激光雷达与惯性传感器的数据同步授时系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种激光雷达与惯性传感器的数据同步授时系统和方法，所示系统包括卫星授时模块、FPGA处理单元、IMU、激光雷达和控制单元；卫星授时模块产生高精度PPS脉冲和UTC时间，FPGA处理单元对PPS脉冲进行校准并产生IMU触发指令，以校准后的PPS脉冲和IMU触发指令控制IMU和激光雷达的同步授时，并采集对应的时间戳；工控机通过对校准后的激光雷达数据包和IMU数据包进行解析，完成IMU数据和激光雷达数据的时间系对齐。该系统及方法有效解决了当前多传感融合过程中IMU和激光雷达难以和GNSS同步授时以及多传感数据在时间上同步精度低的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达与惯性传感器的数据同步授时系统和方法


[0001]本专利技术涉及雷达数据与惯性传感器数据时间同步
，具体来讲，涉及一种激光雷达与惯性传感器的数据同步授时系统和一种激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法。

技术介绍

[0002]近些年来，我们国家常会发生桥梁、大坝等建筑的坍塌事故，有时坍塌事故甚至会造成巨大的人员伤亡和财产损失，所以定期对桥梁、大坝等建筑的检查和维修保养就显得十分重要。而常见的桥梁等建筑物上的裂纹和瑕疵检测方法主要有两种：第一种是在桥梁上搭设吊车人工进入桥底或桥面进行人眼近距离观察与检测；第二种是在远处利用高分辨率相机进行裂纹图像的拍摄并进行后续分析。第一种方法通过人为进行肉眼观察存在极高的风险，并且观察精度较低；第二种利用相机拍摄图片的方法，若距离较远，则存在较高的误差，满足不了检测精度的要求。
[0003]随着科学技术的不断进步，无人机技术也越来越成熟，其应用也越来越广泛，将无人机应用到桥梁等建筑的裂纹检测也受到了人们的广泛关注与研究，并且利用无人机进行近距离的桥梁裂纹检测方法被证实是切实可行的。但是在无人机上搭载惯性传感器（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和激光雷达进行数据采集时，需要获得高精度的无人机位姿、角度等数据，并且IMU和激光雷达还需要满足精确触发与数据时间对齐的条件，以此条件获取的数据才能应用于后续的算法进行处理。
[0004]而现有的设备方案中，IMU获取的位姿数据和激光雷达获取的点云数据的时间同步精度不足，则会导致点云数据畸变矫正失败，影响算法重建效果，从而影响检测结果。因此，保证IMU和激光雷达同步授时以及数据时间对齐是获得理想检测结果的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本专利技术的目的之一在于提供一种激光雷达与惯性传感数据的同步授时方法和系统，以解决现有无人机检测方法针对桥梁检测效果不佳以及IMU和激光雷达在时间上同步精度不足的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法，所述数据同步授时方法包括以下步骤：使用卫星授时模块每间隔预定时间产生第一PPS脉冲和GPRMC报文；解析GPRMC报文，获取UTC时间；通过FPGA处理单元将第一PPS脉冲经校准后生成第二PPS脉冲并发送至激光雷达，以触发激光雷达开始采集点云数据，并记录在FPGA处理单元时间系下的第一计数时间和在激光雷达时间系下的内置计数时间，第一计数时间为生成第二PPS脉冲的时间，内置计数时间为激光雷达开始采集点云数据的时间；通过FPGA处理单元根据预设时刻偏置参数生成IMU触发指令并传输至惯性传感器，以触发惯性传感器开始采集IMU数据，并记录在FPGA处理单元时间系下的第二计数时间，第二计数时间为惯性传感器输出应答信号的时间；将第二计数时间确定为真实IMU采集时间，并根据
所述第一计数时间和所述内置计数时间，求解每帧点云数据对应的真实Lidar采集时间，并将真实Lidar采集时间与点云数据进行一一对应。
[0007]在本专利技术的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法的一个示例性实施例中，可根据所述惯性传感器的数据采集频率，确定生成所述IMU触发指令的频率。
[0008]在本专利技术的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法的一个示例性实施例中，每当所述IMU触发指令生成并发送，会触发所述惯性传感器进行一次IMU数据的采集和发送，所述IMU触发指令可以是一串基于串行协议的多字节指令。
[0009]在本专利技术的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法的一个示例性实施例中，所述第一计数时间的确定方式可为：设置基计数器，将生成第二PPS脉冲时基计数器的时间计数值作为激光雷达时间戳；根据激光雷达时间戳和UTC时间，确定第一计数时间；所述第二计数时间的确定方式可为：将惯性传感器输出应答信号时基计数器的时间计数值作为IMU时间戳；根据IMU时间戳和UTC时间，确定第二计数时间。
[0010]在本专利技术的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法的一个示例性实施例中，所述真实Lidar采集时间的计算公式可如下所示：t
f
=(t
pc
‑
T
f_pc
)+T
f
，t1=(t
pc
‑
T
1_pc
)+T1，T0=t
f
‑
t1+dt，t
1_real
=t1+dT+T0，式中，T0为FPGA处理单元的初始时刻，dT为FPGA处理单元对第一PPS脉冲的校准时延，T
f
为当控制单元接收到激光雷达时间戳时，对应的FPGA处理单元时间系下的时刻，T
f_pc
为控制单元当接收到激光雷达时间戳时，对应的控制单元时间戳，T1为当控制单元接收到激光雷达的采集数据时，对应的激光雷达时间系下的时刻，T
1_pc
为当控制单元接收到激光雷达的采集数据时，对应的控制单元时间戳，dt为自控制单元开始接收激光雷达的采集数据以来经历的时间，t
pc
为经历dt后对应的控制单元时间戳，t
f
为经历dt后FPGA处理单元时间系的时刻，t1为经历dt后激光雷达时间系下的时刻，t
1_real
为t1对应的FPGA处理单元时间系下的真实Lidar采集时间。
[0011]本专利技术再一方面提供了一种激光雷达与惯性传感器的数据同步授时系统，所述数据同步授时系统包括卫星授时模块、FPGA处理单元、激光雷达、惯性传感器和控制单元，其中，所述卫星授时模块，用于输出第一PPS脉冲和GPRMC报文；所述FPGA处理单元与所述卫星授时模块连接，用于生成第二PPS脉冲和IMU触发指令，并向激光雷达发送第二PPS脉冲，确定在FPGA处理单元时间系下的第一计数时间，以及，向惯性传感器发送IMU触发指令，确定在FPGA处理单元时间系下的第二计数时间，其中，第一计数时间为FPGA处理单元生成第二PPS脉冲的时间，第二计数时间为惯性传感器输出应答信号的时间；所述激光雷达与所述FPGA处理单元连接，用于接收第二PPS脉冲后开始采集点云数据，并输出点云数据和在激光雷达时间系下的内置计数时间；所述惯性传感器与所述FPGA处理单元连接，用于接收IMU触发指令后开始采集包含无人机位姿的IMU数据，并输出应答信号；所述控制单元分别与所述FPGA处理单元和所述激光雷达连接，用于根据第一计数时间和内置计数时间，求解每帧点云数据对应的真实Lidar采集时间，并将真实Lidar采集时间与点云数据进行一一对应。
[0012]在本专利技术的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时系统的一个示例性实施例中，所述FPGA处理单元可包括基时钟模块、UTC解析模块、触发校准模块、触发指令生成模块、IMU数据解析模块和拼接模块，其中，所述基时钟模块被配置为能够结合第一PPS脉冲产生基时钟基计数器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法，其特征在于，所述数据同步授时方法包括以下步骤：使用卫星授时模块每间隔预定时间产生第一PPS脉冲和GPRMC报文；解析GPRMC报文，获取UTC时间；通过FPGA处理单元将第一PPS脉冲经校准后生成第二PPS脉冲并发送至激光雷达，以触发激光雷达开始采集点云数据，并记录在FPGA处理单元时间系下的第一计数时间和在激光雷达时间系下的内置计数时间，第一计数时间为生成第二PPS脉冲的时间，内置计数时间为激光雷达开始采集点云数据的时间；通过FPGA处理单元根据预设时刻偏置参数生成IMU触发指令并传输至惯性传感器，以触发惯性传感器开始采集IMU数据，并记录在FPGA处理单元时间系下的第二计数时间，第二计数时间为惯性传感器输出应答信号的时间；将第二计数时间确定为真实IMU采集时间，并根据所述第一计数时间和所述内置计数时间，求解每帧点云数据对应的真实Lidar采集时间，并将真实Lidar采集时间与点云数据进行一一对应。2.根据权利要求1所述的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法，其特征在于，根据所述惯性传感器的数据采集频率，确定生成所述IMU触发指令的频率。3.根据权利要求2所述的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法，其特征在于，每当所述IMU触发指令生成并发送时，触发所述惯性传感器进行一次IMU数据的采集和发送，所述IMU触发指令是一串基于串行协议的多字节指令。4.根据权利要求1所述的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法，其特征在于，所述第一计数时间的确定方式为：设置基计数器，将生成第二PPS脉冲时基计数器的时间计数值作为激光雷达时间戳；根据激光雷达时间戳和UTC时间，确定第一计数时间；所述第二计数时间的确定方式为：将惯性传感器输出应答信号时基计数器的时间计数值作为IMU时间戳；根据IMU时间戳和UTC时间，确定第二计数时间。5.根据权利要求4所述的激光雷达与惯性传感器的数据同步授时方法，器特征在于，所述真实Lidar采集时间的计算公式如下所示：t
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)+T1，T0=t
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=t1+dT+T0，式中，T0为FPGA处理单元的初始时刻，dT为FPGA处理单元对第一PPS脉冲的校准时延，T
f
为当控制单元接收到激光雷达时间戳时，对应的FPGA处理单元时间系下的时刻，T
f_pc
为控制单元当接收到激光雷达时间戳时，对应的控制单元时间戳，T1为当控制单元接收到激光雷达的采集数据时，对应的激光雷达时间系下的时刻，T
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为当控制单元接收到激光雷达的采集数据时，对应的控制单元时间戳，dt为自控制单元开始接收激光雷达的采集数据以来经历的时间，t
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为经历dt后对应的控制单元时间戳，t
f
为经历dt后FPGA处理单元时间系的时刻，t1为经历dt后激光雷达时间系下的时刻，t
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为t1对应的FPGA处理单元时间系下的真实Lidar采...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄战华，李晓伟，潘成，王康年，
申请(专利权)人：天津大学四川创新研究院，
类型：发明
国别省市：