CN109104259B - 一种多传感器对时同步系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多传感器对时同步系统和方法，该系统包括：微控制器、若干传感器以及逻辑计算单元；微控制器连接有若干传感器接口、通讯接口以及提供同步时钟的晶振；微控制器通过所述传感器接口与所述传感器连接，通过所述通讯接口与所述逻辑计算单元连接；逻辑计算单元包括用于采集传感器的数据包的数据采集线程、用于接受来自微控制器的时间戳和脉冲序列号的同步时间戳管理线程以及存储器；时间戳和脉冲序列号由所述同步时钟所决定。本技术方案使各传感器的采集时间由同一个时钟系统进行管理，从而使各传感器的采集时间统一以低时滞方式统一到同一个时间坐标系下。系统的时间同步方式为硬件同步，并对晶振进行了温度补充处理，对时精度高。

Description

一种多传感器对时同步系统和方法

技术领域

本发明涉及数据采集处理技术领域，尤其涉及一种多传感器对时同步系统和方法。

背景技术

多个和/或多种传感器进行数据采集时，不同的传感器的采集时间分别由各自的内部时间系统进行管理，或者，由传感器的内部时间系统和微控制器/逻辑计算单元的内部时间系统组合管理。而多个时间系统之间的计时往往存在偏差，因此，需要对多个和/或多种传感器的采集时间进行对时统一。

对时是指使各传感器的采集时间由同一个时钟系统进行管理，使各传感器的采集时间能够以低时滞方式统一到同一个时间坐标系下。现有的对时同步方法有通过逻辑计算单元内部的时钟系统进行软件同步、通过微控制器内部的时钟系统进行硬件同步、GPS对时、NTP对时、SNTP对时、IEEE 1588对时等。

由于各传感器的计时系统之间存在计时偏差，使得各传感器的采集时间不在同一时间坐标系下，导致数据应用的结果出现偏差。例如，当数据应用到时间敏感应用时，应用精度较低。而且，传感器的内部时间系统工作一段时间后会自动重新计时，不能满足长时间采集的要求。

软件同步的方式受逻辑计算单元时间片影响，精度较低。GPS对时方式具有成本高(每个节点都需要安装GPS设备)、安装受限制(需要户外无遮挡)、可用性差(受天气、环境影响)、存在使用风险(美国对民用GPS不提供保障)等缺点。NTP对时和SNTP对时精度比较低，IEEE 1588对时兼容性低(每个节点都需要有IEEE 1588协议)。若定制能满足采集要求的高配置的传感器/微控制器/逻辑计算单元成本很高。

公开号为CN105940390A的专利文献公开了一种由具有应用处理器和协同处理器的设备执行的方法，所述应用处理器被配置为基于操作系统运行，且所述协同处理器被配置为从所述设备的多个传感器接收数据，所述方法包括：确定由所述设备的所述多个传感器中的给定传感器产生的中断，其中，所述中断指示所述给定传感器具有用于输出的数据；由所述协同处理器提供由所述给定传感器产生的所述中断的时间戳，所述时间戳指示所述给定传感器具有用于输出的所述数据的时间；由所述协同处理器从所述给定传感器接收用于输出的所述数据；将由所述给定传感器产生的所述中断的所述时间戳与来自所述给定传感器的所接收数据相关联；基于由所述协同处理器提供的所述数据的时间戳，来将从所述多个传感器接收的所述数据一起关联至数据结构中；以及由所述协同处理器基于所述数据的所述时间戳，来将所述数据结构依次提供至所述应用处理器。但是，由于从传感器到协同处理器的数据传输要消耗一些时间，并且在该过程中也存在一定的丢包风险，该方案中协同处理器将数据被传感器收集时的时间戳与收到的数据包不加分辨地直接相关联，因缺少丢包判断识别，数据包和时间戳会关联匹配错误，导致传感器采集数据故障。另外，此具有应用处理器单和协同处理器的设备的时钟晶振无温度补偿处理，在工作一段时间后易出现漂移，使计时出现偏差，不能满足长时间采集的要求。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多传感器对时同步系统和方法，旨在解决现有技术中实现多传感器之间的准确对时同步的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种多传感器对时同步系统，其特征在于，包括：微控制器、若干传感器以及逻辑计算单元；所述微控制器连接若干传感器接口、通讯接口以及提供同步时钟的晶振；所述微控制器通过所述传感器接口与所述传感器连接，通过所述通讯接口与所述逻辑计算单元连接；所述逻辑计算单元包括用于采集传感器的数据包的数据采集线程、用于接受来自微控制器的时间戳和脉冲序列号的同步时间戳管理线程以及存储器；所述时间戳和脉冲序列号由所述微控制器决定。

作为优选，所述传感器包括但不限于相机、激光雷达、编码器以及惯性元件。

作为优选，所述相机包括鱼眼相机、普通相机、深度相机以及其它成像技术。

作为优选，所述晶振为温补晶振，以进行温度补偿处理。

作为优选，当所述数据采集线程采集的传感器的数据包为相机或者激光雷达的数据包时，所述数据采集线程还用于向所述同步时间戳管理线程获取与数据包对应的时间戳，并合成具有时间的完整数据包存储到所述存储器中。

作为优选，所述数据采集线程还用于计算所述数据包的丢包率；当所述丢包率大于预设阈值时，停止动作(如传感器重置或报错)；当所述丢包率小于或者等于预设阈值时，继续动作(如传感器重置或报错)。

作为优选，所述微控制器还用于根据所述激光雷达的采集频率，判断数据包是否属于干扰信号。

作为优选，所述微控制器还用于将惯性元件和/或编码器的数据、对应的时间戳以及脉冲序列号上传至所述同步时间戳管理线程。

作为优选，在所述传感器工作前，所述同步时间戳管理线程还用于向所述微控制器发出对时请求；

作为优选，所述微控制器根据所述对时请求，向所述同步时间戳管理线程返回确认信息。

一种多传感器对时同步方法，其特征在于，包括信号同步处理单元SSPU、若干传感器以及逻辑计算单元，信号同步处理单元SSPU包括微控制器以及提供同步时钟的晶振，信号同步处理单元SSPU通过传感器接口与所述传感器连接，信号同步处理单元SSPU通过通讯接口与所述逻辑计算单元连接，传感器通过通讯接口与逻辑计算单元连接，所述传感器是板级传感器、带GPS接口传感器或者独立型传感器中的一种或多种；包括下述步骤：

1)微控制器以晶振作为时钟源，产生信号同步处理单元SSPU的系统时间，以此系统时间作为基准时间；

2)传感器开始数据采集前，信号同步处理单元SSPU与逻辑计算单元的时间进行对表，获得信号同步处理单元SSPU系统时间与计算机单元时钟的对应关系；

3)数据采集验证；

当所述传感器为独立型传感器时，执行下述步骤：每次触发独立型传感器时，逻辑计算单元读取独立型传感器的初始数据及其报文序列号形成独立型传感器的初始数据；在触发独立型传感器采集数据的同时，信号同步处理单元SSPU读取系统时间生成时间戳及其脉冲序列号；随后信号同步处理单元SSPU上传该时间戳及其脉冲序列号至逻辑计算单元；逻辑计算单元将报文序列号和脉冲序列号进行一一对应匹配，匹配成功的独立型传感器初始数据和时间戳数据组合生成独立型传感器数据包。

作为优选，所述独立型传感器数据包中包括有最终序列号、信号同步处理单元SSPU上传的时间戳和独立型传感器上传的数据，最终序列号可以是脉冲序列号或报文序列号。

作为优选，所述步骤3)中，当报文序列号和脉冲序列号匹配失败时，则等待下一次匹配。

作为优选，所述步骤3)中，当所述传感器为板级传感器时，执行下述步骤：板级传感器开启后实时采集数据，并定时发出脉冲信号到信号同步处理单元SSPU；信号同步处理单元SSPU接收到脉冲信号后，生成脉冲序列号并读取系统时钟生成板级传感器的时间戳，同时读取板级传感器的数据；随后信号同步处理单元SSPU将读取的数据及时间戳相关联形成板级传感器数据包实时上传至逻辑计算单元。

作为优选，所述步骤3)中，当所述传感器为带GPS接口传感器时，执行下述步骤：一是，信号同步处理单元SSPU在系统时间整秒时刻输出脉冲信号，并记录该时刻的系统时间；二是，信号同步处理单元SSPU向带GPS接口传感器发送系统时间信息，即带GPS接口传感器的系统时间与信号同步处理单元SSPU的系统时间进行了同步。

一种多传感器对时同步系统，其特征在于，采用如上所述的一种多传感器对时同步方法。

一种多传感器对时同步系统，其特征在于，包括信号同步处理单元SSPU、若干传感器以及逻辑计算单元，信号同步处理单元SSPU包括微控制器以及提供同步时钟的晶振，信号同步处理单元SSPU通过传感器接口与所述传感器连接，信号同步处理单元SSPU通过通讯接口与所述逻辑计算单元连接，传感器通过通讯接口与计算机连接；传感器在发出或收到触发脉冲时，生成初始数据及其报文序列号；信号同步处理单元SSPU在收到或发出传感器采集数据脉冲的同时，读取系统时间生成时间戳及其脉冲序列号；逻辑计算单元读取传感器的初始数据及其报文序列号，同时信号同步处理单元SSPU上传时间戳及其脉冲序列号至逻辑计算单元；逻辑计算单元将报文序列号和脉冲序列号进行一一对应匹配，匹配成功的初始数据和时间戳数据组合生成传感器数据包。

本发明提供的多传感器对时同步系统，使各传感器的采集时间由同一个时钟系统进行管理，从而使各传感器的采集时间以低时滞方式统一到同一个时间坐标系下。系统的时间同步方式为硬件同步，并对晶振进行了温度补充处理，对时精度高。应用本系统后，传感器的数据准确度更高，后期的数据应用更为精确，应用在时间敏感应用中精度更高且成本低。多模态传感器可灵活配置，形成不同的组合，实现系统中任意传感器组合的数据同步。

附图说明

图1为本发明具体实施例的多传感器对时同步系统的硬件示意图；

图2为本发明具体实施例的多传感器对时同步系统的系统框架示意图；

图3为本发明具体实施例的信号和数据的传输示意图；

图4为本发明具体实施例的激光雷达的工作流程示意图；

图5为本发明具体实施例的相机的工作流程示意图；

图6为本发明具体实施例的数据与时间戳匹配的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种多传感器对时同步系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

所述对时是指使各传感器的采集时间由同一个时钟系统进行管理，使各传感器的采集时间能够以低时滞方式统一到同一个时间坐标系下。

图1、图2为本发明具体实施例的一种多传感器对时同步系统。如图1、图2所示，所述系统包括：信号同步处理单元SSPU(Signal Synchronization Process Unit)、若干传感器以及逻辑计算单元140。

信号同步处理单元SSPU包括：微控制器110、若干传感器接口、通讯接口(如USB)111以及提供同步时钟的晶振118。具体的，所述晶振为温补晶振。

如图3所示，信号同步处理单元SSPU通过所述传感器接口与所述传感器连接，通过所述通讯接口(如USB)111与所述逻辑计算单元140连接。传感器通过通讯接口与计算机连接。

传感器主要包括板级传感器、带GPS接口类型传感器及独立型传感器三种类型：

(1)板级传感器：此类传感器数据吞吐量小，数据接口一般为串口、I2C、SPI、CAN等，可通过微控制器进行处理即SSPU可接收传感器数据并添加时间戳信息。比如：惯性元件，编码器。

(2)带GPS接口传感器：此类传感器配备标准的GPS信号接口(如3D激光雷达)，可通过接收外部时间信息修正自身时间系统以达到和外部时间系统统一的目的。比如：3D激光雷达。

(3)独立型传感器：此类传感器一般数据吞吐量较大，微控制器级别的处理器无法处理其数据，需直接上传至逻辑计算单元，其时间戳可由SSPU通过信号触发或信号捕捉的方式进行添加并上传。比如：工业相机，2D激光雷达，红外热像仪。

具体的，所述传感器可以包括：相机、2D激光雷达、3D激光雷达、编码器、红外热像仪以及惯性元件等中的一个或多个。可选地，所述相机为鱼眼相机、普通相机、深度相机、工业相机或其它成像技术。相应地，信号同步处理单元SSPU中的所述传感器接口包括：编码器接口、惯性元件接口；3D激光雷达接口；可见光相机接口、2D激光雷达接口、红外热像仪接口；GPS接口；USB转串口。

本实施例中，如图1所示，信号同步处理单元SSPU中，所述微控制器110则连接有对应的相机同步信号接口112、激光雷达同步信号接口113、惯性元件接口114以及编码器接口115。

在一些实施例中，所述微控制器还可以进一步连接有其他合适的功能接口，例如数字输入输出接口116，其他的对外同步接口117。

如图2所示，为本发明实施例的系统框架图。在本实施例中，所述逻辑计算单元140包括：用于采集传感器的数据包的数据采集线程141、用于接受来自信号同步处理单元SSPU的时间戳和脉冲序列号的同步时间戳管理线程142以及存储器143。所述逻辑计算单元140具体可以是任何合适，具有一定逻辑计算能力的硬件设备，例如计算机主机或者嵌入式单元，只需要能够执行上述的线程141和线程142即可。

所述时间戳和脉冲序列号由所述微控制器所决定。在本实施例中，使用信号同步处理单元SSPU来表示，基于所述晶振提供的时钟，用于管理和实现不同传感器之间的高精度对时的功能模块。SSPU的时间戳为所述晶振的时钟，所述脉冲序列号为所述传感器触发信号计数。

在一些实施例中，信号同步处理单元SSPU的微控制器连接有工作频率不同的第一相机接口和第二相机接口。所述第一相机接口的工作频率高于所述第二相机接口。

所述第一相机接口和第二相机接口分别与相机阵列连接，所述相机阵列包括至少一个主相机和若干从相机。同属于一个相机阵列，连接到同一个相机接口的主相机和从相机具有相同的工作频率。

上述系统的多传感器对时同步方法，包括信号同步处理单元SSPU、若干传感器以及逻辑计算单元140，信号同步处理单元SSPU包括微控制器110以及提供同步时钟的晶振118，信号同步处理单元SSPU通过传感器接口与所述传感器连接，信号同步处理单元SSPU通过通讯接口与所述逻辑计算单元140连接，传感器通过通讯接口与计算机连接，所述传感器是板级传感器、带GPS接口传感器或者独立型传感器中的一种或多种；包括下述步骤：

1)微控制器以晶振作为时钟源，产生信号同步处理单元SSPU的系统时间，以此系统时间作为基准时间；

2)传感器开始数据采集前，信号同步处理单元SSPU与逻辑计算单元的时间进行对表，获得信号同步处理单元SSPU系统时间与计算机单元时钟的对应关系；

3)数据采集验证；

当所述传感器为板级传感器时，执行下述步骤：板级传感器开启后实时采集数据，并定时发出脉冲信号到信号同步处理单元SSPU；信号同步处理单元接SSPU收到脉冲信号后，生成脉冲序列号并读取系统时钟生成板级传感器的时间戳，同时读取板级传感器的数据；随后信号同步处理单元SSPU将读取的数据及时间戳相关联形成板级传感器数据包实时上传至逻辑计算单元；逻辑计算单元根据板级传感器数据包中的脉冲序列号判断板级传感器数据流是否丢包。如果丢包，将丢包信息(如丢失的序列号，采集频率，当前丢失个数等)记入log日志。

当所述传感器为带GPS接口传感器时，执行下述步骤：一是，信号同步处理单元SSPU在系统时间整秒时刻输出脉冲信号，并记录该时刻的系统时间；二是，完成信号触发任务后，信号同步处理单元SSPU向带GPS接口传感器(例如3D激光雷达)发送系统时间信息，即带GPS接口传感器(例如3D激光雷达)的系统时间与信号同步处理单元SSPU的系统时间进行了同步，带GPS接口传感器(例如3D激光雷达)输出数据中带有信号同步处理单元SSPU的时间戳信息。

当所述传感器为独立型传感器时，执行下述步骤：每次触发独立型传感器时，逻辑计算单元读取独立型传感器的初始数据及其报文序列号形成独立型传感器的初始数据；在触发独立型传感器采集数据的同时，信号同步处理单元SSPU读取系统时间生成时间戳及其脉冲序列号；随后信号同步处理单元SSPU上传该时间戳及其脉冲序列号至逻辑计算单元；逻辑计算单元根据独立型传感器的报文序列号信息判断独立型传感器的数据流是否丢包，如果丢包，将丢包信息(如丢失的序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志；逻辑计算单元通过脉冲序列号信息判断时间戳数据流是否丢包，如果丢包，根据上次脉冲序列号对应的时间戳数据和采集频率补全当前的时间戳数据信息，并将丢包信息(如丢失的序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志。逻辑计算单元实时记录丢包信息，计算丢包率。如果丢包率超过预设阈值，则采取动作(如传感器重置或报错)；如果丢包率未超过阈值，继续执行。逻辑计算单元将报文序列号和脉冲序列号进行一一对应匹配，匹配成功的独立型传感器初始数据和时间戳数据融合在一起生成独立型传感器数据包。在该数据包中包括有最终序列号、信号同步处理单元SSPU上传的时间戳和独立型传感器上传的数据。最终序列号可以是脉冲序列号或报文序列号，优选是报文序列号。当报文序列号和脉冲序列号匹配失败时，独立型传感器上传的数据及其报文序列号则等待下一次匹配。

以下分别以各个传感器为例，具体阐述传感器的对时工作流程：

在所述传感器工作前，所述同步时间戳管理线程还用于向信号同步处理单元SSPU发出对时请求。信号同步处理单元SSPU根据所述对时请求，向所述同步时间戳管理线程返回确认信息，产生完整的系统时间。

在一些实施例中，如图5所示，相机在所述系统中的工作流程为：首先由信号同步处理单元SSPU定时发出脉冲触发相机采集数据，同时信号同步处理单元SSPU将晶振时钟时间作为相机的时间戳，将脉冲计数作为相应时间戳的脉冲序列号，将该时间戳及其相应的脉冲序列号上传至所述同步时间戳管理线程142。

相机启动并采集图像，生成附带报文序列号的数据包(数据包中具有采集时间和图像特征数据)后，将数据包并上传至所述数据采集线程141。

所述同步时间戳管理线程142接收到所述时间戳及其对应的脉冲序列号后，可以通过时间戳的脉冲序列号判断是否丢包。若发生丢包，根据上次脉冲序列号对应的时间戳和采集频率对当前时间戳信息补全，并将丢包信息(丢失的脉冲序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志。

所述数据采集线程141接收相机的数据包并通过数据包中附带的报文序列号判断数据是否丢包。若发生丢包，将丢包信息(丢失的报文序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志。

最后，所述数据采集线程141根据报文序列号向所述同步时间戳管理线程142索取对应的时间戳。所述同步时间戳管理线程142索取对应的时间戳，根据索取请求，向其返回时间戳。所述数据采集线程141将得到的时间戳和数据包组合成一个完整数据包，并将其存储到存储器中。所述存储器具体可以是任何合适类型的可读逻辑计算单元存储介质，例如闪存、机械式硬盘等。

在一些实施例中，还可以计算丢包率。在丢包率超过预设阈值，则停止该传感器的数据采集并重置或者报错。若丢包率未超过阈值，则允许进入下一次采集。所述数据可以应用到时间敏感应用。

在一些实施例中，如图4所示，激光雷达在所述系统中的工作流程为：首先，所述数据采集线程141控制激光雷达开启，激光雷达定时发射激光并向信号同步处理单元SSPU发出脉冲触发信号同步处理单元SSPU，激光雷达生成附带报文序列号的数据包并且将数据包直接上传至数据采集线程141。其中，所述数据包中具有发射时间和激光雷达数据。

所述信号同步处理单元SSPU接收激光雷达发出的脉冲，将晶振的时钟时间作为激光雷达的时间戳，将脉冲计数作为相应时间戳的脉冲序列号，将脉冲序列号及相应时间戳上传至所述同步时间戳管理线程142。

所述数据采集线程141接收激光雷达的数据包并通过数据包中附带的报文序列号判断数据是否丢包，如果丢包，将丢包信息(丢失的报文序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志。

最后，所述数据采集线程141根据报文序列号向所述同步时间戳管理线程142索取对应的时间戳。所述同步时间戳管理线程142索取对应的时间戳，根据索取请求，向其返回时间戳。所述数据采集线程141将得到的时间戳和数据包组合成一个完整数据包，并将其存储到存储器中。所述存储器具体可以是任何合适类型的可读逻辑计算单元存储介质，例如闪存、机械式硬盘等。

在一些实施例中，还可以计算丢包率。在丢包率超过预设阈值，则停止传感器工作。若丢包率未超过阈值，则允许进入下一次采集。所述数据可以应用到时间敏感应用。

在另一些实施例中，信号同步处理单元SSPU还可以通过捕捉触发信号来记录激光雷达时间戳，并根据采集频率判断是否为干扰信号。

对于惯性元件在所述系统中的工作流程：首先，所述数据采集线程141控制惯性元件开启，惯性元件实时采集运动信息，并定时向信号同步处理单元SSPU发送脉冲触发所述信号同步处理单元SSPU。

所述信号同步处理单元SSPU接收惯性元件发出的脉冲，将微控制器系统时间作为惯性元件的时间戳，将脉冲计数作为相应时间戳的脉冲序列号，读取惯性元件的数据。然后，将该脉冲序列号、相应时间戳及惯性元件数据上传至所述同步时间戳管理线程142。

所述同步时间戳管理线程142接收所述惯性元件的数据后，将其存储到存储器中。所述存储器具体可以是任何合适类型的可读逻辑计算单元存储介质，例如闪存、机械式硬盘等。所述数据可以应用到时间敏感应用。

对于编码器的工作流程：首先，所述数据采集线程141控制编码器开启，编码器实时采集运动信息。微控制器定时读取编码器数据，将微控制器系统时间作为编码器的时间戳，将脉冲计数作为相应时间戳的脉冲序列号，将该脉冲序列号、相应时间戳及编码器数据上传至所述同步时间戳管理线程142。

所述同步时间戳管理线程142接收所述整合有时间信息的编码器数据，将其存储到存储器中。所述存储器具体可以是任何合适类型的可读逻辑计算单元存储介质，例如闪存、机械式硬盘等。所述数据可以应用到时间敏感应用。

当然，所述编码器的时间戳可以与惯性元件、相机或者激光雷达的时间戳一致。例如，所述编码器时间戳与所述惯性元件时间戳一致时，所述信号同步处理单元SSPU接收惯性元件发出的脉冲，将晶振的时钟时间作为惯性元件和编码器的时间戳，将脉冲计数作为相应时间戳的序列号，读取惯性元件和编码器的数据，将序列号、相应时间戳、惯性元件数据和编码器数据上传至所述同步时间戳管理线程142。

如图6所示，上述系统的传感器数据采集方法(或丢包判断方法)，包括信号同步处理单元SSPU、若干传感器以及逻辑计算单元，信号同步处理单元SSPU包括微控制器以及提供同步时钟的晶振，信号同步处理单元SSPU通过传感器接口与所述传感器连接，信号同步处理单元SSPU通过通讯接口与所述逻辑计算单元连接，传感器通过通讯接口与计算机连接；传感器在发出或收到触发脉冲时，生成初始数据及其报文序列号；信号同步处理单元SSPU在收到或发出传感器采集数据脉冲的同时，读取系统时间生成时间戳及其脉冲序列号；还包括下述具体步骤：

1)逻辑计算单元读取传感器的初始数据及其报文序列号；并根据报文序列号信息判断传感器的数据流是否丢包，如果丢包，将丢包信息(如丢失的序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志；

2)逻辑计算单元获取信号同步处理单元SSPU的时间戳及其脉冲序列号；并根据脉冲序列号信息判断时间戳数据流是否丢包，如果丢包，根据上次脉冲序列号对应的时间戳数据和采集频率补全当前的时间戳数据信息，并将丢包信息(如丢失的序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志。

3)逻辑计算单元将报文序列号和脉冲序列号进行一一对应匹配，匹配成功的初始数据和时间戳数据组合在一起生成传感器数据包；当报文序列号和脉冲序列号匹配失败时，则等待下次匹配。

本实施例中，逻辑计算单元实时记录丢包信息，计算丢包率。如果丢包率超过预设阈值，则采取动作(如传感器重置或报错)；如果丢包率未超过阈值，继续执行。

在上述传感器数据包中包括有最终序列号、信号同步处理单元SSPU上传的时间戳和独立型传感器上传的数据。最终序列号可以是脉冲序列号或报文序列号，优选是报文序列号。

本实施例中，传感器上传的每帧初始数据格式为：

报文序列号

数据

当前帧的报文序列号与上一帧的报文序列号呈递增关系，间隔为1。

信号同步处理单元SSPU上传的每帧数据格式为：

脉冲序列号

时间戳

当前帧的脉冲序列号与上一帧的脉冲序列号呈递增关系，间隔为1。

本实施中，丢包判断过程包括数据丢失判断、时间戳丢失判断和匹配过程。

数据丢失判断时，传感器初始数据中的报文序列号的间隔为1，如果发现当前帧的报文序列号比上一帧大于1，则判断为丢包，丢包个数为报文序列号差值减1。如果丢包，将丢包信息(丢失的报文序列号，采集频率，当前丢失个数)记入log日志，作为诊断依据。

时间戳丢失判断时，时间戳信息中的脉冲序列号的间隔为1，如果发现当前帧的脉冲序列号比上一帧大于1，则判断为丢包，丢包个数为报文序列号差值减1。并将丢包信息(丢失的脉冲序列号，当前丢失个数)记入log日志，作为后续诊断依据。

匹配过程：首先逻辑计算单元的数据采集线程获取传感器上传的数据及对应的报文序列号，然后向信号同步处理单元SSPU时间戳管理线程索取时间戳信息，通过报文序列号和脉冲序列号的一一对应关系进行匹配组合。最终组合为完整的数据包，数据格式为：

时间戳

报文序列号

数据

报文序列号为组合后的每帧的序列号，匹配成功加一处理。

匹配失败处理：当匹配过程中，传感器数据中的报文序列号与当前索取到的脉冲序列号无法一一对应时，则终止该匹配过程进入等待下一次匹配。

关于上述系统的多传感器数据采集方法进一步说明如下：

一、有GPS模式

1.GPS数据采集

SSPU通过串口通信获取GPS时钟信息并作为SSPU自身的时间系统基准，并根据GPS时钟信息对SSPU自身的晶振进行误差补偿。并且根据需要可以通过GPS获取设备的位置信息。

二、无GPS模式

SSPU采用自身时间系统作为基准进行计时。

1、GPS数据采集

SSPU通过串口通信获取GPS时钟信息并作为SSPU自身的时间系统基准，并根据GPS时钟信息对SSPU自身的晶振进行误差补偿，当设备所在环境无GPS信号是，SSPU采用自身时间系统进行计时。

并且根据需要可以通过GPS获取设备的位置信息。

2、可见光相机采集

PC端(逻辑计算单元)对可见光相机进行数据采集，其时间戳由SSPU进行统一管理，SSPU模块通过脉冲信号触发相机并将该触发时刻作为该图像帧的时间戳，同时对脉冲信号进行计数并作为数据序列号，最后将时间戳、数据序列号一起上传至PC。

一旦PC端(逻辑计算单元)接收到图像帧的时间戳信息，立刻向可见光相机获取图像数据，并将时间戳信息和图像数据合并成一帧完整数据。

3、热成像分析仪采集

PC端(逻辑计算单元)对热成像分析仪进行数据采集，其时间戳由SSPU进行统一管理，SSPU模块通过脉冲信号触发热成像分析仪并将该触发时刻作为该图像帧的时间戳，同时对脉冲信号进行计数并作为数据序列号，最后将时间戳、数据序列号一起上传至PC。

一旦PC端(逻辑计算单元)接收到图像帧的时间戳信息，立刻向热成像分析仪获取图像数据，并将时间戳信息和图像数据合并成一帧完整数据。

4、2D激光雷达采集

PC端(逻辑计算单元)对雷达进行数据采集，其时间戳由SSPU进行统一管理，SSPU模块将扑捉雷达脉冲信号沿边的时刻作为雷达的时间戳，同时将脉冲计数作为数据序列号，并将时间戳、数据序列号一起上传至PC。

同时PC端(逻辑计算单元)读取激光雷达上传数据，并在每帧数据前添加一个数据序列号作为数据的标识，并且PC端(逻辑计算单元)根据时间戳中的序列号和数据中的序列号将时间戳和数据一一对应，最终合并成一帧完整的数据。

5、3D激光雷达采集

SSPU通过串口通信将自身系统时间按照UNIX格式传输给3D激光雷达并在整秒数时输出1个频率为1Hz的脉冲信号给激光雷达，即激光雷达的时钟与SSPU进行了同步。激光雷达输出数据中带有SSPU时间戳信息。

6、IMU采集

IMU数据、时间戳由SSPU进行读取和管理，并将完整的数据上传至PC端(逻辑计算单元)。

7、编码器采集

两路编码器数据、时间戳由SSPU进行读取和管理，并将完整的数据上传至PC端(逻辑计算单元)。

在本发明实施例提供的系统和/或方法中，提供了多种不同传感器的工作流程。具体可以根据实际情况的要求，选择使用相机、惯性导航、激光雷达和编码器等各种传感器中的一种或者多种的组合。

综上所述，本发明实施例提供的多传感器对时系统，通过信号同步处理单元SSPU管理各传感器的采集时间，使各传感器的采集时间能够在同一个时钟系统进行管理，令各个传感器的采集时间以低时滞方式统一到同一个时间坐标系下。而且SSPU的对时同步方式为硬件同步，并对晶振进行了温度补充处理，对时精度高。

最终由多个传感器获得的数据准确度更高，应用在时间敏感场合更精准，对时成本较低。不同的传感器可灵活配置，形成不同的组合，适应不同的使用场景。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

应当理解，本文所述的布置仅出于示例目的。因此，本领域技术人员将意识到，其他布置和其他要素(例如，机器、接口、功能、顺序、和功能的群组等)能够作为替代来使用，并且根据所期望的结果可以完全省略一些要素。此外，所描述的要素中的许多是功能实体，所述功能实体可以被实现为在任何合适的组合或位置中的离散或分布式组件，或与其他组件结合，或者可以组合被描述为独立结构的其他结构化组件。

尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例出于说明性目的并且不旨在进行限制，其中由所附权利要求书指示真正的范围，以及这样的权利要求所享有的等同物的全部范围。还应当理解，本文所使用的术语仅为了描述特定实施例，并且不旨在进行限制。

Claims (15)

1.一种多传感器对时同步方法，其特征在于，包括信号同步处理单元SSPU、若干传感器以及逻辑计算单元，信号同步处理单元SSPU包括微控制器以及提供同步时钟的晶振，信号同步处理单元SSPU通过传感器接口与所述传感器连接，信号同步处理单元SSPU通过通讯接口与所述逻辑计算单元连接，传感器通过通讯接口与计算机连接，所述传感器至少包括一个独立型传感器,所述传感器还可以包括板级传感器或者带GPS接口传感器；包括下述步骤：

1）微控制器以晶振作为时钟源，产生信号同步处理单元SSPU的系统时间，以此系统时间作为基准时间；

2）传感器开始数据采集前，信号同步处理单元SSPU与逻辑计算单元的时间进行对表，获得信号同步处理单元SSPU系统时间与计算机单元时钟的对应关系；

3）数据采集验证；

当所述传感器为独立型传感器时，执行下述步骤：每次触发独立型传感器时，逻辑计算单元读取独立型传感器的初始数据及其报文序列号形成独立型传感器的初始数据；在触发独立型传感器采集数据的同时，信号同步处理单元SSPU读取系统时间生成时间戳及其脉冲序列号；随后信号同步处理单元SSPU上传该时间戳及其脉冲序列号至逻辑计算单元；逻辑计算单元将报文序列号和脉冲序列号进行一一对应匹配，匹配成功的独立型传感器初始数据和时间戳数据组合生成独立型传感器数据包。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器对时同步方法，其特征在于，所述独立型传感器数据包中包括有最终序列号、信号同步处理单元SSPU上传的时间戳和独立型传感器上传的数据，最终序列号可以是脉冲序列号或报文序列号。

3.根据权利要求1所述的一种多传感器对时同步方法，其特征在于，所述步骤3）中，当报文序列号和脉冲序列号匹配失败时，则等待下一次匹配。

4.根据权利要求1所述的一种多传感器对时同步方法，其特征在于，所述步骤3）中，当所述传感器为板级传感器时，执行下述步骤：板级传感器开启后实时采集数据，并定时发出脉冲信号到信号同步处理单元SSPU；信号同步处理单元接SSPU收到脉冲信号后，生成脉冲序列号并读取系统时钟生成板级传感器的时间戳，同时读取板级传感器的数据；随后信号同步处理单元SSPU将读取的数据及时间戳相关联形成板级传感器数据包实时上传至逻辑计算单元。

5.根据权利要求1所述的一种多传感器对时同步方法，其特征在于，所述步骤3）中，当所述传感器为带GPS接口传感器时，执行下述步骤：一是，信号同步处理单元SSPU在系统时间整秒时刻输出脉冲信号，并记录该时刻的系统时间；二是，信号同步处理单元SSPU向带GPS接口传感器发送系统时间信息，即带GPS接口传感器的系统时间与信号同步处理单元SSPU的系统时间进行了同步。

6.采用如权利要求1至5中任一项所述的多传感器对时同步方法的一种多传感器对时同步系统，包括：微控制器、若干传感器以及逻辑计算单元；

所述微控制器连接若干传感器接口、通讯接口以及提供同步时钟的晶振；所述微控制器通过所述传感器接口与所述传感器连接，通过所述通讯接口与所述逻辑计算单元连接；

所述逻辑计算单元包括用于采集传感器的数据包的数据采集线程、用于接受来自微控制器的时间戳和脉冲序列号的同步时间戳管理线程以及存储器；所述时间戳和脉冲序列号由所述微控制器所决定。

7.根据权利要求6所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，所述传感器为相机、激光雷达、编码器或者惯性元件。

8.根据权利要求7所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，所述相机为鱼眼相机、普通相机或者深度相机。

9.根据权利要求7所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，所述晶振为温补晶振。

10.根据权利要求7所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，当所述数据采集线程采集的传感器的数据包为相机或者激光雷达的数据包时，所述数据采集线程还用于向所述同步时间戳管理线程获取与数据包对应的时间戳，并合成具有时间的完整数据包存储到所述存储器中。

11.根据权利要求10所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，所述数据采集线程还用于计算所述数据包的丢包率；当所述丢包率大于预设阈值时，停止采集；当所述丢包率小于或者等于预设阈值时，继续采集。

12.根据权利要求11所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，所述微控制器还用于根据所述激光雷达的采集频率，判断数据包是否属于干扰信号。

13.根据权利要求7所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，所述微控制器还用于将惯性元件和/或编码器的数据、对应的时间戳以及脉冲序列号上传至所述同步时间戳管理线程。

14.根据权利要求6所述的一种多传感器对时同步系统，其特征在于，在所述传感器工作前，所述同步时间戳管理线程还用于向所述微控制器发出对时请求；

所述微控制器根据所述对时请求，向所述同步时间戳管理线程返回确认信息。

15.采用如权利要求1至5中任一项所述的多传感器对时同步方法的一种多传感器对时同步系统，包括信号同步处理单元SSPU、若干传感器以及逻辑计算单元，信号同步处理单元SSPU包括微控制器以及提供同步时钟的晶振，信号同步处理单元SSPU通过传感器接口与所述传感器连接，信号同步处理单元SSPU通过通讯接口与所述逻辑计算单元连接，传感器通过通讯接口与计算机连接；传感器在发出或收到触发脉冲时，生成原始数据及其报文序列号；信号同步处理单元SSPU在收到或发出传感器采集数据脉冲的同时，读取系统时间生成时间戳及其脉冲序列号；逻辑计算单元读取传感器的原始数据及其报文序列号，同时信号同步处理单元SSPU上传时间戳及其脉冲序列号至逻辑计算单元；逻辑计算单元将报文序列号和脉冲序列号进行一一对应匹配，匹配成功的原始数据和时间戳数据组合生成传感器数据包。

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