root/applications/pmsm/simulator_zdenek/ekf_example/matrix_vs.cpp @ 1294

Revision 1294, 15.0 kB (checked in by smidl, 13 years ago)

zmeny v experimentech

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// Thorton procedure - Kalman predictive variance in UD
117void thorton(int16 *U, int16 *D, int16 *PSIU, int16 *Q, int16 *G, int16 *Dold, unsigned int16 rows) {
118        thorton_fast(U, D, PSIU, Q, G, Dold, rows);
119}
120       
121// Thorton procedure - Kalman predictive variance in UD
122void thorton_fast(int16 *U, int16 *D, int16 *PSIU, int16 *Q, int16 *G, int16 *Dold, unsigned int16 rows) {
123    unsigned int16 i,j,k;
124    // copy D to Dold
125    int16 *Dold_i,*Dold_k;
126    int16 *D_i;
127    int16 *PSIU_ij,*PSIU_ik,*PSIU_jk;
128    int16 *Q_jj,*Q_ii,*Q_kk;
129    int16 *U_ji;
130    int16 *G_ik,*G_jk;
131    int16 irows,jrows;
132    int32 sigma; // in qAU+15!!
133    int32 z;
134
135    for (i=0,Dold_i=Dold,D_i=D;i<rows;i++,Dold_i++,D_i++) {
136        *Dold_i=*D_i;
137    }
138
139    // initialize G = eye()
140    G_ik= G;
141    *G_ik++=32767;
142    for (i=0;i<rows-1;i++) {
143        // clean elem before diag
144        for (k=0; k<rows; k++) {
145            *G_ik++=0;
146        }
147        *G_ik++=32767;
148    }
149    // eye created
150
151    for (i=rows-1, Dold_i=Dold+i, D_i=D+i;
152            1; i--, Dold_i--,D_i--) { // stop if i==0 at the END!
153        irows=i*rows;
154        sigma = 0;
155        for (k=0, PSIU_ik=PSIU+irows,Dold_k=Dold;
156                k<rows; k++, PSIU_ik++,Dold_k++) {
157                        sigma += (((int32)(*PSIU_ik)**PSIU_ik)>>(qAU))*(*Dold_k);
158        }
159        sigma += (int32)(*(Q+i+irows))<<qAU;
160        for (j=i+1, G_ik=G+irows+i+1; j<rows; j++,G_ik++) {
161            sigma += (((int32)(*G_ik)**G_ik)>>16)**(Q+j+j*rows);
162        }
163
164                if (sigma>((int32)1<<(qAU+15))) {
165                        *D_i = 32767;
166//                      *(Dold+i)-=*(Q+i+irows);
167                } else {
168                        *D_i=sigma>>qAU;
169                }
170        if (*D_i==0) *D_i=1;
171
172        for (j=0;j<i;j++) {
173            jrows = j*rows;
174
175            sigma =0;
176            for (k=0, PSIU_ik=PSIU+irows, PSIU_jk=PSIU+jrows, Dold_k=Dold;
177                    k<rows; k++, PSIU_ik++, PSIU_jk++, Dold_k++) {
178
179                                sigma += ((((int32)(*PSIU_ik)**PSIU_jk)>>qAU)**Dold_k);
180            }
181
182            for (k=i,G_ik=G+irows+i,G_jk=G+jrows+i,Q_kk=Q+k*rows+k;
183                    k<rows;k++,G_ik++,G_jk++,Q_kk+=rows+1) {
184                sigma += ((((int32)*G_ik)**G_jk)>>16)**Q_kk;
185            }
186
187            z=(sigma/(*D_i))<<(15-qAU); // shift to q15
188            if (z>32767) z=32767;
189            if (z<-32768) z=-32768;
190
191            U_ji=U+jrows+i;
192            *U_ji = (int16)z;
193
194
195            for (k=0,PSIU_ik=PSIU+irows,PSIU_jk=PSIU+jrows;
196                    k<rows;k++,PSIU_ik++,PSIU_jk++) {
197                *PSIU_jk -= ((int32)*U_ji**PSIU_ik)>>15;
198            }
199
200            for (k=0,G_jk=G+jrows,G_ik=G+irows;
201                    k<rows;k++, G_jk++, G_ik++) {
202                *G_jk -=  ((int32)*U_ji**G_ik)>>15;
203            }
204
205        }
206                if (i==0) return;
207    }
208}
209
210/* square root of 0<a<1 using taylor at 0.5 in q15*/
211int16 int_sqrt(int16 x) {
212        double xd(double(x)/32768.);
213        return round(sqrt(xd)*32768);
214
215    //sqrt(x) == 1/2*2^(1/2)+1/2*2^(1/2)*(x-1/2)-1/4*2^(1/2)*(x-1/2)^2
216    //         = k1 + k1*(x-0.5) - k2*(x-0.5)(x-0.5);
217#define k1 23170 //0.5*sqrt(2)*32768
218#define k2 11585 //0.25*sqrt(2)*32768
219
220    int16 tmp;
221    if (x>6554) {
222        int16 xm05=x-16384;
223        tmp = ((int32)k1*xm05)>>15;
224        tmp-=(((int32(k2)*xm05)>>15)*xm05)>>15;
225        tmp +=k1;
226    } else {
227        tmp = 4*x;
228        tmp-=int32(8*x)*x>>15;
229    }
230    return tmp;
231}
232
233void householder(int16 *Ch /*= int16 *PSICh*/, int16 *Q, unsigned int16 dimx) {
234    int16 k,j,i;
235    int16 alpha,beta;
236    int32  sigma; // 2*qCh
237    int32  tmp_long;
238    int16 B[25];//Q in qCh
239    int16 w[5];
240    int16 v[5];
241
242    // copy Q to B
243    for (i=0;i<dimx*dimx;i++)
244    {
245        B[i]=Q[i]>>(15-qCh);
246    }
247
248    for (k=dimx-1; k>=0; k--)
249    {
250        sigma=0;
251        for (j=0;j<dimx;j++)
252        {
253            sigma+=((int32)B[k*dimx+j]*B[k*dimx+j]);
254        }
255        for (j=0;j<=k;j++)
256        {
257            sigma+=((int32)Ch[k*dimx+j]*Ch[k*dimx+j]);
258        }
259       
260        //alpha in qCh
261        alpha = (int16)(sqrt((double)sigma)+0.5);   // predelat pro DSP
262
263                sigma=0;
264        for (j=0;j<dimx;j++) {
265            w[j]=B[k*dimx+j];
266            sigma+=(int32)w[j]*w[j];
267        }
268        for (j=0; j<=k;j++) {
269            if (j==k) {
270                v[j]=Ch[k*dimx+j]-alpha;
271            } else {
272                v[j]=Ch[k*dimx+j];
273            }
274            sigma+=(int32)v[j]*v[j];
275        }
276       
277        alpha=sigma>>(qCh+1); // alpha = sigma /2;
278        if (alpha==0) alpha =1;
279
280        for (i=0;i<=k;i++) {
281            sigma=0;
282            for (j=0;j<dimx;j++) {
283                sigma+=((int32)B[i*dimx+j]*w[j]);
284            }
285            for (j=0;j<=k;j++) {
286                sigma+=(int32)Ch[i*dimx+j]*v[j];
287            }
288
289            sigma = sigma >> 15;               // navrat do Q15
290          //  if (sigma>32767)sigma=32767;
291                       
292            for (j=0;j<dimx;j++) 
293            {
294                                tmp_long=B[i*dimx+j]-(sigma*w[j])/alpha;
295                                if (tmp_long>32767) {
296                                        B[i*dimx+j]=32767;
297                                } else {
298                                        if (tmp_long<-32767){
299                                                B[i*dimx+j]=-32767;
300                                        } else {
301                                                B[i*dimx+j]=tmp_long;
302                                        }
303                                }                       
304            };
305           
306            for (j=0;j<=k;j++)
307            {
308                tmp_long=Ch[i*dimx+j]-(sigma*v[j])/alpha;
309                                if (tmp_long>32767) {
310                                        Ch[i*dimx+j]=32767;
311                                } else {
312                                        if (tmp_long<-32767){
313                                                Ch[i*dimx+j]=-32767;
314                                        } else {
315                                                Ch[i*dimx+j]=tmp_long;
316                                        }
317                                }
318                        }
319        }
320    }
321
322}
323
324void carlson(int16 *difz, int16 *xp, int16 *Ch, int16 *R, unsigned int16 dimy, unsigned int16 dimx ) {
325    int16 alpha,beta,gamma;
326    int16 delta, eta,epsilon,zeta,sigma,tau;
327    int16 i,j,iy;
328    int16 w[5];
329        int32 tmp_long;
330
331    for (iy=0; iy<dimy; iy++)
332    {
333        alpha=R[iy];
334        delta = difz[iy];
335
336        for (j=0;j<dimx;j++)
337        {
338            sigma=Ch[iy*dimx+j];
339            beta=alpha;
340            alpha+=((int32)sigma*sigma)>>15;
341//                      double ab=(double)alpha*beta/32768./32768.;
342//                      double s_ab=sqrt(ab);
343            gamma=(int16)(sqrt((double)((int32)alpha*beta))+0.5);            // predelat v DSP
344            //gamma = round(s_ab*(1<<15));
345//            eta=((long)beta<<15) / gamma;
346            //zeta=(long(sigma)<<15)/ gamma;
347            w[j]=0;
348            for (i=0;i<=j;i++) {
349                tau=Ch[i*dimx+j];
350                                tmp_long=((int32)beta*Ch[i*dimx+j] -(int32)sigma*w[i])/gamma;
351                                if (tmp_long>32767) {
352                                        Ch[i*dimx+j]=32767;
353                                } else {
354                                        if (tmp_long<-32767){
355                                                Ch[i*dimx+j]=-32767;
356                                        } else {
357                                                Ch[i*dimx+j]=tmp_long;
358                                        }
359                                }
360                               
361                w[i]+=((int32)tau*sigma)>>15;
362            }
363        }
364
365        //epsilon=(long(difz)<<15) / (alpha); // q15*q13/q13 = q15
366        for (i=0;i<dimx;i++) {
367            xp[i]+=((int32)w[i]*delta)/alpha;
368        }
369    }
370}
371
372/* perform Householder update of Ch matrix using PSI*Ch , Q, */
373extern void givens(int16 *Ch /*= int16 *PSICh*/, int16 *Q, unsigned int16 dimx){
374        int16 i,j,k;
375        int16 rho,s,c,tau;
376        int32  tmp_long;
377
378        int16 A[25];//beware
379        // copy Q to A
380        for (i=0;i<dimx*dimx;i++) {
381                A[i]=Q[i]>>(15-qCh);
382        }
383
384
385        for (i=dimx-1; i>=0; i--){
386                for (j=0; j<dimx; j++) {
387                        tmp_long=(int32)Ch[i*dimx+i]*Ch[i*dimx+i]+int32(A[i*dimx+j])*A[i*dimx+j];
388                        if (tmp_long>0){
389                                rho=sqrt(double(tmp_long));
390                                s=(int32(A[i*dimx+j])<<15)/rho;
391                                c=(int32(Ch[i*dimx+i])<<15)/rho;
392                                for (k=0;k<=i; k++){
393                                        tau=(int32(c)*A[k*dimx+j]-int32(s)*Ch[k*dimx+i])>>15;
394                                        Ch[k*dimx +i]=(int32(s)*A[k*dimx+j]+int32(c)*Ch[k*dimx+i])>>15;
395                                        A[k*dimx +j]=tau;
396                                }
397                        }
398                }
399
400                for (j=0; j<i; j++){
401                        tmp_long=(int32(Ch[i*dimx+i])*Ch[i*dimx+i]+int32(Ch[i*dimx+j])*Ch[i*dimx+j]);
402                        if (tmp_long>0){
403                                rho=sqrt((double)(tmp_long));
404                                s=(int32(Ch[i*dimx+j])<<15)/rho;
405                                c=(int32(Ch[i*dimx+i])<<15)/rho;
406                                for (k=0; k<=i; k++){
407                                        tau=(int32(c)*Ch[k*dimx+j]-int32(s)*Ch[k*dimx+i])>>15;
408                                        Ch[k*dimx+i]=(int32(s)*Ch[k*dimx+j]+int32(c)*Ch[k*dimx+i])>>15;
409                                        Ch[k*dimx+j]=tau;
410                                }
411                        }
412                }
413
414        }
415}
416
417/* Matrix multiply Full matrix by upper diagonal matrix; */
418void mmultACh(int16 *m1, int16 *up, int16 *result, unsigned int16 rows, unsigned int16 columns) {
419        unsigned int16 i, j, k;
420        int32 tmp_sum=0L;
421        int16 *m2pom;
422        int16 *m1pom=m1;
423        int16 *respom=result;
424       
425        for (i=0; i<rows; i++) //rows of result
426    {
427                for (j=0; j<columns; j++) //columns of result
428        {
429                        m2pom=up+j;//??
430                       
431                        for (k=0; k<=j; k++) //inner loop up to "j" - U(j,j)==1;
432            {
433                                tmp_sum+=(int32)(*(m1pom++))**m2pom;
434                                m2pom+=columns;
435                        }
436                        m1pom-=(j+1); // shift back to first element
437                       
438                        *respom++=tmp_sum>>15;
439                       
440                        tmp_sum=0;
441                }
442                m1pom+=(columns);
443        }
444}
445
446
447void givens_fast(int16 *Ch, int16 *Q, unsigned int16 dimx)
448{
449        int16 i,j,k;
450        int16 rho,s,c,tau;
451        int32  tmp_long;
452       
453        int16 A[25];//beware
454       
455        int16 *A_ij, *Q_i, *Ch_ki, *Ch_kj, *Ch_ii, *Ch_ij, *A_kj;
456       
457        A_ij=A;
458        Q_i=Q;
459        // copy Q to A
460        for (i=0;i<dimx*dimx;i++)
461        {
462                //              A[i]=Q[i]>>(15-qCh);
463                *A_ij++=(*Q_i++)>>(15-qCh);
464        }
465       
466        for (i=dimx-1; i>=0; i--)
467        {
468                Ch_ii=Ch+i*dimx+i;
469                A_ij=A+i*dimx;
470               
471                for (j=0; j<dimx; j++) 
472                {
473                        //                      tmp_long=(long)Ch[i*dimx+i]*Ch[i*dimx+i]+(long)A[i*dimx+j]*A[i*dimx+j];
474                       
475                        tmp_long=(int32)*Ch_ii**Ch_ii+(int32)*A_ij**A_ij;
476                       
477                        if (tmp_long>0)
478                        {
479                                //                              rho=qsqrt(tmp_long);                   // verze pro DSP
480                                rho=(int16)(sqrt((double)tmp_long));     // verze pro PC
481                                s=((int32)*A_ij<<15)/rho;
482                                c=((int32)*Ch_ii<<15)/rho;
483                               
484                                Ch_ki=Ch+i;
485                                A_kj=A+j;
486                               
487                                for (k=0;k<=i; k++)
488                                {
489                                        tau=((int32)c**A_kj-(int32)s**Ch_ki)>>15;
490                                        *Ch_ki=((int32)s**A_kj+(int32)c**Ch_ki)>>15;
491                                        *A_kj=tau;
492                                       
493                                        Ch_ki+=dimx;
494                                        A_kj+=dimx;
495                                }
496                        }
497                        A_ij++;
498                }
499               
500                Ch_ij = Ch+i*dimx;
501               
502                for (j=0; j<i; j++)
503                {
504                        tmp_long=(int32)*Ch_ii**Ch_ii+(int32)*Ch_ij**Ch_ij;
505                       
506                        if (tmp_long>0)
507                        {
508                                //                      rho=qsqrt(tmp_long);                     // verze pro DSP
509                                rho=(int16)(sqrt((double)tmp_long));       // verze pro PC
510                                s=((int32)*Ch_ij<<15)/rho;
511                                c=((int32)*Ch_ii<<15)/rho;
512                               
513                                Ch_kj = Ch + j;
514                                Ch_ki = Ch + i;
515                               
516                                for (k=0; k<=i; k++)
517                                {
518                                        tau=((int32)c**Ch_kj-(int32)s**Ch_ki)>>15;
519                                        *Ch_ki =((int32)s**Ch_kj+(int32)c**Ch_ki)>>15;
520                                        *Ch_kj=tau;
521                                       
522                                        Ch_kj += dimx;
523                                        Ch_ki += dimx;
524                                }
525                        }
526                        Ch_ij++;
527                }
528        }
529}
530
531void carlson_fast(int16 *difz, int16 *xp, int16 *Ch, int16 *R, unsigned int16 dimy, unsigned int16 dimx ) {
532        int16 alpha,beta,gamma;
533        int16 delta, eta,epsilon,zeta,sigma,tau;
534        int16 i,j,iy;
535        int16 w[5];
536        int32 tmp_long;
537       
538        int16 *Ch_ij, *w_i, *x_i;
539       
540       
541        for (iy=0; iy<dimy; iy++)
542        {
543                alpha=R[iy];
544                delta = difz[iy];
545               
546                for (j=0;j<dimx;j++)
547                {
548                        sigma=Ch[iy*dimx+j];
549                        beta=alpha;
550                        //            alpha+=((long)sigma*sigma)>>15;
551                        alpha=(((int32)alpha<<15)+(int32)sigma*sigma)>>15;                              // vyssi presnost
552                        //            gamma= qsqrt(((long)alpha*beta));                          // verze pro DSP
553                        gamma= (int16)(sqrt((double)((int32)alpha*beta)));              // verze pro PC
554                       
555                        w[j]=0;
556                       
557                        Ch_ij=Ch+j;
558                        w_i=w;
559                       
560                        for (i=0;i<=j;i++)
561                        {
562                                //                tau=Ch[i*dimx+j];
563                                tau=*Ch_ij;
564                                //                              tmp_long=((long)beta*Ch[i*dimx+j] -(long)sigma*w[i])/gamma;
565                                tmp_long=((int32)beta**Ch_ij -(int32)sigma**w_i)/gamma;
566                               
567                                if (tmp_long>32767)
568                                        tmp_long=32767;
569                                if (tmp_long<-32768)
570                                        tmp_long=-32768;
571                                *Ch_ij=tmp_long;
572                               
573                                //                w_i+=((long)tau*sigma)>>15;
574                                *w_i=(((int32)*w_i<<15)+(int32)tau*sigma)>>15;
575                               
576                                w_i++;
577                                Ch_ij+=dimx;
578                        }
579                }
580               
581                x_i=xp;
582                w_i=w;
583                for (i=0;i<dimx;i++) {
584                        //            xp[i]+=((long)w[i]*delta)/alpha;
585                        //            *x_i+=((long)*w_i*delta)/alpha;
586                        *x_i=((int32)*x_i*alpha+(int32)*w_i*delta)/alpha;               // vyssi presnost
587                        x_i++;
588                        w_i++;
589                }
590        }
591}
Note: See TracBrowser for help on using the browser.