axes measured by the IMU (m/s^2) + Vector3f initAccVec; + + // body magnetic field vector with offsets removed + Vector3f initMagXYZ; + + // Take 50 readings at 20msec intervals and average + initAccVec.zero(); + initMagXYZ.zero(); + for (uint8_t i=1; i<=50; i++) { + initAccVec = initAccVec + _ahrs->get_ins().get_accel(); + initMagXYZ = initMagXYZ + _ahrs->get_compass()->get_field() * 0.001f; // convert from Gauss to mGauss + hal.scheduler->delay(20); + } + initMagXYZ = initMagXYZ * 0.02f; + + // Normalise the acceleration vector + initAccVec.normalize(); + + // Calculate initial pitch angle + float pitch = asinf(initAccVec.x); + + // calculate initial roll angle + float roll = -asinf(initAccVec.y / cosf(pitch)); + + // calculate initial yaw angle + float yaw; + Matrix3f Tbn; + Vector3f initMagVecNED; + if (useCompass) { + // calculate rotation matrix from body to NED frame + Tbn.from_euler(roll, pitch, 0.0f); + + // rotate the magnetic field into NED axesn + initMagVecNED = Tbn*initMagXYZ; + + // calculate heading of mag field rel to body heading + float magHeading = atan2f(initMagVecNED.y, initMagVecNED.x); + + // get the magnetic declination + float magDecAng = _ahrs->get_compass()->get_declination(); + + // calculate yaw angle rel to true north + yaw = magDecAng - magHeading; + } else { + yaw = 0.0f; + } + + // Calculate initial filter quaternion states + Quaternion initQuat; + initQuat.from_euler(roll, pitch, yaw); + + // Calculate initial Tbn matrix and rotate Mag measurements into NED + // to set initial NED magnetic field states + initQuat.rotation_matrix(Tbn); + initMagVecNED = Tbn * initMagXYZ; + + //Get the initial compass bias estimates + Vector3f initMagBias = -_ahrs->get_compass()->get_offsets() * 0.001f; + // read the GPS readGpsData(); @@ -159,42 +296,20 @@ void NavEKF::InitialiseFilter(void) states[7] = posNE[0]; states[8] = posNE[1]; states[9] = - _baro.get_altitude(); - for (uint8_t j=0; j<=4; j++) states[j+10] = 0.0; // dAngBias, windVel - states[15] = initMagNED.x; // Magnetic Field North - states[16] = initMagNED.y; // Magnetic Field East - states[17] = initMagNED.z; // Magnetic Field Down - for (uint8_t j=0; j<=2; j++) states[j+18] = magBias[j]; // Magnetic Field Bias XYZ + for (uint8_t j=10; j<=15; j++) states[j] = 0.0f; // dAngBias, dVelBias, windVel + for (uint8_t j=16; j<=18; j++) states[j] = initMagVecNED[j-16]; // Magnetic Field NED + for (uint8_t j=19; j<=21; j++) states[j] = initMagBias[j-19]; // Magnetic Field Bias XYZ statesInitialised = true; // initialise the covariance matrix - CovarianceInit(); + CovarianceInit(roll, pitch, yaw); //Define Earth rotation vector in the NED navigation frame calcEarthRateNED(earthRateNED, _ahrs->get_home().lat); - //Initialise summed variables used by covariance prediction - summedDelAng.x = 0.0; - summedDelAng.y = 0.0; - summedDelAng.z = 0.0; - summedDelVel.x = 0.0; - summedDelVel.y = 0.0; - summedDelVel.z = 0.0; - dt = 0.0; - //Initialise IMU pre-processing states readIMUData(); - -#if 1 - ::printf("NavEKF.InitialiseFilter: HOME.Alt=%.2f GPS.Alt=%.2f Baro.Alt=%.2f EKF.Alt=%.2f VEL=(%.2f,%.2f,%.2f)\n", - _ahrs->get_home().alt*0.01f, - _ahrs->get_gps()->altitude_cm*0.01f, - _baro.get_altitude(), - -states[9], - velNED[0], - velNED[1], - velNED[2]); -#endif } void NavEKF::UpdateFilter() @@ -217,12 +332,29 @@ void NavEKF::UpdateFilter() return; } + // Check if on ground + OnGroundCheck(); + + // staticmode is always set to false in the air + // If we are not using compass, then staticMode is set to true whenever on ground + // When exiting static mode with no compass, do a forced yaw alignment + if (!onGround) { // we are flying + if (!useCompass && staticMode) { // we are exiting static mode + // align yaw angle with GPS velocity and reset quaternion covariances + ForceYawAlignment(); + //TODO protection against inflight heading drift if no compass is fitted. + } + staticMode = false; + } else if (!useCompass) { // we are on ground without a compass + staticMode = true; + } + // Run the strapdown INS equations every IMU update UpdateStrapdownEquationsNED(); + // store the predicted states for subsequent use by measurement fusion StoreStates(); - // Check if on ground - status is used by covariance prediction - OnGroundCheck(); + // sum delta angles and time used by covariance prediction summedDelAng = summedDelAng + correctedDelAng; summedDelVel = summedDelVel + correctedDelVel; @@ -251,43 +383,60 @@ void NavEKF::UpdateFilter() void NavEKF::SelectVelPosFusion() { - if (statesInitialised) - { - // Command fusion of GPS measurements if new ones available - readGpsData(); - if (newDataGps) - { - fuseVelData = true; - fusePosData = true; - } - readHgtData(); - if (newDataHgt || ((IMUmsec - HGTmsecPrev) >= HGTmsecMax)) - { - fuseHgtData = true; - HGTmsecPrev = IMUmsec; - } - // set flag to let other processes know that GPS and/or height fusion has - // ocurred in this frame - if (fuseVelData || fusePosData || fuseHgtData) - { - FuseVelPosNED(); - newDataGps = false; - newDataHgt = false; - posVelFuseStep = true; - } - else - { - posVelFuseStep = false; - } + // Command fusion of GPS measurements if new ones available + readGpsData(); + if (newDataGps) { + fuseVelData = true; + fusePosData = true; + // Calculate the scale factor to be applied to the measurement variance to account for + // the fact we repeat fusion of the same measurement to provide a smoother output + gpsVarScaler = _msecGpsAvg/(1000.0f*dtIMU); } + // Timeout fusion when data is stale. Needed because we continue to fuse the same + // measurement until the next one arrives + if (hal.scheduler->millis() > lastFixTime_ms + _msecGpsAvg + 40) { + fuseVelData = false; + fusePosData = false; + } + // Command fusion of height measurements if new ones available + readHgtData(); + if (newDataHgt) + { + fuseHgtData = true; + // Calculate the scale factor to be applied to the measurement variance to account for + // the fact we repeat fusion of the same measurement to provide a smoother output + hgtVarScaler = _msecHgtAvg/(1000.0f*dtIMU); + } + // Timeout fusion when data is stale. Needed because we continue to fuse the same + // measurement until the next one arrives + if (hal.scheduler->millis() > lastHgtUpdate + _msecHgtAvg + 40) { + fuseHgtData = false; + } + //Perform fusion of measurement available + // If static mode, skip fusion if average rate of change of velocity since last fusion > 10 m/s^2 + // This prevents acceleraton transients from corrupting the attitude during ground handling + // and rapid launches without a magnetometer + imuStepsVelFuse += 1; + accelSumVelFuse = accelSumVelFuse + velDotNED; + if (fuseVelData || fusePosData || fuseHgtData) + { + float avgAccMag = accelSumVelFuse.length() / imuStepsVelFuse; + if (!staticMode || avgAccMag < 10.0f) { + FuseVelPosNED(); + } + imuStepsVelFuse = 0; + accelSumVelFuse.zero(); + } + newDataGps = false; + newDataHgt = false; } + void NavEKF::SelectMagFusion() { readMagData(); - // Fuse Magnetometer Measurements - hold off if pos/vel fusion has occurred, unless maximum time interval exceeded + // Fuse Magnetometer Measurements bool dataReady = statesInitialised && useCompass && newDataMag; - bool timeout = ((IMUmsec - MAGmsecPrev) >= MAGmsecMax); - if (dataReady && (!posVelFuseStep || timeout || fuseMeNow)) + if (dataReady) { MAGmsecPrev = IMUmsec; fuseMagData = true; @@ -298,16 +447,16 @@ void NavEKF::SelectMagFusion() } // Magnetometer fusion is always called if enabled because its fusion is spread across 3 time steps to reduce peak load FuseMagnetometer(); + } void NavEKF::SelectTasFusion() { readAirSpdData(); - // Fuse Airspeed Measurements - hold off if pos/vel or magnetometer fusion has been performed, unless maximum time interval exceeded + // Fuse Airspeed Measurements - hold off if magnetometer fusion has been performed, unless maximum time interval exceeded bool dataReady = (statesInitialised && useAirspeed && !onGround && newDataTas); - bool clearFrame = (!posVelFuseStep && !magFusePerformed); bool timeout = ((IMUmsec - TASmsecPrev) >= TASmsecMax); - if (dataReady && (clearFrame || timeout || fuseMeNow)) + if (dataReady && (!magFusePerformed || timeout || fuseMeNow)) { TASmsecPrev = IMUmsec; FuseAirspeed(); @@ -331,14 +480,14 @@ void NavEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() correctedDelAng.z = dAngIMU.z - states[12]; correctedDelVel.x = dVelIMU.x; correctedDelVel.y = dVelIMU.y; - correctedDelVel.z = dVelIMU.z; + correctedDelVel.z = dVelIMU.z - states[13]; // Save current measurements prevDelAng = correctedDelAng; // Apply corrections for earths rotation rate and coning errors // % * - and + operators have been overloaded - correctedDelAng = correctedDelAng - prevTnb * earthRateNED*dtIMU + (prevDelAng % correctedDelAng) * 8.333333333333333e-2f; + correctedDelAng = correctedDelAng - prevTnb * earthRateNED*dtIMU + (prevDelAng % correctedDelAng) * 8.333333e-2f; // Convert the rotation vector to its equivalent quaternion rotationMag = correctedDelAng.length(); @@ -386,9 +535,15 @@ void NavEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() // * and + operators have been overloaded delVelNav = Tbn_temp*correctedDelVel + gravityNED*dtIMU; - // calculate the magnitude of the nav acceleration (required for GPS + // Calculate the rate of change of velocity (used for launch detect and other functions) + velDotNED = delVelNav / dtIMU ; + + // Calculate a filtered + velDotNEDfilt = velDotNED * 0.05f + lastVelDotNED * 0.95f; + + // calculate a magnitude of the filtered nav acceleration (required for GPS // variance estimation) - accNavMag = delVelNav.length()/dtIMU; + accNavMag = velDotNED.length(); // If calculating position save previous velocity Vector3f lastVelocity; @@ -405,6 +560,9 @@ void NavEKF::UpdateStrapdownEquationsNED() 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; + + // Limit states to protect against divergence + ConstrainStates(); } void NavEKF::CovariancePrediction() @@ -413,6 +571,7 @@ void NavEKF::CovariancePrediction() // scalars float windVelSigma; float dAngBiasSigma; + float dVelBiasSigma; float magEarthSigma; float magBodySigma; float daxCov; @@ -434,25 +593,36 @@ void NavEKF::CovariancePrediction() float dax_b; float day_b; float daz_b; + float dvz_b; // calculate covariance prediction process noise + // use filtered height rate to increase wind process noise when climbing or descending + // this allows for wind gradient effects. // filter height rate using a 10 second time constant filter float alpha = 0.1f * dt; hgtRate = hgtRate * (1.0f - alpha) - states[6] * alpha; + // use filtered height rate to increase wind process noise when climbing or descending // this allows for wind gradient effects. - windVelSigma = dt * _windStateNoise * (1.0f + _wndVarHgtRateScale * fabsf(hgtRate)); - dAngBiasSigma = dt * _dAngBiasNoise; - magEarthSigma = dt * _magEarthNoise; - magBodySigma = dt * _magBodyNoise; - + windVelSigma = dt * _windVelProcessNoise * (1.0f + _wndVarHgtRateScale * fabsf(hgtRate)); + dAngBiasSigma = dt * _gyroBiasProcessNoise; + dVelBiasSigma = dt * _accelBiasProcessNoise; + magEarthSigma = dt * _magEarthProcessNoise; + magBodySigma = dt * _magBodyProcessNoise; 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]); + // scale gyro bias noise when on ground to allow for faster bias estimation + for (uint8_t i=10; i<=12; i++) { + processNoise[i] = dAngBiasSigma; + if (onGround) { + processNoise[i] *= _gyroBiasNoiseScaler; + } + } + processNoise[13] = dVelBiasSigma; + for (uint8_t i=14; i<=15; i++) processNoise[i] = windVelSigma; + for (uint8_t i=16; i<=18; i++) processNoise[i] = magEarthSigma; + for (uint8_t i=19; i<=21; i++) processNoise[i] = magBodySigma; + for (uint8_t i= 0; i<=21; i++) processNoise[i] = sq(processNoise[i]); // set variables used to calculate covariance growth dvx = summedDelVel.x; @@ -468,503 +638,547 @@ void NavEKF::CovariancePrediction() dax_b = states[10]; day_b = states[11]; daz_b = states[12]; + dvz_b = states[13]; daxCov = sq(dt*_gyrNoise); dayCov = sq(dt*_gyrNoise); dazCov = sq(dt*_gyrNoise); - if (onGround) dazCov = dazCov * sq(yawVarScale); dvxCov = sq(dt*_accNoise); dvyCov = sq(dt*_accNoise); dvzCov = sq(dt*_accNoise); // 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; - SF[12] = 2*dvz*q0; - SF[13] = 2*dvy*q1; + SF[0] = dvz - dvz_b; + SF[1] = 2*q3*SF[0] + 2*dvx*q1 + 2*dvy*q2; + SF[2] = 2*dvx*q3 - 2*q1*SF[0] + 2*dvy*q0; + SF[3] = 2*q2*SF[0] + 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3; + SF[4] = day/2 - day_b/2; + SF[5] = daz/2 - daz_b/2; + SF[6] = dax/2 - dax_b/2; + SF[7] = dax_b/2 - dax/2; + SF[8] = daz_b/2 - daz/2; + SF[9] = day_b/2 - day/2; + SF[10] = 2*q0*SF[0]; + SF[11] = q1/2; + SF[12] = q2/2; + SF[13] = q3/2; + SF[14] = 2*dvy*q1; - SG[0] = q0/2; - SG[1] = sq(q3); - SG[2] = sq(q2); - SG[3] = sq(q1); - SG[4] = sq(q0); - SG[5] = 2*q2*q3; - SG[6] = 2*q1*q3; - SG[7] = 2*q1*q2; + SG[0] = q0/2; + SG[1] = sq(q3); + SG[2] = sq(q2); + SG[3] = sq(q1); + SG[4] = sq(q0); + SG[5] = 2*q2*q3; + SG[6] = 2*q1*q3; + SG[7] = 2*q1*q2; - SQ[0] = dvzCov*(SG[5] - 2*q0*q1)*(SG[1] - SG[2] - SG[3] + SG[4]) - dvyCov*(SG[5] + 2*q0*q1)*(SG[1] - SG[2] + SG[3] - SG[4]) + dvxCov*(SG[6] - 2*q0*q2)*(SG[7] + 2*q0*q3); - SQ[1] = dvzCov*(SG[6] + 2*q0*q2)*(SG[1] - SG[2] - SG[3] + SG[4]) - dvxCov*(SG[6] - 2*q0*q2)*(SG[1] + SG[2] - SG[3] - SG[4]) + dvyCov*(SG[5] + 2*q0*q1)*(SG[7] - 2*q0*q3); - SQ[2] = dvzCov*(SG[5] - 2*q0*q1)*(SG[6] + 2*q0*q2) - dvyCov*(SG[7] - 2*q0*q3)*(SG[1] - SG[2] + SG[3] - SG[4]) - dvxCov*(SG[7] + 2*q0*q3)*(SG[1] + SG[2] - SG[3] - SG[4]); - SQ[3] = (dayCov*q1*SG[0])/2 - (dazCov*q1*SG[0])/2 - (daxCov*q2*q3)/4; - SQ[4] = (dazCov*q2*SG[0])/2 - (daxCov*q2*SG[0])/2 - (dayCov*q1*q3)/4; - SQ[5] = (daxCov*q3*SG[0])/2 - (dayCov*q3*SG[0])/2 - (dazCov*q1*q2)/4; - SQ[6] = (daxCov*q1*q2)/4 - (dazCov*q3*SG[0])/2 - (dayCov*q1*q2)/4; - SQ[7] = (dazCov*q1*q3)/4 - (daxCov*q1*q3)/4 - (dayCov*q2*SG[0])/2; - SQ[8] = (dayCov*q2*q3)/4 - (daxCov*q1*SG[0])/2 - (dazCov*q2*q3)/4; - SQ[9] = sq(SG[0]); - SQ[10] = sq(q1); + SQ[0] = dvzCov*(SG[5] - 2*q0*q1)*(SG[1] - SG[2] - SG[3] + SG[4]) - dvyCov*(SG[5] + 2*q0*q1)*(SG[1] - SG[2] + SG[3] - SG[4]) + dvxCov*(SG[6] - 2*q0*q2)*(SG[7] + 2*q0*q3); + SQ[1] = dvzCov*(SG[6] + 2*q0*q2)*(SG[1] - SG[2] - SG[3] + SG[4]) - dvxCov*(SG[6] - 2*q0*q2)*(SG[1] + SG[2] - SG[3] - SG[4]) + dvyCov*(SG[5] + 2*q0*q1)*(SG[7] - 2*q0*q3); + SQ[2] = dvzCov*(SG[5] - 2*q0*q1)*(SG[6] + 2*q0*q2) - dvyCov*(SG[7] - 2*q0*q3)*(SG[1] - SG[2] + SG[3] - SG[4]) - dvxCov*(SG[7] + 2*q0*q3)*(SG[1] + SG[2] - SG[3] - SG[4]); + SQ[3] = (dayCov*q1*SG[0])/2 - (dazCov*q1*SG[0])/2 - (daxCov*q2*q3)/4; + SQ[4] = (dazCov*q2*SG[0])/2 - (daxCov*q2*SG[0])/2 - (dayCov*q1*q3)/4; + SQ[5] = (daxCov*q3*SG[0])/2 - (dayCov*q3*SG[0])/2 - (dazCov*q1*q2)/4; + SQ[6] = (daxCov*q1*q2)/4 - (dazCov*q3*SG[0])/2 - (dayCov*q1*q2)/4; + SQ[7] = (dazCov*q1*q3)/4 - (daxCov*q1*q3)/4 - (dayCov*q2*SG[0])/2; + 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]; + SPP[0] = SF[10] + SF[14] - 2*dvx*q2; + SPP[1] = 2*q2*SF[0] + 2*dvx*q0 - 2*dvy*q3; + SPP[2] = 2*dvx*q3 - 2*q1*SF[0] + 2*dvy*q0; + SPP[3] = 2*q0*q1 - 2*q2*q3; + SPP[4] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; + SPP[5] = sq(q0) - sq(q1) - sq(q2) + sq(q3); + SPP[6] = SF[13]; + SPP[7] = SF[12]; - 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; - nextP[0][1] = P[0][1] + SQ[8] + 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] + SF[5]*(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]) + SF[4]*(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[7]*(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[3]*(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[4]*(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]) - (q0*(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]))/2; - nextP[0][2] = P[0][2] + SQ[7] + 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] + SF[3]*(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]) + SF[5]*(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[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[3]*(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[5]*(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]) - (q0*(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]))/2; - nextP[0][3] = P[0][3] + SQ[6] + 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] + SF[4]*(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]) + SF[3]*(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]) + SF[6]*(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[4]*(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[5]*(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]) - (q0*(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]))/2; - nextP[0][4] = P[0][4] + P[1][4]*SF[6] + P[2][4]*SPP[7] + P[3][4]*SPP[6] + P[10][4]*SPP[5] + P[11][4]*SPP[4] + P[12][4]*SPP[3] + SF[2]*(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]) + SF[0]*(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[0]*(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[2]*(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]); 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} // If the total position variance exceeds 1E6 (1000m), then stop covariance @@ -993,7 +1207,7 @@ void NavEKF::CovariancePrediction() { for (uint8_t i=7; i<=8; i++) { - for (uint8_t j=0; j<=20; j++) + for (uint8_t j=0; j<=21; j++) { nextP[i][j] = P[i][j]; nextP[j][i] = P[j][i]; @@ -1003,8 +1217,8 @@ void NavEKF::CovariancePrediction() // Copy to output whilst forcing symmetry to prevent ill-conditioning // of the matrix - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) P[i][i] = nextP[i][i]; - for (uint8_t i=1; i<=20; i++) + for (uint8_t i=0; i<=21; i++) P[i][i] = nextP[i][i]; + for (uint8_t i=1; i<=21; i++) { for (uint8_t j=0; j<=i-1; j++) { @@ -1021,18 +1235,11 @@ void NavEKF::CovariancePrediction() void NavEKF::FuseVelPosNED() { perf_begin(_perf_FuseVelPosNED); - // declare variables used by fault isolation logic - uint32_t gpsRetryTime = 10000; // 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 = 0; - bool velHealth = false; - bool posHealth = false; - bool hgtHealth = false; - bool velTimeout; - bool posTimeout; - bool hgtTimeout; - Vector21 Kfusion; + + // health is set bad until test passed + velHealth = false; + posHealth = false; + hgtHealth = false; // declare variables used to check measurement errors Vector3f velInnov; @@ -1046,7 +1253,8 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() uint8_t indexLimit; // used to prevent access to wind and magnetic field states and variances when on ground // declare variables used by state and covariance update calculations - float velErr; + float NEvelErr; + float DvelErr; float posErr; Vector6 R_OBS; Vector6 observation; @@ -1061,53 +1269,50 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() if (fuseVelData || fusePosData || fuseHgtData) { // set the GPS data timeout depending on whether airspeed data is present - if (useAirspeed) horizRetryTime = gpsRetryTime; - else horizRetryTime = gpsRetryTimeNoTAS; + uint32_t gpsRetryTime; + if (useAirspeed) gpsRetryTime = _gpsRetryTimeUseTAS; + else gpsRetryTime = _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; + // zero observations if in static mode (used for pre-arm and bench testing) if (staticMode) { for (uint8_t i=0; i<=5; i++) observation[i] = 0.0f; } // additional error in GPS velocity caused by manoeuvring - velErr = _gpsVelVarAccScale*accNavMag; + NEvelErr = _gpsNEVelVarAccScale * accNavMag; + DvelErr = _gpsDVelVarAccScale * accNavMag; // additional error in GPS position caused by manoeuvring posErr = _gpsPosVarAccScale*accNavMag; // Estimate the GPS Velocity, GPS horiz position and height measurement variances. - R_OBS[0] = sq(_gpsHorizVelNoise) + sq(velErr); + R_OBS[0] = gpsVarScaler*(sq(_gpsHorizVelNoise) + sq(NEvelErr)); R_OBS[1] = R_OBS[0]; - R_OBS[2] = sq(_gpsVertVelNoise) + sq(velErr); - R_OBS[3] = sq(_gpsHorizPosNoise) + sq(posErr); + R_OBS[2] = gpsVarScaler*(sq(_gpsVertVelNoise) + sq(DvelErr)); + R_OBS[3] = gpsVarScaler*(sq(_gpsHorizPosNoise) + sq(posErr)); R_OBS[4] = R_OBS[3]; - R_OBS[5] = sq(_gpsVertPosNoise); + R_OBS[5] = hgtVarScaler*sq(_baroAltNoise); - // Set innovation variances to zero default - for (uint8_t i = 0; i<=5; i++) - { - varInnovVelPos[i] = 0; - } // 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; + if (_fusionModeGPS == 1) imax = 1; for (uint8_t i = 0; i<=imax; i++) { velInnov[i] = statesAtVelTime[i+4] - observation[i]; stateIndex = 4 + i; varInnovVelPos[i] = P[stateIndex][stateIndex] + R_OBS[i]; } - // apply a 5-sigma threshold - - velHealth = ((sq(velInnov[0]) + sq(velInnov[1]) + sq(velInnov[2])) < (25.0f * (varInnovVelPos[0] + varInnovVelPos[1] + varInnovVelPos[2]))); - velTimeout = (hal.scheduler->millis() - velFailTime) > horizRetryTime; + // apply an innovation consistency threshold test + velHealth = ((sq(velInnov[0]) + sq(velInnov[1]) + sq(velInnov[2])) < (sq(_gpsVelInnovGate) * (varInnovVelPos[0] + varInnovVelPos[1] + varInnovVelPos[2]))); + velTimeout = (hal.scheduler->millis() - velFailTime) > gpsRetryTime; if (velHealth || velTimeout) { velHealth = true; @@ -1125,9 +1330,9 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() posInnov[1] = statesAtPosTime[8] - observation[4]; varInnovVelPos[3] = P[7][7] + R_OBS[3]; varInnovVelPos[4] = P[8][8] + R_OBS[4]; - // apply a 10-sigma threshold - posHealth = ((sq(posInnov[0]) + sq(posInnov[1])) < (100.0f * (varInnovVelPos[3] + varInnovVelPos[4]))); - posTimeout = (hal.scheduler->millis() - posFailTime) > horizRetryTime; + // apply an innovation consistency threshold test + posHealth = ((sq(posInnov[0]) + sq(posInnov[1])) < (sq(_gpsPosInnovGate) * (varInnovVelPos[3] + varInnovVelPos[4]))); + posTimeout = (hal.scheduler->millis() - posFailTime) > gpsRetryTime; if (posHealth || posTimeout) { posHealth = true; @@ -1141,10 +1346,15 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() // test height measurements if (fuseHgtData) { + // set the height data timeout depending on whether vertical velocity data is being used + uint32_t hgtRetryTime; + if (_fusionModeGPS == 0) hgtRetryTime = _hgtRetryTimeMode0; + else hgtRetryTime = _hgtRetryTimeMode12; + // calculate height innovations hgtInnov = statesAtHgtTime[9] - observation[5]; varInnovVelPos[5] = P[9][9] + R_OBS[5]; - // apply a 10-sigma threshold - hgtHealth = (sq(hgtInnov) < (100.0f * varInnovVelPos[5])); + // apply an innovation consistency threshold test + hgtHealth = (sq(hgtInnov) < (sq(_hgtInnovGate) * varInnovVelPos[5])); hgtTimeout = (hal.scheduler->millis() - hgtFailTime) > hgtRetryTime; if (hgtHealth || hgtTimeout) { @@ -1158,18 +1368,18 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() } // Set range for sequential fusion of velocity and position measurements depending // on which data is available and its health - if ((fuseVelData && fusionModeGPS == 0 && velHealth) || staticMode) + if ((fuseVelData && _fusionModeGPS == 0 && velHealth) || staticMode) { fuseData[0] = true; fuseData[1] = true; fuseData[2] = true; } - if (fuseVelData && fusionModeGPS == 1 && velHealth) + if (fuseVelData && _fusionModeGPS == 1 && velHealth) { fuseData[0] = true; fuseData[1] = true; } - if ((fusePosData && fusionModeGPS <= 2 && posHealth) || staticMode) + if ((fusePosData && _fusionModeGPS <= 2 && posHealth) || staticMode) { fuseData[3] = true; fuseData[4] = true; @@ -1181,11 +1391,11 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() // Limit access to first 13 states when on ground. if (!onGround) { - indexLimit = 20; + indexLimit = 21; } else { - indexLimit = 12; + indexLimit = 13; } // Fuse measurements sequentially for (obsIndex=0; obsIndex<=5; obsIndex++) @@ -1211,8 +1421,6 @@ void NavEKF::FuseVelPosNED() // Calculate innovation variances - also used for data logging varInnovVelPos[obsIndex] = P[stateIndex][stateIndex] + R_OBS[obsIndex]; SK = 1.0f/varInnovVelPos[obsIndex]; - // Check the innovation for consistency and don't fuse if > TBD Sigma - // Currently disabled for testing for (uint8_t i= 0; i<=indexLimit; i++) { Kfusion[i] = P[i][stateIndex]*SK; @@ -1275,11 +1483,10 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() Vector3f &MagPred = mag_state.MagPred; ftype &R_MAG = mag_state.R_MAG; ftype *SH_MAG = &mag_state.SH_MAG[0]; - Vector21 H_MAG; + Vector22 H_MAG; Vector6 SK_MX; Vector6 SK_MY; Vector6 SK_MZ; - Vector21 Kfusion; uint8_t indexLimit; // used to prevent access to wind and magnetic field states and variances when on ground // Perform sequential fusion of Magnetometer measurements. @@ -1293,11 +1500,11 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() // Prevent access last 11 states when on ground. if (!onGround) { - indexLimit = 20; + indexLimit = 21; } else { - indexLimit = 12; + indexLimit = 13; } // Calculate observation jacobians and Kalman gains if (fuseMagData) @@ -1307,12 +1514,12 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() 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]; + magN = statesAtMagMeasTime[16]; + magE = statesAtMagMeasTime[17]; + magD = statesAtMagMeasTime[18]; + magXbias = statesAtMagMeasTime[19]; + magYbias = statesAtMagMeasTime[20]; + magZbias = statesAtMagMeasTime[21]; // rotate predicted earth components into body axes and calculate // predicted measurements @@ -1333,54 +1540,58 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() R_MAG = sq(_magNoise) + sq(_magVarRateScale*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; + 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<=21; 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[16] = SH_MAG[5] - SH_MAG[4] - SH_MAG[3] + SH_MAG[6]; + H_MAG[17] = 2*q0*q3 + 2*q1*q2; + H_MAG[18] = 2*q1*q3 - 2*q0*q2; + H_MAG[19] = 1; // 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]); 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+ // reset the observation index to 0 (we start by fusing the X // measurement) obsIndex = 0; @@ -1391,44 +1602,48 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() else if (obsIndex == 1) // we are now fusing the Y measurement { // Calculate observation jacobians - for (uint8_t i=0; i<=20; 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; + for (uint8_t i=0; i<=21; 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[16] = 2*q1*q2 - 2*q0*q3; + H_MAG[17] = SH_MAG[4] - SH_MAG[3] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + H_MAG[18] = 2*q0*q1 + 2*q2*q3; + H_MAG[20] = 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]); - Kfusion[5] = SK_MY[0]*(P[5][19] + P[5][0]*SH_MAG[2] + P[5][1]*SH_MAG[1] + P[5][2]*SH_MAG[0] - P[5][3]*SK_MY[2] - P[5][16]*SK_MY[1] - P[5][15]*SK_MY[3] + P[5][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[6] = SK_MY[0]*(P[6][19] + P[6][0]*SH_MAG[2] + P[6][1]*SH_MAG[1] + P[6][2]*SH_MAG[0] - P[6][3]*SK_MY[2] - P[6][16]*SK_MY[1] - P[6][15]*SK_MY[3] + P[6][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[7] = SK_MY[0]*(P[7][19] + P[7][0]*SH_MAG[2] + P[7][1]*SH_MAG[1] + P[7][2]*SH_MAG[0] - P[7][3]*SK_MY[2] - P[7][16]*SK_MY[1] - P[7][15]*SK_MY[3] + P[7][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[8] = SK_MY[0]*(P[8][19] + P[8][0]*SH_MAG[2] + P[8][1]*SH_MAG[1] + P[8][2]*SH_MAG[0] - P[8][3]*SK_MY[2] - P[8][16]*SK_MY[1] - P[8][15]*SK_MY[3] + P[8][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[9] = SK_MY[0]*(P[9][19] + P[9][0]*SH_MAG[2] + P[9][1]*SH_MAG[1] + P[9][2]*SH_MAG[0] - P[9][3]*SK_MY[2] - P[9][16]*SK_MY[1] - P[9][15]*SK_MY[3] + P[9][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[10] = SK_MY[0]*(P[10][19] + P[10][0]*SH_MAG[2] + P[10][1]*SH_MAG[1] + P[10][2]*SH_MAG[0] - P[10][3]*SK_MY[2] - P[10][16]*SK_MY[1] - P[10][15]*SK_MY[3] + P[10][17]*SK_MY[4]); 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- Kfusion[17] = SK_MY[0]*(P[17][19] + P[17][0]*SH_MAG[2] + P[17][1]*SH_MAG[1] + P[17][2]*SH_MAG[0] - P[17][3]*SK_MY[2] - P[17][16]*SK_MY[1] - P[17][15]*SK_MY[3] + P[17][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[18] = SK_MY[0]*(P[18][19] + P[18][0]*SH_MAG[2] + P[18][1]*SH_MAG[1] + P[18][2]*SH_MAG[0] - P[18][3]*SK_MY[2] - P[18][16]*SK_MY[1] - P[18][15]*SK_MY[3] + P[18][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[19] = SK_MY[0]*(P[19][19] + P[19][0]*SH_MAG[2] + P[19][1]*SH_MAG[1] + P[19][2]*SH_MAG[0] - P[19][3]*SK_MY[2] - P[19][16]*SK_MY[1] - P[19][15]*SK_MY[3] + P[19][17]*SK_MY[4]); - Kfusion[20] = SK_MY[0]*(P[20][19] + P[20][0]*SH_MAG[2] + P[20][1]*SH_MAG[1] + P[20][2]*SH_MAG[0] - P[20][3]*SK_MY[2] - P[20][16]*SK_MY[1] - P[20][15]*SK_MY[3] + P[20][17]*SK_MY[4]); + SK_MY[0] = 1/(P[20][20] + R_MAG + P[0][20]*SH_MAG[2] + P[1][20]*SH_MAG[1] + P[2][20]*SH_MAG[0] - P[17][20]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - (2*q0*q3 - 2*q1*q2)*(P[20][16] + P[0][16]*SH_MAG[2] + P[1][16]*SH_MAG[1] + P[2][16]*SH_MAG[0] - P[17][16]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][16]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][16]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][16]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + (2*q0*q1 + 2*q2*q3)*(P[20][18] + P[0][18]*SH_MAG[2] + P[1][18]*SH_MAG[1] + P[2][18]*SH_MAG[0] - P[17][18]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][18]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][18]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][18]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - (SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)*(P[20][3] + P[0][3]*SH_MAG[2] + P[1][3]*SH_MAG[1] + P[2][3]*SH_MAG[0] - P[17][3]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][3]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][3]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][3]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[16][20]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][20]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) + SH_MAG[2]*(P[20][0] + P[0][0]*SH_MAG[2] + P[1][0]*SH_MAG[1] + P[2][0]*SH_MAG[0] - P[17][0]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][0]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][0]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][0]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[1]*(P[20][1] + P[0][1]*SH_MAG[2] + P[1][1]*SH_MAG[1] + P[2][1]*SH_MAG[0] - P[17][1]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][1]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][1]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][1]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) + SH_MAG[0]*(P[20][2] + P[0][2]*SH_MAG[2] + P[1][2]*SH_MAG[1] + P[2][2]*SH_MAG[0] - P[17][2]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][2]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][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[20][17] + P[0][17]*SH_MAG[2] + P[1][17]*SH_MAG[1] + P[2][17]*SH_MAG[0] - P[17][17]*(SH_MAG[3] - SH_MAG[4] + SH_MAG[5] - SH_MAG[6]) - P[16][17]*(2*q0*q3 - 2*q1*q2) + P[18][17]*(2*q0*q1 + 2*q2*q3) - P[3][17]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)) - P[3][20]*(SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2)); 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+ // set flags to indicate to other processes that fusion has been perfomred and is required on the next time step magFusePerformed = true; magFuseRequired = true; @@ -1436,53 +1651,57 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() else if (obsIndex == 2) // we are now fusing the Z measurement { // Calculate observation jacobians - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) H_MAG[i] = 0; - H_MAG[0] = SH_MAG[1]; - H_MAG[1] = 2*magN*q3 - 2*magE*q0 - 2*magD*q1; - 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; + for (uint8_t i=0; i<=21; i++) H_MAG[i] = 0; + H_MAG[0] = SH_MAG[1]; + H_MAG[1] = 2*magN*q3 - 2*magE*q0 - 2*magD*q1; + H_MAG[2] = SH_MAG[7] + SH_MAG[8] - 2*magD*q2; + H_MAG[3] = SH_MAG[0]; + H_MAG[16] = 2*q0*q2 + 2*q1*q3; + H_MAG[17] = 2*q2*q3 - 2*q0*q1; + H_MAG[18] = SH_MAG[3] - SH_MAG[4] - SH_MAG[5] + SH_MAG[6]; + H_MAG[21] = 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)); 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+ 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][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[0][16]*SK_MZ[5] - P[0][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[1] = SK_MZ[0]*(P[1][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[1][16]*SK_MZ[5] - P[1][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[2] = SK_MZ[0]*(P[2][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[2][16]*SK_MZ[5] - P[2][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[3] = SK_MZ[0]*(P[3][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[3][16]*SK_MZ[5] - P[3][17]*SK_MZ[4]); + Kfusion[4] = SK_MZ[0]*(P[4][21] + 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][18]*SK_MZ[1] + P[4][16]*SK_MZ[5] - P[4][17]*SK_MZ[4]); 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+ // set flags to indicate to other processes that fusion has been perfomred and is not required on the next time step magFusePerformed = true; magFuseRequired = false; } // Calculate the measurement innovation innovMag[obsIndex] = MagPred[obsIndex] - magData[obsIndex]; - // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma - if ((innovMag[obsIndex]*innovMag[obsIndex]/varInnovMag[obsIndex]) < 25.0f) + // Apply and innovation consistency check + if ((innovMag[obsIndex]*innovMag[obsIndex]/varInnovMag[obsIndex]) < sq(_magInnovGate)) { // correct the state vector for (uint8_t j= 0; j<=indexLimit; j++) @@ -1508,17 +1727,17 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() { KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; } - for (uint8_t j = 4; j<=14; j++) KH[i][j] = 0.0f; + for (uint8_t j = 4; j<=15; j++) KH[i][j] = 0.0f; if (!onGround) { - for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) + for (uint8_t j = 16; j<=21; j++) { KH[i][j] = Kfusion[i] * H_MAG[j]; } } else { - for (uint8_t j = 15; j<=20; j++) + for (uint8_t j = 16; j<=21; j++) { KH[i][j] = 0.0f; } @@ -1535,7 +1754,7 @@ void NavEKF::FuseMagnetometer() } if (!onGround) { - for (uint8_t k = 15; k<=20; k++) + for (uint8_t k = 16; k<=21; k++) { KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; } @@ -1579,16 +1798,15 @@ void NavEKF::FuseAirspeed() const float R_TAS = sq(_easNoise * constrain_float(EAS2TAS, 0.9f, 10.0f)); Vector3f SH_TAS; float SK_TAS; - Vector21 H_TAS; - Vector21 Kfusion; + Vector22 H_TAS; float VtasPred; // Copy required states to local variable names vn = statesAtVtasMeasTime[4]; ve = statesAtVtasMeasTime[5]; vd = statesAtVtasMeasTime[6]; - vwn = statesAtVtasMeasTime[13]; - vwe = statesAtVtasMeasTime[14]; + vwn = statesAtVtasMeasTime[14]; + vwe = statesAtVtasMeasTime[15]; // Calculate the predicted airspeed VtasPred = sqrtf((ve - vwe)*(ve - vwe) + (vn - vwn)*(vn - vwn) + vd*vd); @@ -1596,47 +1814,52 @@ void NavEKF::FuseAirspeed() if (VtasPred > 1.0f) { // Calculate observation jacobians - SH_TAS[0] = 1/(sqrt(sq(ve - vwe) + sq(vn - vwn) + sq(vd))); - SH_TAS[1] = (SH_TAS[0]*(2*ve - 2*vwe))/2; - SH_TAS[2] = (SH_TAS[0]*(2*vn - 2*vwn))/2; - 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]; + SH_TAS[0] = 1.0f/(sqrt(sq(ve - vwe) + sq(vn - vwn) + sq(vd))); + SH_TAS[1] = (SH_TAS[0]*(2*ve - 2*vwe))/2; + SH_TAS[2] = (SH_TAS[0]*(2*vn - 2*vwn))/2; + for (uint8_t i=0; i<=21; 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[14] = -SH_TAS[2]; + H_TAS[15] = -SH_TAS[1]; // Calculate Kalman gains - 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]); + SK_TAS = 1.0f/(R_TAS + SH_TAS[2]*(P[4][4]*SH_TAS[2] + P[5][4]*SH_TAS[1] - P[14][4]*SH_TAS[2] - P[15][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[14][5]*SH_TAS[2] - P[15][5]*SH_TAS[1] + P[6][5]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[2]*(P[4][14]*SH_TAS[2] + P[5][14]*SH_TAS[1] - P[14][14]*SH_TAS[2] - P[15][14]*SH_TAS[1] + P[6][14]*vd*SH_TAS[0]) - SH_TAS[1]*(P[4][15]*SH_TAS[2] + P[5][15]*SH_TAS[1] - P[14][15]*SH_TAS[2] - P[15][15]*SH_TAS[1] + P[6][15]*vd*SH_TAS[0]) + vd*SH_TAS[0]*(P[4][6]*SH_TAS[2] + P[5][6]*SH_TAS[1] - P[14][6]*SH_TAS[2] - P[15][6]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0])); + Kfusion[0] = SK_TAS*(P[0][4]*SH_TAS[2] - P[0][14]*SH_TAS[2] + P[0][5]*SH_TAS[1] - P[0][15]*SH_TAS[1] + P[0][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[1] = SK_TAS*(P[1][4]*SH_TAS[2] - P[1][14]*SH_TAS[2] + P[1][5]*SH_TAS[1] - P[1][15]*SH_TAS[1] + P[1][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[2] = SK_TAS*(P[2][4]*SH_TAS[2] - P[2][14]*SH_TAS[2] + P[2][5]*SH_TAS[1] - P[2][15]*SH_TAS[1] + P[2][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[3] = SK_TAS*(P[3][4]*SH_TAS[2] - P[3][14]*SH_TAS[2] + P[3][5]*SH_TAS[1] - P[3][15]*SH_TAS[1] + P[3][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[4] = SK_TAS*(P[4][4]*SH_TAS[2] - P[4][14]*SH_TAS[2] + P[4][5]*SH_TAS[1] - P[4][15]*SH_TAS[1] + P[4][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[5] = SK_TAS*(P[5][4]*SH_TAS[2] - P[5][14]*SH_TAS[2] + P[5][5]*SH_TAS[1] - P[5][15]*SH_TAS[1] + P[5][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[6] = SK_TAS*(P[6][4]*SH_TAS[2] - P[6][14]*SH_TAS[2] + P[6][5]*SH_TAS[1] - P[6][15]*SH_TAS[1] + P[6][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[7] = SK_TAS*(P[7][4]*SH_TAS[2] - P[7][14]*SH_TAS[2] + P[7][5]*SH_TAS[1] - P[7][15]*SH_TAS[1] + P[7][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[8] = SK_TAS*(P[8][4]*SH_TAS[2] - P[8][14]*SH_TAS[2] + P[8][5]*SH_TAS[1] - P[8][15]*SH_TAS[1] + P[8][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[9] = SK_TAS*(P[9][4]*SH_TAS[2] - P[9][14]*SH_TAS[2] + P[9][5]*SH_TAS[1] - P[9][15]*SH_TAS[1] + P[9][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[10] = SK_TAS*(P[10][4]*SH_TAS[2] - P[10][14]*SH_TAS[2] + P[10][5]*SH_TAS[1] - P[10][15]*SH_TAS[1] + P[10][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[11] = SK_TAS*(P[11][4]*SH_TAS[2] - P[11][14]*SH_TAS[2] + P[11][5]*SH_TAS[1] - P[11][15]*SH_TAS[1] + P[11][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[12] = SK_TAS*(P[12][4]*SH_TAS[2] - P[12][14]*SH_TAS[2] + P[12][5]*SH_TAS[1] - P[12][15]*SH_TAS[1] + P[12][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[13] = SK_TAS*(P[13][4]*SH_TAS[2] - P[13][14]*SH_TAS[2] + P[13][5]*SH_TAS[1] - P[13][15]*SH_TAS[1] + P[13][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[14] = SK_TAS*(P[14][4]*SH_TAS[2] - P[14][14]*SH_TAS[2] + P[14][5]*SH_TAS[1] - P[14][15]*SH_TAS[1] + P[14][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[15] = SK_TAS*(P[15][4]*SH_TAS[2] - P[15][14]*SH_TAS[2] + P[15][5]*SH_TAS[1] - P[15][15]*SH_TAS[1] + P[15][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[16] = SK_TAS*(P[16][4]*SH_TAS[2] - P[16][14]*SH_TAS[2] + P[16][5]*SH_TAS[1] - P[16][15]*SH_TAS[1] + P[16][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[17] = SK_TAS*(P[17][4]*SH_TAS[2] - P[17][14]*SH_TAS[2] + P[17][5]*SH_TAS[1] - P[17][15]*SH_TAS[1] + P[17][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[18] = SK_TAS*(P[18][4]*SH_TAS[2] - P[18][14]*SH_TAS[2] + P[18][5]*SH_TAS[1] - P[18][15]*SH_TAS[1] + P[18][6]*vd*SH_TAS[0]); + Kfusion[19] = SK_TAS*(P[19][4]*SH_TAS[2] - P[19][14]*SH_TAS[2] + P[19][5]*SH_TAS[1] - P[19][15]*SH_TAS[1] + P[19][6]*vd*SH_TAS[0]); + 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]); + + // Calculate measurement innovation variance varInnovVtas = 1.0f/SK_TAS; - // Calculate the measurement innovation + + // Calculate measurement innovation innovVtas = VtasPred - VtasMeas; - // Check the innovation for consistency and don't fuse if > 5Sigma - if ((innovVtas*innovVtas*SK_TAS) < 25.0f) + + // Aplly an innovation consistency check + if ((innovVtas*innovVtas*SK_TAS) < sq(_tasInnovGate)) { // correct the state vector - for (uint8_t j=0; j<=20; j++) + for (uint8_t j=0; j<=21; j++) { states[j] = states[j] - Kfusion[j] * innovVtas; } @@ -1649,38 +1872,38 @@ void NavEKF::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<=20; i++) + for (uint8_t i = 0; i<=21; 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++) + for (uint8_t j = 7; j<=13; j++) KH[i][j] = 0.0; + for (uint8_t j = 14; j<=15; 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 j = 16; j<=21; j++) KH[i][j] = 0.0; } - for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) + for (uint8_t i = 0; i<=21; i++) { - for (uint8_t j = 0; j<=20; j++) + for (uint8_t j = 0; j<=21; j++) { KHP[i][j] = 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++) + for (uint8_t k = 14; k<=15; k++) { KHP[i][j] = KHP[i][j] + KH[i][k] * P[k][j]; } } } - for (uint8_t i = 0; i<=20; i++) + for (uint8_t i = 0; i<=21; i++) { - for (uint8_t j = 0; j<=20; j++) + for (uint8_t j = 0; j<=21; j++) { P[i][j] = P[i][j] - KHP[i][j]; } @@ -1696,19 +1919,19 @@ void NavEKF::FuseAirspeed() perf_end(_perf_FuseAirspeed); } -void NavEKF::zeroRows(Matrix21 &covMat, uint8_t first, uint8_t last) +void NavEKF::zeroRows(Matrix22 &covMat, uint8_t first, uint8_t last) { uint8_t row; for (row=first; row<=last; row++) { - memset(&covMat[row][0], 0, sizeof(covMat[0][0])*21); + memset(&covMat[row][0], 0, sizeof(covMat[0][0])*22); } } -void NavEKF::zeroCols(Matrix21 &covMat, uint8_t first, uint8_t last) +void NavEKF::zeroCols(Matrix22 &covMat, uint8_t first, uint8_t last) { uint8_t row; - for (row=0; row<=20; row++) + for (row=0; row<=21; row++) { memset(&covMat[row][first], 0, sizeof(covMat[0][0])*(1+last-first)); } @@ -1718,13 +1941,13 @@ void NavEKF::zeroCols(Matrix21 &covMat, uint8_t first, uint8_t last) void NavEKF::StoreStates() { if (storeIndex > 49) storeIndex = 0; - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) storedStates[i][storeIndex] = states[i]; + for (uint8_t i=0; i<=21; i++) storedStates[i][storeIndex] = states[i]; statetimeStamp[storeIndex] = hal.scheduler->millis(); storeIndex = storeIndex + 1; } // Output the state vector stored at the time that best matches that specified by msec -void NavEKF::RecallStates(Vector21 &statesForFusion, uint32_t msec) +void NavEKF::RecallStates(Vector22 &statesForFusion, uint32_t msec) { uint32_t timeDelta; uint32_t bestTimeDelta = 200; @@ -1740,13 +1963,13 @@ void NavEKF::RecallStates(Vector21 &statesForFusion, uint32_t msec) } if (bestTimeDelta < 200) // only output stored state if < 200 msec retrieval error { - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) { + for (uint8_t i=0; i<=21; i++) { statesForFusion[i] = storedStates[i][bestStoreIndex]; } } else // otherwise output current state { - for (uint8_t i=0; i<=20; i++) { + for (uint8_t i=0; i<=21; i++) { statesForFusion[i] = states[i]; } } @@ -1781,37 +2004,37 @@ bool NavEKF::getPosNED(Vector3f &pos) const void NavEKF::getGyroBias(Vector3f &gyroBias) const { - gyroBias.x = states[10]*60.0f*RAD_TO_DEG / dtIMU; - gyroBias.y = states[11]*60.0f*RAD_TO_DEG / dtIMU; - gyroBias.z = states[12]*60.0f*RAD_TO_DEG / dtIMU; + gyroBias.x = states[10] / dtIMU; + gyroBias.y = states[11] / dtIMU; + gyroBias.z = states[12] / dtIMU; } void NavEKF::getAccelBias(Vector3f &accelBias) const { accelBias.x = 0.0f; accelBias.y = 0.0f; - accelBias.z = 0.0f; + accelBias.z = states[13] / dtIMU; } void NavEKF::getWind(Vector3f &wind) const { - wind.x = states[13]; - wind.y = states[14]; + wind.x = states[14]; + wind.y = states[15]; wind.z = 0.0f; // curently don't estimate this } void NavEKF::getMagNED(Vector3f &magNED) const { - magNED.x = states[15]*1000.0f; - magNED.y = states[16]*1000.0f; - magNED.z = states[17]*1000.0f; + magNED.x = states[16]*1000.0f; + magNED.y = states[17]*1000.0f; + magNED.z = states[18]*1000.0f; } void NavEKF::getMagXYZ(Vector3f &magXYZ) const { - magXYZ.x = states[18]*1000.0f; - magXYZ.y = states[19]*1000.0f; - magXYZ.z = states[20]*1000.0f; + magXYZ.x = states[19]*1000.0f; + magXYZ.y = states[20]*1000.0f; + magXYZ.z = states[21]*1000.0f; } bool NavEKF::getLLH(struct Location &loc) const @@ -1833,44 +2056,55 @@ void NavEKF::OnGroundCheck() onGround = ((lowAirSpd + lowGndSpd + lowHgt) >= 2); } -void NavEKF::CovarianceInit() +void NavEKF::CovarianceInit(float roll, float pitch, float yaw) { + //TODO better maths for initial quaternion covariances + // that uses roll, pitch and yaw // zero the matrix - for (uint8_t i=1; i<=20; i++) + for (uint8_t i=1; i<=21; i++) { - for (uint8_t j=0; j<=20; j++) + for (uint8_t j=0; j<=21; j++) { P[i][j] = 0.0f; } } - // Set the diagonals + // Quaternions + P[0][0] = 1.0e-9f; P[1][1] = 0.25f*sq(radians(1.0f)); P[2][2] = 0.25f*sq(radians(1.0f)); - P[3][3] = 0.25f*sq(radians(10.0f)); - P[4][4] = 1.0e-9; + P[3][3] = 0.25f*sq(radians(1.0f)); + // Velocities + P[4][4] = sq(0.7f); P[5][5] = P[4][4]; - P[6][6] = P[4][4]; - P[7][7] = sq(_gpsHorizPosNoise); + P[6][6] = sq(0.7f); + // Positions + P[7][7] = sq(15.0f); P[8][8] = P[7][7]; - P[9][9] = sq(_gpsVertPosNoise); + P[9][9] = sq(5.0f); + // Delta angle biases P[10][10] = sq(radians(0.1f * 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]; + //Z delta velocity Bbias + P[13][13] = sq(radians(0.5f * dtIMU)); + // Wind velocities + P[14][14] = sq(8.0f); + P[15][15] = P[14][14]; + // NED magnetic field + P[16][16] = sq(0.02f); + P[17][17] = P[16][15]; + P[18][18] = P[16][16]; + // XYZ magnetic field + P[19][19] = sq(0.02f); + P[20][20] = P[19][19]; + P[21][21] = P[19][19]; } void NavEKF::ForceSymmetry() { // Force symmetry on the covariance matrix to prevent ill-conditioning // of the matrix which would cause the filter to blow-up - for (uint8_t i=1; i<=20; i++) + for (uint8_t i=1; i<=21; i++) { for (uint8_t j=0; j<=i-1; j++) { @@ -1884,12 +2118,38 @@ void NavEKF::ForceSymmetry() void NavEKF::ConstrainVariances() { // Constrain variances to be within set limits - for (uint8_t i=0; i<=3; i++) constrain_float(P[i][i],0.0f,0.1f); - for (uint8_t i=4; i<=6; i++) constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0e3f); - for (uint8_t i=7; i<=9; i++) constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0e5f); - for (uint8_t i=10; i<=12; i++) constrain_float(P[i][i],0.0f,sq(0.0175 * dtIMU)); - for (uint8_t i=13; i<=14; i++) constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0e3f); - for (uint8_t i=15; i<=20; i++) constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0f); + for (uint8_t i=0; i<=3; i++) P[i][i] = constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0f); + for (uint8_t i=4; i<=6; i++) P[i][i] = constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0e3f); + for (uint8_t i=7; i<=9; i++) P[i][i] = constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0e5f); + for (uint8_t i=10; i<=12; i++) P[i][i] = constrain_float(P[i][i],0.0f,sq(0.175 * dtIMU)); + P[13][13] = constrain_float(P[13][13],0.0f,sq(10.0 * dtIMU)); + for (uint8_t i=14; i<=15; i++) P[i][i] = constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0e3f); + for (uint8_t i=16; i<=21; i++) P[i][i] = constrain_float(P[i][i],0.0f,1.0f); +} + +void NavEKF::ConstrainStates() +{ + // Constrain states to be within set limits + // Quaternions + for (uint8_t i=0; i<=3; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-1.0f,1.0f); + // velocity limit 500 m/sec (could set this based on some multiple of max airspeed * EAS2TAS) + for (uint8_t i=4; i<=6; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-5.0e2f,5.0e2f); + // position limit 1000 km + //TODO apply circular limit + for (uint8_t i=7; i<=8; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-1.0e6f,1.0e6f); + // height limit covers home alt on everest through to home alt at SL and ballon drop + states[9] = constrain_float(states[9],-1.0e4f,4.0e4f); + // gyro bias limit ~6 deg/sec (this needs to be set based on manufacturers specs) + for (uint8_t i=10; i<=12; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-0.1f*dtIMU,0.1f*dtIMU); + // Z accel bias limit 0.5 m/s^2 (this neeeds to be set based on manufacturers specs) + states[13] = constrain_float(states[13],-0.5f*dtIMU,0.5f*dtIMU); + // Wind Limit 100 m/s (should be based on some multiple of max airspeed * EAS2TAS) + //TODO apply circular limit + for (uint8_t i=14; i<=15; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-100.0f,100.0f); + // Earth Field limit 1000 mGauss + for (uint8_t i=16; i<=18; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-1.0f,1.0f); + // Body Field limit 500 mGauss + for (uint8_t i=19; i<=21; i++) states[i] = constrain_float(states[i],-0.5f,0.5f); } void NavEKF::readIMUData() @@ -1902,6 +2162,7 @@ void NavEKF::readIMUData() angRate = _ahrs->get_ins().get_gyro(); accel = _ahrs->get_ins().get_accel(); + // trapezoidal integration dAngIMU = (angRate + lastAngRate) * dtIMU * 0.5f; lastAngRate = angRate; dVelIMU = (accel + lastAccel) * dtIMU * 0.5f; @@ -1915,8 +2176,8 @@ void NavEKF::readGpsData() { lastFixTime_ms = _ahrs->get_gps()->last_message_time_ms(); newDataGps = true; - RecallStates(statesAtVelTime, (IMUmsec - msecVelDelay)); - RecallStates(statesAtPosTime, (IMUmsec - msecPosDelay)); + RecallStates(statesAtVelTime, (IMUmsec - _msecVelDelay)); + RecallStates(statesAtPosTime, (IMUmsec - _msecPosDelay)); velNED[0] = _ahrs->get_gps()->velocity_north(); // (rad) velNED[1] = _ahrs->get_gps()->velocity_east(); // (m/s) velNED[2] = _ahrs->get_gps()->velocity_down(); // (m/s) @@ -1940,7 +2201,7 @@ void NavEKF::readHgtData() hgtMea = _baro.get_altitude(); newDataHgt = true; // recall states from compass measurement time - RecallStates(statesAtHgtTime, (IMUmsec - msecHgtDelay)); + RecallStates(statesAtHgtTime, (IMUmsec - _msecHgtDelay)); } else { newDataHgt = false; } @@ -1956,7 +2217,7 @@ void NavEKF::readMagData() magData = _ahrs->get_compass()->get_field() * 0.001f + magBias; // Recall states from compass measurement time - RecallStates(statesAtMagMeasTime, (IMUmsec - msecMagDelay)); + RecallStates(statesAtMagMeasTime, (IMUmsec - _msecMagDelay)); newDataMag = true; } else { newDataMag = false; @@ -1972,7 +2233,7 @@ void NavEKF::readAirSpdData() VtasMeas = aspeed->get_airspeed() * aspeed->get_EAS2TAS(); lastAirspeedUpdate = aspeed->last_update_ms(); newDataTas = true; - RecallStates(statesAtVtasMeasTime, (IMUmsec - msecTasDelay)); + RecallStates(statesAtVtasMeasTime, (IMUmsec - _msecTasDelay)); } else { newDataTas = false; } @@ -1986,11 +2247,117 @@ void NavEKF::calcEarthRateNED(Vector3f &omega, int32_t latitude) const omega.z = -earthRate*sinf(lat_rad); } +void NavEKF::ForceYawAlignment() +{ + if ((sq(velNED[0]) + sq(velNED[1])) > 16.0f) { + float roll; + float pitch; + float yaw; + // get quaternion from existing filter states and calculate roll, pitch and yaw angles + Quaternion initQuat; + Quaternion newQuat; + for (uint8_t i=0; i<=3; i++) initQuat[i] = states[i]; + initQuat.to_euler(&roll, &pitch, &yaw); + // modify yaw angle from GPS ground course + yaw = atan2f(velNED[1],velNED[0]); + // Calculate new filter quaternion states from Euler angles + newQuat.from_euler(roll, pitch, yaw); + for (uint8_t i=0; i<=3; i++) states[i] = newQuat[i]; + // set the velocity states + if (_fusionModeGPS < 2) { + states[4] = velNED[0]; + states[5] = velNED[1]; + } + // Reinitialise the quaternion, velocity and position covariances + // zero the matrix entries + zeroRows(P,0,9); + zeroCols(P,0,9); + // set quaternion variances + // TODO - maths that sets them based on different roll, yaw and pitch uncertainties + P[0][0] = 0.25f*sq(radians(1.0f)); + P[1][1] = P[0][0]; + P[2][2] = P[0][0]; + P[3][3] = P[0][0]; + // set velocty and position state variances + // we could have a big error coming out of static mode due to GPS lag + P[4][4] = 400.0f; // assume 20 m/s + P[5][5] = P[4][4]; + P[6][6] = P[4][4]; + P[7][7] = 400.0f; // assume 20 m + P[8][8] = P[7][7]; + P[9][9] = P[7][7]; + } +} + void NavEKF::getRotationBodyToNED(Matrix3f &mat) const { Quaternion q(states[0], states[1], states[2], states[3]); q.rotation_matrix(mat); } +void NavEKF::getInnovations(Vector3f &velInnov, Vector3f &posInnov, Vector3f &magInnov, float &tasInnov) const +{ + velInnov.x = innovVelPos[0]; + velInnov.y = innovVelPos[1]; + velInnov.z = innovVelPos[2]; + posInnov.x = innovVelPos[3]; + posInnov.y = innovVelPos[4]; + posInnov.z = innovVelPos[5]; + magInnov.x = 1e3*innovMag[0]; // Convert back to sensor units + magInnov.y = 1e3*innovMag[1]; // Convert back to sensor units + magInnov.z = 1e3*innovMag[2]; // Convert back to sensor units + tasInnov = innovVtas; +} + +void NavEKF::getVariances(Vector3f &velVar, Vector3f &posVar, Vector3f &magVar, float &tasVar) const +{ + velVar.x = varInnovVelPos[0]; + velVar.y = varInnovVelPos[1]; + velVar.z = varInnovVelPos[2]; + posVar.x = varInnovVelPos[3]; + posVar.y = varInnovVelPos[4]; + posVar.z = varInnovVelPos[5]; + magVar.x = 1e6*varInnovMag[0]; // Convert back to sensor units + magVar.y = 1e6*varInnovMag[1]; // Convert back to sensor units + magVar.z = 1e6*varInnovMag[2]; // Convert back to sensor units + tasVar = varInnovVtas; +} + +void NavEKF::ZeroVariables() +{ + velTimeout = false; + posTimeout = false; + hgtTimeout = false; + lastFixTime_ms = 0; + lastMagUpdate = 0; + lastAirspeedUpdate = 0; + velFailTime = 0; + posFailTime = 0; + hgtFailTime = 0; + storeIndex = 0; + TASmsecPrev = 0; + MAGmsecPrev = 0; + HGTmsecPrev = 0; + lastMagUpdate = 0; + lastAirspeedUpdate = 0; + lastHgtUpdate = 0; + lastFixTime_ms = 0; + dtIMU = 0; + dt = 0; + prevDelAng.zero(); + lastAngRate.zero(); + lastAccel.zero(); + lastVelDotNED.zero(); + lastAngRate.zero(); + lastAccel.zero(); + summedDelAng.zero(); + summedDelVel.zero(); + prevTnb.zero(); + memset(&P[0][0], 0, sizeof(P)); + memset(&nextP[0][0], 0, sizeof(nextP)); + memset(&processNoise[0], 0, sizeof(processNoise)); + memset(&storedStates[0][0], 0, sizeof(storedStates)); + memset(&statetimeStamp[0], 0, sizeof(statetimeStamp)); +} #endif // HAL_CPU_CLASS diff --git a/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.h b/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.h index 9d00404483..d26f2c912c 100644 --- a/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.h +++ b/libraries/AP_NavEKF/AP_NavEKF.h @@ -50,10 +50,11 @@ public: typedef VectorN Vector11; typedef VectorN Vector13; typedef VectorN Vector14; - typedef VectorN Vector21; + typedef VectorN Vector15; + typedef VectorN Vector22; typedef VectorN,3> Matrix3; - typedef VectorN,21> Matrix21; - typedef VectorN,21> Matrix21_50; + typedef VectorN,22> Matrix22; + typedef VectorN,22> Matrix22_50; #else typedef ftype Vector2[2]; typedef ftype Vector3[3]; @@ -62,10 +63,11 @@ public: typedef ftype Vector11[11]; typedef ftype Vector13[13]; typedef ftype Vector14[14]; - typedef ftype Vector21[21]; + typedef ftype Vector15[15]; + typedef ftype Vector22[22]; typedef ftype Matrix3[3][3]; - typedef ftype Matrix21[21][21]; - typedef ftype Matrix21_50[21][50]; + typedef ftype Matrix22[22][22]; + typedef ftype Matrix22_50[22][50]; #endif // Constructor @@ -74,10 +76,14 @@ public: // Initialise the filter states from the AHRS and magnetometer data (if present) void InitialiseFilter(void); - // Reset the position and height states + // Initialise the attitude from accelerometer and magnetometer data (if present) + void InitialiseFilterBootstrap(void); + + // Reset the position and height states to the last GPS and barometer measurement void ResetPosition(void); - // inhibits position and velocity aittude corrections when set to false + // inhibits position and velocity attitude corrections when set to true + // setting to true has same effect as ahrs.set_correct_centrifugal(false) void SetStaticMode(bool setting); // Update Filter States - this should be called whenever new IMU data is available @@ -86,6 +92,12 @@ public: // return true if the filter is healthy bool healthy(void) const; + // return true if filter is dead-reckoning height + bool HeightDrifting(void) const; + + // return true if filter is dead-reckoning position + bool PositionDrifting(void) const; + // fill in latitude, longitude and height of the reference point void getRefLLH(struct Location &loc) const; @@ -106,6 +118,7 @@ public: void getAccelBias(Vector3f &accelBias) const; // return the NED wind speed estimates in m/s + // positive is air moving in the direction of the corresponding axis void getWind(Vector3f &wind) const; // return earth magnetic field estimates in measurement units @@ -129,6 +142,12 @@ public: // get the quaternions defining the rotation from NED to XYZ (body) axes void getQuaternion(Quaternion &quat) const; + // return the innovations for the NED Pos, NED Vel, XYZ Mag and Vtas measurements + void getInnovations(Vector3f &velInnov, Vector3f &posInnov, Vector3f &magInnov, float &tasInnov) const; + + // return the innovation variances for the NED Pos, NED Vel, XYZ Mag and Vtas measurements + void getVariances(Vector3f &velVar, Vector3f &posVar, Vector3f &magVar, float &tasVar) const; + private: const AP_AHRS *_ahrs; AP_Baro &_baro; @@ -141,15 +160,17 @@ private: void ConstrainVariances(); + void ConstrainStates(); + void FuseVelPosNED(); void FuseMagnetometer(); void FuseAirspeed(); - void zeroRows(Matrix21 &covMat, uint8_t first, uint8_t last); + void zeroRows(Matrix22 &covMat, uint8_t first, uint8_t last); - void zeroCols(Matrix21 &covMat, uint8_t first, uint8_t last); + void zeroCols(Matrix22 &covMat, uint8_t first, uint8_t last); void quatNorm(Quaternion &quatOut, const Quaternion &quatIn) const; @@ -157,7 +178,7 @@ private: void StoreStates(void); // recall state vector stored at closest time to the one specified by msec - void RecallStates(Vector21 &statesForFusion, uint32_t msec); + void RecallStates(Vector22 &statesForFusion, uint32_t msec); void quat2Tbn(Matrix3f &Tbn, const Quaternion &quat) const; @@ -169,7 +190,7 @@ private: void OnGroundCheck(); - void CovarianceInit(); + void CovarianceInit(float roll, float pitch, float yaw); void readIMUData(); @@ -189,131 +210,149 @@ private: void SelectMagFusion(); - bool statesInitialised; + void ForceYawAlignment(); + + void ZeroVariables(); public: // Tuning Parameters - ftype _gpsHorizVelNoise; // GPS horizontal velocity noise : m/s - ftype _gpsVertVelNoise; // GPS vertical velocity noise : m/s - ftype _gpsHorizPosNoise; // GPS horizontal position noise m - ftype _gpsVertPosNoise; // GPS or Baro vertical position variance : m^2 - ftype _gpsVelVarAccScale; // scale factor applied to velocity variance due to Vdot - ftype _gpsPosVarAccScale; // scale factor applied to position variance due to Vdot - ftype _magNoise; // magnetometer measurement noise : gauss - ftype _magVarRateScale; // scale factor applied to magnetometer variance due to angular rate - ftype _easNoise; // equivalent airspeed noise : m/s - ftype _windStateNoise; // rate of change of wind : m/s^2 - ftype _wndVarHgtRateScale; // scale factor applied to wind process noise from height rate - ftype _gyrNoise; // gyro process noise : rad/s - ftype _accNoise; // accelerometer process noise : m/s^2 - ftype _dAngBiasNoise; // gyro bias state noise : rad/s^2 - ftype _magEarthNoise; // earth magnetic field process noise : gauss/sec - ftype _magBodyNoise; // earth magnetic field process noise : gauss/sec + ftype _gpsHorizVelNoise; // GPS horizontal velocity measurement noise : m/s + ftype _gpsVertVelNoise; // GPS vertical velocity measurement noise : m/s + ftype _gpsHorizPosNoise; // GPS horizontal position measurement noise m + ftype _baroAltNoise; // Baro height measurement noise : m^2 + ftype _gpsNEVelVarAccScale; // scale factor applied to NE velocity measurement variance due to Vdot + ftype _gpsDVelVarAccScale; // scale factor applied to D velocity measurement variance due to Vdot + ftype _gpsPosVarAccScale; // scale factor applied to position measurement variance due to Vdot + ftype _magNoise; // magnetometer measurement noise : gauss + ftype _magVarRateScale; // scale factor applied to magnetometer variance due to angular rate + ftype _easNoise; // equivalent airspeed measurement noise : m/s + ftype _windVelProcessNoise; // wind velocity state process noise : m/s^2 + ftype _wndVarHgtRateScale; // scale factor applied to wind process noise due to height rate + ftype _gyrNoise; // gyro process noise : rad/s + ftype _accNoise; // accelerometer process noise : m/s^2 + ftype _gyroBiasNoiseScaler; // scale factor applied to gyro bias state process variance when on ground + ftype _gyroBiasProcessNoise; // gyro bias state process noise : rad/s + ftype _accelBiasProcessNoise; // accel bias state process noise : m/s^2 + ftype _magEarthProcessNoise; // earth magnetic field process noise : gauss/sec + ftype _magBodyProcessNoise; // earth magnetic field process noise : gauss/sec + uint16_t _msecVelDelay; // effective average delay of GPS velocity measurements rel to IMU (msec) + uint16_t _msecPosDelay; // effective average delay of GPS position measurements rel to (msec) + uint16_t _msecHgtDelay; // effective average delay of height measurements rel to (msec) + uint16_t _msecMagDelay; // effective average delay of magnetometer measurements rel to IMU (msec) + uint16_t _msecTasDelay; // effective average delay of airspeed measurements rel to IMU (msec) + uint16_t _msecGpsAvg; // average number of msec between GPS measurements + uint16_t _msecHgtAvg; // average number of msec between height measurements + uint8_t _fusionModeGPS; // 0 = use 3D velocity, 1 = use 2D velocity, 2 = use no velocity + uint8_t _gpsVelInnovGate; // Number of standard deviations applied to GPS velocity innovation consistency check + uint8_t _gpsPosInnovGate; // Number of standard deviations applied to GPS position innovation consistency check + uint8_t _hgtInnovGate; // Number of standard deviations applied to height innovation consistency check + uint8_t _magInnovGate; // Number of standard deviations applied to magnetometer innovation consistency check + uint8_t _tasInnovGate; // Number of standard deviations applied to true airspeed innovation consistency check + uint32_t _gpsRetryTimeUseTAS; // GPS retry time following innovation consistency fail if TAS measurements are used + uint32_t _gpsRetryTimeNoTAS; // GPS retry time following innovation consistency fail if no TAS measurements are used + uint32_t _hgtRetryTimeMode0; // height measurement retry time following innovation consistency fail if GPS fusion mode is = 0 + uint32_t _hgtRetryTimeMode12; // height measurement retry time following innovation consistency fail if GPS fusion mode is > 0 + private: - - Vector21 states; // state matrix - 4 x quaternions, 3 x Vel, 3 x Pos, 3 x gyro bias, 3 x accel bias, 2 x wind vel, 3 x earth mag field, 3 x body mag field - - Matrix21 KH; // intermediate result used for covariance updates - Matrix21 KHP; // intermediate result used for covariance updates - Matrix21 P; // covariance matrix - Matrix21_50 storedStates; // state vectors stored for the last 50 time steps - uint32_t statetimeStamp[50]; // time stamp for each state vector stored - 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; // corrected & summed delta angles about the xyz body axes (rad) - Vector3f summedDelVel; // corrected & summed delta velocities along the XYZ body axes (m/s) - Vector3f prevDelAng; // previous delta angle use for INS coning error compensation - Matrix3f prevTnb; // previous nav to body transformation used for INS earth rotation compensation - ftype 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 dVelIMU; // delta velocity vector in XYZ body axes measured by the IMU (m/s) - Vector3f dAngIMU; // delta angle vector in XYZ body axes measured by the IMU (rad) - ftype dtIMU; // time lapsed since the last IMU measurement (sec) - ftype dt; // time lapsed since the last covariance prediction (sec) - ftype hgtRate; // state for rate of change of height filter - bool onGround; // boolean true when the flight vehicle is on the ground (not flying) - const bool useAirspeed; // boolean true if airspeed data is being used - const bool useCompass; // boolean true if magnetometer data is being used - const uint8_t fusionModeGPS; // 0 = GPS outputs 3D velocity, 1 = GPS outputs 2D velocity, 2 = GPS outputs no velocity - Vector6 innovVelPos; // innovation output for a group of measurements - Vector6 varInnovVelPos; // innovation variance output for a group of measurements - bool fuseVelData; // this boolean causes the velNED measurements to be fused - bool fusePosData; // this boolean causes the posNE measurements to be fused - bool fuseHgtData; // this boolean causes the hgtMea measurements to be fused - Vector3f velNED; // North, East, Down velocity measurements (m/s) - Vector2 posNE; // North, East position measurements (m) - ftype hgtMea; // height measurement relative to reference point (m) - Vector21 statesAtVelTime; // States at the effective time of velNED measurements - Vector21 statesAtPosTime; // States at the effective time of posNE measurements - Vector21 statesAtHgtTime; // States at the effective time of hgtMea measurement - Vector3f innovMag; // innovation output from fusion of X,Y,Z compass measurements - Vector3f varInnovMag; // innovation variance output from fusion of X,Y,Z compass measurements - bool fuseMagData; // boolean true when magnetometer data is to be fused - Vector3f magData; // magnetometer flux readings in X,Y,Z body axes - Vector21 statesAtMagMeasTime; // filter states at the effective time of compass measurements - ftype innovVtas; // innovation output from fusion of airspeed measurements - ftype varInnovVtas; // innovation variance output from fusion of airspeed measurements - bool fuseVtasData; // boolean true when airspeed data is to be fused - float VtasMeas; // true airspeed measurement (m/s) - Vector21 statesAtVtasMeasTime; // filter states at the effective measurement time - Vector3f magBias; // magnetometer bias vector in XYZ body axes - const ftype covTimeStepMax; // maximum time allowed between covariance predictions - const ftype covDelAngMax; // maximum delta angle between covariance predictions - bool covPredStep; // boolean set to true when a covariance prediction step has been performed - const ftype yawVarScale; // scale factor applied to yaw gyro errors when on ground - bool magFusePerformed; // boolean set to true when magnetometer fusion has been perfomred in that time step - bool magFuseRequired; // boolean set to true when magnetometer fusion will be perfomred in the next time step - bool posVelFuseStep; // boolean set to true when position and velocity fusion is being performed - bool tasFuseStep; // boolean set to true when airspeed fusion is being performed - uint32_t TASmsecPrev; // time stamp of last TAS fusion step - const uint32_t TASmsecMax; // maximum allowed interval between TAS fusion steps - uint32_t MAGmsecPrev; // time stamp of last compass fusion step - const uint32_t MAGmsecMax; // maximum allowed interval between compass fusion steps - uint32_t HGTmsecPrev; // time stamp of last height measurement fusion step - const uint32_t HGTmsecMax; // maximum allowed interval between height measurement fusion steps - const bool fuseMeNow; // boolean to force fusion whenever data arrives - bool staticMode; // boolean to force position and velocity measurements to zero for pre-arm or bench testing - - // last time compass was updated - uint32_t lastMagUpdate; - - // last time airspeed was updated - uint32_t lastAirspeedUpdate; - - // Estimated time delays (msec) for different measurements relative to IMU - const uint32_t msecVelDelay; - const uint32_t msecPosDelay; - const uint32_t msecHgtDelay; - const uint32_t msecMagDelay; - const uint32_t msecTasDelay; - - // IMU input data variables - uint32_t IMUmsec; - - // GPS input data variables - ftype gpsCourse; - ftype gpsGndSpd; - bool newDataGps; - - // Magnetometer input data variables - ftype magIn; - bool newDataMag; - - // TAS input variables - bool newDataTas; - - // HGT input variables - bool newDataHgt; - uint32_t lastHgtUpdate; - - // Time stamp when vel, pos or height measurements last failed checks - uint32_t velFailTime; - uint32_t posFailTime; - uint32_t hgtFailTime; + bool statesInitialised; // boolean true when filter states have been initialised + bool velHealth; // boolean true if velocity measurements have failed innovation consistency check + bool posHealth; // boolean true if position measurements have failed innovation consistency check + bool hgtHealth; // boolean true if height measurements have failed innovation consistency check + bool velTimeout; // boolean true if velocity measurements have failed innovation consistency check and timed out + bool posTimeout; // boolean true if position measurements have failed innovation consistency check and timed out + bool hgtTimeout; // boolean true if height measurements have failed innovation consistency check and timed out + Vector22 states; // state matrix - 4 x quaternions, 3 x Vel, 3 x Pos, 3 x gyro bias, 3 x accel bias, 2 x wind vel, 3 x earth mag field, 3 x body mag field + Vector22 Kfusion; // Kalman gain vector + Matrix22 KH; // intermediate result used for covariance updates + Matrix22 KHP; // intermediate result used for covariance updates + Matrix22 P; // covariance matrix + Matrix22_50 storedStates; // state vectors stored for the last 50 time steps + uint32_t statetimeStamp[50]; // time stamp for each state vector stored + 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; // corrected & summed delta angles about the xyz body axes (rad) + Vector3f summedDelVel; // corrected & summed delta velocities along the XYZ body axes (m/s) + Vector3f prevDelAng; // previous delta angle use for INS coning error compensation + Matrix3f prevTnb; // previous nav to body transformation used for INS earth rotation compensation + ftype 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 dVelIMU; // delta velocity vector in XYZ body axes measured by the IMU (m/s) + Vector3f dAngIMU; // delta angle vector in XYZ body axes measured by the IMU (rad) + ftype dtIMU; // time lapsed since the last IMU measurement (sec) + ftype dt; // time lapsed since the last covariance prediction (sec) + ftype hgtRate; // state for rate of change of height filter + bool onGround; // boolean true when the flight vehicle is on the ground (not flying) + const bool useAirspeed; // boolean true if airspeed data is being used + const bool useCompass; // boolean true if magnetometer data is being used + Vector6 innovVelPos; // innovation output for a group of measurements + Vector6 varInnovVelPos; // innovation variance output for a group of measurements + bool fuseVelData; // this boolean causes the velNED measurements to be fused + bool fusePosData; // this boolean causes the posNE measurements to be fused + bool fuseHgtData; // this boolean causes the hgtMea measurements to be fused + Vector3f velNED; // North, East, Down velocity measurements (m/s) + Vector2 posNE; // North, East position measurements (m) + ftype hgtMea; // height measurement relative to reference point (m) + Vector22 statesAtVelTime; // States at the effective time of velNED measurements + Vector22 statesAtPosTime; // States at the effective time of posNE measurements + Vector22 statesAtHgtTime; // States at the effective time of hgtMea measurement + Vector3f innovMag; // innovation output from fusion of X,Y,Z compass measurements + Vector3f varInnovMag; // innovation variance output from fusion of X,Y,Z compass measurements + bool fuseMagData; // boolean true when magnetometer data is to be fused + Vector3f magData; // magnetometer flux readings in X,Y,Z body axes + Vector22 statesAtMagMeasTime; // filter states at the effective time of compass measurements + ftype innovVtas; // innovation output from fusion of airspeed measurements + ftype varInnovVtas; // innovation variance output from fusion of airspeed measurements + bool fuseVtasData; // boolean true when airspeed data is to be fused + float VtasMeas; // true airspeed measurement (m/s) + Vector22 statesAtVtasMeasTime; // filter states at the effective measurement time + Vector3f magBias; // magnetometer bias vector in XYZ body axes + const ftype covTimeStepMax; // maximum time allowed between covariance predictions + const ftype covDelAngMax; // maximum delta angle between covariance predictions + bool covPredStep; // boolean set to true when a covariance prediction step has been performed + bool magFusePerformed; // boolean set to true when magnetometer fusion has been perfomred in that time step + bool magFuseRequired; // boolean set to true when magnetometer fusion will be perfomred in the next time step + bool posVelFuseStep; // boolean set to true when position and velocity fusion is being performed + bool tasFuseStep; // boolean set to true when airspeed fusion is being performed + uint32_t TASmsecPrev; // time stamp of last TAS fusion step + const uint32_t TASmsecMax; // maximum allowed interval between TAS fusion steps + uint32_t MAGmsecPrev; // time stamp of last compass fusion step + uint32_t HGTmsecPrev; // time stamp of last height measurement fusion step + const bool fuseMeNow; // boolean to force fusion whenever data arrives + bool staticMode; // boolean to force position and velocity measurements to zero for pre-arm or bench testing + uint32_t lastMagUpdate; // last time compass was updated + uint8_t imuStepsVelFuse; // Number of IMU time steps from the last velocity fusion + Vector3f accelSumVelFuse; // sum of gravity corrected acceleration since last velocity fusion + Vector3f velDotNED; // rate of change of velocity in NED frame + Vector3f velDotNEDfilt; // low pass filtered velDotNED + Vector3f lastVelDotNED; // velDotNED filter state + uint32_t lastAirspeedUpdate; // last time airspeed was updated + uint32_t IMUmsec; // time that the last IMU value was taken + ftype gpsCourse; // GPS ground course angle(rad) + ftype gpsGndSpd; // GPS ground speed (m/s) + bool newDataGps; // true when new GPS data has arrived + bool newDataMag; // true when new magnetometer data has arrived + float gpsVarScaler; // scaler applied to gps measurement variance to allow for oversampling + bool newDataTas; // true when new airspeed data has arrived + bool newDataHgt; // true when new height data has arrived + uint32_t lastHgtUpdate; // time of last height measurement received (msec) + float hgtVarScaler; // scaler applied to height measurement variance to allow for oversampling + uint32_t velFailTime; // time stamp when GPS velocity measurement last failed covaraiance consistency check (msec) + uint32_t posFailTime; // time stamp when GPS position measurement last failed covaraiance consistency check (msec) + uint32_t hgtFailTime; // time stamp when height measurement last failed covaraiance consistency check (msec) + uint8_t storeIndex; // State vector storage index + uint32_t lastFixTime_ms; // time of last GPS fix used to determine if new data has arrived + Vector3f lastAngRate; // angular rate from previous IMU sample used for trapezoidal integrator + Vector3f lastAccel; // acceleration from previous IMU sample used for trapezoidal integrator + Matrix22 nextP; // Predicted covariance matrix before addition of process noise to diagonals + Vector22 processNoise; // process noise added to diagonals of predicted covariance matrix + Vector15 SF; // intermediate variables used to calculate predicted covariance matrix + Vector8 SG; // intermediate variables used to calculate predicted covariance matrix + Vector11 SQ; // intermediate variables used to calculate predicted covariance matrix + Vector8 SPP; // intermediate variables used to calculate predicted covariance matrix // states held by magnetomter fusion across time steps // magnetometer X,Y,Z measurements are fused across three time steps - // to + // to level computational load as this is an expensive operation struct { ftype q0; ftype q1; @@ -332,22 +371,6 @@ private: ftype SH_MAG[9]; } mag_state; - // State vector storage index - uint8_t storeIndex; - - // time of last GPS fix used to determine if new data has arrived - uint32_t lastFixTime_ms; - - Vector3f lastAngRate; - Vector3f lastAccel; - - // CovariancePrediction variables - Matrix21 nextP; - Vector21 processNoise; - Vector14 SF; - Vector8 SG; - Vector11 SQ; - Vector8 SPP; #if CONFIG_HAL_BOARD == HAL_BOARD_PX4 // performance counters