CN112558514B - 一种多设备硬件同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，更具体的是涉及一种多设备硬件同步方法，包括以下步骤：S1：多个数据采集单元设备采集数据，并传送到处理单元，同时处理单元形成基准信号和触发信号；S2：处理单元计算得到多个数据采集单元采集数据的预测时长；S3：处理单元根据得到的预测时长，重置多个触发信号并对齐到基准信号；S4：处理单元将多个触发信号返回到多个数据采集单元，分别触发数据采集单元的下一次动作。本发明使用多路触发信号对不同数据采集设备数据采集进行触发，通过对数据采集时间进行计算得到触发信号的提前量，并将触发信号与基准信号对齐，避免数据采集时长较长或不定的情况下数据不同步问题。

Description

一种多设备硬件同步方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，更具体地是涉及一种多设备硬件同步方法和装置。
背景技术
不同类型的数据采集单元由于硬件参数不同，采集周期和采集频率存在一定的差异，传回来的数据存在一定的时间差，不同步的数据会对后期的数据融合和算法开发产生极大的影响。
在无人系统感知和自主导航、多设备联合监控等领域中，均需要用到多种感知设备，但是不同类型的数据采集单元由于硬件参数不同，采集周期和采集频率存在一定的差异，向处理器传回来的数据存在一定的时间差，不同步的数据会对后期的数据融合和算法开发产生极大的影响。
为解决上述技术问题，中国专利CN110329273A公开了一种用于无人驾驶获取数据同步的方法，方法中的无人驾驶车辆设置有至少一个惯性测量单元(IMU)、激光雷达数据采集单元和摄像头数据采集单元，以及至少一台工业计算机和一块硬件同步电路板，方法具体包括：步骤一，硬件同步电路板获取所述至少一个惯性测量单元中的采集的数据信息以及该数据采集单元发送的一定频率的脉冲信号；将获得的惯性测量单元发送的脉冲信号降低频率至预设值之后发送给激光雷达数据采集单元；步骤二，设置摄像头数据采集单元分频数为惯性测量单元采集频率除以摄像头数据采集单元采集频率；步骤三，利用获得的惯性测量单元采集信息得到当前惯性测量单元已发送数据包个数，在其为摄像头数据采集单元分频数整数倍时向摄像头数据采集单元发送触发信号，控制摄像头数据采集单元开始采集图像；步骤四，对已经得到的惯性测量单元发送数据包个数执行以下处理步骤：利用数据包个数得到一个含有UTC时间的NMEA语句，其中UTC为hh:mm:ss格式，hh为小时数，mm为分钟数，ss为秒数，将hh和mm转换成秒数，即分别乘以3600和60，同ss相加得到一个总秒数S，令S等于当前得到的IMU已经发送的数据包个数；激光雷达数据采集单元在收到惯性测量单元降频脉冲信号和NMEA语句时进行时间同步，步骤一先执行，步骤二三四同步执行，不分先后顺序。但是这样的方案限定了硬件搭配，使得其适应性不好；另外其限定了同步基准信号为惯性测量单元，只能按前期设定固定地输出数据采集单元触发信号，对于采集时间较长或采集时长不定的数据采集单元，如交替经过树荫和阳光直射区域的自动曝光相机，不同的环境亮度会使得相机不同帧的成像时长不同，进而使不同来源数据的时间差产生较大变化，影响数据对于现实情境的描述精度，进而影响依赖于这些数据的智能算法的输出精度。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的不足，提供了一种灵活性高、适应性好、精度高的多设备硬件同步方法和装置。
在本技术方案中，提供了一种多设备硬件同步方法，包括以下步骤：
S1：多个数据采集单元设备采集数据，并传送到处理单元，同时处理单元形成基准信号和多个触发信号；
S2：处理单元计算得到多个数据采集单元采集数据的预测时长；
S3：处理单元根据得到的预测时长，重置多个触发信号并对齐到基准信号；
S4：处理单元将多个触发信号返回到多个数据采集单元，分别触发数据采集单元的下一次动作。
本方案中通过对多个数据采集单元的数据采集耗时进行计算，然后据此重置多个触发信号并均对齐到一个基准信号，之后触发信号回传到数据采集单元，触发下一次的数据采集，这样根据每次数据采集的时长均可以作为下一次数据采集时长的依据，灵活的改变数据采集单元的触发时间，提高多个数据采集单元同步程度，使得数据采集单元的数据描述更加精准，提高应用的智能算法输出精度。
优选地，上述的步骤S1中，处理单元包括若干边缘检测器、计时器、PWM方波发生器，边缘检测器用于检测数据采集单元关于数据采集状态的信号输入，计时器用于计算输入数据采集单元的数据采集状态信号的高电平和低电平之间的时长，即为数据采集的实际时长T，PWM方波发生器用于形成基准信号和触发信号。
优选地，上述的步骤S2中具体包括以下步骤：
S21：基准信号到来时，重置多个用于生成触发信号的PWM方波发生器，多个触发信号回到下降沿；
S22：设定数据采集时长阈值，判断数据采集耗时是否大于阈值，若否，则采用阈值作为下一帧数据采集的预测时长
Figure GDA0003485703850000031
若是，则进入步骤S23；
S23：计算下一帧数据采集的预测时长
Figure GDA0003485703850000032
形成触发信号，具体计算公式为：
Figure GDA0003485703850000033
其中，
Figure GDA0003485703850000034
为数据采集单元下一帧曝光的预测时长，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的曝光时长，Tn-2为数据采集单元第n-2帧数据的曝光时长，Tn-3为数据采集单元第n-3帧数据的曝光时长，Tn-4为数据采集单元第n-4帧数据的曝光时长，en-1为第n-1帧与第n-2帧曝光时长的差值，体现第n帧曝光时长的变化量，Δen-1为第n-1帧、第n-2帧分别相较前一帧曝光时长变化量的差值，Δen-2为第n-2帧、第n-3帧分别相较前一帧曝光时长变化量的差值，K1、K2、K3均为加权参数。
优选地，上述的步骤S3中将预测时长
Figure GDA0003485703850000035
的时间中点与基准信号的上升沿对齐，保证多个数据采集单元的重合度最高。
优选地，上述的基准信号为内置频率可变、确定占空比的时间信号。
优选地，上述的基准信号为步骤S1中一个数据采集单元的时序信号。
优选地，上述的触发信号的上升沿用于触发对应的数据采集单元。
优选地，上述的步骤S23中数据采集单元第n帧曝光的预测时长
Figure GDA0003485703850000036
满足以下限定条件：
Figure GDA0003485703850000037
其中，Tmin为最短有效触发时间，Tmax为最长预测时长。
优选地，上述的最长预测时长Tmax通过以下公式计算得到：
Figure GDA0003485703850000038
转换得到：
Figure GDA0003485703850000039
其中，c为数据采集单元两次数据采集之间的固定间隔时间，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的实际曝光时长，
Figure GDA00034857038500000310
为预测数据采集单元第n-1帧数据曝光的预测时长，f为数据采集单元的预设频率。
优选地，上述的处理单元为单片机、FPGA、DSP、树莓派中的一种，数据采集单元为摄像机、雷达中的一种或多种。
与现有技术相比，有益效果是：
根据数据采集耗时计算得到预测时长，预测时长的一半即为提前触发时间，将预测时长的中间时刻与基本信号对齐，保证多个触发信号重叠区域最大，从而使得多个数据采集单元的同步程度最大，可以避免了数据采集时长较长或不定的情况下数据不同步；另外通过对预测时长的进行限幅，使得其更加适应实际使用情况。
附图说明
图1为本发明多设备硬件同步方法的流程示意图；
图2为本发明多设备硬件同步方法的基准信号PWM发生器的寄存器累加情况示意图；
图3为图2对应的高低电平输出示意图；
图4为本发明多设备硬件同步方法的触发信号PWM发生器的寄存器累加情况示意图；
图5为图4对应的高低电平输出示意图；
图6为本发明多设备硬件同步方法的基准信号和触发信号时序关系示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
如图1至图6为一种多设备硬件同步方法的实施例，包括以下步骤：
S1：多个数据采集单元设备采集数据，并传送到处理单元，同时处理单元形成基准信号和多个触发信号；
S2：处理单元计算得到多个数据采集单元采集数据的预测时长；
S3：处理单元根据得到的预测时长，重置多个触发信号并对齐到基准信号；
S4：处理单元将多个触发信号返回到多个数据采集单元，分别触发数据采集单元的下一次动作。
本实施例中的步骤S1中，处理单元包括若干边缘检测器、计时器、PWM方波发生器，边缘检测器用于检测数据采集单元关于数据采集状态的信号输入，计时器用于计算数据采集单元的数据采集状态信号的高、低电平之间的时长，即为数据采集的实际时长T，PWM方波发生器用于形成基准信号和触发信号。
本实施例中的步骤S2中具体包括以下步骤：
S31：基准信号到来时，重置多个用于生成触发信号的PWM方波发生器，多个触发信号回到下降沿；
S32：设定数据采集时长阈值，判断数据采集耗时是否大于阈值，若否，则采用阈值作为下一帧数据采集的预测时长
Figure GDA0003485703850000051
这样可以在不影响精度的情况下减少计算量；若是，则进入步骤S33；
S33：计算下一帧数据采集的预测时长
Figure GDA0003485703850000052
形成触发信号，具体计算公式为：
Figure GDA0003485703850000053
其中，
Figure GDA0003485703850000054
为数据采集单元第n帧曝光的预测时长，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的实际曝光时长，Tn-2为数据采集单元第n-2帧数据的实际曝光时长，Tn-3为数据采集单元第n-3帧数据的实际曝光时长，Tn-4为数据采集单元第n-4帧数据的实际曝光时长，en-1为第n-1帧与第n-2帧实际曝光时长的差值，Δen-1为第n-1帧、第n-2帧分别相较其前一帧曝光时长变化量的差值，Δen-2为第n-2帧、第n-3帧分别相较其前一帧曝光时长变化量的差值，K1、K2、K3均为加权参数。
本实施例中将预测时长
Figure GDA0003485703850000061
的计算公式简写为：
Figure GDA0003485703850000062
其中，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的实际曝光时长，Tn-2为数据采集单元第n-2帧数据的实际曝光时长，Tn-3为数据采集单元第n-3帧数据的实际曝光时长，Tn-4为数据采集单元第n-4帧数据的实际曝光时长，A、B、C、D均为需要根据数据采集单元实际工况整定的参数。可选地，设A＝1，B＝0、C＝0、D＝0，这样使得预测曝光时长
Figure GDA0003485703850000063
总是与上一帧数据采集的实际时长Tn-1相等，其需要存储的数据少，计算量也更少，且能得到较好的效果。需要说明的是，本实施例中这样设置A、B、C、D的数值，是考虑到本例所用数据采集设备本身具有较高的频率，两次数据采集的时间内，环境变化带来的影响可以忽略，因此可以在保证预测时长精度的同时，减少计算量，减少数据存储量，当然在具体实施过程中，可以设置其他的数值，使得预测结果更加精确。
本实施例中的步骤S3中将预测时长
Figure GDA0003485703850000064
的时间中点与基准信号的上升沿对齐，保证多个数据采集单元的重合度最高。
本实施例中的基准信号为内置频率可变、确定占空比的时间信号。
本实施例中的基准信号为步骤S1中一个数据采集单元的时序信号。
本实施例中的触发信号的上升沿用于触发对应的数据采集单元。
本实施例中的步骤S33中数据采集单元第n帧曝光的预测时长
Figure GDA0003485703850000065
满足以下限定条件：
Figure GDA0003485703850000066
其中，Tmin为最短有效触发时间，其由传感器自身特性决定，这样可以适应不同传感器对于触发信号高电平保持时长的需求，Tmax为最长预测时长。这样限定曝光时长
Figure GDA0003485703850000067
的范围，使其更加适应实际的应用情况。
本实施例中的最长预测时长Tmax通过以下公式计算得到：
Figure GDA0003485703850000068
转换得到：
Figure GDA0003485703850000069
其中，c为数据采集单元两次数据采集之间的固定间隔时间，由数据采集单元特性决定，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的实际曝光时长，
Figure GDA0003485703850000071
为预测数据采集单元第n-1帧曝光的预测时长，f为数据采集单元的预设频率。
本实施例中的处理单元为单片机、FPGA、DSP、树莓派中的一种，当然也可以采用其他的硬件或软件进行对数据的计算，得到上述方案中的触发信号，这里不做限定；数据采集单元为摄像机、雷达或其他可以进行数据采集并进行信号交换的设备中的一种或多种，这里不做限定。
具体地，如图2至图6所示，但基准信号到来时，重置多个用于生成触发信号的PWM方波发生器，使得所有触发信号回落到下降沿，此时，T1、T2分别为下一帧第一个数据采集单元和第n个数据采集单元采集数据所需时间的一半，b、d两个下降沿将各自对应第一个数据采集单元和第n个数据采集单元当前数据帧的数据采集中间时刻，且b、d两个下降沿实际上同时被基准信号的上升沿e触发，所以认为第一个数据采集单元和第n个数据采集单元的数据采集中间时刻与基准信号上升沿e对齐，即实现了所有数据采集单元的同步触发。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多设备硬件同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：多个数据采集单元设备采集数据，并传送到处理单元，同时处理单元形成基准信号和多个触发信号；
S2：处理单元计算得到多个数据采集单元采集数据的预测时长；
S3：处理单元根据得到的预测时长，重置多个触发信号并对齐到基准信号；
S4：处理单元将多个触发信号返回到多个数据采集单元，分别触发数据采集单元的下一次动作；
所述步骤S2中具体包括以下步骤：
S21：基准信号到来时，重置多个用于生成触发信号的PWM方波发生器，多个触发信号回到下降沿；
S22：设定数据采集时长阈值，判断数据采集耗时是否大于阈值，若否，则采用阈值作为下一帧数据采集的预测时长
Figure FDA0003485703840000011
若是，则进入步骤S23；
S23：计算下一帧数据采集的预测时长
Figure FDA0003485703840000012
形成触发信号，具体计算公式为：
Figure FDA0003485703840000013
其中，
Figure FDA0003485703840000014
为数据采集单元第n帧曝光的预测时长，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的实际曝光时长，Tn-2为数据采集单元第n-2帧数据的实际曝光时长，Tn-3为数据采集单元第n-3帧数据的实际曝光时长，Tn-4为数据采集单元第n-4帧数据的实际曝光时长，en-1为第n-1帧与第n-2帧实际曝光时长的差值，Δen-1为第n-1帧、第n-2帧分别相较其前一帧曝光时长变化量的差值，Δen-2为第n-2帧、第n-3帧分别相较其前一帧曝光时长变化量的差值，K1、K2、K3均为加权参数。
2.根据权利要求1所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述步骤S1中，处理单元包括若干边缘检测器、计时器、PWM方波发生器，所述边缘检测器用于检测数据采集单元关于数据采集状态的信号输入，所述计时器用于计算数据采集单元的数据采集状态信号的高、低电平之间的时长，即为数据采集的实际时长T，所述PWM方波发生器用于形成基准信号和触发信号。
3.根据权利要求1所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，在所述步骤S3中，将预测时长
Figure FDA0003485703840000021
的时间中点与基准信号的上升沿对齐。
4.根据权利要求1所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述基准信号为内置频率可变、确定占空比的时间信号。
5.根据权利要求1所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述基准信号为所述步骤S1中一个数据采集单元的时序信号。
6.根据权利要求3所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述触发信号的上升沿用于触发对应的数据采集单元。
7.根据权利要求1所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述步骤S23中数据采集单元第n帧曝光的预测时长
Figure FDA0003485703840000022
满足以下限定条件：
Figure FDA0003485703840000023
其中，Tmin为最短有效触发时间，Tmax为最长预测时长。
8.根据权利要求7所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述最长预测时长Tmax通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003485703840000024
转换得到：
Figure FDA0003485703840000025
其中，c为数据采集单元两次数据采集之间的固定间隔时间，由数据采集单元的特性决定，Tn-1为数据采集单元第n-1帧数据的实际曝光时长，
Figure FDA0003485703840000026
为数据采集单元第n-1帧曝光的预测时长，f为数据采集单元的预设频率；
所述最短有效触发时间Tmin由数据采集单元的特性决定。
9.根据权利要求2所述的一种多设备硬件同步方法，其特征在于，所述处理单元为单片机、FPGA、DSP、树莓派中的一种，所述数据采集单元为摄像机、雷达中的一种或多种。
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