root/applications/pmsm/simulator_zdenek/ekf_example/matrix_vs.cpp @ 1244

Revision 1241, 11.7 kB (checked in by smidl, 14 years ago)

Choleski - covariance 0.01

Line 
1/************************************
2        Extended Kalman Filter
3        Matrix operations
4
5        V. Smidl, Z. Peroutka
6
7Rev. 28.10.2010   (ZP)
8
926.10.2010      Prvni verze (VS)
10
1126.10.2010      Upravena chyba v Thorton_fast - spatne shiftovani o vypoctu SIGMA.
1227.10.2010      Pokus o odstraneni problemu v Thorton_fast - potize dela omezovani (orezavani) varianci.
1328.10.2010      Drobne upravy v kodu.
14
15*************************************/
16
17#include "matrix_vs.h"
18#include <math.h>
19
20/* Matrix multiply Full matrix by upper diagonal matrix; */
21void mmultAU(int16 *m1, int16 *up, int16 *result, unsigned int16 rows, unsigned int16 columns) {
22    unsigned int16 i, j, k;
23    int32 tmp_sum=0L; //in 15+qAU
24    int16 *m2pom;
25    int16 *m1pom=m1;
26    int16 *respom=result;
27
28    for (i=0; i<rows; i++) //rows of result
29    {
30        for (j=0; j<columns; j++) //columns of result
31        {
32            m2pom=up+j;//??
33
34            for (k=0; k<j; k++) //inner loop up to "j" - U(j,j)==1;
35            {
36                tmp_sum+=((int32)(*(m1pom++))**m2pom)>>(15-qAU);
37                m2pom+=columns;
38            }
39            // add the missing A(i,j)
40            tmp_sum +=(int32)(*m1pom)<<qAU; // no need to shift
41            m1pom-=(j); // shift back to first element
42
43            *respom++=tmp_sum>>15;
44
45            tmp_sum=0;
46        }
47        m1pom+=(columns);
48    }
49};
50
51
52void bierman_fast(int16 *difz, int16 *xp, int16 *U, int16 *D, int16 *R, unsigned int16 dimy, unsigned int16 dimx )
53{
54    int16 alpha;
55    int16 beta,lambda;
56    int16 b[5]; // ok even for 4-dim state
57    int16 *a; // in [0,1] -> q15
58    unsigned int16 iy,j,i;
59
60    int16 *b_j,*b_i;
61    int16 *a_j;
62    int16 *D_j;
63    int16 *U_ij;
64    int16 *x_i;
65
66    int32 z_pom;
67    int16 z_pom_int16;
68
69    a = U; // iyth row of U
70    for (iy=0; iy<dimy; iy++, a+=dimx) {
71        // a is a row
72        for (j=0,a_j=a,b_j=b,D_j=D; j<dimx; j++,b_j++,D_j++,a_j++)
73            *b_j=((int32)(*D_j)*(*a_j))>>15;
74
75        alpha = R[iy]; //\alpha = R+vDv = R+a*b
76        // R in q15, a in q15, b=q15
77//              gamma = (1<<15)/alpha; //(in q15)
78        //min alpha = R[iy] = 164
79        //max gamma = 0.0061 => gamma_ref = q7
80        for (j=0,a_j=a,b_j=b,D_j=D; j<dimx; j++,a_j++,b_j++,D_j++) {
81/*            beta=alpha;
82            lambda = -((int32)(*a_j)<<15)/beta;
83            alpha  += ((int32)(*a_j)*(*b_j))>>15;
84            D[j] = ((int32)beta**D_j)/alpha;*/
85/*xx*/
86            lambda=alpha;
87            alpha  += ((int32)(*a_j)*(*b_j))>>15;
88            D[j] = ((int32)lambda**D_j)/alpha;
89            z_pom_int16 = -((int32)(*a_j)<<15)/lambda;
90/*xx*/
91
92            if (*D_j==0) *D_j=1;
93
94            for (i=0,b_i=b,U_ij=U+j; i<j; i++, b_i++,U_ij+=dimx) {
95                beta   = *U_ij;
96//                *U_ij +=  ((int32)lambda*(*b_i))>>15;         // puvodni reseni
97                *U_ij -=  ((int32)(*a_j)*(*b_i))/lambda;         // pozadovane optimalni reseni
98//                *U_ij -=  ((int32)((int16)((int32)(*a_j)<<15)/lambda)**b_i)>>15;      // tohle funguje - problem je s tim pretypovanim na (int16)
99//                              *U_ij -= (int16)((int32)(*a_j)*(*b_i))/lambda;
100//                              z_pom = (((int32)(*a_j)*(*b_i))/lambda);
101/*                          z_pom = (int32)(*U_ij)-(int16)((int32)(*a_j)*(*b_i))/lambda;
102                                if (z_pom > 32767) z_pom = 32767;
103                                if (z_pom < - 32768) z_pom = -32768;
104                                *U_ij = z_pom;                      /**/
105//                *U_ij +=  ((int32)z_pom_int16*(*b_i))>>15;            // puvodni reseni - jen jina konstanta
106                *b_i  +=  ((int32)beta*(*b_j))>>15;
107            }
108        }
109        // no shift due to gamma
110        for (i=0,x_i=xp,b_i=b; i<dimx; i++,x_i++,b_i++) {
111            *x_i  += ((int32)difz[iy]*(*b_i))/alpha; // multiply by unscaled Kalman gain
112        }
113    }
114}
115
116
117// Thorton procedure - Kalman predictive variance in UD
118void thorton_fast(int16 *U, int16 *D, int16 *PSIU, int16 *Q, int16 *G, int16 *Dold, unsigned int16 rows) {
119    unsigned int16 i,j,k;
120    // copy D to Dold
121    int16 *Dold_i,*Dold_k;
122    int16 *D_i;
123    int16 *PSIU_ij,*PSIU_ik,*PSIU_jk;
124    int16 *Q_jj,*Q_ii,*Q_kk;
125    int16 *U_ji;
126    int16 *G_ik,*G_jk;
127    int16 irows,jrows;
128    int32 sigma; // in qAU+15!!
129    int32 z;
130
131    for (i=0,Dold_i=Dold,D_i=D;i<rows;i++,Dold_i++,D_i++) {
132        *Dold_i=*D_i;
133    }
134
135    // initialize G = eye()
136    G_ik= G;
137    *G_ik++=32767;
138    for (i=0;i<rows-1;i++) {
139        // clean elem before diag
140        for (k=0; k<rows; k++) {
141            *G_ik++=0;
142        }
143        *G_ik++=32767;
144    }
145    // eye created
146
147    for (i=rows-1, Dold_i=Dold+i, D_i=D+i;
148            1; i--, Dold_i--,D_i--) { // stop if i==0 at the END!
149        irows=i*rows;
150        sigma = 0;
151        for (k=0, PSIU_ik=PSIU+irows,Dold_k=Dold;
152                k<rows; k++, PSIU_ik++,Dold_k++) {
153                        sigma += (((int32)(*PSIU_ik)**PSIU_ik)>>(qAU))*(*Dold_k);
154        }
155        sigma += (int32)(*(Q+i+irows))<<qAU;
156        for (j=i+1, G_ik=G+irows+i+1; j<rows; j++,G_ik++) {
157            sigma += (((int32)(*G_ik)**G_ik)>>16)**(Q+j+j*rows);
158        }
159
160                if (sigma>((int32)1<<(qAU+15))) {
161                        *D_i = 32767;
162//                      *(Dold+i)-=*(Q+i+irows);
163                } else {
164                        *D_i=sigma>>qAU;
165                }
166        if (*D_i==0) *D_i=1;
167
168        for (j=0;j<i;j++) {
169            jrows = j*rows;
170
171            sigma =0;
172            for (k=0, PSIU_ik=PSIU+irows, PSIU_jk=PSIU+jrows, Dold_k=Dold;
173                    k<rows; k++, PSIU_ik++, PSIU_jk++, Dold_k++) {
174
175                                sigma += ((((int32)(*PSIU_ik)**PSIU_jk)>>qAU)**Dold_k);
176            }
177
178            for (k=i,G_ik=G+irows+i,G_jk=G+jrows+i,Q_kk=Q+k*rows+k;
179                    k<rows;k++,G_ik++,G_jk++,Q_kk+=rows+1) {
180                sigma += ((((int32)*G_ik)**G_jk)>>16)**Q_kk;
181            }
182
183            z=(sigma/(*D_i))<<(15-qAU); // shift to q15
184            if (z>32767) z=32767;
185            if (z<-32768) z=-32768;
186
187            U_ji=U+jrows+i;
188            *U_ji = (int16)z;
189
190
191            for (k=0,PSIU_ik=PSIU+irows,PSIU_jk=PSIU+jrows;
192                    k<rows;k++,PSIU_ik++,PSIU_jk++) {
193                *PSIU_jk -= ((int32)*U_ji**PSIU_ik)>>15;
194            }
195
196            for (k=0,G_jk=G+jrows,G_ik=G+irows;
197                    k<rows;k++, G_jk++, G_ik++) {
198                *G_jk -=  ((int32)*U_ji**G_ik)>>15;
199            }
200
201        }
202                if (i==0) return;
203    }
204}
205
206/* square root of 0<a<1 using taylor at 0.5 in q15*/
207int16 int_sqrt(int16 x) {
208        double xd(double(x)/32768.);
209        return round(sqrt(xd)*32768);
210
211    //sqrt(x) == 1/2*2^(1/2)+1/2*2^(1/2)*(x-1/2)-1/4*2^(1/2)*(x-1/2)^2
212    //         = k1 + k1*(x-0.5) - k2*(x-0.5)(x-0.5);
213#define k1 23170 //0.5*sqrt(2)*32768
214#define k2 11585 //0.25*sqrt(2)*32768
215
216    int16 tmp;
217    if (x>6554) {
218        int16 xm05=x-16384;
219        tmp = ((long)k1*xm05)>>15;
220        tmp-=(((long(k2)*xm05)>>15)*xm05)>>15;
221        tmp +=k1;
222    } else {
223        tmp = 4*x;
224        tmp-=long(8*x)*x>>15;
225    }
226    return tmp;
227}
228
229void householder(int16 *Ch /*= int16 *PSICh*/, int16 *Q, unsigned int16 dimx) {
230    int16 k,j,i;
231    int16 alpha,beta;
232    int32  sigma; // 2*qCh
233    int32  tmp_long;
234    int16 B[25];//Q in qCh
235    int16 w[5];
236    int16 v[5];
237
238    // copy Q to B
239    for (i=0;i<dimx*dimx;i++)
240    {
241        B[i]=Q[i]>>(15-qCh);
242    }
243
244    for (k=dimx-1; k>=0; k--)
245    {
246        sigma=0;
247        for (j=0;j<dimx;j++)
248        {
249            sigma+=((long)B[k*dimx+j]*B[k*dimx+j]);
250        }
251        for (j=0;j<=k;j++)
252        {
253            sigma+=((long)Ch[k*dimx+j]*Ch[k*dimx+j]);
254        }
255       
256        //alpha in qCh
257        alpha = (int)(sqrt((double)sigma)+0.5);   // predelat pro DSP
258
259                sigma=0;
260        for (j=0;j<dimx;j++) {
261            w[j]=B[k*dimx+j];
262            sigma+=(long)w[j]*w[j];
263        }
264        for (j=0; j<=k;j++) {
265            if (j==k) {
266                v[j]=Ch[k*dimx+j]-alpha;
267            } else {
268                v[j]=Ch[k*dimx+j];
269            }
270            sigma+=(long)v[j]*v[j];
271        }
272       
273        alpha=sigma>>(qCh+1); // alpha = sigma /2;
274        if (alpha==0) alpha =1;
275
276        for (i=0;i<=k;i++) {
277            sigma=0;
278            for (j=0;j<dimx;j++) {
279                sigma+=((long)B[i*dimx+j]*w[j]);
280            }
281            for (j=0;j<=k;j++) {
282                sigma+=(long)Ch[i*dimx+j]*v[j];
283            }
284
285            sigma = sigma >> 15;               // navrat do Q15
286            if (sigma>32767)sigma=32767;
287                       
288            for (j=0;j<dimx;j++) 
289            {
290                                tmp_long=B[i*dimx+j]-(sigma*w[j])/alpha;
291                                if (tmp_long>32767) {
292                                        B[i*dimx+j]=32767;
293                                } else {
294                                        if (tmp_long<-32767){
295                                                B[i*dimx+j]=-32767;
296                                        } else {
297                                                B[i*dimx+j]=tmp_long;
298                                        }
299                                }                       
300            };
301           
302            for (j=0;j<=k;j++)
303            {
304                tmp_long=Ch[i*dimx+j]-(sigma*v[j])/alpha;
305                                if (tmp_long>32767) {
306                                        Ch[i*dimx+j]=32767;
307                                } else {
308                                        if (tmp_long<-32767){
309                                                Ch[i*dimx+j]=-32767;
310                                        } else {
311                                                Ch[i*dimx+j]=tmp_long;
312                                        }
313                                }
314                        }
315        }
316    }
317
318}
319
320void carlson(int16 *difz, int16 *xp, int16 *Ch, int16 *R, unsigned int16 dimy, unsigned int16 dimx ) {
321    int16 alpha,beta,gamma;
322    int16 delta, eta,epsilon,zeta,sigma,tau;
323    int16 i,j,iy;
324    int16 w[5];
325        int32 tmp_long;
326
327    for (iy=0; iy<dimy; iy++)
328    {
329        alpha=R[iy];
330        delta = difz[iy];
331
332        for (j=0;j<dimx;j++)
333        {
334            sigma=Ch[iy*dimx+j];
335            beta=alpha;
336            alpha+=((long)sigma*sigma)>>15;
337//                      double ab=(double)alpha*beta/32768./32768.;
338//                      double s_ab=sqrt(ab);
339            gamma=(int)(sqrt((double)((long)alpha*beta))+0.5);            // predelat v DSP
340            //gamma = round(s_ab*(1<<15));
341//            eta=((long)beta<<15) / gamma;
342            //zeta=(long(sigma)<<15)/ gamma;
343            w[j]=0;
344            for (i=0;i<=j;i++) {
345                tau=Ch[i*dimx+j];
346                                tmp_long=((long)beta*Ch[i*dimx+j] -(long)sigma*w[i])/gamma;
347                                if (tmp_long>32767) {
348                                        Ch[i*dimx+j]=32767;
349                                } else {
350                                        if (tmp_long<-32767){
351                                                Ch[i*dimx+j]=-32767;
352                                        } else {
353                                                Ch[i*dimx+j]=tmp_long;
354                                        }
355                                }
356                               
357                w[i]+=((long)tau*sigma)>>15;
358            }
359        }
360
361        //epsilon=(long(difz)<<15) / (alpha); // q15*q13/q13 = q15
362        for (i=0;i<dimx;i++) {
363            xp[i]+=((long)w[i]*delta)/alpha;
364        }
365    }
366}
367
368/* perform Householder update of Ch matrix using PSI*Ch , Q, */
369extern void givens(int16 *Ch /*= int16 *PSICh*/, int16 *Q, unsigned int16 dimx){
370        int16 i,j,k;
371        int16 rho,s,c,tau;
372        int32  tmp_long;
373
374        int16 A[25];//beware
375        // copy Q to A
376        for (i=0;i<dimx*dimx;i++) {
377                A[i]=Q[i]>>(15-qCh);
378        }
379
380
381        for (i=dimx-1; i>=0; i--){
382                for (j=0; j<dimx; j++) {
383                        tmp_long=(long)Ch[i*dimx+i]*Ch[i*dimx+i]+long(A[i*dimx+j])*A[i*dimx+j];
384                        if (tmp_long>0){
385                                rho=sqrt(double(tmp_long));
386                                s=(long(A[i*dimx+j])<<15)/rho;
387                                c=(long(Ch[i*dimx+i])<<15)/rho;
388                                for (k=0;k<=i; k++){
389                                        tau=(long(c)*A[k*dimx+j]-long(s)*Ch[k*dimx+i])>>15;
390                                        Ch[k*dimx +i]=(long(s)*A[k*dimx+j]+long(c)*Ch[k*dimx+i])>>15;
391                                        A[k*dimx +j]=tau;
392                                }
393                        }
394                }
395        }
396        for (j=0; j<i; j++){
397                tmp_long=(long(Ch[i*dimx+i])*Ch[i*dimx+i]+long(Ch[i*dimx+j])*Ch[i*dimx+j]);
398                if (tmp_long>0){
399                        rho=sqrt((double)(tmp_long));
400                        s=(long(Ch[i*dimx+j])<<15)/rho;
401                        c=(long(Ch[i*dimx+i])<<15)/rho;
402                        for (k=0; k<=i; k++){
403                                tau=(long(c)*Ch[k*dimx+j]-long(s)*Ch[k*dimx+i])>>15;
404                                Ch[k*dimx+i]=(long(s)*Ch[k*dimx+j]+long(c)*Ch[k*dimx+i])>>15;
405                                Ch[k*dimx+j]=tau;
406                        }
407                }
408        }
409}
410
411/* Matrix multiply Full matrix by upper diagonal matrix; */
412void mmultACh(int16 *m1, int16 *up, int16 *result, unsigned int16 rows, unsigned int16 columns) {
413        unsigned int16 i, j, k;
414        int32 tmp_sum=0L;
415        int16 *m2pom;
416        int16 *m1pom=m1;
417        int16 *respom=result;
418       
419        for (i=0; i<rows; i++) //rows of result
420    {
421                for (j=0; j<columns; j++) //columns of result
422        {
423                        m2pom=up+j;//??
424                       
425                        for (k=0; k<=j; k++) //inner loop up to "j" - U(j,j)==1;
426            {
427                                tmp_sum+=(int32)(*(m1pom++))**m2pom;
428                                m2pom+=columns;
429                        }
430                        m1pom-=(j+1); // shift back to first element
431                       
432                        *respom++=tmp_sum>>15;
433                       
434                        tmp_sum=0;
435                }
436                m1pom+=(columns);
437        }
438}
Note: See TracBrowser for help on using the browser.