CN110133999B

CN110133999B - 一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法及系统

Info

Publication number: CN110133999B
Application number: CN201910329688.0A
Authority: CN
Inventors: 邹蓉; 曾晓东; 邹东; 陈云翔
Original assignee: Wuhan Xingyuan Yunyi Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Xingyuan Yunyi Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2039-04-23
Also published as: CN110133999A

Abstract

本发明提供一种激光点云数采平台的时间同步方法及系统，步骤如下：GPS接收单元接收卫星信号解析数据并向LiDAR和同步器分发时间基准秒脉冲信号PPS和$GPRMC数据，LIDAR采集点云数据，记录当前点云数据的时间，LIDAR将位置信息、点云数据打上时间标记以binex格式输出至树莓派存储，同步器根据基准秒脉冲信号PPS后对当前时间取整秒并累加时间常数校准同步器的时间，IMU按固定频率采集位姿数据通过数据串口与树莓派通信，同时向同步器发送脉冲信号；同步器收到脉冲信号后记录当前校准后的时间，并向树莓派输出与当前校准后的时间标记IMU位姿数据，本发明解决了北斗、IMU、LIDAR、同步器的数据时间同步问题，实现不同传感器采集的数据进行精确的时间同步。

Description

一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法及系统

技术领域

本发明涉及时钟同步技术领域，尤其涉及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。

背景技术

在工程实践中经常需要利用多种传感器采集不同种类相关信息，如在移动测图中，需要同时利用北斗接收机、LIDAR、IMU等设备分别采集点云信息和位置信息等。对于不同传感器采集的数据进行精确的时间同步在实际应用中具有重大意义。IMU在与其他种类传感器进行数据融合解算之前，进行高精度的时间同步是必要前提。为此需要额外的硬件和软件来赋予各传感器数据统一的时间。但是二者往往由于存在时间起点和基准不一致、数据输出速率不一致、电路延迟等因素，为IMU与其他种类传感器时间同步对准造成困难，而且相应的软硬件开发调试的工作量大、开发周期长，不利于对多传感器集成系统的快速验证。

当前同步时间方法主要有软件方式或硬件方式,如Binghao Li等《A GPS-slavedtime synchronization system for hybrid navigation》中使用多功能数据采集卡(DAQCard)作为GPS、INS两个子系统公用时间同步模块进行数据采集的方法，其中多功能数据采集卡由模拟信号输入与输出、计数器/计时器和数字I/O线等组成；Isaac Skog等《Effectsof time synchronization errors in GNSS-aided INS》中提出了将GPS/INS时间同步误差作为待估参数加入非线性扩展卡尔曼滤波状态矩阵进行估计的方法。通过以上方式会造成同步时间不精确，尽管在一些时间同步系统中，可从硬件层面通过触发信号控制IMU在同步系统接收到GNSS接收机PPS信号时开始同步采样，但多数传感器无法修改底层控制，即无法控制惯导在PPS信号到达的同时开始采样，这样PPS 信号到达后的首帧惯导数据总是经过一定延时才到达采集卡，Binghao Li的同步方法中未对GNSS 1PPS信号后的首帧惯导数据的延时进行补偿，这将对惯导时标造成最大值与惯导采样周期同量级的系统误差，如对100Hz采样率惯导可产生毫秒级系统性延迟；对于GPS/INS系统时间差参数化方法，需要首先将时间同步误差限定在一定的范围内，而对于低精度惯导器件，该方法通常无法估计出较为准确的时间差，会造成点云数据有精度误差。例如专利201721755228.7 一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置，中提到用LIDAR测距，需要LIDAR获得发射脉冲的触发信号，LIDAR的接收器接收到反射的脉冲信号后转变为电平信号与发射时间比较时间差来测距，LiDAR传感器通过激光测距获得扫描点在以LiDAR为原点的传感器坐标系下的相对坐标，在将点云坐标转换至世界坐标系下的绝对坐标时，首先需要获得LiDAR传感器的精确坐标，而LiDAR 坐标需通过GNSS/INS松组合解算得到，当GNSS/INS时间同步存在误差时，松组合解算得到的LiDAR坐标有误差，因此点云数据转换至世界坐标系时也会存在精度误差。同时技术实现较为复杂，需要处理累计误差，对于GPS/INS时间同步系统，累积误差即实现首次同步后由于硬件计算延迟及惯导频率漂移造成的时间延迟若无法得到有效消除，将不断累积，使GPS/INS两个子系统时间同步误差逐渐变大，由于数据讲究实时性，需要高精度的同步时间，因此如果同步时间产生误差，会造成最后的激光点云数据不准确。

综上所述目前现有技术中单片机作为时间同步器，单片机的时钟晶振存在时间飘移易累积误差；IMU是按固定频率向外发送位姿数据的装置，本身不能发送时间数据，单纯的利用单片机的时钟晶振标记IMU数据时间会与LIDAR采集的点云数据时间不同步，造成点云数据与错误的位姿数据对应，产生测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法，使用本方法可以使LIDAR采集的点云数据时间与IMU采集位姿数据时间同步，使LIDAR采集的点云数据与正确的IMU位姿数据一一对应。

本发明的技术方案为一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法，包括以下步骤：

GPS接收单元接收卫星信号解析数据形成$GPRMC数据、binex数据、时间基准秒脉冲信号PPS，GPS接收单元向LiDAR分发基准秒脉冲信号PPS，同时向同步器分发基准秒脉冲信号PPS和$GPRMC数据，GPS接收单元同步通过数据串口连接LiDAR，向LiDAR发送$GPRMC数据，同时GPS接收单元还与树莓派通过串口传输binex数据，发送当前时间点的位置信息，所述$GPRMC数据包含UTC时间信息和位置坐标信息；

LIDAR接收$GPRMC数据后解算出UTC时间和位置坐标，LIDAR接收基准秒脉冲信号PPS后采集点云数据，将UTC时间、位置坐标作为当前点云数据的采集时间和采集位置坐标，LIDAR将采集位置坐标、点云数据打上采集时间标记，以binex格式将binex数据输出至树莓派存储；

IMU按固定频率采集位姿数据通过数据串口与树莓派通信，同时向同步器发送IMU惯导脉冲信号；

同步器收到GPS接收单元输出的基准秒脉冲信号PPS后开始计时，此后每次接收到IMU惯导脉冲信号时记录一次计时结果，计时结果为基准秒脉冲信号 PPS后每次IMU惯导脉冲信号的延迟补偿时间，此后单片机每收到一次基准秒脉冲信号PPS归零一次补偿时间并重新开始计时；在两次基准秒脉冲信号PPS 之间，同步器在接收到同步于前一次基准秒脉冲信号PPS的$GPRMC数据后，解算获得UTC时间，提取UTC时间整秒时间，将UTC时间小数部分置为0，作为当前时间，在当前时间上累加各个延迟补偿时间作为同频率的位姿数据的时间戳，并向树莓派输出时间戳标记位姿数据，每解算出一次UTC时间更新一次当前时间。

优选地，所述同步器还同步向相机输出IMU惯导脉冲信号的发生时间。

一种基于星云激光点云数采平台的时间同步系统，包括GPS接收单元、 IMU、LIDAR、同步器、树莓派、变压器、电源，所述GPS接收单元为GNSS 接收机板卡，GNSS接收机板卡与LIDAR通过数据串口RS232连接，GNSS接收机板卡还与LIDAR和同步器通信连接，GNSS接收机板卡还与树莓派通过串口连接；LIDAR、IMU、同步器分别与树莓派串口连接，IMU与同步器信号连接，电源分别与LIDAR、GPS接收单元、变压器电连接，变压器与同步器、IMU、树莓派电连接，所述同步器采用型号为STM32的单片机。

优选地，所述时间同步系统还包括相机，所述同步器与相机串口连接。

本发明提供星云激光点云数采平台的时间同步方法，利用GPS接收单元的 $GPRMC数据解算出UTC时间，每获得一次UTC时间校准一次单片机的时钟，单片机每收到一次基准秒脉冲信号开始计时每收到一次IMU惯导脉冲信号记录一次计时结果，作为延迟补偿时间，校准后的时钟累加补偿时间作为IMU发送给树莓派的位姿数据的时间戳，使位姿数据可按补偿时间与LIDAR的点云数据一一对应，解决了北斗接收机、LIDAR、IMU设备的时间同步问题，实现了各种设备的数据精确的时间同步。

附图说明

图1是根据本发明的一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法的结构图。

具体实施方式

现在参照附图描述本发明的示意性示例，相同的附图标号表示相同的元件。下文描述帮助全面彻底的透彻理解本发明，且意在示例。

图1是根据本发明的一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法结构的图。对时间同步装置进行全局的展示。

如图1所示，根据本发明的一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法，包括GPS接收单元、IMU、LIDAR、同步器，同步器采用型号为STM32 的单片机，具体地，GPS接收单元即GNSS接收机板卡，用于实时接收北斗、 GPS等系统的卫星信号，卫星信号进入GNSS接收机板卡系统选择所需的通信格式如gprmc、binex。其中，gprmc数据用于与LIDAR以及与单片机通信，binex 数据用于树莓派通信存储当前时间点的位置信息。GNSS接收机板卡接收卫星信号解析数据获取时间、位置等信息，这些数据信息实时的分发给LIDAR与同步器。所述$GPRMC数据包含UTC时间信息和位置坐标信息。

GNSS接收机板卡与LIDAR通过数据串口RS232连接发送$GPRMC数据，用于解算出UTC时间和位置坐标，同时GNSS接收机板卡与LIDAR和单片机通信连接，向LIDAR输出时间基准秒脉冲信号(PPS)，向单片机输出基准秒脉冲信号(PPS)和$GPRMC数据，LIDAR接收秒脉冲信号(PPS)后用于采集点云数据，将UTC时间、位置坐标作为当前点云数据的采集时间和采集位置坐标，LIDAR将采集位置坐标、点云数据打上采集时间标记以binex数据输出至树莓派存储；

单片机还与IMU信号连接接收IMU惯导脉冲信号，单片机在收到GNSS 接收机板卡输出的基准秒脉冲信号(PPS)时刻开始计时，直至此后首次接收到 IMU惯导脉冲信号时结束计时，计时结果为基准秒脉冲信号(PPS)后首帧IMU 惯导脉冲信号的延迟补偿时间，单片机首次同步于基准秒脉冲信号(PPS)收到$GPRMC数据后，解算获得UTC时间，提取UTC时间整秒时间，将UTC时间小数部分置为0，作为初始时间，此后单片机每收到一次基准秒脉冲信号(PPS)，将初始时间累加1秒获得当前时间，小数部分置为0，随后根据IMU惯导脉冲信号在当前时间上累加延迟补偿时间校准IMU惯导脉冲信号的发生时间，并向树莓派输出IMU惯导脉冲信号的发生时间；

IMU与树莓派通过数据串口RS422连接，IMU定时采集位姿数据向树莓派输出位姿数据，同步发出IMU惯导脉冲信号。

综上所示，采用该星云激光点云数采平台的时间同步方法，即可有效地确保GPS接收单元、IMU、LIDAR数据信息的时间同步，提高了点云数据的精度，满足工程数据精度要求。

熊萍等人在科技广场发表的“基于单片机的实时时钟同步系统的研究.”指出现有的单片机计时步骤如下：

单片机定时器内振荡器输出经12分频后的脉冲,在计数方式2(即计算次方位数N＝8)时，每个机器周期使定时器的数值加1直至计满溢出，机器周期C₁为2μs，从零开始计数，计数到时间常数α时发生中断，

定时时间T＝(2^N-α)12/晶振频率f，定时时间T为250μs，晶振频率f为11.0592MHz，计算出时间常数α为256μs，整点报时取3600.0s，一小时中断次数＝3600000000/250＝14400000次，当设置时间常数α₂＝25.601ms，每次定时产生误差0.00000108506945ms，一小时走时误差为0.015625s。

在《基于单片机的实时时钟同步系统的研究》时钟同步方法中，熊萍等从包含UTC时间信息的$GPGGA信息中解算出UTC时间作为时钟时间源，此后通过单片机晶振维持时间，在该方法中采用了来自GPS模块解算的NMEA-0183 格式数据，而未使用GPS PPS秒脉冲作为同步基准，$GPGGA信息中的UTC 时间到达时钟前相对于精度为微秒级的PPS脉冲经过了GPS模块解算延迟及数据传输延迟，不使用GPS PPS秒脉冲同步时误差主要来自模块解算时间延迟与数据传输延迟，其中模块解算延迟量取决于模块计算速度，因模块性能而异，传输延迟量根据公式δT＝n_bytes×N_bits/B计算，其中n_bytes为传感器数据包字节数，N_bits为串口传输单字节的数据位数，B为串口波特率，在上述方法中所使用的$GPGGA通常为76字节，若传输单字节数据位数为8，波特率为 9600，则传输延迟约为δT＝76×8/9600＝0.063333s。此外该方法还受单片机计算延迟、晶振频率漂移影响，同步误差会随时间累计。

在本专利中使用了精度为微秒级的GPS PPS秒脉冲作为时间基准，避免了由定位模块解算过程及串口通信造成的延迟，在接收到GPS PPS秒脉冲后单片机即开始计时，直至此后首次接收到惯导脉冲时结束计时，计时结果为PPS秒脉冲后首帧惯导脉冲信号的延迟补偿，这样将惯导时间与GPS时间通过脉冲信号进行了同步，PPS秒脉冲对应的整秒数值从随后到达的$GPRMC数据中解算得到，此外不同于现有的仅使用单次GPS PPS秒脉冲进行一次同步的方法，本专利将每一个GPS秒脉冲均用于时间同步，这样避免了由于单片机计时误差与惯导频率漂移造成的同步误差随时间累计，因此在长时间计时情况下仍能获得非常高的计时精度，计时精度理论上可优于1ms。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

GPS接收单元接收卫星信号解析数据形成$GPRMC数据、binex数据、时间基准秒脉冲信号PPS，GPS接收单元向LiDAR和同步器分发基准秒脉冲信号PPS，还同时向同步器分发$GPRMC数据，GPS接收单元同步通过数据串口连接LiDAR，向LiDAR发送$GPRMC数据，同时GPS接收单元还与树莓派通过串口传输binex数据，发送当前时间点的位置信息，所述$GPRMC数据包含UTC时间信息和位置坐标信息；

LIDAR接收$GPRMC数据后解算出UTC时间和位置坐标，LIDAR接收基准秒脉冲信号PPS后采集点云数据，将UTC时间、位置坐标作为记录当前点云数据的采集时间和采集位置坐标时间，LIDAR将采集位置信息坐标、点云数据打上采集时间标记，以binex格式将binex数据输出至树莓派存储；

同步器收到GPS接收单元输出的基准秒脉冲信号PPS后开始计时，此后每次接收到IMU惯导脉冲信号时记录一次计时结果，计时结果为基准秒脉冲信号PPS后每次IMU惯导脉冲信号的延迟补偿时间，此后单片机每收到一次基准秒脉冲信号PPS归零一次补偿时间并重新开始计时；在两次基准秒脉冲信号PPS之间，同步器在接收到同步于前一次基准秒脉冲信号PPS的$GPRMC数据后，解算获得UTC时间，提取UTC时间整秒时间，将UTC时间小数部分置为0，作为当前时间，在当前时间上累加各个延迟补偿时间作为同频率的位姿数据的时间戳，并向树莓派输出时间戳标记位姿数据，每解算出一次UTC时间更新一次当前时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步器还同步向相机输出IMU惯导脉冲信号的发生时间。

3.根据权利要求1所述方法的时间同步系统，其特征在于，包括GPS接收单元、IMU、LIDAR、同步器、树莓派、变压器、电源，所述GPS接收单元为GNSS接收机板卡，GNSS接收机板卡与LIDAR通过数据串口RS232连接，GNSS接收机板卡还与LIDAR和同步器信号通信连接，GNSS接收机板卡还与树莓派通过串口连接；LIDAR、IMU、同步器分别与树莓派串口连接，IMU与同步器信号连接，电源分别与LIDAR、GPS接收单元、变压器电连接，变压器与同步器、IMU、树莓派电连接，所述同步器采用型号为STM32的单片机。

4.根据权利要求3所述的时间同步系统，其特征在于，所述时间同步系统还包括相机，所述同步器与相机串口连接。