激光雷达与惯导系统的时间同步方法研究.pdf

-123-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期四星推荐息。两者相互结合，能够为自动驾驶提供更加准确运动信息。因此，实现激光雷达点云数据与惯导系统的姿态数据之间的相互匹配融合，可以有效地提高运动物体的运动信息的稳定性和准确性。由于两者之间采集数据的频率不同、各传感器设备之间都有自己的时钟源、传输过程中的延迟，都将导致传感器之间采集数据不匹配。故需要对两传感器设备之间进行时间同步，以此保证采集数据时间相匹配。多源异构传感器之间时间同步方法有硬件触发、时间戳匹配、外部同步信号、同步算法四种方法。硬件触发指的是连接外部时钟或触发器来控制传感器工作，以保证传感器设备是在相同的时间点开始采集数据，以此来保证时间同步。时间戳匹配指的是通过对比时间戳来进行数据对齐，此方法需要保证系统时钟的同步和精度，以此来减小由于时钟漂移和不确定因素引起的时间差，一般还需采取适当的标正和补偿措施。外部同步信号是一种利用外部信号源来实现传感器设备之间时间同步的方法。通过将同步信号输入到激光雷达和惯导系统的输入端口，可以确保它们的数据采集和处理过程与外部信号同步。同步算法来根据激光雷达和惯导系统的数据特征来估计它们之间的时间偏移。常见的同步算法包括交叉相关法、最小二乘法、插值法等，这些算法可以根据两个信号的相关性来估计时间延迟，并进行时间对齐。这四种时间同步方式各有优缺点，故本文结合四种时间同步方法来实现激光雷达和惯导系统之间的时间同步，使两传感器数据采集开始时间一致，采集完成后数据时间戳也能相匹配。时间同步方案本文设计的激光雷达和惯导系统数据系统以 GPS 时间为基准时间，配合PTP时间同步协议，来触发时间同步效果，利用 PPS 上升沿信号到来时触发设备开始采集数据，最后通过插值法来解决采集周期不同而导致数据不匹配的问题。时间同步原理如图 1 所示。统一时钟源激光雷达和惯导系统都有自己的系统时钟源，时钟源都存在钟漂，且每个时钟源的钟漂不同，所以即使将激光雷达和惯导系统的数据采集时间在初始时刻对齐，当采集数据一段时间后，由于系统时钟漂移的影响，两者采集数据将会不行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度激光雷达与惯导系统的时间同步方法研究陈 涛 夏义江 李 伟陈 涛1 夏义江1，2，3 李 伟2，41.北部湾大学机械与船舶海洋工程学院2.北部湾大学广西船舶数字化设计与先进制造工程技术研究中心3.广西海洋工程装备与技术重点实验室4.上海船舶工艺研究所基 金 项 目：广 西 科 技 重 大 专 项（桂 科AA22068105）。多源异构传感器数据融合技术广泛应用在自动驾驶领域，激光雷达和惯导系统在自动驾驶方面应用广泛，能够实时提供准确的环境感知信息以及姿态信息，为自动驾驶技术提供更加强有力的支持。激光雷达能够获取丰富的三维数字信息，且抗干扰能力强，故被广泛应用于环境感知中。惯导系统能够准确地获取运动载体的六个自由度上的运动姿态信中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-124-四星推荐匹配。统一激光雷达和惯导系统之间的时钟源，为它们提供相同的基准时间，以此来校正自身时间。GPS 时间采用的是原子时，以 UTC 时间为基准进行累加。一般惯导系统与 GNSS 集成在一起，那么采用 GNSS接收机获取的 GPS 时间作为统一时钟源能更好地达到时间同步效果。GNNS 接收机在接收到 GPS 信号后，通过解算即可获取接收机系统时间与 GPS 时间的钟差，通过钟差来校正自身的系统时间，以此来达到授时功能。在完成授时功能后，接收机会输出一条时间周期为 1s的同步脉冲信号 PPS，另通过串口会发送 GPRMC 标准的时间同步报文。在 PPS 上升沿到来时，GPRMC 在同一时刻发送，两者之间的误差很小，为 ns 级别，可以忽略不计。PPS 秒脉冲为物理电平输出，其接收及处理的时间也在 ns级别，也忽略不计。图 2 是 PPS+GPRMC 时间同步原理图，其同步原理如下：（1）激光雷达和惯导系统在接收到 PPS 脉冲信号后，其内部时钟源系统时间中的 ms 以下时间清零，并在此时开始记录 ms 时间 t0。（2）提取 GPRMC 时间同步报文中的 UTC 时间（年月日时分秒）。（3）将收到脉冲到解析出 GPRMC 中的 UTC 时间所用的时间 tx，与 UTC 的整秒时间相加，得到系统时间，将时间同步到设备，至此完成一次时间同步，每一次 PPS 秒脉冲都将进行一次时间同步。PTP 时间同步协议GNNS 需要在能够接收到 4 颗卫星信号以上的位置才能正常获取 UTC 时间数据，当在较为恶劣的环境中，不能获取到 UTC 时间，难以达到时间同步。且 PPS 是无屏蔽单线脉冲信号，易受到电磁干扰，导致设备无法区分是干扰脉冲还是同步脉冲，从而难以达采集数据时间同步。GPRMC是通过 RS232 串口实现通信，RS232 串口可实现一对多数据传输，但设备数量过多不一定能够实现稳定数据传输。图 3 PTP 时间同步过程图 2 PPS+GPRMC 时间同步原理图图 1 时间同步原理图考虑到以上原因，单独依靠统一时钟源来完成设备之间的时间同步比较困难，PTP 协议是一种主从分布式的时间同步协议，包含了时钟源、从时钟、时钟中转站三种角色。时钟源通过 GNSS 获取精准的时 UTC 时间信号，通过时钟中转站将时间同步到设备从时钟去，当时钟源信号丢失时，时钟中转站可充当时钟源，给从时钟进行赋值。PTP 协议是一种用于实现网络时钟同步的协议，采用的是硬件的时间戳，大幅度降低了软件的处理时间，同步精度能达到亚微秒级别。PTP 协议定义了三种时钟节点，边界时钟节点（Boundary Clock，BC）、普通时钟节点（Ordinary Clock，OC）、透明时钟节点（Transparent Clock，TC）。边界时钟在同一个时间域中只有一个端口参与时间同步；边界时钟拥有多个端口，但只有一个端口从上游时钟进行时间同步，且支持其他端口与自身时间同步。透明时钟能获取报文在内部传输过程的时间，并提供相应的校正功能，但不与其他时钟进行同步。PPT 协议的时间报文有事件报文和通用报文，其中记录时间戳的事件报文，包含同步报文（Sync）、延迟请求报文（Delay_Req）；而通用报文不需要记录时间戳，包含跟随报文（Follow_Up）、延迟请求响应报文（Delay_Resp），主要是用于时间数据传输。根据如图 3 所示的时间同步原理机制进行数据的发送和记录过程。具体同步原理过程如下：主端口在 t1时刻发送 Sync 包，并将 t1时刻时间保存，然后在 Follow_Up 包中，将 t1发送到从端口。从端口在收到 Sync 包后，记录此时的时刻 t2，然后在收到 Follow_Up 包后，保存其中的 t1时间戳。从端口发送 Delay_Req 包，并记录发送时刻 t3。主端口接收到 Delay_Req 包后，记录此时接收时刻 t4，然后将 t4放在Delay_Resp包中发送到从端口。从端口在接收到t4时间后，在本地集齐了 t1、t2、t3、t4四个时间。因主从端口设备之间存在时钟偏差，故可得出如下公式：masteroffsetsalveTTT+=（1）主从端口数据在传输过程中存在网络传输延迟以及时钟偏移，故可得出如下公式：21offsetpropagation ttTT=+（2）34offsetpropagationttTT=（3）Tmaster主端口设备时间；Toffset时钟偏差时间；Tsalve从端口设备时间；Tpropagation为网络传输延迟时间。由式（2）、式（3）可推导出时钟偏差、网络传输时间：-125-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期四星推荐（2）索引激光雷达在 t 时刻前后帧的数据，并计算出前后帧数据的权重。设插值时间为 sync.time，激光雷达前后帧数据 front.time、back.time：.front scaleback datatimesync datatimeback datatimefront datatime=（6）.back scalesync datatimefront datatimeback datatimefront datatime=（7）（3）利用插值得到激光雷达传感器在 t 时刻的数据，线性插值的结果：.*.*.synced datafront datafront scaleback data back scale=+（8）（4）至此时间同步完成。实验验证本次实验设备为 Jetson Nano 机器人 ROS 麦轮无人小车 Moveit。激光雷达为镭神 0P 串口版，频率为 10HZ；惯 导 系 统 为 MPU6050，频 率 为 100Hz；主 控 型 号 为STM32F407VET6。准备好设备后，将小车置于水平地面，小车直线匀速行驶一分钟后，本次实验数据采集完成。在时长为1分钟的实验验证，激光雷达获取600条数据，惯导系统获取 6 000 条数据，将激光雷达时间、惯导系统时间转换成 UTC 时间后，再与 GPS 的 UTC 时间进行比较，以此判断激光雷达、惯导系统时间同步精度。实验结果如图5、图 6 所示，由图 5 可知，经时间同步后，激光雷达时间同步精度为 1ms，惯导系统时间同步精度为 0.1ms，符合预期及设计要求。结语本文综合利用了 GNNS 基准时间、PPS 秒脉冲、GPRMC 时间报文，结合精准网络时间协议进行时间授时。再结合 DDS 对发送来的 PPS 秒脉冲信号进行管理转发，根据设备需求调节转发频率，最后对部分偏差较大的数据进行前推后插法获取当前时间数据。本文提出的时间同步方法经实验验证可以实现传感器数据采集时间同步，方法简单，易拓展到多个传感器之中，是一种可行性较高的方法。()()2314offset 2ttttT+=（4）()()4123propagation 2ttttT=（5）将 GPS 时间作为主时钟，激光雷达和惯导系统作为从时钟，当激光雷达和惯导系统的时钟得到时钟偏差和网络延迟时间后，即可通过修正本地时钟进行时间同步。硬件触发在完成时间源统一后，激光雷达和惯导系统之间已经没有累积时钟漂移，但是由于激光雷达和之间采集周期相互独立，不能保证两者在同一时刻采集数据，无法实现同步收集数据。利用 PPS 信号上升沿为触发信号触发两者同时开始收集数据。以 GNSS 接收的 GPS 时间戳为触发信号同时触发激光雷达和惯导系统同时开始采集数据。在达到指定的 GPS时间后，同时触发采集信号，实现激光雷达和惯导系统均在PPS 信号上升沿到来的时候采集数据，且打上各自相应的时间戳。但由于 PPS 信号频率只有 1HZ，不能满足部分传感设备采集频率需求，添加一个直接数字频率合成器（DDS）来生成所需要的方波频率，之后将 PPS 信号和合成的方波信号对齐，最后将对齐后的方波信号和 PPS 信号相结合形成所需的频率信号。此时当 PPS 上升沿到来时，两者同步触发，同时开始采集数据。时间软同步硬 件 触 发 同 步 无 法 实 现 各 传 感 器 之 间 的 频 率 在几个周期内无法重叠的问题，惯导系统的采集频率在100 300Hz，Lidar 的采集频率在 1 20Hz，当两者采集频率为倍数时，可利用时间硬同步来控制设备的同步周期。但考虑到激光雷达和惯导系统可能在几个周期内难以重叠，导致数据匹配困难。所以添加时间软同步方法，在激光雷达固有采集频率的基础上增加虚拟帧，以此来获取同一时刻的数据。通过插值法来获取当前虚拟帧的数据信息，利用 Lidar数据和惯导系统数据帧上的时间标签，以此来计算时间差。通过利用包含数据运动信息的目标帧和时间差结合，对每一帧的目标位置进行推算，推算出新的帧时各个目标的位置，并在原有两帧之间建立新的帧。使用内插外推插值法来获取虚拟帧数据步骤：（1）选取惯导系统作为主传感器，获取主传感器在 t 时刻的数据，以及对应的时间戳。图 6 惯导系统时间同步精度图 5 激光雷达时间同步精度图 4 ROS 无人小车