前言

閱讀碩士論文《自動駕駛中多傳感器集成同步控制器設計與實現》，該論文為自動駕駛設計了一套時間同步控制器，涉及到的細節非常豐富，可以為多傳感器融合中的時間同步提供設計思路。

主要內容

為實現多傳感器數據的有效融合，首先需要實現多傳感器的高度集成，同時采用一定的技術手段實現各傳感的多源數據統一于同一時間和空間基準，保證各傳感器數據同步，從而才能更有效的、準確的實現對自動駕駛車輛的精確定姿和定位。其中空間基準的統一可以通過標定技術得到各個傳感器的相對位置關系，從而根據高精度地圖中的初始坐標推算出各個傳感器在特定坐標系統中的確切位置，時間基準的統一則是需要在保證采集系統絕對時間精度在一定誤差范圍內并能夠對多傳感器數據進行超低時延的同步采集。

傳統傳感器硬件同步方案：

1.直接使用工業控制計算機或者采用單片機作為主控芯片進行同步授時的系統，在進行多任務處理操作時，由于工作模式為多線程串行工作，因此不能精確的估計出任務處理所需時長，進而不能保證各傳感器授時的實時性，故此方案不適合用在高精度時間同步控制。

2.存在部分傳感器自身集成了與GPS通信接，可以接收GPS的pps秒脈沖和對應的GPRMC數據實現自我授時。一方面不同的傳感器在讀取和解析時間數據過程中存在著不盡相同的相對授時誤差；另一方面，主控芯片對傳感器的控制以及數據采集是由不同的串行時序協議實現的，即使在主程序中使用同一個基準時間，對采集信息進行標識也無法保證數據的實時性。

論文中時間同步方案

自動駕駛涉及到的傳感器包括相機、激光雷達、慣導、輪速計，GNSS等。論文中的系統采用FPGA，根據其低延時與高并發特點，通過嚴格的自定義邏輯設計，配合高精度和高穩定性的石英晶體，可將系統邏輯時延控制在ns級別的水平，同時以GPS的秒脈沖與NMEA數據對系統時間進行校準，可以確保系統時鐘達到us級別的同步精度。

大多數激光雷達的輸入接口都提供了pps脈沖和NMEA時間的輸入接口，如下是禾賽40線機械掃描式激光雷達提供的輸入接口說明。另外像Velodyne的激光雷達也提供了這樣的接口，詳細內容可以查看其數據手冊。

該論文設計的同步控制器框圖如下所示：

該設計則采用以FPGA為主控芯片，利用高穩石英晶體為同步控制系統提供工作時鐘，高穩石英晶體的輸出時鐘信號被FPGA中的鎖相環捕捉，FPGA將對信號進行累加作為系統的參考時鐘，同時抓捕GPS輸出的pps脈沖信號上升沿作為絕對整秒的開始，在連續接收到兩個pps脈沖時，將上一pps對應時間加一秒進行授時，同時清零FPGA內部累加計數器，保證FPGA內部秒脈沖與GPS的PPS秒脈沖的信號邊沿對齊，從而實現兩者之間時間統一，建立高精度的時間基準。高精度時間基準建立與同步如下圖所示：

pps對于INS時間戳校準作用原理

我的理解是GNSS提供的pps脈沖和GPRMC時間是一種長時間的精準時鐘，pps脈沖來自于原子鐘，精度一般可以達到10ns，它對同步控制器來說相當于一個真值校準。因為pps脈沖是一秒觸發一次，只能保證這一秒是很準確的，對應GPRMC時間的絕對整秒時刻，但是很大傳感器的輸出頻率都是大于1Hz的，像一般的慣導都是幾百Hz的，每一個數據都是要有一個時間戳的，那怎么辦呢？如何保證每個傳感器打上的時間戳的精度可以達到us級，這就需要系統內部也要建立一套自己的精確的時鐘，這套時種滿足短時間高精度。打個比方，假設內部時鐘在1s的誤差是x，那么在n秒之后，如何沒有GNSS的校準，誤差就是nx，如果有GNSS的校準，最大誤差不超過x，即為沒有累積誤差。

論文FPGA采用的晶振信息如下所示：

根據GPGGA語句中的狀態信息確定當前GPS處于何種狀態，再結合GPS衛星數量判斷GPS信息是否有效。當檢測到GPS收星數不滿３顆且定位狀態為“未定位”或“無效GPS”時，不使用GPS進行校準；當判斷結果為GPS信息有效時,讀取GPRMC語句中的UTC時間信息。為了提高時間基準建立的精度，利用GPS發出的PPS信號對時間進行校準，pps脈沖的上升沿表示全球時鐘的標準零秒時刻。pps秒脈沖信號與NMEA信息的時序圖如下所示：

由于GPS信號的建立需要一段時間，部分時間可能因為周圍環境影響或者是惡劣的天氣原因導致長時間不能搜索到GPS信號，這樣只依靠GPS授時的系統是不能保證系統時間的準確性。因此在本設計中增加了DS1302外部時鐘計時器作輔助。FPGA以外部高穩晶振作為時鐘源自發進行微秒計時，這樣可以保證多傳感器集成的自動控制器正常工作。與此同時，系統將不斷檢測GPS通信接口是否有信號輸入，當FPGA接收到GPS傳來的NMEA協議數據時，將會根據數據信息對GPS信息是否有效進行判斷，若判斷有效則讀取NMEA協議數據中的時間信息（包括年、月、日、時、分、秒），同時根據GPS發送的pps秒脈沖對系統當前時間校準。在GPS信號有效期間，系統會以一定的頻率刷新DS1302芯片內部是時鐘信息，以保重下次系統啟動時初始時鐘的準確性。

參考文獻

自動駕駛中多傳感器集成同步控制器設計與實現 鄢勝超 華中師范大學

與50位技術專家面對面20年技術見證，附贈技術全景圖

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ffmpegframegrabber 时间戳不同步_多传感器融合中的时间硬同步1-论文阅读的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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