關(guān)于Velodyne LiDAR的時(shí)間同步

時(shí)間不同步的危害

如果一輛無人車上，裝了很多傳感器，如果各個(gè)傳感器的時(shí)間是孤立的，比如傳感器甲在自身時(shí)鐘的T0時(shí)刻，發(fā)現(xiàn)有個(gè)目標(biāo)出現(xiàn)；于此同時(shí)，傳感器乙也看到這個(gè)目標(biāo)，但傳感器乙會根據(jù)自身時(shí)鐘，認(rèn)為當(dāng)前是T1時(shí)刻，于是，當(dāng)數(shù)據(jù)融合時(shí)，系統(tǒng)會錯亂，到底是哪個(gè)時(shí)刻，出現(xiàn)的目標(biāo)？如果對兩個(gè)傳感器的時(shí)鐘都加以采信，如果這個(gè)目標(biāo)是個(gè)移動的目標(biāo)，那么， 系統(tǒng)會看到兩個(gè)目標(biāo)，也就是會出現(xiàn)“鬼影”。

時(shí)間同步的解決辦法

毫秒級同步： 多采用NTP服務(wù)的方式，一般服務(wù)器和電腦就是這么同步的。

納秒級同步：多采用統(tǒng)一時(shí)鐘源的方式，而統(tǒng)一時(shí)鐘源中，又多用GNSS時(shí)間對齊。（或者可以直接用GNSS接收機(jī)對齊時(shí)間）

如果你的電腦，或者你的智能手表，想獲取當(dāng)前準(zhǔn)確的時(shí)間，只要對公網(wǎng)上的某個(gè)NTP服務(wù)器，發(fā)出一個(gè)基于UDP的ntp request，遠(yuǎn)程的NTP服務(wù)器，就能給你返回一個(gè)含時(shí)間reply，這個(gè)時(shí)間經(jīng)過客戶端對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的評估修正，被計(jì)算出來，它就是你所需要的時(shí)間。這適用于對時(shí)間精度不那么敏感的用戶。

如果你需要非常精確的同步（比如無人車，毫秒級的時(shí)間失步將是災(zāi)難性的），那么NTP顯然不能滿足需求，這時(shí)候，你就需要考慮采用統(tǒng)一時(shí)鐘源的方式。

統(tǒng)一的時(shí)鐘源設(shè)備

統(tǒng)一的時(shí)鐘源設(shè)備在通訊／機(jī)場和電力行業(yè)中，應(yīng)用非常之廣泛，特別是光傳輸和4G基站，她們對時(shí)間同步的要求絲毫不亞于無人車傳感器，甚至有過之而無不及，因此，我們可以參考下她們怎么做的。

她們一般采用統(tǒng)一時(shí)鐘源設(shè)備（一般幾U高，安裝在機(jī)架上），該設(shè)備由GPS / COMPASS / GLONASS / GALILEO提供授時(shí)。

（時(shí)鐘同步設(shè)備，盜個(gè)圖，如果有人看出這是什么牌子的設(shè)備，那么該圖版權(quán)屬該公司所有）

她的特點(diǎn)：內(nèi)部有一個(gè)非常精準(zhǔn)的主時(shí)鐘（晶體振蕩器），并且會用GNSS時(shí)鐘信號不停的“馴服”該主時(shí)鐘。在馴服晶振過程中能夠不斷“學(xué)習(xí)”晶振的運(yùn)行特性，并將這些參數(shù)存入板載存儲器中。當(dāng)外部時(shí)間基準(zhǔn)出現(xiàn)異?；虿豢捎脮r(shí)，它能自動切換到內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)，并依據(jù)板載存儲器中的參數(shù)對晶體振蕩器特性進(jìn)行補(bǔ)償，使守時(shí)電路繼續(xù)提供高可靠性的時(shí)間信息輸出，同時(shí)避免了因晶體振蕩器老化造成的頻偏對守時(shí)指標(biāo)的影響。

目前絕大部分的無人車團(tuán)隊(duì)，相比已經(jīng)成熟的通訊和電力行業(yè)而言，多采用GNSS接收機(jī)或慣導(dǎo)直接輸出的PPS和GPRMC／GPGGA信號來修正各個(gè)傳感器的時(shí)間，特別是激光雷達(dá)的時(shí)間，這會有個(gè)問題，就是使得GNSS信號不好的時(shí)候，時(shí)間有反復(fù)跳變，半個(gè)小時(shí)可能有上百毫秒之巨。（原因是傳感器本身的時(shí)間晶振無法做到很精確的內(nèi)部守時(shí)，當(dāng)然部分接收機(jī)也有類似時(shí)時(shí)鐘同步設(shè)備的功能，丟失信號后，也會用內(nèi)部系統(tǒng)模擬輸出，但精度上，對比幾十萬一臺的專業(yè)時(shí)鐘設(shè)備，還是有不小的差距）

PPS和GPRMC

我們看一個(gè)典型的滿足Velodyne要求的時(shí)鐘信號：

第一條線叫PPS信號(Pulse Per Second), 也就是每秒一個(gè)脈沖

PPS信號的呈現(xiàn)五花八門，有上升沿有效的，有下降沿有效的，有3.3V的5V的，也有-3.3V和-5V的，占空比多大的都有。

Velodyne激光雷達(dá)對PPS的要求：默認(rèn)低電平，拉高高電平時(shí)，上升沿有效，+3.3v或+5v均可，脈寬要控制在10微秒-200毫秒之間，也就是占空比要在80%以上；

第二條線是輸出GPRMC信號，這條線，要滿足RS232電平標(biāo)準(zhǔn)。（如果你的設(shè)備輸出UART電平，可以用一塊MX232或者7404芯片轉(zhuǎn)一下）。

GPRMC信號要跟在PPS信號后面，也是一秒一個(gè)，很多GNSS默認(rèn)是0.2秒一個(gè)，要注意修改，另外，GPRMC信號的末尾離下一個(gè)PPS的上升沿，至少要隔開300毫秒。我們一般這樣建議，一個(gè)PPS上升沿后，過300毫秒，開始輸出GPRMC信號，這個(gè)是比較理想的。

不知道你注意到?jīng)]有，GPRMC的NMEA語句，僅僅精確到秒（以pre-2.3版本為例）

$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A

所以

VelodyneLiDAR是怎么同步時(shí)間的

激光雷達(dá)內(nèi)部有兩個(gè)時(shí)鐘：（Timer 1和Timer II）

Timer I：我們稱之為微秒定時(shí)器，它的范圍是0-999,999微秒

Timer II: 我們稱之為整秒定時(shí)器，它的范圍是0-3599秒

在未收到任何外來同步信號的時(shí)候，這兩個(gè)timer正常工作，為激光雷達(dá)提供系統(tǒng)時(shí)間。當(dāng)PPS信號到來之后，若該P(yáng)PS是合法有效的PPS（即PPS被鎖定），那么，PPS上升沿，會去置零微秒定時(shí)器。當(dāng)合法有效的GPRMC信號到來的時(shí)候，系統(tǒng)抽取GPRMC信號中的時(shí)間，換算成整秒，并將Timer II的時(shí)間重新賦值，賦值成GPRMC中的整秒時(shí)間。

以上就是激光雷達(dá)的時(shí)間同步過程。你發(fā)現(xiàn)沒有：激光雷達(dá)不能表達(dá)整小時(shí)以上的時(shí)間，也就是說，激光雷達(dá)只知道現(xiàn)在是幾分幾秒幾毫秒幾微秒，但是不知道現(xiàn)在是幾月幾號幾點(diǎn)鐘。所以，激光雷達(dá)被授予的，不是標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間戳。我們稱之為TOH時(shí)間（Top of Hour）

數(shù)據(jù)包中的展現(xiàn)

以VLP-16為例，如果你用tcpdump，那么數(shù)據(jù)包中有四個(gè)時(shí)間戳，可不能搞混淆了：

時(shí)間戳1 - 數(shù)據(jù)包接收時(shí)間戳

這是接收系統(tǒng)（不是激光雷達(dá)）的時(shí)間戳，對于激光雷達(dá)而言，是然并卵的存在。

時(shí)間戳2 - 位置數(shù)據(jù)包中NMEA語句，（UDP 8308, 如果你沒有改端口的話）

這個(gè)是最近一個(gè)收到的GPRMC下發(fā)的時(shí)間，你可以用來參考是否收到GPRMC信號。

時(shí)間戳3 - 還是位置數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳：

這個(gè)就是激光雷達(dá)自己的TOH時(shí)間，不過這個(gè)TOH時(shí)間出現(xiàn)在這里，僅僅表達(dá)的是當(dāng)前位置數(shù)據(jù)包組包時(shí)的時(shí)間。

最有用的，是時(shí)間戳4 - 主數(shù)據(jù)包時(shí)間戳：

它直接參與點(diǎn)云XYZ坐標(biāo)的計(jì)算，指代的第一個(gè)Block第一束激光的發(fā)射時(shí)，激光雷達(dá)自身的TOH時(shí)間，其他激光發(fā)射時(shí)間，要依據(jù)手冊中的時(shí)序表，添加固定的offset。（還記得TOH時(shí)間是怎么被同步的么？）

控制頁面中關(guān)于時(shí)間同步的一些按鈕

不是每個(gè)PPS都認(rèn)為是有效的脈沖，那么，用什么標(biāo)準(zhǔn)判定呢，就是這個(gè)PPS Qualifier

首先，是否要求GNSS接收機(jī)指示有效，因?yàn)樵贜MEA語句中，有一個(gè)字段是指示GNSS是否有效的，通常是等待衛(wèi)星的鎖定。如果選擇ON，那么，GNSS必須確定有效，才能鎖定PPS，如果選擇OFF，那么，無論是否有效，PPS都會被鎖定。

就是這個(gè)字段，A表示有效，V表示無效，通常V是表示衛(wèi)星未鎖定。

其次，PPS是否要求延時(shí)lock，意思是，收到了多少個(gè)電平合格的PPS后，才認(rèn)為PPS被lock？ 默認(rèn)OFF，就使用2個(gè)，也就是第三個(gè)有效的pps后，開始鎖定。如果你選擇ON，你可以自己選擇，從0-65535個(gè)都行。不過沒人會選那么大的值，一般3-5個(gè)之后就行。

GPS Qualifier表示的是GPRMC信號是否有效，如果選擇ON，則那個(gè)NMEA語句中，“V/A”字段會起效，只有當(dāng)字段為A的時(shí)候，整秒定時(shí)器才會去跟隨GPRMC指示時(shí)間。如果選擇OFF，那么，無論如何都會去跟，并不關(guān)心那個(gè)“V/A”字段。

Python抽取時(shí)間進(jìn)行分析

如何從pcap數(shù)據(jù)包中抽取時(shí)間，并加以一定的分析，Python是個(gè)好工具，墻裂推薦之～

這里不再贅述，常用的幾個(gè)庫socket，dpkg，matplotlib，numpy，pandas等，節(jié)選一點(diǎn)供簡單參考：

舉個(gè)例子，如果你想對比是不是發(fā)生了時(shí)間跳變的現(xiàn)象，只需要把數(shù)據(jù)包中相應(yīng)的時(shí)間戳拉出來，做個(gè)對比，就一目了然：

好啦，就講這么多，希望對大家平常的開發(fā)工作有所幫助。