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#include "attitude.h"
/*******************************************************************************
* Function Name : init_quaternion
* Description : 算出初始化四元数q0 q1 q2 q3.
* Input : None
* Output : None
* Return : None
*******************************************************************************/
void init_quaternion(quaternion_struct *quaternion)
{
// unsigned long sensor_timestamp;
unsigned long timestamp;
// unsigned char more;
// long quat[4];
short gy[3], ac[3], ma[3];
float init_Yaw, init_Pitch, init_Roll;
float init_ax, init_ay, init_az, init_mx, init_my, init_mz;
int i;
//循环20次是因为第一次执行dmp_read_fifo时,无法进入if(sensors & INV_XYZ_ACCEL),需要多循环几次
//计算初始四元数时,没有用到陀螺仪的数据
for(i=0;i<20;i++)
{
// dmp_read_fifo(gyro, accel, quat, &sensor_timestamp, &sensors, &more);
//尝试不从dmp读取,直接从MPU6050的寄存器读取
mpu_get_gyro_reg(gy, 0);
mpu_get_accel_reg(ac, 0);
//Accel_4_Scale_Factor是8192。
//8192即2的13次方,是因为传感器输出值为short类型,从负到正有2^16次方的范围,而加速度的测量范围是正负4g,因此2^16除以8等于8192。
init_ax=(float)(ac[0] / Accel_4_Scale_Factor); //单位转化成重力加速度的单位:g
init_ay=(float)(ac[1] / Accel_4_Scale_Factor);
init_az=(float)((ac[2]+600) / Accel_4_Scale_Factor);
// printf("\r\n ax=%f, ay=%f, az=%f\r\n", init_ax, init_ay, init_az);
mpu_set_bypass(1); //开启bypass,必须有这句代码
mpu_get_compass_reg(ma, ×tamp); //读取compass数据
//进行x y轴的校准,未对z轴进行校准,参考MEMSense的校准方法
// init_mx =(float)mag[1]-8;
// init_my =(float)1.046632f*mag[0]-1.569948f;
// init_mz =(float)-mag[2];
init_mx =(float)1.046632f*ma[0]-1.569948f;
init_my =(float)ma[1]-8;
init_mz =(float)ma[2];
mpu_set_bypass(0); //关闭bypass,必须有这句代码 //关闭bypass,必须有这句代码
// printf(" mx=%f, my=%f, mz=%f \n\r", init_mx, init_my, init_mz);
}//end of for
#if defined ZXY
//陀螺仪y轴为前进方向,因为绕Y轴旋转的角是roll,绕前进方向轴旋转当然是横滚角了。
init_Roll = -atan2(init_ax, init_az); //算出的单位是弧度,如需要观察则应乘以57.3转化为角度
// init_Pitch = asin(init_ay/(init_ay*init_ay+init_az*init_az)); //init_Pitch = asin(ay / 1);
init_Pitch = asin(init_ay);
init_Yaw = -atan2(init_mx*cos(init_Roll) + init_my*sin(init_Roll)*sin(init_Pitch) + init_mz*sin(init_Roll)*cos(init_Pitch),
init_my*cos(init_Pitch) - init_mz*sin(init_Pitch));//类似于atan2(my, mx),其中的init_Roll和init_Pitch是弧度
if(init_Yaw < 0){init_Yaw = init_Yaw + 2*M_PI;}
if(init_Yaw > 2*M_PI){init_Yaw = init_Yaw - 2*M_PI;}
//将初始化欧拉角转换成初始化四元数,注意sin(a)的位置的不同,可以确定绕xyz轴转动是Pitch还是Roll还是Yaw,按照zyx顺序旋转,Qzyx=Qz*Qy*Qx,其中的init_YawRollPtich是角度
quaternion->w = cos(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw) - sin(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw); //w
quaternion->xi = cos(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw) - sin(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw); //x 绕x轴旋转是pitch
quaternion->yj = sin(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw) + cos(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw); //y 绕y轴旋转是roll
quaternion->zk = cos(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw) + sin(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw); //z 绕z轴旋转是Yaw
#elif defined ZYX
//陀螺仪x轴为前进方向
init_Roll = atan2(init_ay, init_az);
//init_ax有可能大于1,这样一来,不就是有问题了?关注上面的打印值
//明天这个做一下实验
init_Pitch = -asin(init_ax); //init_Pitch = asin(ax / 1);
init_Yaw = -atan2(init_mx*cos(init_Roll) + init_my*sin(init_Roll)*sin(init_Pitch) + init_mz*sin(init_Roll)*cos(init_Pitch),
init_my*cos(init_Pitch) - init_mz*sin(init_Pitch)); //atan2(mx, my);
if(init_Yaw < 0){init_Yaw = init_Yaw + 2*M_PI;}
if(init_Yaw > 2*M_PI){init_Yaw = init_Yaw - 2*M_PI;}
//绕X轴是roll是fai,绕Y轴是pitch是theta,yaw是psi
quaternion->w = cos(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw) + sin(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw); //w
quaternion->xi = sin(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw) - cos(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw); //x 绕x轴旋转是roll
quaternion->yj = cos(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw) + sin(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw); //y 绕y轴旋转是pitch
quaternion->zk = cos(0.5f*init_Roll)*cos(0.5f*init_Pitch)*sin(0.5f*init_Yaw) - sin(0.5f*init_Roll)*sin(0.5f*init_Pitch)*cos(0.5f*init_Yaw); //z 绕z轴旋转是Yaw
#endif
printf("初始化四元数:Yaw=%f, Pitch=%f, Roll=%f, q0=%f, q1=%f, q2=%f, q3=%f",
init_Yaw, init_Pitch, init_Roll, quaternion->w, quaternion->xi, quaternion->yj, quaternion->zk);
}
/***************************************************************************************************************************************
* Function Name : AHRSupdate
* Description : accel gyro mag的融合算法,源自S.O.H. Madgwick
* Input : None
* Output : None
* Return : None
// q0 q1 q2 q3需要初始化才能带入到下面的程序中,不能直接使用1 0 0 0进行下面的计算,整个步骤为:
// 1.首先校准accle gyro mag;
// 2.调用init_quaternion,根据1中accle的xyz轴数据,并利用公式计算出初始化欧拉角,
// 其中ACCEL_1G=9.81,单位都是m/s2,而init_Yaw可以用磁力计计算出来;
// 3.根据自己的采样周期,来调整halfT,halfT=采样周期/2,采样周期为执行1次AHRSupdate所用的时间;
// 4.将2中计算出的欧拉角转化为初始化的四元数q0 q1 q2 q3,融合加速度计,陀螺仪,算出更新后的欧拉角pitch和roll,
然后使用pitch roll和磁力计的数据进行互补滤波融合得到Yaw,即可使用,但是欧拉角有奇点;
// 5.或直接使用四元数;
// 6.重复4,即可更新姿态;
//总的来说,核心是陀螺仪,加速度计用来修正补偿Pitch和Roll,磁力计用来修正补偿Yaw;
//以下程序中,gx, gy, gz单位为弧度/s,ax, ay, az为加速度计输出的原始16进制数据, mx, my, mz为磁力计输出的原始16进制数据;
//前进方向:mpu9150的加速度计和陀螺仪的x轴为前进方向;
//以下程序采用的参考方向为:mpu9150的加速度计和陀螺仪所指的xyz方向为正方向;
//在量程为正负500度/s的前提下,陀螺仪的灵敏度是65.5LSB/度/s,所以把陀螺仪输出的十六进制数据除以65.5就是角速度,单位是°/s,
//然后再除以57.3就变成弧度制;(1弧度=180/pi=57.3度)
//欧拉角单位为弧度radian,乘以57.3以后转换为角度,0<yaw<360, -90<pitch<+90, -180<roll<180
//AHRS算法目前效果是最好,最稳定,但也有两个缺点,2:在剧烈改变Yaw时,此时Roll会跟着出现不合理的改变,缓慢改变Yaw则没事
***************************************************************************************************************************************/
void AHRSupdate(matrix *gyro, matrix *accel, matrix *mag, quaternion_struct *quaternion)
{
float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0; // scaled integral error
float norm, halfT;
float hx, hy, hz, by, bz;
// float bx;
float vx, vy, vz, wx, wy, wz;
float ex, ey, ez;
// float qa, qb, qc;
/*方便之后的程序使用,减少计算时间*/
//auxiliary variables to reduce number of repeated operations,
float q0q0 = (quaternion->w)*(quaternion->w);
float q0q1 = (quaternion->w)*(quaternion->xi);
float q0q2 = (quaternion->w)*(quaternion->yj);
float q0q3 = (quaternion->w)*(quaternion->zk);
float q1q1 = (quaternion->xi)*(quaternion->xi);
float q1q2 = (quaternion->xi)*(quaternion->yj);
float q1q3 = (quaternion->xi)*(quaternion->zk);
float q2q2 = (quaternion->yj)*(quaternion->yj);
float q2q3 = (quaternion->yj)*(quaternion->zk);
float q3q3 = (quaternion->zk)*(quaternion->zk);
/*归一化测量值,加速度计和磁力计的单位是什么都无所谓,因为它们在此被作了归一化处理*/
//normalise the measurements
vector_normalize(accel);
vector_normalize(mag);
/*从机体坐标系的电子罗盘测到的矢量转成地理坐标系下的磁场矢量hxyz(测量值),下面这个是从飞行器坐标系到世界坐标系的转换公式*/
//compute reference direction of flux
hx = 2*(mag->data[0])*(0.5f - q2q2 - q3q3) + 2*(mag->data[1])*(q1q2 - q0q3) + 2*(mag->data[2])*(q1q3 + q0q2);
hy = 2*(mag->data[0])*(q1q2 + q0q3) + 2*(mag->data[1])*(0.5f - q1q1 - q3q3) + 2*(mag->data[2])*(q2q3 - q0q1);
hz = 2*(mag->data[0])*(q1q3 - q0q2) + 2*(mag->data[1])*(q2q3 + q0q1) + 2*(mag->data[2])*(0.5f - q1q1 - q2q2);
/*计算地理坐标系下的磁场矢量bxyz(参考值)。
因为地理地磁水平夹角,我们已知是0度(抛去磁偏角的因素,固定向北),所以by=0,bx=某值
但地理参考地磁矢量在垂直面上也有分量bz,地球上每个地方都是不一样的。
我们无法得知,也就无法用来融合(有更适合做垂直方向修正融合的加速度计),所以直接从测量值hz上复制过来,bz=hz。
磁场水平分量,参考值和测量值的大小应该是一致的(bx*bx) + (by*by)) = ((hx*hx) + (hy*hy))。
因为by=0,所以就简化成(bx*bx) = ((hx*hx) + (hy*hy))。可算出bx。*/
by = sqrtf((hx*hx) + (hy*hy));
// bx = sqrtf((hx*hx) + (hy*hy));
bz = hz;
// estimated direction of gravity and flux (v and w),下面这个是从世界坐标系到飞行器坐标系的转换公式(转置矩阵)
vx = 2*(q1q3 - q0q2);
vy = 2*(q0q1 + q2q3);
vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3;
/*我们把地理坐标系上的磁场矢量bxyz,转到机体上来wxyz。
因为by=0,所以所有涉及到by的部分都被省略了。
类似上面重力vxyz的推算,因为重力g的gz=1,gx=gy=0,所以上面涉及到gxgy的部分也被省略了
你可以看看两个公式:wxyz的公式,把bx换成gx(0),把bz换成gz(1),就变成了vxyz的公式了(其中q0q0+q1q1+q2q2+q3q3=1)。*/
// wx = 2*bx*(0.5f - q2q2 - q3q3) + 2*bz*(q1q3 - q0q2);
// wy = 2*bx*(q1q2 - q0q3) + 2*bz*(q0q1 + q2q3);
// wz = 2*bx*(q0q2 + q1q3) + 2*bz*(0.5f - q1q1 - q2q2);
//TODO,此处还可以做一下实验,看看是不是这里错了,因为原作者坐标中绕Y轴是roll,而我现在是pitch。
wx = 2*by*(q1q2 + q0q3) + 2*bz*(q1q3 - q0q2);
wy = 2*by*(0.5f - q1q1 - q3q3) + 2*bz*(q0q1 + q2q3);
wz = 2*by*(q2q3 - q0q1) + 2*bz*(0.5f - q1q1 - q2q2);
//现在把加速度的测量矢量和参考矢量做叉积,把磁场的测量矢量和参考矢量也做叉积。都拿来来修正陀螺。
// error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensors
ex = ((accel->data[1])*vz - (accel->data[2])*vy) + ((mag->data[1])*wz - (mag->data[2])*wy);
ey = ((accel->data[2])*vx - (accel->data[0])*vz) + ((mag->data[2])*wx - (mag->data[0])*wz);
ez = ((accel->data[0])*vy - (accel->data[1])*vx) + ((mag->data[0])*wy - (mag->data[1])*wx);
// // integral error scaled integral gain
// exInt = exInt + ex*Ki;
// eyInt = eyInt + ey*Ki;
// ezInt = ezInt + ez*Ki;
//
// // adjusted gyroscope measurements
// gx = gx + Kp*ex + exInt;
// gy = gy + Kp*ey + eyInt;
// gz = gz + Kp*ez + ezInt;
halfT=GET_NOWTIME();
if(ex != 0.0f && ey != 0.0f && ez != 0.0f) //很关键的一句话,原算法没有
{
// integral error scaled integral gain
exInt = exInt + ex*Ki * halfT; //乘以采样周期的一半
eyInt = eyInt + ey*Ki * halfT;
ezInt = ezInt + ez*Ki * halfT;
// adjusted gyroscope measurements
gyro->data[0] += Kp*ex + exInt;
gyro->data[1] += Kp*ey + eyInt;
gyro->data[2] += Kp*ez + ezInt;
}
// integrate quaternion rate and normalise,四元数更新算法
//此处明显有错误,后面用的q0就不是之前的q0了,(此处有待商榷)
// qa = q0;
// qb = q1;
// qc = q2;
// q0 = q0 + (-qb*gx - qc*gy - q3*gz)*halfT;
// q1 = q1 + (qa*gx + qc*gz - q3*gy)*halfT;
// q2 = q2 + (qa*gy - qb*gz + q3*gx)*halfT;
// q3 = q3 + (qa*gz + qb*gy - qc*gx)*halfT;
quaternion->w += (-(quaternion->xi)*(gyro->data[0]) - (quaternion->yj)*(gyro->data[1]) - (quaternion->zk)*(gyro->data[2]))*halfT;
quaternion->xi += ((quaternion->w)*(gyro->data[0]) + (quaternion->yj)*(gyro->data[2]) - (quaternion->zk)*(gyro->data[1]))*halfT;
quaternion->yj += ((quaternion->w)*(gyro->data[1]) - (quaternion->xi)*(gyro->data[2]) + (quaternion->zk)*(gyro->data[0]))*halfT;
quaternion->zk += ((quaternion->w)*(gyro->data[2]) + (quaternion->xi)*(gyro->data[1]) - (quaternion->yj)*(gyro->data[0]))*halfT;
// normalise quaternion
norm = invSqrt((quaternion->w)*(quaternion->w) + (quaternion->xi)*(quaternion->xi) + (quaternion->yj)*(quaternion->yj) + (quaternion->zk)*(quaternion->zk));
(quaternion->w) = (quaternion->w) * norm; //w
(quaternion->yj) = (quaternion->yj) * norm; //x
(quaternion->xi) = (quaternion->xi) * norm; //y
(quaternion->zk) = (quaternion->zk) * norm; //z
quater_to_euler(quaternion);
}
void quater_to_euler(quaternion_struct *quaternion)
{
///*由四元数计算出Pitch Roll Yaw
//乘以57.3是为了将弧度转化为角度*/
float roll, pitch, yaw = 0.0f;
float q0 = (quaternion->w);
float q1 = (quaternion->xi);
float q2 = (quaternion->yj);
float q3 = (quaternion->zk);
#if defined ZXY
//某种坐标系下,绕X轴是pitch是theta,绕Y轴是roll是fai,yaw是psi
yaw = -atan2(2*q1*q2 - 2*q0*q3, -2 * q1 * q1 - 2 * q3 * q3 + 1) * rad_to_deg; //偏航角,绕z轴转动
if(yaw < 0 ){Yaw = Yaw + 360;}
if(yaw > 360 ){Yaw = Yaw - 360;}
pitch = asin(2*q2*q3 + 2*q0*q1) * rad_to_deg; //俯仰角,绕x轴转动
roll = -atan2(-2*q0*q2 + 2*q1*q3, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1) * rad_to_deg; //滚动角,绕y轴转动
#elif defined ZYX
//某种坐标系下,绕绕X轴是roll是theta,Y轴是pitch是fai,,yaw是psi
pitch = -asin(-2*q0*q2 + 2*q1*q3) * rad_to_deg; //俯仰角,绕y轴转动
roll = atan2(2*q2*q3 + 2*q0*q1,-2*q1*q1 - 2*q2*q2 + 1) * rad_to_deg; //滚动角,绕x轴转动
yaw = atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * (float)rad_to_deg;
if(yaw < 0 ){yaw = yaw + 360;}
if(yaw > 360 ){yaw = yaw - 360;}
#endif
/*最初的由四元数计算出Pitch Roll Yaw
Roll=-arctan2(-2wy+2xz, 1-2xx-2yy);
Pitch=arcsin(2wy-2zx);
Yaw=-arctan2(-2wz+2xy, 1-2yy-2zz);
1=q0*q0+q1*q1+q2*q2+q3*q3;
乘以57.3是为了将弧度转化为角度*/
printf("\r\nPitch = %f度 Roll = %f度 Yaw = %f度 ", pitch, roll, yaw);
}
///*******************************************************************************
//* Function Name : IMUupdate
//* Description : accel gyro mag的融合算法,源自S.O.H. Madgwick.
//* Input : None
//* Output : None
//* Return : None
//// q0 q1 q2 q3需要初始化才能代入到下面的程序中,不能直接使用1 0 0 0进行下面的计算,整个步骤为:
//// 1.首先校准accle gyro mag;
//// 2.调用init_quaternion,根据1中accle的xyz轴数据,并利用公式计算出初始化欧拉角,
//// 其中ACCEL_1G=9.81,单位都是m/s2,而init_Yaw可以用磁力计计算出来;
//// 3.根据自己的采样周期,来调整halfT,halfT=采样周期/2,采样周期为执行1次AHRSupdate所用的时间;
//// 4.将2中计算出的欧拉角转化为初始化的四元数q0 q1 q2 q3,融合加速度计,陀螺仪,算出更新后的欧拉角pitch和roll,
// 然后使用pitch roll和磁力计的数据进行互补滤波融合得到Yaw,即可使用,但是欧拉角有奇点;
//// 5.或直接使用四元数;
//// 6.重复4,即可更新姿态;
////总的来说,核心是陀螺仪,加速度计用来修正补偿Pitch和Roll,磁力计用来修正补偿Yaw;
////以下程序中,gx, gy, gz单位为弧度/s,ax, ay, az为加速度计输出的原始16进制数据, mx, my, mz为磁力计输出的原始16进制数据;
////前进方向:mpu9150的加速度计和陀螺仪的x轴为前进方向;
////以下程序采用的参考方向为:mpu9150的加速度计和陀螺仪所指的xyz方向为正方向;
////在量程为正负500度/s的前提下,陀螺仪的灵敏度是65.5LSB/度/s,所以把陀螺仪输出的十六进制数据除以65.5就是角速度,单位是°/s,
////然后再除以57.3就变成弧度制;(1弧度=180/pi=57.3度)
////欧拉角单位为弧度radian,乘以57.3以后转换为角度
//*******************************************************************************/
void IMUupdate(matrix *gyro, matrix *accel, matrix *mag, quaternion_struct *quaternion, float *yaw, float halfT)
{
float norm;
float vx, vy, vz;
float ex, ey, ez;
float q0, q1, q2, q3;
// float q0, q1, q2, q3, qa, qb, qc, qd;
float roll, pitch = 0.0f;
float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0; // scaled integral error
//auxiliary variables to reduce number of repeated operations,
float q0q0 = (quaternion->w)*(quaternion->w);
float q0q1 = (quaternion->w)*(quaternion->xi);
float q0q2 = (quaternion->w)*(quaternion->yj);
float q1q1 = (quaternion->xi)*(quaternion->xi);
float q1q3 = (quaternion->xi)*(quaternion->zk);
float q2q2 = (quaternion->yj)*(quaternion->yj);
float q2q3 = (quaternion->yj)*(quaternion->zk);
float q3q3 = (quaternion->zk)*(quaternion->zk);
/*归一化测量值,加速度计和磁力计的单位是什么都无所谓,因为它们在此被作了归一化处理*/
//normalise the measurements
//axyz是机体坐标参照系上,加速度计测出来的重力向量,也就是实际测出来的重力
//向量
vector_normalize(accel);
//vx,vy,vz其实就是上一次的欧拉角(四元数)的机体坐标参考系
//换算出来的重力的单位向量
//奇怪了,原版算法中,都用的是halfvx, halfvy, halfvz。两个算法都有这个区别
vx = 2*(q1q3 - q0q2);
vy = 2*(q0q1 + q2q3);
vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3;
//现在把加速度的测量矢量和参考矢量做叉积,把磁场的测量矢量和参考矢量也做叉积。都拿来来修正陀螺。
// error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensors
//axyz和vxyz都是机体坐标参照系上的重力向量,那它们之间的误差,就是陀螺
//积分后的姿态和加速度计测出来的姿态之间的误差
//向量间的误差,可以用向量叉积来表示,exyz就是两个重力向量的叉积
// vx\vy\vz就是上一轮惯性姿态角测量结果
ex = ((accel->data[1])*vz - (accel->data[2])*vy);
ey = ((accel->data[2])*vx - (accel->data[0])*vz);
ez = ((accel->data[0])*vy - (accel->data[1])*vx);
//以下的计算是在用叉积误差来做PI修正陀螺零偏
// integral error scaled integral gain
exInt = exInt + ex*Ki;
eyInt = eyInt + ey*Ki;
ezInt = ezInt + ez*Ki;
// adjusted gyroscope measurements
gyro->data[0] += Kp*ex + exInt;
gyro->data[1] += Kp*ey + eyInt;
gyro->data[2] += Kp*ez + ezInt;
// halfT=GET_NOWTIME();
// halfT = (0xFFFFFF-get_systick_val())/21000000.0f;
// start_systick(0xFFFFFF);
// printf("halfT: %f", halfT);
// integrate quaternion rate and normalise,四元数更新算法,一阶龙格-库塔法
//还是以陀螺仪数据为准,加速度计的数据是用来修正陀螺仪的数据
//在循环中不断更新四元数,然后就得出了不断更新的
// qa = quaternion->w;
// qb = quaternion->xi;
// qc = quaternion->yj;
// qd = quaternion->zk;
// quaternion->w += (-qb*gyro->data[0] - qc*gyro->data[1] - qd*gyro->data[2])*halfT;
// quaternion->xi += (qa*gyro->data[0] - qd*gyro->data[1] + qc*gyro->data[2])*halfT;
// quaternion->yj += (qa*gyro->data[1] + qd*gyro->data[0] - qb*gyro->data[2])*halfT;
// quaternion->zk += (qa*gyro->data[2] - qc*gyro->data[0] + qb*gyro->data[1])*halfT;
halfT = halfT/2.0f;
quaternion->w += (-(quaternion->xi)*(gyro->data[0]) - (quaternion->yj)*(gyro->data[1]) - (quaternion->zk)*(gyro->data[2]))*halfT;
quaternion->xi += ((quaternion->w)*(gyro->data[0]) + (quaternion->yj)*(gyro->data[2]) - (quaternion->zk)*(gyro->data[1]))*halfT;
quaternion->yj += ((quaternion->w)*(gyro->data[1]) - (quaternion->xi)*(gyro->data[2]) + (quaternion->zk)*(gyro->data[0]))*halfT;
quaternion->zk += ((quaternion->w)*(gyro->data[2]) + (quaternion->xi)*(gyro->data[1]) - (quaternion->yj)*(gyro->data[0]))*halfT;
// normalise quaternion
norm = invSqrt((quaternion->w)*(quaternion->w) + (quaternion->xi)*(quaternion->xi) + (quaternion->yj)*(quaternion->yj) + (quaternion->zk)*(quaternion->zk));
(quaternion->w) = (quaternion->w) * norm; //w
(quaternion->yj) = (quaternion->yj) * norm; //x
(quaternion->xi) = (quaternion->xi) * norm; //y
(quaternion->zk) = (quaternion->zk) * norm; //z
//
////0.9和0.1是修正系数,其中5.73=0.1*rad_to_deg,乘以57.3是为了将弧度转化为角度,该公式意思是将磁力计的长期准确度和
////陀螺仪的高灵敏度进行互补滤波,即对陀螺仪的数据进行高通滤波,对磁力计的数据进行低通滤波,再相加
/*由四元数计算出Pitch Roll Yaw
Roll=arctan2(2wx+2yz, 1-2xx-2yy);
Pitch=arcsin(2wy-2zx);
Yaw=arctan2(2wz+2xy, 1-2yy-2zz);
1=q0*q0+q1*q1+q2*q2+q3*q3;*/
//由四元数计算出Pitch Roll Yaw,乘以57.3是为了将弧度转化为角度
q0 = quaternion->w;
q1 = quaternion->xi;
q2 = quaternion->yj;
q3 = quaternion->zk;
#if defined ZXY
pitch = asin(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1); //俯仰角,绕x轴转动
roll = -atan2(2 * q1 * q3 - 2 * q0 * q2, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1); //滚动角,绕y轴转动
//乘以57.3是为了将弧度转化为角度
//q0是w,q1是x,q2是y,q3是z
#elif defined ZYX
pitch = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0 * q2); //俯仰角,绕y轴转动
roll = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1); //滚动角,绕x轴转动
#endif
//陀螺仪在短时间内有用,长时间的积分会有误差,而加速度计刚好反过来,短时间内不可靠
//,但是长时间的积分结果就比较准确
//0.9和0.1是修正系数,其中5.73=0.1*57.3,乘以57.3是为了将弧度转化为角度,该公式意思是将磁力计的长期准确度和
//陀螺仪的高灵敏度进行互补滤波,即对陀螺仪的数据进行高通滤波,对磁力计的数据进行低通滤波,再相加
//滚动角,绕y轴转动
// Yaw = (0.9f * (Yaw + init_gz*2*halfT) + 5.73f * atan2(init_mx*cos(Roll) + init_my*sin(Roll)*sin(Pitch) + init_mz*sin(Roll)*cos(Pitch), init_my*cos(Pitch) - init_mz*sin(Pitch)));
//滚动角,绕x轴转动,这种融合办法虽然不会漂移,但是到+-170之后,就会剧烈波动,相比AHRS差远了
//之所以和上面一行代码是一样的,是因为init_mx和init_my已经变换过了
*yaw = (0.9f * (*yaw + (gyro->data[2])*2*halfT*57.3f) + 5.73f * atan2((mag->data[0])*cos(roll) + (mag->data[1])*sin(roll)*sin(pitch) + (mag->data[2])*sin(roll)*cos(pitch), (mag->data[1])*cos(pitch) - (mag->data[2])*sin(pitch)));
pitch = pitch * (float)rad_to_deg;
roll = roll * (float)rad_to_deg;
//试一下另一个方案,即不使用磁力计的数据
//试过之后,这个的Yaw会漂移。。。
// Yaw = atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * (float)rad_to_deg;
// printf("q0=%f, q1=%f, q2=%f, q3=%f, Yaw=%f, Pitch=%f, Roll=%f \n\r", q0, q1, q2, q3, Yaw, Pitch, Roll);
printf("\r\nPitch=%f度 Roll=%f度 Yaw=%f度 ", pitch, roll, *yaw);
}
void transform_data(short *gyro, short* accel, matrix *gyro_mat, matrix *accel_mat, float *bias){
//在量程为正负500度/s的前提下,陀螺仪的灵敏度是65.5LSB/度/s,即Gyro_500_Scale_Factor,所以把陀螺仪输出的十六进制数据除以65.5就是角速度,单位是°/s,
//然后再除以57.3就变成弧度制;(1弧度=180/pi=57.3度)
//计算初始化四元数时,没有用到陀螺仪的数据
gyro_mat->data[0] = (float)(((float)gyro[0]-bias[0]) / (Gyro_500_rad_Scale_Factor)); //单位转化成:弧度/s
gyro_mat->data[1] = (float)(((float)gyro[1]-bias[1]) / (Gyro_500_rad_Scale_Factor));
gyro_mat->data[2] = (float)(((float)gyro[2]-bias[2]) / (Gyro_500_rad_Scale_Factor));
//此处这些加速度计的数据没有像计算初始化四元数的时候那样处理,因为不需要,后面都归一化了
// accel_mat->data[0] = (float)accel[0];
// accel_mat->data[1] = (float)accel[1];
// accel_mat->data[2] = (float)accel[2];
accel_mat->data[0] = (float)(accel[0]/Accel_4_M_Scale_Factor); //单位转化成重力加速度的单位:m/s2
accel_mat->data[1] = (float)(accel[1]/Accel_4_M_Scale_Factor);
accel_mat->data[2] = (float)((accel[2])/Accel_4_M_Scale_Factor);
}
void transform_data_better(short *gyro, short* accel, matrix *gyro_mat, matrix *accel_mat, float *gyro_bias, float *acc_bias){
//在量程为正负500度/s的前提下,陀螺仪的灵敏度是65.5LSB/度/s,即Gyro_500_Scale_Factor,所以把陀螺仪输出的十六进制数据除以65.5就是角速度,单位是°/s,
//然后再除以57.3就变成弧度制;(1弧度=180/pi=57.3度)
//计算初始化四元数时,没有用到陀螺仪的数据
gyro_mat->data[0] = (((float)gyro[0]-gyro_bias[0]) / (Gyro_500_rad_Scale_Factor)); //单位转化成:弧度/s
gyro_mat->data[1] = (((float)gyro[1]-gyro_bias[1]) / (Gyro_500_rad_Scale_Factor));
gyro_mat->data[2] = (((float)gyro[2]-gyro_bias[2]) / (Gyro_500_rad_Scale_Factor));
//此处这些加速度计的数据没有像计算初始化四元数的时候那样处理,因为不需要,后面都归一化了
// accel_mat->data[0] = (float)accel[0];
// accel_mat->data[1] = (float)accel[1];
// accel_mat->data[2] = (float)accel[2];
accel_mat->data[0] = (((float)accel[0]-acc_bias[0])/Accel_4_M_Scale_Factor); //单位转化成重力加速度的单位:m/s2
accel_mat->data[1] = (((float)accel[1]-acc_bias[1])/Accel_4_M_Scale_Factor);
accel_mat->data[2] = (((float)accel[2]-acc_bias[2])/Accel_4_M_Scale_Factor);
}
void gyro_calibrate(float *gyro_bias){
short gyro[3];
int last_gyro[3], change_gyro[3];
short flag_calib_failed = 1;
int i = 0;
int j = 0;
for(j=0;j<200;j++){
mpu_get_gyro_reg(gyro, 0);
}
for(j=0;j<3;j++){
gyro_bias[j]=0.0f;
}
while(flag_calib_failed){
// printf("i: %d", i);
// printf("gyro 0: %f", gyro_bias[0]);
// printf("gyro 1: %f", gyro_bias[1]);
// printf("gyro 2: %f\n\n", gyro_bias[2]);
if (i<200){
mpu_get_gyro_reg(gyro, 0);
if(i==0){
for(j=0;j<3;j++){
last_gyro[j]=gyro[j];
}
}
for(j=0;j<3;j++){
change_gyro[j]+=abs(gyro[j]-last_gyro[j]);
}
for(j=0;j<3;j++){
last_gyro[j]=gyro[j];
}
for(j=0;j<3;j++){
// printf("gyro 0: %f\n", gyro_bias[j]);
// printf("gyro 0: %d\n", gyro[j]);
gyro_bias[j]+=(float)gyro[j];
// printf("gyro 0: %f\n", gyro_bias[j]);
}
i++;
}else{
if(change_gyro[0]>500||change_gyro[1]>500||change_gyro[2]>500){
flag_calib_failed = 1;
i=0;
for(j=0;j<3;j++){
gyro_bias[j]=0.0f;
change_gyro[j]=0;
}
}else{
flag_calib_failed=0;
}
}
}
for(j=0;j<3;j++){
// printf("gyro_bias: %f\n", gyro_bias[j]);
gyro_bias[j]*=0.005f;
// printf("gyro_bias small: %f\n", gyro_bias[j]);
}
}
// 确定每个加速度计的常值偏移过程:先使用U3的数据进行姿态解算,算出姿态后,就可以通过解重力分量方程,解出每个轴上的常值偏移
void acc_calibrate(float *acc_bias, float *gyro_bias){
short gyro[3], accel[3];
int accel_zero[3];
float halfT;
short ax_g, ay_g, az_g;
short j;
int last_acc[3], change_acc[3];
short flag_calib_failed = 1;
short i = 0;
matrix *gyro_mat = matrix_init(3, 1);
matrix *accel_mat = matrix_init(3, 1);
// 先读取数据,缓冲一下,以提高数据的平稳性
for(j=0;j<200;j++){
mpu_get_gyro_reg(gyro, 0);
mpu_get_accel_reg(accel, 0);
}
for(j=0;j<3;j++){
acc_bias[j]=0.0f;
}
DCM_IMU_uC_init_m(DEFAULT_g0, NULL, NULL, DEFAULT_q_dcm2, DEFAULT_q_gyro_bias2, DEFAULT_q_dcm2_init, DEFAULT_q_gyro_bias2_init, DEFAULT_r_acc2, DEFAULT_r_a2);
while(flag_calib_failed){
// printf("i: %d", i);
// printf("gyro 0: %f", gyro_bias[0]);
// printf("gyro 1: %f", gyro_bias[1]);
// printf("gyro 2: %f\n\n", gyro_bias[2]);
if (i<200){
mpu_get_accel_reg(accel, 0);
mpu_get_gyro_reg(gyro, 0);
transform_data(gyro, accel, gyro_mat, accel_mat, gyro_bias);
halfT = GET_NOWTIME();
updateIMU_m(gyro_mat->data, accel_mat->data, halfT*4.0f);
pitch = getPitch_m();
roll = getRoll_m();
// 化成ADCshort类型的数
ax_g = (short)((-1)*sin(pitch)*DEFAULT_g0*Accel_4_M_Scale_Factor);
ay_g = (short)(cos(pitch)*sin(roll)*DEFAULT_g0*Accel_4_M_Scale_Factor);
az_g = (short)(cos(pitch)*cos(roll)*DEFAULT_g0*Accel_4_M_Scale_Factor);
accel_zero[0]=accel[0]-ax_g;
accel_zero[1]=accel[1]-ay_g;
accel_zero[2]=accel[2]-az_g;
if(i==0){
for(j=0;j<3;j++){
last_acc[j]=accel_zero[j];
}
}
for(j=0;j<3;j++){
change_acc[j]+=abs(accel_zero[j]-last_acc[j]);
}
for(j=0;j<3;j++){
last_acc[j]=accel_zero[j];
}
for(j=0;j<3;j++){
// printf("accel_zero: %d\n", accel_zero[j]);
// printf("gyro 0: %d\n", gyro[j]);
acc_bias[j]+=(float)accel_zero[j];
// printf("gyro 0: %f\n", gyro_bias[j]);
}
i++;
}else{
// printf("change_acc: %d\n", change_acc[0]);
// printf("change_acc: %d\n", change_acc[1]);
// printf("change_acc: %d\n", change_acc[2]);
if(change_acc[0]>1000||change_acc[1]>1000||change_acc[2]>1000){
flag_calib_failed = 1;
i=0;
for(j=0;j<3;j++){
acc_bias[j]=0.0f;
change_acc[j]=0;
}
}else{
flag_calib_failed=0;
// i = 0;
}
}
}
for(j=0;j<3;j++){
// printf("gyro_bias: %f\n", gyro_bias[j]);
acc_bias[j]*=0.005f;
printf("acc_bias: %f\n",acc_bias[j]);
// printf("gyro_bias small: %f\n", gyro_bias[j]);
}
// printf("Pitch=%f度 Roll=%f度 Yaw=%f度\n", getPitch_m()*rad_to_deg, getRoll_m()*rad_to_deg, getYaw_m()*rad_to_deg);
}
void acc_calibrate_horizon(float *acc_bias){
short acc[3];
int last_acc[3], change_acc[3];
short flag_calib_failed = 1;
int i = 0;
int j = 0;
for(j=0;j<200;j++){
mpu_get_accel_reg(acc, 0);
}
for(j=0;j<3;j++){
acc_bias[j]=0.0f;
}
while(flag_calib_failed){
// printf("i: %d", i);
// printf("gyro 0: %f", gyro_bias[0]);
// printf("gyro 1: %f", gyro_bias[1]);
// printf("gyro 2: %f\n\n", gyro_bias[2]);
if (i<200){
mpu_get_accel_reg(acc, 0);
acc[2] = acc[2]-Accel_4_Scale_Factor;
if(i==0){
for(j=0;j<3;j++){
last_acc[j]=acc[j];
}
}
for(j=0;j<3;j++){
change_acc[j]+=abs(acc[j]-last_acc[j]);
}
for(j=0;j<3;j++){
last_acc[j]=acc[j];
}
for(j=0;j<3;j++){
// printf("gyro 0: %f\n", gyro_bias[j]);
// printf("gyro 0: %d\n", gyro[j]);
acc_bias[j]+=(float)acc[j];
// printf("gyro 0: %f\n", gyro_bias[j]);
}
i++;
}else{
if(change_acc[0]>1000||change_acc[1]>1000||change_acc[2]>1000){
flag_calib_failed = 1;
i=0;
for(j=0;j<3;j++){
acc_bias[j]=0.0f;
change_acc[j]=0;
}
}else{
flag_calib_failed=0;
}
}
}
for(j=0;j<3;j++){
// printf("gyro_bias: %f\n", gyro_bias[j]);
acc_bias[j]*=0.005f;
// printf("gyro_bias small: %f\n", gyro_bias[j]);
}
}
void gyro_fusion(matrix *gyro_3, matrix *gyro_2, matrix *gyro_4, matrix *gyro_5, matrix *gyro_6){
// U3绕X轴的角速度和U4绕X轴的角速度、U6绕X轴的角速度应该是一样的,同样的,U3绕Y轴的角速度和U2绕Y轴的角速度、U5绕Y轴的角速度是一样的
// 现将其进行平均处理,以减少噪声
gyro_3->data[0] = (gyro_4->data[0]+gyro_6->data[0]+gyro_3->data[0])/3.0f;
gyro_3->data[1] = (gyro_2->data[1]+gyro_5->data[1]+gyro_3->data[1])/3.0f;
}
// U3和U4和U6的roll是一样的,U3和U2和U5的pitch是一样的,
// 下面用周围四个加速度计的数据去融合中间的陀螺仪z轴角速度数据,四个加速度计的轴不一样,主要是利用离心力
// 对于u2,是y轴正方向的数据,对于u4,是x轴正方向的数据,对于u5,是y轴负方向的数据,对于u6,是x轴负方向的数据
void get_centri_pitch(matrix *acc, float pitch, float *acc_centri){
// ax_g = (-1)*sin(pitch)*DEFAULT_g0;
// ay_g = cos(pitch)*sin(roll)*DEFAULT_g0;
float az_no_bias, cosroll;
float roll;
az_no_bias = acc->data[2];
cosroll = az_no_bias/(DEFAULT_g0*cos(pitch));
cosroll = 1<cosroll?1:cosroll;
// printf("acos: %f\n", az_no_bias/(DEFAULT_g0*cos(pitch)));
roll = acos(cosroll);
// printf("roll: %f\n", roll*rad_to_deg);
*acc_centri = acc->data[1]-DEFAULT_g0*cos(pitch)*sin(roll);
}
// U3和U4和U6的roll是一样的,U3和U2和U5的pitch是一样的,
void get_centri_roll(matrix *acc, float roll, float *acc_centri){
float az_no_bias;
float cospitch;
float pitch;
az_no_bias = acc->data[2];
cospitch = az_no_bias/(DEFAULT_g0*cos(roll));
cospitch = 1<cospitch?1:cospitch;
// printf("acos: %f\n", az_no_bias/(DEFAULT_g0*cos(roll)));
pitch = acos(cospitch);
// printf("pitch: %f\n", pitch*rad_to_deg);
*acc_centri = acc->data[0]+DEFAULT_g0*sin(pitch);
}
////此算法和上面那个算法大概有三个地方是不一样的
//void MahonyAHRSupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz) {
// float recipNorm;
// float q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3;
// float hx, hy, bx, bz;
// float halfvx, halfvy, halfvz, halfwx, halfwy, halfwz;
// float halfex, halfey, halfez;
// float qa, qb, qc;
// float halfT;
// float Pitch, Roll, Yaw;
// // 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
// 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 = 2.0f * (mx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + my * (q1q2 - q0q3) + mz * (q1q3 + q0q2));
// hy = 2.0f * (mx * (q1q2 + q0q3) + my * (0.5f - q1q1 - q3q3) + mz * (q2q3 - q0q1));
// bx = sqrt(hx * hx + hy * hy);
// bz = 2.0f * (mx * (q1q3 - q0q2) + my * (q2q3 + q0q1) + mz * (0.5f - q1q1 - q2q2));
// // Estimated direction of gravity and magnetic field
// halfvx = q1q3 - q0q2;
// halfvy = q0q1 + q2q3;
// halfvz = q0q0 - 0.5f + q3q3;
// halfwx = bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + bz * (q1q3 - q0q2);
// halfwy = bx * (q1q2 - q0q3) + bz * (q0q1 + q2q3);
// halfwz = bx * (q0q2 + q1q3) + bz * (0.5f - q1q1 - q2q2);
//
// // Error is sum of cross product between estimated direction and measured direction of field vectors
// halfex = (ay * halfvz - az * halfvy) + (my * halfwz - mz * halfwy);
// halfey = (az * halfvx - ax * halfvz) + (mz * halfwx - mx * halfwz);
// halfez = (ax * halfvy - ay * halfvx) + (mx * halfwy - my * halfwx);
//
// halfT=GET_NOWTIME();
// // Compute and apply integral feedback if enabled
// if(Ki > 0.0f) {
// exInt += Ki * halfex * halfT * 2.0f; // integral error scaled by Ki
// eyInt += Ki * halfey * halfT * 2.0f;
// ezInt += Ki * halfez * halfT * 2.0f;
// gx += exInt; // apply integral feedback
// gy += eyInt;
// gz += ezInt;
// }
// else {
// exInt = 0.0f; // prevent integral windup
// eyInt = 0.0f;
// ezInt = 0.0f;
// }
// // Apply proportional feedback
// gx += Kp * halfex;
// gy += Kp * halfey;
// gz += Kp * halfez;
// }
//
// // Integrate rate of change of quaternion
// gx *= halfT; // pre-multiply common factors
// gy *= halfT;
// gz *= halfT;
// qa = q0;
// qb = q1;
// qc = q2;
// q0 += (-qb * gx - qc * gy - q3 * gz);
// q1 += (qa * gx + qc * gz - q3 * gy);
// q2 += (qa * gy - qb * gz + q3 * gx);
// q3 += (qa * gz + qb * gy - qc * gx);
//
// // Normalise quaternion
// recipNorm = invSqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
// q0 *= recipNorm;
// q1 *= recipNorm;
// q2 *= recipNorm;
// q3 *= recipNorm;
// //某种坐标系下,绕Y轴是pitch是theta,绕X轴是roll是fai,yaw是psi
// Pitch = asin(-2*q1*q3 + 2*q0*q2) * rad_to_deg; //俯仰角,绕y轴转动
// Roll = atan2(2*q2*q3 + 2*q0*q1,-2*q1*q1 - 2*q2*q2 + 1) * rad_to_deg; //滚动角,绕x轴转动
// Yaw = atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * (float)rad_to_deg;
// if(Yaw < 0 ){Yaw = Yaw + 360;}
// if(Yaw > 360 ){Yaw = Yaw - 360;}
// //乘以57.3是为了将弧度转化为角度*/
// printf("\r\nPitch = %f度 Roll = %f度 Yaw = %f度 ", Pitch, Roll, Yaw);
//}