CN108445808A - 数据同步的传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据同步的传感装置及方法。一种数据同步的传感装置，包括微处理器、时钟模块和传感器模组，传感器模组包括至少两个传感器模块，微处理器与传感器模组中的各传感器模块相连接，时钟模块与传感器模组中的各传感器模块相连接；时钟模块根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至各传感器模块，各传感器模块根据驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至微处理器，微处理器接收携带时间标记的传感数据，识别传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各传感器模块的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。采用时钟模块去驱动各传感器模块工作，确保各传感器模块的时间同步，降低了时间校准的难度。

Description

数据同步的传感装置及方法

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，特别是涉及一种数据同步的传感装置及方法。

背景技术

移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。

传统的移动机器人的感知方式为首先通过多个传感器收集传感对象的数据，再对收集到的数据进行时间校准和组合。由于传感器收集的数据复杂且多样，进行时间校准的工作量大且校准精度低。

发明内容

基于此，有必要针对传感器收集的数据复杂且多样，进行时间校准的工作量大且校准精度低的问题，提供一种数据同步的传感装置及方法。

一种数据同步的传感装置，包括微处理器、时钟模块和传感器模组，传感器模组包括至少两个传感器模块，微处理器与传感器模组中的各传感器模块相连接，时钟模块与传感器模组中的各传感器模块相连接；

时钟模块根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至各传感器模块，各传感器模块根据驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至微处理器，微处理器接收携带时间标记的传感数据，识别传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各传感器模块的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。

在其中一个实施例中，传感器模组包括激光雷达模块、摄像头模块和IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)模块。

在其中一个实施例中，各传感器模块的预设的驱动频率各不相同。

在其中一个实施例中，时间标记的精度等于或小于毫秒级。

在其中一个实施例中，传感数据包括激光雷达传感数据、摄像头传感数据和IMU传感数据。

在其中一个实施例中，激光雷达传感数据包括16线、32线和64线3D(dimensional，维)点云阵列，16线、32线和64线3D点云阵列携带时间标记。

在其中一个实施例中，摄像头传感数据包括黑白图像和彩色图像，黑白图像和彩色图像携带时间标记。

在其中一个实施例中，IMU传感数据包括传感对象的角速度和加速度，传感对象的角速度和加速度携带时间标记。

在其中一个实施例中，携带时间标记的同步传感数据包括携带时间标记的传感数据，以及携带时间标记的组合传感数据，携带时间标记的组合传感数据由携带时间标记的传感数据组合得到。

一种数据同步的传感装置的数据同步方法，包括以下步骤：

根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至传感器模组中的各传感器模块；

通过各传感器模块，根据驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至微处理器；

通过微处理器，接收携带时间标记的传感数据，识别传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各传感器模块的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。

上述数据同步的传感装置及方法，采用统一的时钟模块去驱动各传感器模块工作，使各传感器模块的时间都与时钟模块的时间相对应，确保各传感器模块工作的时间同步，输出的携带时间标记的传感数据也在时间上同步，微处理器只需要识别传感数据所携带的时间标记就能准确组合同一时刻的各传感器模块的传感数据，不需要进行复杂的时间校准和组合，降低了时间校准的难度，减少了时间校准的误差，提高了校准精度。

附图说明

图1为本申请数据同步的传感装置的其中一个实施例的结构示意图；

图2为本申请数据同步的传感装置的其中一个实施例的结构示意图；

图3为本申请数据同步的传感装置的其中一个实施例的说明图；

图4为本申请数据同步的传感方法的其中一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本申请。应该理解的是，本申请的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在统一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

如图1所示，一种数据同步的传感装置，包括微处理器100、时钟模块200和传感器模组300，传感器模组300包括至少两个传感器模块302，微处理器100与传感器模组300中的各传感器模块302相连接，时钟模块200与传感器模组300中的各传感器模块302相连接；

时钟模块200根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至各传感器模块302，各传感器模块302根据驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至微处理器100，微处理器100接收携带时间标记的传感数据，识别传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各传感器模块302的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。

具体的，首先时钟模块200根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至各传感器模块302，然后各传感器模块302根据驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至微处理器100，最后微处理器100接收携带时间标记的传感数据，识别传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各传感器模块302的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。

组合携带相同时间标记的各传感器模块302的传感数据的过程为简单的数据组合的过程。举例说明，各传感器模块输出的携带时间标记的传感数据包括3D点云数据和彩色图像数据，处理器在接收并识别携带时间标记的传感数据后，对3D点云数据和彩色图像数据进行组合，即可得到携带相同时间标记的3D点云数据、彩色图像数据以及彩色3D点云数据，此处得到的彩色3D点云数据是3D点云数据和彩色图像数据的简单叠加。

驱动频率指的是用于控制时钟模块200定期向传感器模组300中的各传感器模块302输出驱动信息的频率，在初始化时钟模块200时设置，各传感器模块302的驱动频率各不相同。驱动信息指的是用于触发传感器模组300中的各传感器模块302工作的信息，各传感器模块302接收到驱动信息时，开始收集传感对象的传感数据的工作，驱动信息可以为一个高电平或低电平。

采用统一的时钟模块200去驱动各传感器模块302工作，以时钟模块200的时间为基准，即各传感器模块302的时间都与时钟模块200的时间相对应，能确保各传感器模块302工作的时间同步，输出的携带时间标记的传感数据也在时间上同步，后期采用微处理器100对传感数据进行处理时，只需要识别传感数据所携带的时间标记就能准确组合同一时刻的各传感器模块302的传感数据，不需要进行复杂的时间校准和组合，降低了时间校准的难度，减少了时间校准的误差，提高了校准精度。时钟模块200可以为GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)时钟模块。

上述数据同步的传感装置，采用统一的时钟模块去驱动各传感器模块工作，使各传感器模块的时间都与时钟模块的时间相对应，确保各传感器模块工作的时间同步，输出的携带时间标记的传感数据也在时间上同步，微处理器只需要识别传感数据所携带的时间标记就能准确组合同一时刻的各传感器模块的传感数据，不需要进行复杂的时间校准和组合，降低了时间校准的难度，减少了时间校准的误差，提高了校准精度。

如图2所示，在其中一个实施例中，传感器模组300包括激光雷达模块304、摄像头模块306和IMU模块308。

具体的，激光雷达模块304包括激光雷达传感器，激光雷达传感器指的是利用激光技术进行测量的传感器。激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

摄像头模块306包括摄像头传感器，摄像头传感器即图像传感器，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。摄像头模块306可以为单目摄像头或多目摄像头，单目摄像头指的是单个彩色或者灰度相机，多目摄像头指的是两个或者两个以上的彩色或者灰度相机组成的摄像头系统。单目摄像头处理信息的速度快，多目摄像头可以从不同角度进行拍摄，从而获取更多的信息。

IMU模块308是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

在其中一个实施例中，各传感器模块的预设的驱动频率各不相同。

具体的，传感器模组包括激光雷达模块、摄像头模块和IMU模块，三个传感器模块的预设的驱动频率的关系为：

f1＝m*f2；

f2＝n*f3；

其中，f2是摄像头模块的驱动频率，f3是激光雷达模块的驱动频率，f1是IMU模块的驱动频率，m和n取大于等于1的整数。根据驱动频率触发三个传感器模块工作的触发信号的关系如图3所示，以时钟模块提供全局时间轴。

进一步的，时钟模块可以为GPS时钟模块，如图3所示，此处为GPS时间轴，三个传感器的触发信号在时间上对齐，即某个时间点对三个传感器同时驱动，然后按照固定驱动频率对三个传感器进行分别驱动，即每隔一段时间，就会再次出现两个或三个传感器同时被驱动的情况，此时间间隔由m和n控制，用户可根据需要自行调节。

在其中一个实施例中，时间标记的精度等于或小于毫秒级。

在其中一个实施例中，传感数据包括激光雷达传感数据、摄像头传感数据和IMU传感数据。

具体的，传感数据包括携带时间标记的各传感器模块的数据。激光雷达传感数据包括携带时间标记的传感对象的3D点云数据，摄像头传感数据包括携带时间标记的传感对象的黑白图像和彩色图像，IMU传感数据包括携带时间标记的传感对象的角速度和加速度值。

在其中一个实施例中，激光雷达传感数据包括16线、32线和64线3D点云阵列，16线、32线和64线3D点云阵列携带时间标记。

具体的，点云指的是在逆向工程中通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合，通常使用三维坐标测量机所得到的点数量比较少，点与点的间距也比较大，叫稀疏点云；而使用三维激光扫描仪或照相式扫描仪得到的点云，点数量比较大并且比较密集，叫密集点云。当一束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息。若将激光束按照某种轨迹进行扫描，便会边扫描边记录到反射的激光点信息，由于扫描极为精细，则能够得到大量的激光点，因而就可形成激光点云。

进一步的，输出点云阵列的精度可根据需要自行设置。点云阵列常与其它传感器数据结合使用，主要包括摄像头传感数据，其应用领域包括但不限于：智能驾驶，智能家居，三维重建，数字地球，城市规划，防灾减灾，海洋测绘等等。

在其中一个实施例中，摄像头传感数据包括黑白图像和彩色图像，黑白图像和彩色图像携带时间标记。

具体的，输出图像的形式可根据需要自行设置。图像是客观对象的一种相似性的、生动性的描述或写真，是人类社会活动中最常用的信息载体。黑白图像指的是只有黑白两种颜色的图像。彩色图像是指每个像素由R、G、B分量构成的图像，每个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的色彩称为真彩色。

在其中一个实施例中，IMU传感数据包括传感对象的角速度和加速度，传感对象的角速度和加速度携带时间标记。

具体的，IMU传感数据中的传感对象的角速度指的是传感对象在一个以弧度为单位的圆上运动时,在单位时间内所走过的弧度。加速度指的是速度变化量与发生这一变化所用时间的比值，是描述物体速度变化快慢的物理量，加速度是矢量，它的方向是物体速度变化量的方向，与合外力的方向相同。

在其中一个实施例中，携带时间标记的同步传感数据包括携带时间标记的传感数据，以及携带时间标记的组合传感数据，携带时间标记的组合传感数据由携带时间标记的传感数据组合得到。

具体的，同步传感数据上携带的时间标记与传感数据上携带的时间标记相同，组合传感数据上携带的时间标记也与传感数据上携带的时间标记相同。组合传感数据可以由各传感器模块中的任意两个传感器模块的传感数据组合而成，也可以由各传感器模块中的任意三个传感器模块的传感数据组合而成。常用的组合传感数据包括RGB-D(red greenblue depth，红绿蓝-深度)点云数据和当前位姿数据等，同步传感数据应用领域包括但不限于：智能驾驶，智能家居，三维重建，数字地球，城市规划，防灾减灾，海洋测绘等等。

如图4所示，一种数据同步的传感装置的数据同步方法，包括以下步骤：

S200：根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至传感器模组中的各传感器模块。

具体的，时钟模块根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至传感器模组中的各传感器模块。驱动频率指的是用于控制时钟模块定期向传感器模组中的各传感器模块输出驱动信息的频率，在初始化时钟模块时设置，各传感器模块的驱动频率各不相同。驱动信息指的是用于触发传感器模组中的各传感器模块工作的信息，各传感器模块接收到驱动信息时，开始收集传感对象的传感数据的工作，驱动信息可以为一个高电平或低电平。

S400：通过各传感器模块，根据驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至微处理器。

具体的，各传感器模块接收到驱动信息后，开始收集传感对象的传感数据，并输出传感数据至微处理器。各传感器模块输出的传感数据携带有时间标记，时间标记是根据接收到驱动信息的时间节点设置的，时间标记的精度等于或小于1毫秒。时钟模块提供全局时间轴，所有的传感数据上携带的时间标记都以时钟模块的时间为基准，使得所有传感数据上携带的时间标记的时刻是同步的，例如，若各传感器模块均在时钟模块显示为9:00时进行数据采集，则所有传感数据上携带的时间标记都为9:00，即可确保传感数据的时间同步。

S600：通过微处理器，接收携带时间标记的传感数据，识别传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各传感器模块的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。

具体的，微处理器指的是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器，这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。同步传感数据上携带的时间标记与传感数据上携带的时间标记相同，同步传感数据包括各传感器模块的传感数据以及将各传感器模块的传感数据组合之后的组合传感数据，组合传感数据包括RGB-D点云数据和当前位姿数据等。例如，微处理器接收到携带10:00的时间标记激光雷达模块输出的32线3D点云阵列数据和摄像头模块输出的彩色图像数据，以及携带10:01的时间标记激光雷达模块输出的32线3D点云阵列数据和摄像头模块输出的彩色图像数据，微处理器根据传感数据上的时间标记，将携带10:00时间标记的32线3D点云阵列数据和彩色图像数据组合在一起，将携带10:01时间标记的32线3D点云阵列数据和彩色图像数据组合在一起，并在输出原始传感数据的同时，组合两类传感器模块的传感数据，生成RGBD点云数据并输出。

上述数据同步的传感方法，采用统一的时钟模块去驱动各传感器模块工作，使各传感器模块的时间都与时钟模块的时间相对应，确保各传感器模块工作的时间同步，输出的携带时间标记的传感数据也在时间上同步，微处理器只需要识别传感数据所携带的时间标记就能准确组合同一时刻的各传感器模块的传感数据，不需要进行复杂的时间校准和组合，降低了时间校准的难度，减少了时间校准的误差，提高了校准精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种数据同步的传感装置，其特征在于，包括微处理器、时钟模块和传感器模组，所述传感器模组包括至少两个传感器模块，所述微处理器与所述传感器模组中的各传感器模块相连接，所述时钟模块与所述传感器模组中的各传感器模块相连接；

所述时钟模块根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至各所述传感器模块，各所述传感器模块根据所述驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至所述微处理器，所述微处理器接收所述携带时间标记的传感数据，识别所述传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各所述传感器模块的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。

2.根据权利要求1所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述传感器模组包括激光雷达模块、摄像头模块和IMU模块。

3.根据权利要求2所述的数据同步的传感装置，其特征在于，各所述传感器模块的预设的驱动频率各不相同。

4.根据权利要求1所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述时间标记的精度等于或小于毫秒级。

5.根据权利要求1所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述传感数据包括激光雷达传感数据、摄像头传感数据和IMU传感数据。

6.根据权利要求5所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述激光雷达传感数据包括16线、32线和64线3D点云阵列，所述16线、32线和64线3D点云阵列携带时间标记。

7.根据权利要求5所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述摄像头传感数据包括黑白图像和彩色图像，所述黑白图像和彩色图像携带时间标记。

8.根据权利要求5所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述IMU传感数据包括传感对象的角速度和加速度，所述传感对象的角速度和加速度携带时间标记。

9.根据权利要求1所述的数据同步的传感装置，其特征在于，所述携带时间标记的同步传感数据包括所述携带时间标记的传感数据，以及携带时间标记的组合传感数据，所述携带时间标记的组合传感数据由所述携带时间标记的传感数据组合得到。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的数据同步的传感装置的数据同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据预设的驱动频率分别输出驱动信息至传感器模组中的各传感器模块；

通过各所述传感器模块，根据所述驱动信息分别收集传感对象的传感数据，并输出携带时间标记的传感数据至所述微处理器；

通过所述微处理器，接收所述携带时间标记的传感数据，识别所述传感数据携带的时间标记，组合携带相同时间标记的各所述传感器模块的传感数据，生成携带时间标记的同步传感数据。