激光雷达与惯导系统的时间同步方法研究.pdf
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1、-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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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,
7、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。GP
8、RMC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
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