[发明专利]一种基于星云激光点云数采平台的时间同步方法及系统

说明书

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。

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。