多传感器融合中的时间硬同步1-论文阅读
前言
阅读硕士论文《自动驾驶中多传感器集成同步控制器设计与实现》，该论文为自动驾驶设计了一套时间同步控制器，涉及到的细节非常丰富，可以为多传感器融合中的时间同步提供设计思路。
主要内容
为实现多传感器数据的有效融合，首先需要实现多传感器的高度集成，同时采用一定的技术手段实现各传感的多源数据统一于同一时间和空间基准，保证各传感器数据同步，从而才能更有效的、准确的实现对自动驾驶车辆的精确定姿和定位。其中空间基准的统一可以通过标定技术得到各个传感器的相对位置关系，从而根据高精度地图中的初始坐标推算出各个传感器在特定坐标系统中的确切位置，时间基准的统一则是需要在保证采集系统绝对时间精度在一定误差范围内并能够对多传感器数据进行超低时延的同步采集。
传统传感器硬件同步方案：
1.直接使用工业控制计算机或者采用单片机作为主控芯片进行同步授时的系统，在进行多任务处理操作时，由于工作模式为多线程串行工作，因此不能精确的估计出任务处理所需时长，进而不能保证各传感器授时的实时性，故此方案不适合用在高精度时间同步控制。
2.存在部分传感器自身集成了与GPS通信接，可以接收GPS的pps秒脉冲和对应的GPRMC数据实现自我授时。一方面不同的传感器在读取和解析时间数据过程中存在着不尽相同的相对授时误差；另一方面，主控芯片对传感器的控制以及数据采集是由不同的串行时序协议实现的，即使在主程序中使用同一个基准时间，对采集信息进行标识也无法保证数据的实时性。
论文中时间同步方案
自动驾驶涉及到的传感器包括相机、激光雷达、惯导、轮速计，GNSS等。论文中的系统采用FPGA，根据其低延时与高并发特点，通过严格的自定义逻辑设计，配合高精度和高稳定性的石英晶体，可将系统逻辑时延控制在ns级别的水平，同时以GPS的秒脉冲与NMEA数据对系统时间进行校准，可以确保系统时钟达到us级别的同步精度。
大多数激光雷达的输入接口都提供了pps脉冲和NMEA时间的输入接口，如下是禾赛40线机械扫描式激光雷达提供的输入接口说明。另外像Velodyne的激光雷达也提供了这样的接口，详细内容可以查看其数据手册。
该论文设计的同步控制器框图如下所示：
该设计则采用以FPGA为主控芯片，利用高稳石英晶体为同步控制系统提供工作时钟，高稳石英晶体的输出时钟信号被FPGA中的锁相环捕捉，FPGA将对信号进行累加作为系统的参考时钟，同时抓捕GPS输出的pps脉冲信号上升沿作为绝对整秒的开始，在连续接收到两个pps脉冲时，将上一pps对应时间加一秒进行授时，同时清零FPGA内部累加计数器，保证FPGA内部秒脉冲与GPS的PPS秒脉冲的信号边沿对齐，从而实现两者之间时间统一，建立高精度的时间基准。高精度时间基准建立与同步如下图所示：
我的理解
我的理解是GNSS提供的pps脉冲和GPRMC时间是一种长时间的精准时钟，pps脉冲来自于原子钟，精度一般可以达到10ns，它对同步控制器来说相当于一个真值校准。因为pps脉冲是一秒触发一次，只能保证这一秒是很准确的，对应GPRMC时间的绝对整秒时刻，但是很大传感器的输出频率都是大于1Hz的，像一般的惯导都是几百Hz的，每一个数据都是要有一个时间戳的，那怎么办呢？如何保证每个传感器打上的时间戳的精度可以达到us级，这就需要系统内部也要建立一套自己的精确的时钟，这套时种满足短时间高精度。打个比方，假设内部时钟在1s的误差是x，那么在n秒之后，如何没有GNSS的校准，误差就是nx，如果有GNSS的校准，最大误差不超过x，即为没有累积误差。
论文FPGA采用的晶振信息如下所示：
根据GPGGA语句中的状态信息确定当前GPS处于何种状态，再结合GPS卫星数量判断GPS信息是否有效。当检测到GPS收星数不满３颗且定位状态为“未定位”或“无效GPS”时，不使用GPS进行校准；当判断结果为GPS信息有效时,读取GPRMC语句中的UTC时间信息。为了提高时间基准建立的精度，利用GPS发出的PPS信号对时间进行校准，pps脉冲的上升沿表示全球时钟的标准零秒时刻。pps秒脉冲信号与NMEA信息的时序图如下所示：
由于GPS信号的建立需要一段时间，部分时间可能因为周围环境影响或者是恶劣的天气原因导致长时间不能搜索到GPS信号，这样只依靠GPS授时的系统是不能保证系统时间的准确性。因此在本设计中增加了DS1302外部时钟计时器作辅助。FPGA以外部高稳晶振作为时钟源自发进行微秒计时，这样可以保证多传感器集成的自动控制器正常工作。与此同时，系统将不断检测GPS通信接口是否有信号输入，当FPGA接收到GPS传来的NMEA协议数据时，将会根据数据信息对GPS信息是否有效进行判断，若判断有效则读取NMEA协议数据中的时间信息（包括年、月、日、时、分、秒），同时根据GPS发送的pps秒脉冲对系统当前时间校准。在GPS信号有效期间，系统会以一定的频率刷新DS1302芯片内部是时钟信息，以保重下次系统启动时初始时钟的准确性。
参考文献
- 自动驾驶中多传感器集成同步控制器设计与实现 鄢胜超 华中师范大学
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