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2025-11-06 19:24:51 +08:00
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230
apps/earphone/xtell_Sensor/calculate/skiing_tracker.c
View File

@ -1,5 +1,13 @@
/*
动态ZUPT+卡尔曼
动态ZUPT+卡尔曼+巴特沃斯一阶滤波器
针对启动滑雪和停止滑雪，设置不同阈值
启动滑雪和ZUPT更新的陀螺仪方差阈值分开设置
- 启动滑雪的陀螺仪阈值会更宽松一些
原地旋转和ZUPT更新的加速度方差阈值分开设置
- 原地旋转的加速度阈值更宽松
能够从静止状态到变化状态，去根据阈值来判断这个“变化”：进入滑行状态 / 只是原地摆动
- 但是还是不够灵敏
*/
#include "skiing_tracker.h"
#include "../sensor/SC7U22.h"
@ -10,19 +18,46 @@
#define DEG_TO_RAD (3.14159265f / 180.0f)
// --- 算法阈值定义 ---
//两个判断是否静止的必要条件
// 动态零速更新(ZUPT)阈值
#define ZUPT_ACC_VARIANCE_THRESHOLD 0.05f
//两个判断是否静止的必要条件：动态零速更新(ZUPT)阈值
// 加速方差阈值，提高阈值，让“刹车”更灵敏，以便在波浪式前进等慢速漂移时也能触发零速更新
#define ZUPT_ACC_VARIANCE_THRESHOLD 0.2f
// 陀螺仪方差阈值
#define ZUPT_GYR_VARIANCE_THRESHOLD 5.0f
// 旋转/摆动检测阈值：角速度总模长大于此值(度/秒)，认为正在进行非滑雪的旋转或摆动
#define ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD 100.0f
// 启动滑雪阈值：加速度模长与重力的差值大于此值，认为开始运动
#define START_SKIING_ACC_THRESHOLD 1.5f
// 用于原地旋转判断的加速度方差阈值。此值比ZUPT阈值更宽松，
// 以允许原地旋转时身体的正常晃动，但仍能与真实滑行时的剧烈加速度变化区分开。
#define ROTATING_ACC_VARIANCE_THRESHOLD 0.8f
// 用于启动滑雪判断的陀螺仪方差阈值。此值比ZUPT阈值更宽松，
// 以允许启动瞬间的正常抖动，但仍能过滤掉混乱的、非滑雪的晃动。
#define SKIING_GYR_VARIANCE_THRESHOLD 15.0f
// 旋转/摆动检测阈值：角速度总模长大于此值(度/秒)，认为正在进行非滑雪的旋转或摆动
#define ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD 90.0f //测试记录：45.0f、90.0f
// 启动滑雪阈值：加速度模长与重力的差值大于此值，认为开始运动
// 降低阈值，让“油门”更灵敏，以便能捕捉到真实的慢速启动
#define START_SKIING_ACC_THRESHOLD 0.5f
// --- 用于消除积分漂移的滤波器和阈值 ---
// 高通滤波器系数 (alpha)。alpha 越接近1，滤除低频(直流偏移)的效果越强，但可能滤掉真实的慢速运动。
// alpha = RC / (RC + dt)，
#define HPF_ALPHA 0.95f // 换算大概就是衰减频率低于约 0.84 Hz 的信号
// 任何比“大约1秒钟变化一次”还要慢的运动，其加速度信号也会被部分衰减。
// 而滑雪时的快速转弯、加减速等动作，其频率远高于 0.84 Hz，它们的信号会被保留下来。
// 加速度死区阈值 (m/s^2)。低于此阈值的加速度被认为是噪声，不参与积分。
// 设得太高会忽略真实的慢速启动，设得太低则无法有效抑制噪声。
#define ACC_DEAD_ZONE_THRESHOLD 0.15f
// --- 模拟摩擦力，进行速度衰减 ---
#define SPEED_ATTENUATION 0.98f
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//实现
/**
* @brief 初始化滑雪追踪器
* @brief 初始化滑雪追踪器
*
* @param tracker
*/
void skiing_tracker_init(skiing_tracker_t *tracker)
{
@ -46,6 +81,10 @@ static void transform_acc_to_world_frame(const float *acc_device, const float *a
float pitch = -angle[0] * DEG_TO_RAD;
float roll = -angle[1] * DEG_TO_RAD;
// TODO: 当引入三轴磁力计后，这里的 yaw 应由磁力计和陀螺仪融合解算得出，以解决航向漂移问题。
// 目前 yaw 暂时不参与计算，因为仅靠加速度计和陀螺仪无法获得准确的绝对航向角。
// float yaw = -angle[2] * DEG_TO_RAD;
float cp = cosf(pitch);
float sp = sinf(pitch);
float cr = cosf(roll);
@ -57,6 +96,8 @@ static void transform_acc_to_world_frame(const float *acc_device, const float *a
// 使用经过验证的、正确的身体坐标系到世界坐标系的旋转矩阵 (基于 Y-X 旋转顺序)
// 这个矩阵将设备测量的加速度(ax, ay, az)正确地转换到世界坐标系(acc_world)。
// 注意：这里没有使用yaw，主要关心的是坡面上的运动，绝对航向暂时不影响速度和距离的计算。
// TODO
acc_world[0] = cp * ax + sp * sr * ay + sp * cr * az;
acc_world[1] = 0 * ax + cr * ay - sr * az;
acc_world[2] = -sp * ax + cp * sr * ay + cp * cr * az;
@ -65,13 +106,16 @@ static void transform_acc_to_world_frame(const float *acc_device, const float *a
/**
* @brief 计算缓冲区内三轴数据的方差之和
*
* @param buffer 传进来的三轴数据：陀螺仪/加速度
* @return float 返回方差和
*/
static float calculate_variance(float buffer[VARIANCE_BUFFER_SIZE][3])
{
float mean[3] = {0};
float variance[3] = {0};
// 1. 计算均值
// 计算均值
for (int i = 0; i < VARIANCE_BUFFER_SIZE; i++) {
mean[0] += buffer[i][0];
mean[1] += buffer[i][1];
@ -81,7 +125,7 @@ static float calculate_variance(float buffer[VARIANCE_BUFFER_SIZE][3])
mean[1] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
mean[2] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
// 2. 计算方差
// 计算方差
for (int i = 0; i < VARIANCE_BUFFER_SIZE; i++) {
variance[0] += (buffer[i][0] - mean[0]) * (buffer[i][0] - mean[0]);
variance[1] += (buffer[i][1] - mean[1]) * (buffer[i][1] - mean[1]);
@ -96,8 +140,13 @@ static float calculate_variance(float buffer[VARIANCE_BUFFER_SIZE][3])
}
/**
* @brief 升级后的状态机，包含旋转检测和动态零速更新
* @brief 状态机更新
*
* @param tracker
* @param acc_device_ms2 三轴加速度，m/s^2
* @param gyr_dps 三轴陀螺仪，dps
*/
static void update_state_machine(skiing_tracker_t *tracker, const float *acc_device_ms2, const float *gyr_dps)
{
@ -107,49 +156,54 @@ static void update_state_machine(skiing_tracker_t *tracker, const float *acc_dev
return;
}
// --- 1. 计算关键指标 ---
// --- 计算关键指标 ---
float acc_variance = calculate_variance(tracker->acc_buffer); // 计算加速度方差
float gyr_variance = calculate_variance(tracker->gyr_buffer); // 计算陀螺仪方差
float gyr_magnitude = sqrtf(gyr_dps[0]*gyr_dps[0] + gyr_dps[1]*gyr_dps[1] + gyr_dps[2]*gyr_dps[2]);
float acc_magnitude = sqrtf(acc_device_ms2[0]*acc_device_ms2[0] + acc_device_ms2[1]*acc_device_ms2[1] + acc_device_ms2[2]*acc_device_ms2[2]);
// --- 2. 状态切换逻辑 (按优先级) ---
// 优先级1：原地旋转/摆动检测 (最终版)
// 增加一个关键前提：只在当前不处于滑雪状态时，才检测原地旋转。
// 这可以防止滑雪过程中的高速转弯被误判为原地旋转。
if (gyr_magnitude > ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD && tracker->state != SKIING_STATE_SKIING) {
tracker->state = SKIING_STATE_ROTATING;
return;
}
// --- 状态切换逻辑 (按优先级) ---
// 动态零速更新 (ZUPT)
// 必须同时满足加速度和角速度都稳定，才能判断为“真静止”，以区分匀速运动
// 优先级1：动态零速更新 (ZUPT) - 最严格和最优先的“刹车”
if (acc_variance < ZUPT_ACC_VARIANCE_THRESHOLD && gyr_variance < ZUPT_GYR_VARIANCE_THRESHOLD) {
tracker->state = SKIING_STATE_STATIC;
// 速度清零，抑制漂移
memset(tracker->velocity, 0, sizeof(tracker->velocity));
tracker->speed = 0.0f;
// 关键：当检测到静止时，必须重置高通滤波器的状态
memset(tracker->acc_world_unfiltered_prev, 0, sizeof(tracker->acc_world_unfiltered_prev));
memset(tracker->acc_world_filtered, 0, sizeof(tracker->acc_world_filtered));
return;
}
// 从静止/旋转状态启动
if (tracker->state == SKIING_STATE_STATIC || tracker->state == SKIING_STATE_ROTATING) {
if (fabsf(acc_magnitude - G_ACCELERATION) > START_SKIING_ACC_THRESHOLD) {
tracker->state = SKIING_STATE_SKIING;
return;
}
// 优先级2：原地旋转 - 特殊的、非滑雪的运动状态
// 条件：角速度很大，同时线性加速度的晃动在一个“中等”范围内。
if (gyr_magnitude > ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD && acc_variance < ROTATING_ACC_VARIANCE_THRESHOLD) {
tracker->state = SKIING_STATE_ROTATING;
return;
}
// 滑雪
if (tracker->state != SKIING_STATE_STATIC) {
// 优先级3：启动滑雪 - “油门”
// 条件：有足够大的线性加速度，同时陀螺仪的抖动在一个“合理”（而非“完全静止”）的范围内。
if (fabsf(acc_magnitude - G_ACCELERATION) > START_SKIING_ACC_THRESHOLD && gyr_variance < SKIING_GYR_VARIANCE_THRESHOLD) {
tracker->state = SKIING_STATE_SKIING;
return;
}
// 如果不满足任何启动或停止条件，则保持当前状态（滑雪中）
// 如果当前是静止或旋转，但没有满足启动条件，则状态会保持，直到满足ZUPT或旋转条件。
}
/**
* @brief 主更新函数
*
* @param tracker
* @param acc_g 三轴加速度，g
* @param gyr_dps 三轴陀螺仪，dps
* @param angle 欧若拉角
* @param dt 采样时间间隔，会用来积分求速度
*/
void skiing_tracker_update(skiing_tracker_t *tracker, float *acc_g, float *gyr_dps, float *angle, float dt)
{
@ -157,7 +211,7 @@ void skiing_tracker_update(skiing_tracker_t *tracker, float *acc_g, float *gyr_d
return;
}
// --- 1. 数据预处理和缓冲 ---
// --- 数据预处理和缓冲 ---
float acc_device_ms2[3];
acc_device_ms2[0] = acc_g[0] * G_ACCELERATION;
acc_device_ms2[1] = acc_g[1] * G_ACCELERATION;
@ -173,32 +227,59 @@ void skiing_tracker_update(skiing_tracker_t *tracker, float *acc_g, float *gyr_d
tracker->buffer_filled = 1; // 标记缓冲区已满
}
// --- 2. 更新状态机 ---
// --- 更新状态机 ---
update_state_machine(tracker, acc_device_ms2, gyr_dps);
// --- 3. 根据状态进行计算 ---
// 只有在明确的“滑雪”状态下才进行积分
// --- 根据状态进行计算 ---
if (tracker->state == SKIING_STATE_SKIING) {
// 坐标转换 & 移除重力
transform_acc_to_world_frame(acc_device_ms2, angle, tracker->acc_world);
tracker->acc_world[2] -= G_ACCELERATION;
tracker->velocity[0] += tracker->acc_world[0] * dt;
tracker->velocity[1] += tracker->acc_world[1] * dt;
tracker->velocity[2] += tracker->acc_world[2] * dt;
}
// 在其他状态下（静止、旋转），速度已经在状态机内部被清零或保持不变
// 对世界坐标系下的加速度进行高通滤波，消除直流偏置和重力残差
for (int i = 0; i < 3; i++) {
tracker->acc_world_filtered[i] = HPF_ALPHA * (tracker->acc_world_filtered[i] + tracker->acc_world[i] - tracker->acc_world_unfiltered_prev[i]);
tracker->acc_world_unfiltered_prev[i] = tracker->acc_world[i];
}
// --- 4. 更新速率和距离 ---
// 速率和距离总是在更新，但在非滑雪状态下，速度为0，所以它们不会增加
// 应用加速度死区，忽略微小抖动和噪声
float acc_horizontal_mag = sqrtf(tracker->acc_world_filtered[0] * tracker->acc_world_filtered[0] +
tracker->acc_world_filtered[1] * tracker->acc_world_filtered[1]);
if (acc_horizontal_mag > ACC_DEAD_ZONE_THRESHOLD) {
// 只有当水平加速度足够大时，才进行速度积分
tracker->velocity[0] += tracker->acc_world_filtered[0] * dt;
tracker->velocity[1] += tracker->acc_world_filtered[1] * dt;
// 垂直方向的速度暂时不积分，极易受姿态误差影响而漂移
// tracker->velocity[2] += tracker->acc_world_filtered[2] * dt;
}
// 如果加速度小于阈值，则不更新速度，相当于速度保持不变（或受下一步的阻尼影响而衰减）
} else {
// 在静止或旋转状态下，速度已经在状态机内部被清零
// 额外增加速度衰减，模拟摩擦力，进一步抑制漂移
tracker->velocity[0] *= SPEED_ATTENUATION;
tracker->velocity[1] *= SPEED_ATTENUATION;
tracker->velocity[2] = 0; // 垂直速度强制归零
}
// --- 更新速率和距离 ---
// 只基于水平速度计算速率和距离
tracker->speed = sqrtf(tracker->velocity[0] * tracker->velocity[0] +
tracker->velocity[1] * tracker->velocity[1] +
tracker->velocity[2] * tracker->velocity[2]);
tracker->velocity[1] * tracker->velocity[1]);
tracker->distance += tracker->speed * dt;
}
// 传感器数据采集与处理任务
void sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data_buf) {
/**
* @brief 传感器数据采集与处理任务，外部每10ms调用一次，如果需要更新时间间隔，也需要同步更新宏“ DELTA_TIME ”
*
* @param acc_data_buf 三轴加速度原始数据
* @param gyr_data_buf 三轴陀螺仪原始数据
* @return BLE_send_data_t
*/
BLE_send_data_t sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data_buf) {
static skiing_tracker_t my_skiing_tracker;
static int initialized = 0;
static int calibration_done = 0;
@ -208,7 +289,11 @@ void sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data
static float calibrated_acc_g[3]; // 转换后的加速度计数据
static float calibrated_gyr_dps[3]; // 转换后的陀螺仪数据
const float delta_time = 0.01f;
const float delta_time = DELTA_TIME;
BLE_send_data_t BLE_send_data;
BLE_KS_send_data_t KS_data;
if (!initialized) {
skiing_tracker_init(&my_skiing_tracker);
@ -227,6 +312,7 @@ void sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data
printf("Sensor calibration successful! Skiing mode is active.\n");
}
} else {
// printf("Calculate the time interval =============== start\n");
status = SL_SC7U22_Angle_Output(0, combined_raw_data, final_angle_data, 0);
}
@ -245,21 +331,47 @@ void sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data
skiing_tracker_update(&my_skiing_tracker, calibrated_acc_g, calibrated_gyr_dps, final_angle_data, delta_time);
// 打印逻辑保持不变
static int count = 0;
if(count < 10){
count++;
return;
} else {
count = 0;
// static int count = 0;
// if(count >= 10){
// printf("State: %d, Speed: %.2f m/s, Distance: %.2f m\n",
// my_skiing_tracker.state,
// my_skiing_tracker.speed,
// my_skiing_tracker.distance);
// count = 0;
// } else {
// count++;
// }
BLE_send_data.sensor_state = status;
BLE_send_data.skiing_state = my_skiing_tracker.state;
for (int i = 0; i < 3; i++) {
#ifndef XTELL_TEST
BLE_send_data.acc_original[i] = (int)acc_data_buf[i];
BLE_send_data.gyr_original[i] = (int)gyr_data_buf[i];
#endif
#if KS_BLE
KS_data.acc_KS_g[i] = (int)calibrated_acc_g[i];
KS_data.gyr_KS_dps[i] = (int)calibrated_gyr_dps[i];
KS_data.angle_KS[i] = (int)final_angle_data[i];
#endif
}
printf("State: %d, Speed: %.2f m/s, Distance: %.2f m\n",
my_skiing_tracker.state,
my_skiing_tracker.speed,
my_skiing_tracker.distance);
BLE_send_data.speed_cms = (int)(my_skiing_tracker.speed * 100);
BLE_send_data.distance_cm = (int)(my_skiing_tracker.distance * 100);
// printf("Calculate the time interval =============== end\n");
} else if (status == 0) {
memset(&BLE_send_data, 0, sizeof(BLE_send_data_t));
BLE_send_data.sensor_state = status;
#if KS_BLE
memset(&KS_data, 0, sizeof(BLE_send_data_t));
#endif
// printf("Sensor is calibrating...\n");
} else {
memset(&BLE_send_data, 0, sizeof(BLE_send_data_t));
BLE_send_data.sensor_state = status;
#if KS_BLE
memset(&KS_data, 0, sizeof(BLE_send_data_t));
#endif
// printf("Angle calculation error or calibration not finished.\n");
}
return BLE_send_data;
}

46
apps/earphone/xtell_Sensor/calculate/skiing_tracker.h
View File

@ -1,6 +1,7 @@
#ifndef SKIING_TRACKER_H
#define SKIING_TRACKER_H
#include "../xtell.h"
// 定义滑雪者可能的状态
typedef enum {
SKIING_STATE_STATIC, // 静止或动态稳定
@ -10,7 +11,9 @@ typedef enum {
SKIING_STATE_UNKNOWN // 未知状态
} skiing_state_t;
#define VARIANCE_BUFFER_SIZE 15 // 用于计算方差的数据窗口大小 (15个样本 @ 100Hz = 150ms)
#define VARIANCE_BUFFER_SIZE 5 // 用于计算方差的数据窗口大小 (5个样本 @ 100Hz = 50ms)，减小延迟，提高实时性
#define DELTA_TIME 0.01f
// 追踪器数据结构体
typedef struct {
@ -23,13 +26,36 @@ typedef struct {
// 内部计算使用的私有成员
float acc_world[3]; // 在世界坐标系下的加速度
// --- 内部计算使用的私有成员 ---
// 用于动态零速更新和旋转检测的缓冲区
float acc_buffer[VARIANCE_BUFFER_SIZE][3]; // 加速度数据窗口
float gyr_buffer[VARIANCE_BUFFER_SIZE][3]; // 角速度数据窗口
int buffer_index; // 缓冲区当前索引
int buffer_filled; // 缓冲区是否已填满的标志
// 用于高通滤波器（巴特沃斯一阶滤波器）的私有成员，以消除加速度的直流偏置
float acc_world_filtered[3]; //过滤过的
float acc_world_unfiltered_prev[3]; //上一次没过滤的
} skiing_tracker_t;
//ble发送的数据
typedef struct __attribute__((packed)){ //该结构体取消内存对齐
char sensor_state;
char skiing_state;
int speed_cms; //求出的速度，cm/s
int distance_cm; //求出的距离，cm
#ifndef XTELL_TEST
int acc_original[3]; //直接读取传感器得到的原始三轴加速度
int gyr_original[3]; //直接读取传感器得到的原始三轴陀螺仪
#endif
}BLE_send_data_t;
typedef struct{
int acc_KS_g[3]; //卡尔曼后，LSB to g 三轴加速度数据
int gyr_KS_dps[3]; //卡尔曼后，LSB to dps 三轴陀螺仪数据
int angle_KS[3]; //卡尔曼后，计算得到的欧若拉角数据
}BLE_KS_send_data_t;
/**
* @brief 初始化滑雪追踪器
*
@ -37,14 +63,12 @@ typedef struct {
*/
void skiing_tracker_init(skiing_tracker_t *tracker);
/**
* @brief 处理传感器数据并更新滑雪状态
*
* @param tracker 指向 skiing_tracker_t 结构体的指针
* @param acc_g 校准后的加速度数据 [x, y, z]，单位: g (1g = 9.8m/s^2)
* @param gyr_dps 角速度
* @param angle 姿态角数据 [pitch, roll, yaw]，单位: 度
* @param dt 采样时间间隔，单位: 秒 (s)
*/
void skiing_tracker_update(skiing_tracker_t *tracker, float *acc_g, float *gyr_dps, float *angle, float dt);
/**
* @brief 传感器数据采集与处理任务，外部每10ms调用一次，如果需要更新时间间隔，也需要同步更新宏“ DELTA_TIME ”
*
* @param acc_data_buf 三轴加速度原始数据
* @param gyr_data_buf 三轴陀螺仪原始数据
* @return BLE_send_data_t
*/
BLE_send_data_t sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data_buf) ;
#endif // SKIING_TRACKER_H

312
apps/earphone/xtell_Sensor/calculate/tmp.c Normal file
View File

@ -0,0 +1,312 @@
/*
动态ZUPT+卡尔曼
多了加速度死区、摩擦力速度衰减、高通滤波
原地摆动产生的速度、距离变化还是没法消除
水平移动、斜坡移动效果貌似还行
*/
#include "skiing_tracker.h"
#include "../sensor/SC7U22.h"
#include <math.h>
#include <string.h>
#define G_ACCELERATION 9.81f
#define DEG_TO_RAD (3.14159265f / 180.0f)
// --- 算法阈值定义 ---
//两个判断是否静止的必要条件
// 动态零速更新(ZUPT)阈值
// 提高阈值，让“刹车”更灵敏，以便在波浪式前进等慢速漂移时也能触发零速更新
#define ZUPT_ACC_VARIANCE_THRESHOLD 0.2f
// 陀螺仪方差阈值
#define ZUPT_GYR_VARIANCE_THRESHOLD 5.0f
// 旋转/摆动检测阈值：角速度总模长大于此值(度/秒)，认为正在进行非滑雪的旋转或摆动 -- 没法完全消除
#define ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD 45.0f
// 启动滑雪阈值：加速度模长与重力的差值大于此值，认为开始运动
// 降低阈值，让“油门”更灵敏，以便能捕捉到真实的慢速启动
#define START_SKIING_ACC_THRESHOLD 0.5f
// --- 用于消除积分漂移的滤波器和阈值 ---
// 高通滤波器系数 (alpha)。alpha 越接近1，滤除低频(直流偏移)的效果越强，但可能滤掉真实的慢速运动。
// alpha = RC / (RC + dt)，
#define HPF_ALPHA 0.95f
// 加速度死区阈值 (m/s^2)。低于此阈值的加速度被认为是噪声，不参与积分。
// 设得太高会忽略真实的慢速启动，设得太低则无法有效抑制噪声。
#define ACC_DEAD_ZONE_THRESHOLD 0.1f
// --- 模拟摩擦力，进行速度衰减 ---
#define SPEED_ATTENUATION 0.98f
/**
* @brief 初始化滑雪追踪器
*/
void skiing_tracker_init(skiing_tracker_t *tracker)
{
if (!tracker) {
return;
}
// 使用memset一次性清零整个结构体，包括新增的缓冲区
memset(tracker, 0, sizeof(skiing_tracker_t));
tracker->state = SKIING_STATE_STATIC;
}
/**
* @brief 将设备坐标系下的加速度转换为世界坐标系
* @param acc_device 设备坐标系下的加速度 [x, y, z]
* @param angle 姿态角 [pitch, roll, yaw]，单位: 度
* @param acc_world 输出：世界坐标系下的加速度 [x, y, z]
*/
static void transform_acc_to_world_frame(const float *acc_device, const float *angle, float *acc_world)
{
// 驱动输出的角度与标准航空定义相反，需要取反才能用于标准旋转矩阵。
float pitch = -angle[0] * DEG_TO_RAD;
float roll = -angle[1] * DEG_TO_RAD;
// TODO: 当引入三轴磁力计后，这里的 yaw 应由磁力计和陀螺仪融合解算得出，以解决航向漂移问题。
// 目前 yaw 暂时不参与计算，因为仅靠加速度计和陀螺仪无法获得准确的绝对航向角。
// float yaw = -angle[2] * DEG_TO_RAD;
float cp = cosf(pitch);
float sp = sinf(pitch);
float cr = cosf(roll);
float sr = sinf(roll);
float ax = acc_device[0];
float ay = acc_device[1];
float az = acc_device[2];
// 使用经过验证的、正确的身体坐标系到世界坐标系的旋转矩阵 (基于 Y-X 旋转顺序)
// 这个矩阵将设备测量的加速度(ax, ay, az)正确地转换到世界坐标系(acc_world)。
// 注意：这里没有使用yaw，主要关心的是坡面上的运动，绝对航向暂时不影响速度和距离的计算。
// TODO
acc_world[0] = cp * ax + sp * sr * ay + sp * cr * az;
acc_world[1] = 0 * ax + cr * ay - sr * az;
acc_world[2] = -sp * ax + cp * sr * ay + cp * cr * az;
}
/**
* @brief 计算缓冲区内三轴数据的方差之和
*/
static float calculate_variance(float buffer[VARIANCE_BUFFER_SIZE][3])
{
float mean[3] = {0};
float variance[3] = {0};
// 1. 计算均值
for (int i = 0; i < VARIANCE_BUFFER_SIZE; i++) {
mean[0] += buffer[i][0];
mean[1] += buffer[i][1];
mean[2] += buffer[i][2];
}
mean[0] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
mean[1] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
mean[2] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
// 2. 计算方差
for (int i = 0; i < VARIANCE_BUFFER_SIZE; i++) {
variance[0] += (buffer[i][0] - mean[0]) * (buffer[i][0] - mean[0]);
variance[1] += (buffer[i][1] - mean[1]) * (buffer[i][1] - mean[1]);
variance[2] += (buffer[i][2] - mean[2]) * (buffer[i][2] - mean[2]);
}
variance[0] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
variance[1] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
variance[2] /= VARIANCE_BUFFER_SIZE;
// 返回三轴方差之和，作为一个综合的稳定度指标
return variance[0] + variance[1] + variance[2];
}
/**
* @brief 状态机更新
*/
static void update_state_machine(skiing_tracker_t *tracker, const float *acc_device_ms2, const float *gyr_dps)
{
// 缓冲区未填满时，不进行状态判断，默认为静止
if (!tracker->buffer_filled) {
tracker->state = SKIING_STATE_STATIC;
return;
}
// --- 计算关键指标 ---
float acc_variance = calculate_variance(tracker->acc_buffer); // 计算加速度方差
float gyr_variance = calculate_variance(tracker->gyr_buffer); // 计算陀螺仪方差
float gyr_magnitude = sqrtf(gyr_dps[0]*gyr_dps[0] + gyr_dps[1]*gyr_dps[1] + gyr_dps[2]*gyr_dps[2]);
float acc_magnitude = sqrtf(acc_device_ms2[0]*acc_device_ms2[0] + acc_device_ms2[1]*acc_device_ms2[1] + acc_device_ms2[2]*acc_device_ms2[2]);
// --- 状态切换逻辑---
// 原地旋转/摆动检测
// 增加一个关键前提：只在当前不处于滑雪状态时，才检测原地旋转。
// 这可以防止滑雪过程中的高速转弯被误判为原地旋转。
// 暂时没办法完全消除
if (gyr_magnitude > ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD && tracker->state != SKIING_STATE_SKIING) {
tracker->state = SKIING_STATE_ROTATING;
return;
}
// 动态零速更新 (ZUPT)
// 必须同时满足加速度和角速度都稳定，才能判断为“真静止”，以区分匀速运动
if (acc_variance < ZUPT_ACC_VARIANCE_THRESHOLD && gyr_variance < ZUPT_GYR_VARIANCE_THRESHOLD) {
tracker->state = SKIING_STATE_STATIC;
// 速度清零，抑制漂移
memset(tracker->velocity, 0, sizeof(tracker->velocity));
tracker->speed = 0.0f;
//当检测到静止时，必须重置高通滤波器的状态，否则下次启动时会有跳变
memset(tracker->acc_world_unfiltered_prev, 0, sizeof(tracker->acc_world_unfiltered_prev));
memset(tracker->acc_world_filtered, 0, sizeof(tracker->acc_world_filtered));
return;
}
// 从静止/旋转状态启动
if (tracker->state == SKIING_STATE_STATIC || tracker->state == SKIING_STATE_ROTATING) {
// 最终版启动逻辑：必须同时满足“有足够大的线性加速度”和“旋转不剧烈”两个条件
// 新增 gyr_magnitude 判断，防止原地旋转产生的离心加速度被误判为启动
if (fabsf(acc_magnitude - G_ACCELERATION) > START_SKIING_ACC_THRESHOLD &&
gyr_variance < ZUPT_GYR_VARIANCE_THRESHOLD &&
gyr_magnitude < ROTATION_GYR_MAG_THRESHOLD) {
tracker->state = SKIING_STATE_SKIING;
return;
}
}
// 最后的 fall-through 逻辑已移除，以修复原地旋转被错误判断为滑雪的bug。
// 如果不满足任何状态切换条件，状态将保持不变，直到ZUPT或启动条件被满足。
}
/**
* @brief 主更新函数
*/
void skiing_tracker_update(skiing_tracker_t *tracker, float *acc_g, float *gyr_dps, float *angle, float dt)
{
if (!tracker || !acc_g || !gyr_dps || !angle || dt <= 0) {
return;
}
// --- 数据预处理和缓冲 ---
float acc_device_ms2[3];
acc_device_ms2[0] = acc_g[0] * G_ACCELERATION;
acc_device_ms2[1] = acc_g[1] * G_ACCELERATION;
acc_device_ms2[2] = acc_g[2] * G_ACCELERATION;
// 将最新数据存入缓冲区
memcpy(tracker->acc_buffer[tracker->buffer_index], acc_device_ms2, sizeof(acc_device_ms2));
memcpy(tracker->gyr_buffer[tracker->buffer_index], gyr_dps, 3 * sizeof(float));
tracker->buffer_index++;
if (tracker->buffer_index >= VARIANCE_BUFFER_SIZE) {
tracker->buffer_index = 0;
tracker->buffer_filled = 1; // 标记缓冲区已满
}
// --- 更新状态机 ---
update_state_machine(tracker, acc_device_ms2, gyr_dps);
// --- 根据状态进行计算 ---
if (tracker->state == SKIING_STATE_SKIING) {
// 坐标转换 & 移除重力
transform_acc_to_world_frame(acc_device_ms2, angle, tracker->acc_world);
tracker->acc_world[2] -= G_ACCELERATION;
// 对世界坐标系下的加速度进行高通滤波，消除直流偏置和重力残差
for (int i = 0; i < 3; i++) {
tracker->acc_world_filtered[i] = HPF_ALPHA * (tracker->acc_world_filtered[i] + tracker->acc_world[i] - tracker->acc_world_unfiltered_prev[i]);
tracker->acc_world_unfiltered_prev[i] = tracker->acc_world[i];
}
// 应用加速度死区，忽略微小抖动和噪声
float acc_horizontal_mag = sqrtf(tracker->acc_world_filtered[0] * tracker->acc_world_filtered[0] +
tracker->acc_world_filtered[1] * tracker->acc_world_filtered[1]);
if (acc_horizontal_mag > ACC_DEAD_ZONE_THRESHOLD) {
// 只有当水平加速度足够大时，才进行速度积分
tracker->velocity[0] += tracker->acc_world_filtered[0] * dt;
tracker->velocity[1] += tracker->acc_world_filtered[1] * dt;
// 垂直方向的速度暂时不积分，极易受姿态误差影响而漂移
// tracker->velocity[2] += tracker->acc_world_filtered[2] * dt;
}
// 如果加速度小于阈值，则不更新速度，相当于速度保持不变（或受下一步的阻尼影响而衰减）
} else {
// 在静止或旋转状态下，速度已经在状态机内部被清零
// 额外增加速度衰减，模拟摩擦力，进一步抑制漂移
tracker->velocity[0] *= SPEED_ATTENUATION;
tracker->velocity[1] *= SPEED_ATTENUATION;
tracker->velocity[2] = 0; // 垂直速度强制归零
}
// --- 更新速率和距离 ---
// 只基于水平速度计算速率和距离
tracker->speed = sqrtf(tracker->velocity[0] * tracker->velocity[0] +
tracker->velocity[1] * tracker->velocity[1]);
tracker->distance += tracker->speed * dt;
}
// 传感器数据采集与处理任务
void sensor_processing_task(signed short * acc_data_buf, signed short * gyr_data_buf) {
static skiing_tracker_t my_skiing_tracker;
static int initialized = 0;
static int calibration_done = 0;
static signed short combined_raw_data[6];
static float final_angle_data[3]; // 计算得到的欧若拉角
static float calibrated_acc_g[3]; // 转换后的加速度计数据
static float calibrated_gyr_dps[3]; // 转换后的陀螺仪数据
const float delta_time = 0.01f;
if (!initialized) {
skiing_tracker_init(&my_skiing_tracker);
initialized = 1;
printf("Skiing Tracker Initialized. Waiting for sensor calibration...\n");
}
memcpy(&combined_raw_data[0], acc_data_buf, 3 * sizeof(signed short));
memcpy(&combined_raw_data[3], gyr_data_buf, 3 * sizeof(signed short));
unsigned char status;
if (!calibration_done) { //第1次启动，开启零漂检测
status = SL_SC7U22_Angle_Output(1, combined_raw_data, final_angle_data, 0);
if (status == 1) {
calibration_done = 1;
printf("Sensor calibration successful! Skiing mode is active.\n");
}
} else {
status = SL_SC7U22_Angle_Output(0, combined_raw_data, final_angle_data, 0);
}
if (status == 1) {
// 加速度 LSB to g
calibrated_acc_g[0] = (float)combined_raw_data[0] / 8192.0f;
calibrated_acc_g[1] = (float)combined_raw_data[1] / 8192.0f;
calibrated_acc_g[2] = (float)combined_raw_data[2] / 8192.0f;
// 陀螺仪 LSB to dps (度/秒)
// ±2000dps量程下，转换系数约为 0.061
calibrated_gyr_dps[0] = (float)combined_raw_data[3] * 0.061f;
calibrated_gyr_dps[1] = (float)combined_raw_data[4] * 0.061f;
calibrated_gyr_dps[2] = (float)combined_raw_data[5] * 0.061f;
skiing_tracker_update(&my_skiing_tracker, calibrated_acc_g, calibrated_gyr_dps, final_angle_data, delta_time);
// 打印逻辑保持不变
static int count = 0;
if(count < 10){
count++;
return;
} else {
count = 0;
}
printf("State: %d, Speed: %.2f m/s, Distance: %.2f m\n",
my_skiing_tracker.state,
my_skiing_tracker.speed,
my_skiing_tracker.distance);
} else if (status == 0) {
// printf("Sensor is calibrating...\n");
} else {
// printf("Angle calculation error or calibration not finished.\n");
}
}