CN109257131A - 一种无人机lidar时间同步系统及方法 - Google Patents

一种无人机lidar时间同步系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109257131A
CN109257131A CN201810981543.4A CN201810981543A CN109257131A CN 109257131 A CN109257131 A CN 109257131A CN 201810981543 A CN201810981543 A CN 201810981543A CN 109257131 A CN109257131 A CN 109257131A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mcu
data
time
clock
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810981543.4A
Other languages
English (en)
Inventor
郭归阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Ji'ou Optical Technology Co Ltd
Original Assignee
Guangzhou Ji'ou Optical Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Ji'ou Optical Technology Co Ltd filed Critical Guangzhou Ji'ou Optical Technology Co Ltd
Priority to CN201810981543.4A priority Critical patent/CN109257131A/zh
Publication of CN109257131A publication Critical patent/CN109257131A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0647—Synchronisation among TDM nodes
    • H04J3/065—Synchronisation among TDM nodes using timestamps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明属于无人机技术领域，特别是涉及一种无人机LIDAR时间同步系统及方法。利用时间戳+后差分技术，通过时间同步本身即可消除系统时间同步误差；利用1PPS每秒修正一次时间，进一步消除系统时间同步的累积误差；从而来解决现有技术中的无人机LIDAR时间同步对高速激光测距模块型号选择要求高，并且存在同步累积误差的缺陷。

Description

一种无人机LIDAR时间同步系统及方法
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别是涉及一种无人机LIDAR时间同步系统及方法。
背景技术
无人机激光雷达一般包含高速激光测距模块、GNSS卫星导航模块、IMU惯性测量模块三部分。实现无人机激光雷达，最关键的技术是三部分的时间同步。几乎所有的无人机激光雷达的时间同步，均需要全球卫星导航板卡(GNSS板卡)，产生一个低频稳定触发元秒脉冲(1PPS：1pulse per second)。通过该秒脉冲，使用可编程逻辑门阵列FPGA或DSP可以生成一个更高频率的“基准同步脉冲”。再用基准同步脉冲信号去触发高速激光扫描器和惯导(IMU)等模组采集数据。这样，高速激光测距、GNSS、IMU的数据便可以通过时间同步整合在一起，产生真实的带大地坐标的点云数据。
现有技术因为采样脉冲需要触发高速激光测距模块，便使得选用的高速激光测距模块必须自身可支持同步脉冲信号输入。如果激光模块本身不支持脉冲输入，则现有技术无法从实现。这限制了在产品研发阶段，对高速激光测距模块的选型。高速激光测距模组自带高速转动的伺服电机，一般旋转速度在1200～2500rpm之间。伺服电机旋转时，产生纵向角度，使得激光测距模组可以输出二维的角度值，但在接收到外部基准同步脉冲信号后，电机必须“立刻”调整转速以和信号匹配。由于机械原理、惯性原理，伺服电机的调整必然存在延迟，从而引入了时间同步的累积误差，如图1所示。
发明内容
本发明提供了一种无人机LIDAR时间同步系统及方法，解决了现有技术中的无人机LIDAR时间同步对高速激光测距模块型号选择要求高，并且存在同步累积误差的缺陷。
具体技术方案是，所述无人机LIDAR时间同步系统，包括GNSS板卡、MCU核心处理板、激光模组和惯导IMU；GNSS板卡与MCU核心处理板和惯导IMU通信连接；激光模组与MCU核心处理板通信连接；所述GNSS板卡用于在无人机激光雷达系统启动后发出1PPS脉冲和NMEA数据。
所述NMEA数据采用GPRMC格式。
激光模组为2D激光模组。
一种无人机LIDAR时间同步方法，包括以下步骤，(1)GNSS板卡产生1PPS脉冲和GPRMC数据，并将1PPS脉冲和GPRMC数据，并别发送给MCU核心处理板和惯导IMU，NMEA数据采用推荐定位信息GPRMC格式；
(2)IMU惯性导航，惯导IMU收到1PPS脉冲及GPRMC数据，处理后会将包含有真实GPS时间戳的数据发送给MCU核心处理板，记为Data_IMU{GpsTime_IMU,Data_IMU}；
(3)MCU核心处理板时钟同步，MCU核心处理板获取到1pps和GPRMC数据后，立即读取GPRMC中的GPS时间戳信息，解析成年月日时分秒，同时同步自身系统时钟MCU_SYS_CLOCK，同步完成后，即MCU系统时钟≈GPS时钟，同时MCU核心处理板每收到一个1pps秒脉冲和GPRMC数据，便会保存一次GPS时间戳和自身系统时间戳MCU_SYS_CLOCK，保存精度设为微秒级，两个时间戳的值实时存储下来，记做GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY，用于后续消除误差。
(4)高速激光测距时间同步，在步骤(3)完成后，MCU实时获取并存储惯导IMU发出的惯性导航数据及2D激光模组发出的激光数据，同时获取2D激光模组的行脉冲，MCU在获取到行脉冲的同时，读取自身的系统时间，记为MCU_SYS_CLOCK_LASER，并实时存储；
(5)时间同步后处理，无人机激光雷达工作完成后，导出存储的数据，通过后差分处理软件，利用(3)(4)两步获取的GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY、MCU_SYS_CLOCK_LASER，计算出获取激光模组数据的真实GPS时间。
有益效果，利用时间戳+后差分技术，通过时间同步本身即可消除系统时间同步误差；利用1PPS每秒修正一次时间，进一步消除系统时间同步的累积误差；激光模组和IMU均独立控制精度更高；对激光模组要求更低，可选用更多类型的激光模组来实现无人机Lidar方案；所有飞行时采集的数据均不作任何处理实时保存，同步工作实际上交由后处理软件完成，安全性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，这些附图所直接得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。
图1是现有技术中的基准同步脉冲信号存在的时间同步累计误差展示图。
图2是本发明所述无人机LIDAR时间同步系统的结构框图。
图3是未采用本发明的1PPS脉冲进行每秒的时间同步后的航测点云示意图。
图4：采用本发明的1PPS脉冲做每秒的时间同步后的航测点云示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
本身通过利用时间戳+后差分技术，通过1PPS每秒修正一次时间，从而来消除系统时间同步的累积误差，使激光模组、GNSS卫星导航模块、IMU惯性测量模块三部分的时间达到同步，并且使整个无人机激光雷达对激光模组的要求更低，选择性更强。
LIDAR--Light Detection And Ranging，即激光探测与测量,也即激光雷达。
GNSS板卡即高精度GNSS定位卡板，可直接购买获得。
NMEA数据National Marine Electronics Association的缩写，是美国国家海洋电子协会的简称，现在是GPS导航设备统一的RTCM标准协议。
GPRMC格式包含GPS时间戳(年月日时分秒毫秒)、定位状态、经纬度信息、地面速率、地面航向、磁偏角信息等。
1PPS脉冲即秒脉冲。
行脉冲指高速激光测距模组每测一组数据，便会输出一个脉冲信号，一般用于和外部系统时间同步，本发明利用行脉冲实现同步。
惯导IMU选用：Analog Devices公司生产的ADIS16445；MCU核心处理板选用TexasInstruments公司生产的AM3354BZCZD80。
实施例1，如图2所示，所述无人机LIDAR时间同步系统，包括诺瓦泰OEM617D板卡、MCU核心处理板、2D激光模组和惯导IMU；GNSS板卡与MCU核心处理板和惯导IMU通信连接；2D激光模组与MCU核心处理板通信连接；所述GNSS板卡用于在无人机激光雷达系统启动后发出1PPS脉冲和NMEA数据。
在上述技术方案的基础上，所述NMEA数据采用GPRMC格式。(1)实施例2，一所述无人机LIDAR时间同步方法，包括以下步骤，首先无人机激光雷达系统启动后，GNSS板卡产生1PPS脉冲和GPRMC数据，GNSS板卡可根据实际情况进行选择调整，如本申请试验时采用的诺瓦泰OEM617D板卡，GNSS板卡将1PPS脉冲和GPRMC数据，并别发送给MCU核心处理板和惯导IMU，NMEA数据采用推荐定位信息GPRMC格式。接下来惯导IMU收到1PPS脉冲及GPRMC数据后将1PPS脉冲及GPRMC数据进行处理，然后会将包含有真实GPS时间戳的数据发送给MCU核心处理板，记为Data_IMU{GpsTime_IMU,Data_IMU}。再接下来MCU核心处理板获取到1pps和GPRMC数据后，立即读取GPRMC中的GPS时间戳信息，解析成年月日时分秒，同时同步自身系统时钟MCU_SYS_CLOCK，同步完成后，即MCU系统时钟≈GPS时钟，一般的工业级ARM芯片，其累积误差约为±1Sec/Day(每天误差1秒)。同时MCU核心处理板每收到一个1pps秒脉冲和GPRMC数据，便会保存一次GPS时间戳和自身系统时间戳MCU_SYS_CLOCK，保存精度设为微秒级，两个时间戳的值实时存储下来，记做GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY，用于后续消除误差。在上述步骤完成后，MCU实时获取并存储惯导IMU发出的惯性导航数据及激光模组发出的激光数据，同时获取高速激光测距模组的行脉冲，行脉冲指高速激光测距模组每测一组数据，便会输出一个脉冲信号，一般用于和外部系统时间同步，本发明利用行脉冲实现同步。MCU在获取到行脉冲的同时，读取自身的系统时间，记为MCU_SYS_CLOCK_LASER，并实时存储。最后无人机激光雷达工作完成后，将存储的数据导出，通过后差分处理软件，现有技术中的后差分处理软件就可实现，在此不再详述，最后再利用上述获取的GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY、MCU_SYS_CLOCK_LASER，根据激光模组数据的真实GPS时间＝GPS时间-GPS时间与MCU系统时间差值，从而计算出获取激光模组数据的真实GPS时间。其中，GPS时间与MCU系统时间差，可由GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY获得，根据上述描述，实际上该值已经每秒过修正一次，这样便可以进一步消除系统累积误差。
其中惯导IMU选用：Analog Devices公司生产的ADIS16445；MCU核心处理板选用Texas Instruments公司生产的AM3354BZCZD80。
利用时间戳+后差分技术，通过时间同步本身即可消除系统时间同步误差；利用1PPS每秒修正一次时间，进一步消除系统时间同步的累积误差；激光模组和IMU均独立控制精度更高；对激光模组要求更低，可选用更多类型的激光模组来实现无人机Lidar方案；所有飞行时采集的数据均不作任何处理实时保存，同步工作实际上交由后处理软件完成，安全性更高。
本实验利用机载激光雷达对一条马路进行航测,无人机高度：50米；航速：5米每秒。
实验环境和基本参数：如下表3所示：
表3
序号 项 说明
1 无人机飞行高度 50米
2 无人机航速设定 5米/秒
3 无人机型号 M600Pro(厂商：DJI)
4 温度 33～34℃
5 湿度 55～60％
6 飞行时长 10分钟
7 飞行航带数 2
8 相邻航带重叠度 30％
如图3所示，是未采用本发明的1PPS脉冲进行每秒的时间同步后的航测点云示意图。
如图4所示。是采用本发明的1PPS脉冲做每秒的时间同步后的航测点云示意图。
试验结果：两次实验，所有飞行参数均相同，两次航带之间的重叠区内分布若干行道树。如图3，由于未采用本发明的时间同步法，造成了时间的累计误差，导致道路两侧的行道树即框中的点无法重合，两次航带相互间有偏差。误差值在1.5米左右。图4中采用本发明的时间同步方法，消除了时间的累计误差。道路两侧的行道树完美重合。误差值＜20厘米。从而证明了本申请的技术方案利用时间戳+后差分技术，能够很好的消除系统时间同步误差。

Claims (3)

1.一种无人机LIDAR时间同步系统，其特征在于：包括GNSS板卡、MCU核心处理板、2D激光模组和惯导IMU；GNSS板卡与MCU核心处理板和惯导IMU通信连接；2D激光模组与MCU核心处理板通信连接；所述GNSS板卡用于在无人机激光雷达系统启动后发出1PPS脉冲和NMEA数据。
2.根据权利要求1所述的无人机LIDAR时间同步系统，其特征在于：所述NMEA数据采用GPRMC格式。
3.一种无人机LIDAR时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤，(1)GNSS板卡产生1PPS脉冲和GPRMC数据，并将1PPS脉冲和GPRMC数据，并别发送给MCU核心处理板和惯导IMU，NMEA数据采用推荐定位信息GPRMC格式；
(2)IMU惯性导航，惯导IMU收到1PPS脉冲及GPRMC数据，处理后会将包含有真实GPS时间戳的数据发送给MCU核心处理板，记为Data_IMU{GpsTime_IMU,Data_IMU}；
(3)MCU核心处理板时钟同步，MCU核心处理板获取到1pps和GPRMC数据后，立即读取GPRMC中的GPS时间戳信息，解析成年月日时分秒，同时同步自身系统时钟MCU_SYS_CLOCK，同步完成后，即MCU系统时钟≈GPS时钟，同时MCU核心处理板每收到一个1pps秒脉冲和GPRMC数据，便会保存一次GPS时间戳和自身系统时间戳MCU_SYS_CLOCK，保存精度设为微秒级，两个时间戳的值实时存储下来，记做GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY，用于后续消除误差。
(4)高速激光测距时间同步，在步骤(3)完成后，MCU实时获取并存储惯导IMU发出的惯性导航数据及2D激光模组发出的激光数据，同时获取2D激光模组的行脉冲，MCU在获取到行脉冲的同时，读取自身的系统时间，记为MCU_SYS_CLOCK_LASER，并实时存储；
(5)时间同步后处理，无人机激光雷达工作完成后，导出存储的数据，通过后差分处理软件，利用(3)(4)两步获取的GPS_AND_MCU_TIME_ARRAY、MCU_SYS_CLOCK_LASER，计算出获取2D激光模组数据的真实GPS时间。
CN201810981543.4A 2018-08-27 2018-08-27 一种无人机lidar时间同步系统及方法 Pending CN109257131A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810981543.4A CN109257131A (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种无人机lidar时间同步系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810981543.4A CN109257131A (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种无人机lidar时间同步系统及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109257131A true CN109257131A (zh) 2019-01-22

Family

ID=65050264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810981543.4A Pending CN109257131A (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种无人机lidar时间同步系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109257131A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110133999A (zh) * 2019-04-23 2019-08-16 武汉星源云意科技有限公司 一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法及时间同步系统
CN110187631A (zh) * 2019-06-25 2019-08-30 北京临近空间飞行器系统工程研究所 一种控制系统的时间对齐方法及系统
CN112214019A (zh) * 2020-09-21 2021-01-12 国网浙江省电力有限公司 一种无人巡检设备无盲区智能反馈控制系统、方法、终端
CN114659506A (zh) * 2022-02-22 2022-06-24 杭州丽视智能科技有限公司 一种三维信息测绘的装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1696737A (zh) * 2005-05-25 2005-11-16 中国科学院上海技术物理研究所 遥感多传感器成像时间对准装置
CN105319567A (zh) * 2014-05-30 2016-02-10 北京星网宇达科技股份有限公司 一种激光陀螺位置姿态系统时间同步方法
US20160349379A1 (en) * 2015-05-28 2016-12-01 Alberto Daniel Lacaze Inertial navigation unit enhaced with atomic clock

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1696737A (zh) * 2005-05-25 2005-11-16 中国科学院上海技术物理研究所 遥感多传感器成像时间对准装置
CN105319567A (zh) * 2014-05-30 2016-02-10 北京星网宇达科技股份有限公司 一种激光陀螺位置姿态系统时间同步方法
US20160349379A1 (en) * 2015-05-28 2016-12-01 Alberto Daniel Lacaze Inertial navigation unit enhaced with atomic clock

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110133999A (zh) * 2019-04-23 2019-08-16 武汉星源云意科技有限公司 一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法及时间同步系统
CN110187631A (zh) * 2019-06-25 2019-08-30 北京临近空间飞行器系统工程研究所 一种控制系统的时间对齐方法及系统
CN112214019A (zh) * 2020-09-21 2021-01-12 国网浙江省电力有限公司 一种无人巡检设备无盲区智能反馈控制系统、方法、终端
CN114659506A (zh) * 2022-02-22 2022-06-24 杭州丽视智能科技有限公司 一种三维信息测绘的装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109257131A (zh) 一种无人机lidar时间同步系统及方法
CN110133999B (zh) 一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法及系统
CN112672415B (zh) 多传感器时间同步方法、装置、系统、电子设备及介质
Gurtner et al. Rinex-the receiver independent exchange format-version 3.00
CN108732597B (zh) 一种多卫星导航系统的时间基准建立方法及系统
US20100073228A1 (en) Method and apparatus for a global navigation satellite system receiver coupled to a host computer system
CN107807365A (zh) 用于低空无人航空器的轻小型数字摄影三维激光扫描装置
CN109525351A (zh) 一种用于与时间基准站实现时间同步的设备
CN105158771B (zh) 一种卫星导航系统中的溯源模型参数产生方法
CN110412629B (zh) 基于gnss信号模拟节点的定位方法及定位系统
CN109100746A (zh) 一种基于转发节点的隧道定位系统及方法
CN112861660B (zh) 激光雷达阵列与相机同步装置、方法、设备及存储介质
CN117388881B (zh) 一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法及系统
CN102830405B (zh) 一种多点定位系统高精度同步授时方法
CN105372685A (zh) 一种区域高精度位置增强系统及方法
JP2018112445A (ja) 演算装置、演算方法、演算システムおよびプログラム
CN105652281A (zh) 一种用于光电测距气象改正的方法及系统
CN107807373A (zh) 基于移动智能终端的gnss高精度定位方法
CN114812512A (zh) 一种基于ai免像控点的无人航拍自动成像系统
CN105549054A (zh) 一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法
WO2020181852A1 (zh) 一种时钟同步电路、时钟同步方法和海底地震仪
CN112731268B (zh) 一种差分数据的处理方法和定位跟踪系统
CN103675838A (zh) 同步导航电文的方法、接收机及装置
CN203941286U (zh) 基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备
CN105973203A (zh) 一种无人机航空摄影中差分gnss应用方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190122