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MadgwickAHRS.c加速度计融合陀螺仪和地磁的代码

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出0入0汤圆

发表于 2015-12-23 22:07:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 2013的弹子球 于 2015-12-23 22:49 编辑

//=====================================================================================================
// MadgwickAHRS.c
//=====================================================================================================
//
// Implementation of Madgwick's IMU and AHRS algorithms.
// See: http://www.x-io.co.uk/node/8#open_source_ahrs_and_imu_algorithms
//
// Date                        Author          Notes
// 29/09/2011        SOH Madgwick    Initial release
// 02/10/2011        SOH Madgwick        Optimised for reduced CPU load
// 19/02/2012        SOH Madgwick        Magnetometer measurement is normalised
//
//=====================================================================================================

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// Header files

#include "MadgwickAHRS.h"
#include <math.h>

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// Definitions

#define sampleFreq        512.0f                // sample frequency in Hz
#define betaDef                0.1f                // 2 * proportional gain

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// Variable definitions

volatile float beta = betaDef;                                                                // 2 * proportional gain (Kp)
volatile float q0 = 1.0f, q1 = 0.0f, q2 = 0.0f, q3 = 0.0f;        // quaternion of sensor frame relative to auxiliary frame

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// Function declarations

float invSqrt(float x);

//====================================================================================================
// Functions

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// AHRS algorithm update

void MadgwickAHRSupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz) {
        float recipNorm;
        float s0, s1, s2, s3;
        float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
        float hx, hy;
        float _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, _2bx, _2bz, _4bx, _4bz, _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _2q0q2, _2q2q3, q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3;

        // Use IMU algorithm if magnetometer measurement invalid (avoids NaN in magnetometer normalisation)
        if((mx == 0.0f) && (my == 0.0f) && (mz == 0.0f)) {
                MadgwickAHRSupdateIMU(gx, gy, gz, ax, ay, az);
                return;
        }

        // Rate of change of quaternion from gyroscope
        qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
        qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
        qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
        qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);

        // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
        if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {

                // Normalise accelerometer measurement
                recipNorm = invSqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
                ax *= recipNorm;
                ay *= recipNorm;
                az *= recipNorm;   

                // Normalise magnetometer measurement
                recipNorm = invSqrt(mx * mx + my * my + mz * mz);
                mx *= recipNorm;
                my *= recipNorm;
                mz *= recipNorm;

                // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
                _2q0mx = 2.0f * q0 * mx;
                _2q0my = 2.0f * q0 * my;
                _2q0mz = 2.0f * q0 * mz;
                _2q1mx = 2.0f * q1 * mx;
                _2q0 = 2.0f * q0;
                _2q1 = 2.0f * q1;
                _2q2 = 2.0f * q2;
                _2q3 = 2.0f * q3;
                _2q0q2 = 2.0f * q0 * q2;
                _2q2q3 = 2.0f * q2 * q3;
                q0q0 = q0 * q0;
                q0q1 = q0 * q1;
                q0q2 = q0 * q2;
                q0q3 = q0 * q3;
                q1q1 = q1 * q1;
                q1q2 = q1 * q2;
                q1q3 = q1 * q3;
                q2q2 = q2 * q2;
                q2q3 = q2 * q3;
                q3q3 = q3 * q3;

                // Reference direction of Earth's magnetic field
                hx = mx * q0q0 - _2q0my * q3 + _2q0mz * q2 + mx * q1q1 + _2q1 * my * q2 + _2q1 * mz * q3 - mx * q2q2 - mx * q3q3;
                hy = _2q0mx * q3 + my * q0q0 - _2q0mz * q1 + _2q1mx * q2 - my * q1q1 + my * q2q2 + _2q2 * mz * q3 - my * q3q3;
                _2bx = sqrt(hx * hx + hy * hy);
                _2bz = -_2q0mx * q2 + _2q0my * q1 + mz * q0q0 + _2q1mx * q3 - mz * q1q1 + _2q2 * my * q3 - mz * q2q2 + mz * q3q3;
                _4bx = 2.0f * _2bx;
                _4bz = 2.0f * _2bz;

                // Gradient decent algorithm corrective step
                s0 = -_2q2 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q1 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - _2bz * q2 * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-_2bx * q3 + _2bz * q1) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + _2bx * q2 * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
                s1 = _2q3 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q0 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - 4.0f * q1 * (1 - 2.0f * q1q1 - 2.0f * q2q2 - az) + _2bz * q3 * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (_2bx * q2 + _2bz * q0) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (_2bx * q3 - _4bz * q1) * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
                s2 = -_2q0 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q3 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - 4.0f * q2 * (1 - 2.0f * q1q1 - 2.0f * q2q2 - az) + (-_4bx * q2 - _2bz * q0) * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (_2bx * q1 + _2bz * q3) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (_2bx * q0 - _4bz * q2) * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
                s3 = _2q1 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q2 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) + (-_4bx * q3 + _2bz * q1) * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-_2bx * q0 + _2bz * q2) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + _2bx * q1 * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
                recipNorm = invSqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
                s0 *= recipNorm;
                s1 *= recipNorm;
                s2 *= recipNorm;
                s3 *= recipNorm;

                // Apply feedback step
                qDot1 -= beta * s0;
                qDot2 -= beta * s1;
                qDot3 -= beta * s2;
                qDot4 -= beta * s3;
        }

        // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
        q0 += qDot1 * (1.0f / sampleFreq);
        q1 += qDot2 * (1.0f / sampleFreq);
        q2 += qDot3 * (1.0f / sampleFreq);
        q3 += qDot4 * (1.0f / sampleFreq);

        // Normalise quaternion
        recipNorm = invSqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
        q0 *= recipNorm;
        q1 *= recipNorm;
        q2 *= recipNorm;
        q3 *= recipNorm;
}

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// IMU algorithm update

void MadgwickAHRSupdateIMU(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az) {
        float recipNorm;
        float s0, s1, s2, s3;
        float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
        float _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2 ,_8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3;

        // Rate of change of quaternion from gyroscope
        qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
        qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
        qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
        qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);

        // Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
        if(!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {

                // Normalise accelerometer measurement
                recipNorm = invSqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
                ax *= recipNorm;
                ay *= recipNorm;
                az *= recipNorm;   

                // Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
                _2q0 = 2.0f * q0;
                _2q1 = 2.0f * q1;
                _2q2 = 2.0f * q2;
                _2q3 = 2.0f * q3;
                _4q0 = 4.0f * q0;
                _4q1 = 4.0f * q1;
                _4q2 = 4.0f * q2;
                _8q1 = 8.0f * q1;
                _8q2 = 8.0f * q2;
                q0q0 = q0 * q0;
                q1q1 = q1 * q1;
                q2q2 = q2 * q2;
                q3q3 = q3 * q3;

                // Gradient decent algorithm corrective step
                s0 = _4q0 * q2q2 + _2q2 * ax + _4q0 * q1q1 - _2q1 * ay;
                s1 = _4q1 * q3q3 - _2q3 * ax + 4.0f * q0q0 * q1 - _2q0 * ay - _4q1 + _8q1 * q1q1 + _8q1 * q2q2 + _4q1 * az;
                s2 = 4.0f * q0q0 * q2 + _2q0 * ax + _4q2 * q3q3 - _2q3 * ay - _4q2 + _8q2 * q1q1 + _8q2 * q2q2 + _4q2 * az;
                s3 = 4.0f * q1q1 * q3 - _2q1 * ax + 4.0f * q2q2 * q3 - _2q2 * ay;
                recipNorm = invSqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
                s0 *= recipNorm;
                s1 *= recipNorm;
                s2 *= recipNorm;
                s3 *= recipNorm;

                // Apply feedback step
                qDot1 -= beta * s0;
                qDot2 -= beta * s1;
                qDot3 -= beta * s2;
                qDot4 -= beta * s3;
        }

        // Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
        q0 += qDot1 * (1.0f / sampleFreq);
        q1 += qDot2 * (1.0f / sampleFreq);
        q2 += qDot3 * (1.0f / sampleFreq);
        q3 += qDot4 * (1.0f / sampleFreq);

        // Normalise quaternion
        recipNorm = invSqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
        q0 *= recipNorm;
        q1 *= recipNorm;
        q2 *= recipNorm;
        q3 *= recipNorm;
}

//---------------------------------------------------------------------------------------------------
// Fast inverse square-root
// See: http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_inverse_square_root

float invSqrt(float x) {
        float halfx = 0.5f * x;
        float y = x;
        long i = *(long*)&y;
        i = 0x5f3759df - (i>>1);
        y = *(float*)&i;
        y = y * (1.5f - (halfx * y * y));
        return y;
}

//====================================================================================================
// END OF CODE
//====================================================================================================

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阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!

一只鸟敢站在脆弱的枝条上歇脚,它依仗的不是枝条不会断,而是自己有翅膀,会飞。

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2015-12-23 22:14:38 | 显示全部楼层
之前在别的网站上看的是阉割版的,做出来效果不是很好,这个是原版的

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2015-12-23 22:32:37 | 显示全部楼层
大家可以一起讨论一下

出0入0汤圆

发表于 2015-12-23 22:46:06 | 显示全部楼层
lz给个.txt或者.c的压缩包下载吧,从网页copy偶尔会有失真可能

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2015-12-23 22:49:52 | 显示全部楼层
lcptw 发表于 2015-12-23 22:46
lz给个.txt或者.c的压缩包下载吧,从网页copy偶尔会有失真可能

ok~~~~~~~~~~~~~~~~

出0入0汤圆

发表于 2015-12-23 23:38:19 | 显示全部楼层
楼主,这个实际用起来效果怎么样呢?飞的稳不?...我用过没融合地磁的,测试的时候,慢慢转动四轴,角度是对的,飞机震动起来的时候,角度就明显错了,楼主知道是什么原因吗?

出105入79汤圆

发表于 2015-12-24 00:24:19 | 显示全部楼层
你这个是梯度下降版本的,你说的以前的是PI误差补偿版本。

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2015-12-24 08:39:51 | 显示全部楼层
qwe2231695 发表于 2015-12-24 00:24
你这个是梯度下降版本的,你说的以前的是PI误差补偿版本。

谢谢大神

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2015-12-24 08:43:16 | 显示全部楼层
945595199 发表于 2015-12-23 23:38
楼主,这个实际用起来效果怎么样呢?飞的稳不?...我用过没融合地磁的,测试的时候,慢慢转动四轴,角度是对 ...

我认为是滤波器发散了~~~,之前也是不知道原因,后来反复尝试认为是这个原因, yaw轴单独一组四元素推就行,不要引入滤波,直接用四元数微分方程推,实践后发现怎么震动都不会有问题了。

出0入0汤圆

 楼主| 发表于 2015-12-24 08:45:54 | 显示全部楼层
qwe2231695 发表于 2015-12-24 00:24
你这个是梯度下降版本的,你说的以前的是PI误差补偿版本。

我尝试了pi补偿的版本,yaw轴的效果不是很好,数据在正负3度左右浮动,当然我觉得多半是我搞错了 现在这个梯度下降的没有弄明白呢
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