CN110865406A - 基于车载gps授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法 - Google Patents

基于车载gps授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法，包括ARM+FPGA处理器、GPS授时系统、MIMU、摄像头；GPS授时系统用于获取GPS授时信号，传递GPS秒脉冲信号至ARM+FPGA处理器；ARM+FPGA处理器包括PL模块和PC模块；PL模块内数据帧计数器用于对MIMU数据帧和摄像头数据帧进行计数，秒脉冲计数器用于对GPS秒脉冲信号进行计数，以秒脉冲计数器的值为基准，作为MIMU和/或摄像头校准后的更新频率；PC模块用于计算出每次MIMU和/或摄像头一秒钟的输出数据帧的时间误差，并反馈到PL模块。本发明通过数据帧计数和GPS授时的秒脉冲来计算MIMU和摄像头之间的时间误差，完成时间校正反馈，实现多传感器数据的同步采集功能。

Description

基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法
技术领域
本发明属于自动驾驶组合导航技术领域，涉及一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法。
背景技术
自动驾驶技术是当前控制领域发展的重要分支。无人系统概念的提出，对导航精度提出了更高的要求，虽然目前采用多传感器数据融合技术，大大提高了导航精度，但各传感器(导航系统)信号输出延迟、晶振信号输出存在误差，都是制约自动驾驶汽车实现厘米级甚至毫米级导航的重要因素。
卫星导航系统的授时系统具有高精度的时间信息，通过向外输出脉冲信号，可实现秒脉冲精度达到ns级别。自动驾驶汽车除使用GPS/BD实现绝对定位，也依赖惯性导航系统实现相对定位，惯性导航系统数据更新率较高，一般为几百到一千赫兹，所以在组合导航系统中占据着重要的地位；摄像头、激光雷达、高精度地图精度较高，但其依赖于图像处理技术，使得其存在时间误差。目前数据融合方法多以采样率较低的传感器(导航系统)作为组合导航系统的更新率，从而可消除部分时间误差，但这种方法不适用于自动驾驶汽车在全天候、复杂道路、复杂环境下的正常行驶。
因此，如何提供一种具有高准确性的，基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对针对自动驾驶领域中组合导航系统存在时间误差，导致数据不能对齐的问题，提供了一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法，内置高精度的时钟信号，并利用GPS秒妙处校准内部时钟，实现多传感器数据的同步采集功能。利用ZYNQ-7000中的FPGA进行时钟设计和ARM进行数据传输、数据缓存及算法控制，反应速度快。本发明为多传感器数据同步提供了一种新的实现途径。
为了实现上述的发明目的，一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，包括ARM+FPGA处理器，以及与所述ARM+FPGA处理器连接的GPS授时系统、MIMU、摄像头；
所述GPS授时系统用于获取GPS授时信号，并用秒脉冲进行校准，传递GPS秒脉冲信号至所述ARM+FPGA处理器；
所述MIMU以数据帧的方式发送数据至所述ARM+FPGA处理器；
所述摄像头以数据帧的方式发送数据至所述ARM+FPGA处理器；
所述ARM+FPGA处理器包括PL模块和PC模块；所述PL模块内设置有数据帧计数器和秒脉冲计数器；其中所述数据帧计数器用于对MIMU数据帧和摄像头数据帧进行计数，所述秒脉冲计数器用于对GPS秒脉冲信号进行计数，以秒脉冲计数器的值为基准，作为MIMU和/或摄像头校准后的更新频率；所述PC模块用于计算出每次MIMU和/或摄像头一秒钟的输出数据帧的时间误差，并反馈到PL模块，实现对MIMU和/或摄像头的时间校正。
优选的，所述摄像头设有图像处理模块，用于将摄像头采集到的数据先进行图像处理，再将处理后的数据通过通信接口与ARM+FPGA处理器接口端连接。
优选的，所述PC端还用于完成MIMU和摄像头的数据融合处理过程，并输出处理后的数据；同时完成MIMU和摄像头的数据缓存。
优选的，所述GPS授时系统通过RS422接口与所述ARM+FPGA处理器和所述摄像头实现通信。
优选的，所述MIMU通过SPI协议与所述ARM+FPGA处理器实现通信。
优选的，所述数据帧计数器和秒脉冲计数器均由晶体振荡器提供时钟基准信号。
优选的，所述ARM+FPGA处理器采用ZYNQ-7000芯片。
本发明还提供了一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理方法，包括如下步骤：
S1、利用数据帧计数器的计时方法实时获取MIMU和摄像头的数据更新周期T1、T2，利用秒脉冲计数器获取GPS的秒脉冲为1PPS，秒脉冲的秒点与UTC秒点对齐；
S2、在GPS的秒脉冲中断到来时，启动数据帧计数器，MIMU和摄像头数据更新脉冲中断，MIMU和摄像头数据更新中断到来时读出计数值，获得MIMU和摄像头数据帧计数值与秒脉冲信号的实时误差Δt1、Δt2；
S3、GPS的秒脉冲作为GPS同步时间点，在GPS同步时间点上，MIMU和摄像头更新点分别对应T1+Δt1,T2+Δt2，得到每个秒脉冲到来时的更新频率；
S4、将更新频率作为MIMU和摄像头的参考周期，应用到下一次秒脉冲的同步。
优选的，在GPS秒脉冲采集开始时，先关闭GPS秒脉冲的中断，并将秒脉冲计数器清零；在设置好秒脉冲计数器中断向量后，允许MIMU和摄像头的数据更新中断，同时打开GPS秒脉冲的中断，最后返回中断服务程序开始阶段等待下一个中断指令的到来。
优选的，在MIMU和摄像头的数据采集开始时，先关闭中断，读取此时数据帧计数器的值，计算Δt1、Δt2，然后恢复数据帧计数器缺省中断向量，并且禁止MIMU和摄像头的数据更新中断，对同步标志进行清理处理，同时设置数据融合标志，对MIMU和摄像头数据进行数据融合处理；之后打开中断，再返回中断服务程序开始阶段等待下一个中断指令的到来；MIMU和摄像头数据更新中断只在GPS秒脉冲到来后再开启。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
本发明是基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，内置高精度的时钟信号，并利用GPS秒脉冲校准内部时钟，实现多传感器数据的同步采集功能。利用ARM+FPGA处理器中的FPGA进行时钟设计和ARM进行数据传输、数据缓存及算法控制，反应速度快。本发明为多传感器数据同步提供了一种新的实现途径，采用ZYNQ-7000数据帧计数和GPS授时的秒脉冲来计算MIMU和摄像头之间的时间误差，实现时间校正反馈功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统的框架图；
图2是本发明传感器发送数据帧的数据格式示意图；
图3是本发明GPS秒脉冲信号、MIMU数据帧、摄像头数据帧三路数据的同步示意图；
图4是本发明MIMU数据更新中断服务程序流程图；
图5是本发明摄像头的数据更新中断服务程序流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图1对本发明的实施例作详细的描述。
请参阅说明书附图1，为本发明一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统实施方式的原理图。以ZYNQ-7000双核ARM+FPGA为核心芯片，设计了硬件系统，并公开了时间误差的处理的方法。
系统硬件设计
系统的硬件包括GPS授时系统、MIMU、带图像处理模块的摄像头、ZYNQ-7000双核ARM+FPGA处理器。其中，GPS接收机采用诺瓦泰7系列接收机，MIMU采用Mti-1系列微惯性导航系统。当GPS获得稳定授时信号后，解析UART数据获得当前UTC时间，并用秒脉冲进行时钟校准。MIMU和摄像头进行前处理后，通过不同的串口协议将各自的数据帧传输到ZYNQ-7000进行处理。在ZYNQ-7000中，将MIMU和摄像头的数据通过内部时钟校准，以数据帧的方式将数据发送至算法控制模块，再通过PC进行相应的数据方法处理，同时，也将数据存入数据缓存区，以便于后继数据查看与分析。各部分硬件具体功能介绍如下：
1、GPS接收机
由于GPS授时系统具有较高精度，可以以秒脉冲信号传递时间信息，系统所采用的PwrPak7系列接收机，其授时精度高达到20ns(均方根，RMS)，支持多种通信协议，授时模块通过RS422接口与ZYNQ之间实现通信。由附图1可知，本发明在ZYNQ-7000内部建立高精度时钟计数器，与GPS授时系统通过RS422通信协议实现通信，通信速率为9600bps，因此获得精确的时间基准。
2、MIMU
MIMU供电电压为3.3V，数据更新率在100～400Hz之间，其数据传输方式支持多种通信协议。本发明采用其中的SPI协议进行通信，并将MIMU的SPI接口与ZYNQ-7000的相应端口连接，实现数据通信。同时，将数据传输给缓存模块，在PL(可编程控制器)端实现时钟与数据帧计数器互连，以便授时系统实现校准。
3、摄像头
本发明所采用的摄像头带有图像处理模块，可将摄像头采集到的数据先进行处理，再将处理后的数据通过通信接口与ZYNQ-7000接口端连接，由于图像已进行相应的数据处理，减少了ZYNQ-7000的运算负载，提高ARM在数据融合方面的运算性能。
4、ZYNQ-7000双核ARM+FPGA处理器
ZYNQ-7000的同步采样数据采样率可达510Ks/s。由于时间校准主要由ZYNQ-7000完成，ZYNQ-7000内部的FPGA部分主要由PL模块完成相应的时序控制与通信功能。其中，通过PL相应的软件设计完成时序控制，然后再通过程序设计来实现通信功能，包括MIMU和摄像头的数据通信，ZYNQ-7000的时钟通信和GPS授时系统的秒脉冲通信。
ZYNQ-7000内部的ARM部分主要完成算法控制和数据缓存功能。其中，通过PC模块完成MIMU和摄像头的数据融合方法处理，并输出处理后的数据。同时完成MIMU和摄像头的数据缓存，通过ZYNQ-7000内部时钟和GPS授时的秒脉冲来计算MIMU和摄像头之间的时间误差，实现时间校正反馈功能。
多传感器同步处理方法
系统硬件结构搭建完成后，需对系统进行相应的方法设计。方法主要包括两方面内容：一是采用Verilog编程语言实现时序设计，二是通过PL完成相应的时序控制。在ZYNQ-7000内部设置两个时间计数器，其中一个计数器对MEMS-IMU数据帧进行计数，设定初始值为0，另外一个计数器为秒脉冲计数器，当秒脉冲计数器累加，终止数据帧计数器，并以此计数器值为基准，作为MEMS-IMU校准后的更新频率。具体实现过程包括：
1、数据格式定义
除GPS授时系统以外，MIMU和摄像头相应的数据均以数据帧的方式进行数据发送，为便于ZYNQ-7000的数据处理，数据格式定义见附图2。数据按帧进行保存，为识别每组数据的大小，分别在每组数据的前端和尾端加入帧头和帧尾。根据数据长度的不同，将数据的高位置前，数据的低位置后。
2、时序设计
利用系统内部计数器来完成对秒脉冲的计数，并通过数据帧计数器实现对MIMU和摄像头每一帧数据的计数。通过对比内部秒脉冲和GPS秒脉冲的时间差，调整帧计数器的装载值，这样通过算法多次校准，可有效完成时钟同步的目的，获得准确的内部秒信号。其具体设置如下：
设秒脉冲计数器为CNT_S，其字长为16bit，初始值设为0；数据帧计数器设为CNT_M，字长为32bit，初始值设为0。当第一个秒脉冲来临时，CNT_S加1，此时，帧计数器终止计数，CNT_M的值存入缓存模块，并执行清零操作，直至下一个秒脉冲到来时，执行同样操作，一直到采数结束阶段。
3、时序控制
首先通过PL模块对系统实现时序控制，再通过PC端对时序控制后的数据进行处理，通过相应的算法控制，可以计算出每秒MIMU或者摄像头的实际输出帧数，反复进行几次运算，取其平均值，再将平均后的帧数反馈回到PL端，从而可以实现对MIMU的时间校正。将校正后的数据放入缓存，等待数据融合。为了保证系统在长时间工作中保持性能稳定，通过算法处理，每隔一段时间需对时间进行校正一次。
基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理方法的数据同步原理如下：
设MIMU和摄像头的数据更新周期分别为T1、T2，GPS的秒脉冲为1PPS，秒脉冲的秒点与UTC(世界协调时)秒点对齐。利用GPS的1PPS秒脉冲为同步的基准时刻，三路数据的同步示意图见附图3，图中蓝线表示MIMU数据更新时刻，黑线表示摄像头数据更新时刻，红线表示GPS的秒脉冲，即GPS数据更新点。如图所示，在GPS数据更新点上，MIMU和摄像头更新点分别对应T1+Δt1,T2+Δt2，Δt1、Δt2分别为MIMU、摄像头的误差，在同步时间点上，通过所设计的系统得到每个秒脉冲到来时的准确更新频率。此时，将准确更新频率作为两个传感器的参考周期，应用到下一次秒脉冲同步。
为了利用系统内部计数器进行计时方法实时获取Δt1、Δt2，系统设计中通过帧计数器引出MIMU和摄像头对应的数据更新时标，GPS通过RS422引出秒脉冲时标。在系统中只需对三路脉冲信号进行精确计时中断即可完成数据同步。由PC管理这些中断功能，在GPS的秒脉冲中断到来时，启动帧计数器、MIMU和摄像头数据更新脉冲中断，MIMU和摄像头数据更新中断到来时读出计时值即可获得实时误差Δt1、Δt2。GPS秒脉冲的中断服务程序流程图见附图4，MIMU和摄像头的数据更新中断服务程序流程图见图4和图5。
图4中，在GPS秒脉冲采集开始时，先关闭GPS秒脉冲的中断，并将计数器清零。在设置好计数器中断向量后，允许MIMU和摄像头的数据更新中断，同时打开GPS秒脉冲的中断，最后返回中断服务程序开始阶段等待下一个中断指令的到来。
图5中，在MIMU和摄像头的数据采集开始时，同样先关闭中断，读取此时帧计数器的值，计算Δt1、Δt2，然后恢复帧计数器缺省中断向量，并且禁止MIMU和摄像头的数据更新中断，对同步标志进行清理处理，同时设置数据融合标志，对多传感器数据进行数据融合方法处理。之后打开中断，再返回中断服务程序开始阶段等待下一个中断指令的到来。
需要注意的是，由于MIMU和摄像头数据更新速率远高于GPS数据更新速率，特别是MIMU的数据更新速率，为了减少ZYNQ-7000资源消耗，保证导航数据处理的实时性，MIMU和摄像头数据更新中断只在GPS秒脉冲到来后再开启。另外，为了保证实时性和准确性，MIMU、摄像头和GPS的导航数据串口采集均采用中断方式，故需对系统中断管理小心处理。
以上对本发明所提供的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，包括ARM+FPGA处理器，以及与所述ARM+FPGA处理器连接的GPS授时系统、MIMU、摄像头；
所述GPS授时系统用于获取GPS授时信号，并用秒脉冲进行校准，传递GPS秒脉冲信号至所述ARM+FPGA处理器；
所述MIMU以数据帧的方式发送数据至所述ARM+FPGA处理器；
所述摄像头以数据帧的方式发送数据至所述ARM+FPGA处理器；
所述ARM+FPGA处理器包括PL模块和PC模块；所述PL模块内设置有数据帧计数器和秒脉冲计数器；其中所述数据帧计数器用于对MIMU数据帧和摄像头数据帧进行计数，所述秒脉冲计数器用于对GPS秒脉冲信号进行计数，以秒脉冲计数器的值为基准，作为MIMU和/或摄像头校准后的更新频率；所述PC模块用于计算出每次MIMU和/或摄像头一秒钟的输出数据帧的时间误差，并反馈到PL模块，实现对MIMU和/或摄像头的时间校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，所述摄像头设有图像处理模块，用于将摄像头采集到的数据先进行图像处理，再将处理后的数据通过通信接口与ARM+FPGA处理器接口端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，所述PC端还用于完成MIMU和摄像头的数据融合处理过程，并输出处理后的数据；同时完成MIMU和摄像头的数据缓存。
4.根据权利要求1所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，所述GPS授时系统通过RS422接口与所述ARM+FPGA处理器和所述摄像头实现通信。
5.根据权利要求1所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，所述MIMU通过SPI协议与所述ARM+FPGA处理器实现通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，所述数据帧计数器和秒脉冲计数器均由晶体振荡器提供时钟基准信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，所述ARM+FPGA处理器采用ZYNQ-7000芯片。
8.一种根据权利要求1-7所述的基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用数据帧计数器的计时方法实时获取MIMU和摄像头的数据更新周期T1、T2，利用秒脉冲计数器获取GPS的秒脉冲为1PPS，秒脉冲的秒点与UTC秒点对齐；
S2、在GPS的秒脉冲中断到来时，启动数据帧计数器，MIMU和摄像头数据更新脉冲中断，MIMU和摄像头数据更新中断到来时读出计数值，获得MIMU和摄像头数据帧计数值与秒脉冲信号的实时误差Δt1、Δt2；
S3、GPS的秒脉冲作为GPS同步时间点，在GPS同步时间点上，MIMU和摄像头更新点分别对应T1+Δt1,T2+Δt2，得到每个秒脉冲到来时的更新频率；
S4、将更新频率作为MIMU和摄像头的参考周期，应用到下一次秒脉冲的同步。
9.根据权利要求8所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，在GPS秒脉冲采集开始时，先关闭GPS秒脉冲的中断，并将秒脉冲计数器清零；在设置好秒脉冲计数器中断向量后，允许MIMU和摄像头的数据更新中断，同时打开GPS秒脉冲的中断，最后返回中断服务程序开始阶段等待下一个中断指令的到来。
10.根据权利要求8所述的一种基于车载GPS授时系统的多传感器数据同步处理系统，其特征在于，在MIMU和摄像头的数据采集开始时，先关闭中断，读取此时数据帧计数器的值，计算Δt1、Δt2，然后恢复数据帧计数器缺省中断向量，并且禁止MIMU和摄像头的数据更新中断，对同步标志进行清理处理，同时设置数据融合标志，对MIMU和摄像头数据进行数据融合处理；之后打开中断，再返回中断服务程序开始阶段等待下一个中断指令的到来；MIMU和摄像头数据更新中断只在GPS秒脉冲到来后再开启。
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