CN115656980A - 一种激光雷达的自适应功能实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达的自适应功能实现方法，使得激光雷达具有网络位置的自适应、时间同步协议类型的自适应、时间同步功能的自适应以及时间戳对应测量时刻的自适应，该方法解决了激光雷达对雷达搭载平台适应性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达的自适应功能实现方法。
背景技术
激光雷达作为一种测距传感器广泛应用在机器人、AGV领域中，搭载激光雷达的机器人或AGV的主控系统需要协调包括激光雷达在内的多种传感器的动作，需对激光雷达以及多种传感器进行时间同步。为多传感器数据融合使用的方便，需在激光雷达和多种传感器的测量数据中加入体现测量时刻的时间戳信息。各个传感器间的时间同步可有效降低激光雷达之间以及激光雷达与其他种类传感器之间由物理硬件及软件设定造成的时间差异，数据时间戳的引入可有效排除数据传输过程中的延迟及失序导致的负面影响。
机器人或AGV的主控系统和激光雷达以及其他类型传感器构成了一个局域网络，此局域网络内部激光雷达多处于终端位置，可依托网络实现时间同步。
现有激光雷达与其搭载平台的主控系统之间协作模式分三种：1、雷达与主控系统之间无时间同步，雷达数据带时间戳，主控系统依据雷达数据时间戳进行雷达数据处理。对雷达本身无时间同步的软硬件要求，主控系统只能被动接收和处理数据，雷达时钟的稳定性和基础时刻的设定精准度直接决定了系统数据的准确性；2、雷达与主控系统之间通过IO信号同步，雷达与主控系统之间需附加IO数据线连接，雷达以特定频率或在特定时刻(如每圈扫描的起始时刻或者终止时刻)发一个IO信号高电平，主控系统以接收到的IO高电平信号作为数据包或帧数据的时间基准。此同步方法要求IO信号的发出和接收延迟少，实时性高，但受限于实际的雷达与中控系统硬件条件，虚接、外部干扰、非并行任务造成的时间延迟等因素导致时间同步远低于设计预期；3、雷达与主控系统有时间同步，主控系统配置稳定同步服务资源，雷达作为终端定期与主控系统之间进行时间同步，主控系统是专门为具体任务和确定性控制循环设计的，系统中的雷达等传感设备必须满足时间准确性的条件，任何原因(硬件or软件)引起的同步失败都会引发系统数据处理异常，导致雷达数据的低效或无效使用，主控系统的空间重构、导航定位等功能将受到直接的影响。此种协作模式对雷达、主控系统及二者之间的连接都提出严格软硬件配置和运行稳定性的要求。
在实际应用场景中，搭载激光雷达的中控系统状态受外界影响而复杂多变，组网需求也多种多样。
雷达搭载平台存在多种状态可能，分别是有时间同步服务，无同步服务或同步服务时有时无，在有同步服务时又存在单服务器和多服务器的状态差别，要求激光雷达需满足多种状态下的数据应用。
雷达搭载平台通常会连接多种和多个传感模块，由中控系统和各传感模块共同组成小型的局域网，依据实际需要可能要求激光雷达处于网络的末端，也可能以激光雷达作为网络中间节点，因此激光雷达需满足组网中处于不同网络位置的软硬件配置要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光雷达的自适应功能实现方法，以解决现有激光雷达对雷达搭载平台适应性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种激光雷达的自适应功能实现方法：该激光雷达的自适应功能包括网络位置的自适应、时间同步协议类型的自适应、时间同步功能的自适应以及时间戳对应测量时刻的自适应；
网络位置及时间同步协议类型的自适应实现方法为，所采用的激光雷达适用于至少两种的时间同步网络，并同时包含各时间同步网络对应的网络时间协议服务端和网络时间协议客户端；激光雷达作为客户端时，通过其通信端口向外发送所有类型的时间同步网络的请求时间同步报文，根据其接收到的回复报文判断对应的时间同步网络类型并对本地时钟进行校准；激光雷达作为服务端时，根据其接收到的请求时间同步报文判断对应的时间同步网络类型，并利用该时间同步网络类型对应的网络时间协议服务端发送回复报文；
时间同步功能的自适应实现方法为，所采用的激光雷达通过局域网与时间同步服务器连接，时间同步服务器根据一定的标准协议对激光雷达进行校时，激光雷达在激光雷达数据中添加依据未经校准的本地时钟产生的相对时间戳，以及依据经过校准后的本地时钟产生的绝对时间戳，其中绝对时间戳中包含用于表示时间同步服务器是否与激光雷达处于持续同步状态的特定标志位；
时间戳对应测量时刻的自适应实现方法为，获取向雷达发射控制模块和时间寄存模块发送出光指令的初始基准时刻T0、激光雷达的出光时刻T1、激光照射到被测目标的时刻T2，根据上述相邻的时刻间的时间间隔得到延时时长，而后根据T0和延时时长给激光雷达产生的打包数据赋予时间戳。
按上述方案，激光雷达适用的时间同步网络包括NTP时间同步网络和PTP时间同步网络。
按上述方案，时间同步服务器根据IEEE1588标准对激光雷达进行校时。
按上述方案，时间同步服务器对激光雷达进行校时的时间周期依据用户需求设定。
按上述方案，在时间同步服务器成功对激光雷达进行校时后，若激光雷达在某一次未收到时间同步器回复的报文，则激光雷达采用上一次收到时间同步器回复的报文时被校准的时钟信息。
一种具有自适应功能的激光雷达，包括PHY芯片和FPGA芯片；
基于PHY芯片建立了激光雷达的各时间同步网络对应的网络时间协议服务端和网络时间协议客户端，以及用于与外部系统进行网络通信的TCP/IP模块；
基于FPGA芯片建立了用于时间同步的晶振、时间计时模块、时间同步模块，用于数据处理的时间解算模块和距离解算模块，用于数据和整合的时间寄存模块和数据打包模块，以及用于出光控制的出光与时间寄存同步模块和发射控制模块。
本发明的有益效果是：该方法是激光雷达拥有网络位置的自适应、时间同步协议类型的自适应、时间同步功能的自适应以及时间戳对应测量时刻的自适应的功能，提升了激光雷达在搭载于不同的主控系统时的适应性。
附图说明
图1是本发明一实施例的时间同步自适应流程示意图；
图2是本发明一实施例的时间戳对应测量时刻的自适应流程示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明提供了一种具备自适应功能的激光雷达。自适应体现在四个方面：一是网络位置的自适应；二是时间同步协议类型的自适应；三是时间同步功能的自适应；四是时间戳对应测量时刻的自适应。
网络位置及时间同步协议的自适应：
激光雷达既适用于NTP时间同步网络，又适用于PTP时间同步网络。激光雷达中既包含网络时间协议服务端，也包含网络时间协议客户端。对于其通信端口，激光雷达作为服务端，接收请求同步报文并给出回复报文；激光雷达作为客户端，通信端口向外发出请求同步报文，同时也接收其他服务端给出的回复报文。
其实现方法具体如下，
1、基于主控芯片和PHY芯片实现
1)基于以太网TCP的网络协议，通过此协议可配置/修改雷达内部的当前时钟。
2)分别实现一个基于以太网UDP通信的符合NTP和PTP的网络时间协议客户端。
3)分别实现一个基于以太网UDP通信的符合NTP和PTP的网络时间协议服务端。
2、通过内置参数设定或外部用户配置，确定雷达所处网络采用哪种网络时间协议(NTP or PTP)，同时确认对应的客户端与服务端是否开启。雷达默认设置为网络上同时具有两种时间同步服务，所有类型的客户端与服务端同时开启。
3、雷达在默认设置状态下，同时发出请求NTP时间同步和请求PTP时间同步报文，依据接收到的报文格式判断网络当前存在基于哪类协议的同步服务，并依据回复报文对本地时钟进行校准。
4、雷达在默认设置状态下，同时开启两种类型的同步服务端，依据接收到的同步服务请求报文格式判断其归为NTP or PTP，然后依托对应的服务端给出回复报文。
时间同步功能自适应：
激光雷达依托局域网需求时间同步服务，通过网络时间协议对雷达校时，在雷达测量数据中添加绝对时间戳和相对时间戳，依据外部系统时间同步服务状态的变化给出不同的雷达数据时间戳，无论何种情况，激光雷达都会给出测量数据，其打包数据中都带有依据当前外部环境的相对最优的时间戳信息，确保雷达数据的连续可用。同时，外部系统可依据获取到的激光雷达数据时间戳的数量以及时间戳标识位信息判断其自身工作状态。
其实现方法具体如下：
激光雷达与系统实现物理连接，雷达依照系统IP地址或IP地址段(或用户配置的指定IP地址)发出时间同步请求，寻求时间同步服务器回复。
1、如雷达从初始化转入正常工作状态的时刻起，发出k次(依据用户设定)请求时间同步，始终接收不到时间同步服务器回复的同步报文，则认为当前主控系统内不存在时间同步服务器，则雷达依据自身时钟给出雷达数据的相对时间戳，同时给出带有特定标志位信息且时间信息为空的绝对时间戳。此标志位表明雷达自启动时刻起未收到时间同步服务。
2、如接到时间同步服务器回复的同步报文，则依据IEEE1588标准进行时间校准，并结合校准后的本地时钟为雷达数据提供绝对时间戳信息，此时绝对时间戳信息不仅包含校正过的时钟信息，还包含特定标志位，以表明此时间为雷达与系统处于持续同步状态下给出的时间。激光雷达与系统时间同步的时间间隔可依用户需求设定，通常(但不限定)为8s或16s。同时依据原始时钟(未经过校准)和本地计时器给出雷达数据的相对时间戳。
3、如第n次接到时间同步服务器回复的同步报文，第n+1次未收到时间同步服务器回复的同步报文，则从n+1次未收到报文时刻起，延续第n次校准过的时钟信息，结合本地计时器为雷达数据提供绝对时间戳，时间戳包含特定标志位，以表明此时间为雷达与系统处于非持续同步状态下给出的时间。同时依据原始时钟(未经过校准)和本地计时器给出雷达数据的相对时间戳。
以雷达处于局域网末端，网络上仅提供NTP同步服务为例，其时间同步自适应流程如图1所示。
时间戳对应测量时刻的自适应：
其实现方法具体如下：
激光雷达将内部时钟信息转化为时间戳需经过一系列软硬件操作实现，硬件路径越短，操作延迟越短，则时间戳的精度越高。参见图2，雷达系统主控电路中，出光与时间寄存同步模块将初始基准时刻T0同时传给雷达发射控制模块以及时间寄存模块，雷达的激光出射时刻记为T1，照射到被测目标时刻为T2，雷达接收到被测目标回波时刻为T3，t1＝T1-T0，t2＝T2-T1，t3＝T3-T2，发射模块发光与收到发光驱动指令之间存在固定延时，时差为t1，可通过特定测量装置检测获得。发射模块发光到照射到被测目标，存在时差t2，被测目标回波信号被接收模块探测存在时差t3，由于被测目标与雷达之间距离不定，针对不同距离处的被测目标，时差t2，t3为一变量，且t2＝t3。TDC模块可通过T1和T3精确计算出时间差，由此对每一个被测目标，t2可精确获得，t2＝(T3-T1)/2。数据打包模块进行打包时，依据基准时刻T0和已知的时差t1和t2，即可给打包数据赋予精准的时间戳，时间戳时间对应为T0+t1+t2。
此种通过逐点修正时间戳时刻的方法可确保雷达出射激光照射到被测物体的瞬时时刻与时间戳时刻的准确对应，消除了被测物体距离远近的时间偏差影响。实现了时间戳对不同测距目标的自适应调整。
一种具有自适应功能的激光雷达，包括PHY芯片和FPGA芯片；
基于PHY芯片建立了激光雷达的各时间同步网络对应的网络时间协议服务端和网络时间协议客户端，以及用于与外部系统进行网络通信的TCP/IP模块；
基于FPGA芯片建立了用于时间同步的晶振、时间计时模块、时间同步模块，用于数据处理的时间解算模块和距离解算模块，用于数据和整合的时间寄存模块和数据打包模块，以及用于出光控制的出光与时间寄存同步模块和发射控制模块。
为实现上文所述各自适应功能，激光雷达中各硬件模块执行工作如下：
1、对于“网络位置及时间同步协议的自适应”功能：
FPGA通过计时模块调取晶振时钟信息，由时间同步模块将时钟信息整理为同步报文，基于PHY芯片内部的NTP/PTP服务端接收时间同步请求并播发同步报文至NTP/PTP网络，基于PHY芯片内部的NTP/PTP客户端向NTP/PTP网络发出时间同步请求，接收NTP/PTP网络的时间同步报文，并将报文内同步信息经由时间同步模块回传至时间计时模块实现计时校准。
2、对于“时间同步功能自适应”功能：
时间计时模块将同步校准后的绝对时间戳与原始时钟对应的相对时间戳同时传给时间寄存模块，再经由时间寄存模块传至数据打包模块。激光回波信号经接收模块和TDC模块后获得精准时间信息后，再经时间解算模块和距离解算模块获得雷达测量数据。数据打包模块将整合后的时间戳和雷达测量数据打包，经TCP/IP通信模块发送至外部系统。
3、对于“时间戳对应测量时刻的自适应”功能：
测量时间解算模块可从TDC传送的数据中精确获得激光出射时刻T1和雷达接收到被测目标回波时刻T3，基准时刻T0与出射时刻T1之间的时间差t1可经系统标定获得，并直接设定为已知定值，测量时间解算模块将t1和t2送至数据打包模块，在数据整合打包过程中，t1和t2对绝对时间戳和相对时间戳做修正，完成时间戳对应测量时刻的自适应。
其中，t1＝T1-T0
t2＝(T3-T1)/2
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种激光雷达的自适应功能实现方法，其特征在于：该激光雷达的自适应功能包括网络位置的自适应、时间同步协议类型的自适应、时间同步功能的自适应以及时间戳对应测量时刻的自适应；
网络位置及时间同步协议类型的自适应实现方法为，所采用的激光雷达适用于至少两种的时间同步网络，并同时包含各时间同步网络对应的网络时间协议服务端和网络时间协议客户端；激光雷达作为客户端时，通过其通信端口向外发送所有类型的时间同步网络的请求时间同步报文，根据其接收到的回复报文判断对应的时间同步网络类型并对本地时钟进行校准；激光雷达作为服务端时，根据其接收到的请求时间同步报文判断对应的时间同步网络类型，并利用该时间同步网络类型对应的网络时间协议服务端发送回复报文；
时间同步功能的自适应实现方法为，所采用的激光雷达通过局域网与时间同步服务器连接，时间同步服务器根据一定的标准协议对激光雷达进行校时，激光雷达在激光雷达数据中添加依据未经校准的本地时钟产生的相对时间戳，以及依据经过校准后的本地时钟产生的绝对时间戳，其中绝对时间戳中包含用于表示时间同步服务器是否与激光雷达处于持续同步状态的特定标志位；
时间戳对应测量时刻的自适应实现方法为，获取向雷达发射控制模块和时间寄存模块发送出光指令的初始基准时刻T0、激光雷达的出光时刻T1、激光照射到被测目标的时刻T2，根据上述相邻的时刻间的时间间隔得到延时时长，而后根据T0和延时时长给激光雷达产生的打包数据赋予时间戳。
2.根据权利要求1所述的激光雷达的自适应功能实现方法，其特征在于：激光雷达适用的时间同步网络包括NTP时间同步网络和PTP时间同步网络。
3.根据权利要求1所述的激光雷达的自适应功能实现方法，其特征在于：时间同步服务器根据IEEE1588标准对激光雷达进行校时。
4.根据权利要求1所述的激光雷达的自适应功能实现方法，其特征在于：时间同步服务器对激光雷达进行校时的时间周期依据用户需求设定。
5.根据权利要求1所述的激光雷达的自适应功能实现方法，其特征在于：在时间同步服务器成功对激光雷达进行校时后，若激光雷达在某一次未收到时间同步器回复的报文，则激光雷达采用上一次收到时间同步器回复的报文时被校准的时钟信息。
6.一种具有自适应功能的激光雷达，其特征在于：包括PHY芯片和FPGA芯片；
基于PHY芯片建立了激光雷达的各时间同步网络对应的网络时间协议服务端和网络时间协议客户端，以及用于与外部系统进行网络通信的TCP/IP模块；
基于FPGA芯片建立了用于时间同步的晶振、时间计时模块、时间同步模块，用于数据处理的时间解算模块和距离解算模块，用于数据和整合的时间寄存模块和数据打包模块，以及用于出光控制的出光与时间寄存同步模块和发射控制模块。
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