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YangTiankai/Hardware-Sync-of-Robosense-and-Xsense-MTI-300

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Hardware-Sync-of-Robosense-and-Xsense-MTI-300

Robosense雷达和Xsense MTI-300的硬件时间同步方案

本项目主要工作是进行了Robosense雷达和Xsense MTI-300的硬件时间同步

首先明确,需要进行硬件同步的原因是:各个传感器的时间坐标不一致且流速有差异(主要是晶振误差带来的) 因此硬件同步的任务是

  1. 使得各个传感器的时间坐标的流速一致
  2. 得出各个传感器的时间坐标的差

我们的工作是将IMU和Lidar的时间轴都向IMU对齐

该项目使用了另一个STM32F405核心板,见
https://github.com/YangTiankai/STM32F4-Core-Board

传感器的硬件同步方法

MTI-300的硬件接口和时间同步方法

MTI-300的接口如下图,其中GND、USB-DP、USB-DM、Vin应当转为USB2.0接口接入电脑,RS232两个引脚不使用,ClockSync、SyncOut、SyncIn为硬件时间同步引脚 MTI-300接口线序

MTI-300官网上的硬件时间同步方法,我们只需要使用其中的部分功能
https://base.xsens.com/hc/en-us/sections/201296842-Algorithms-Data

MTI-300的StartSample功能的官网说明如下
https://base.xsens.com/hc/en-us/articles/208595729-ClockSync-and-StartSampling

当在上位机中将SyncIn配置为StartSample功能后,MTI-300上电后不会输出数据,直到在SyncIn上检测到一个上升沿
我们的项目只需要加速度和角速度数据,根据文档和我们实际实验测试,StartSample后大约3ms后会有第一个数据包

MTI-300的SyncOut功能的官网说明如下,可以将其配置为特定频率的脉冲输出
https://base.xsens.com/hc/en-us/articles/211592185-Synchronization-with-the-MTi

Robosense激光雷达的时间同步接口

Robosense GPS同步接口

该接口是用于将GPS收到的UTC时间同步为雷达内部的时间
PPS引脚检测的是一个1Hz的方波,每当上升沿到来后,应当向Robosense雷达GPS接口的串口接收RXD引脚发送一个串口包,该串口包是模拟GPS设备的GPRMC规范

GPS设备的GPRMC规范

系统构成

PCB原理图

将MTI-300的USB信号转为标准USB接口接入PC
将MTI300的SyncIn引脚接入stm32的PA引脚
将MTI-300的SyncOut引脚接入stm32单片机的PC4引脚和雷达GPS接口的PPS引脚
将stm32的串口发送引脚PB10/USART3_TX接到雷达GPS接口的串口接收引脚TXD

上位机配置

在上位机配置SyncIn引脚为StartSample功能
在上位机配置MTI-300的SyncOut引脚为脉冲输出功能,将其配置为能够输出频率1Hz,脉宽200ms的矩形波

运行时流程

上电后3秒,stm32向SyncIn发出一个StartSapmle脉冲
将PC引脚配置为上升沿触发的外部中断,当上升沿到来时,将UTC时间通过串口发出,每次自加1秒,第一个数据的时间约定为2020年1月1日0分0秒

计算硬件时间差

经过上述的过程,我们已经将雷达的硬件时间流速同步为和IMU一致,现在我们需要推算两者硬件时间戳的差

记stm32的时间轴为t_32,雷达的时间轴为t_li,IMU的时间轴为t_imu

当stm32发出第一个脉冲时,设此时
t_32 = T0
t_imu = T1

SyncOut上出现第一个上升沿时,设此时
t_32 = T2
t_li = T3

可得
t_li - t_32 = T3 - T2
t_imu - t_32 = T1 - T0

可得
t_li - t_imu = T3 - T1 - (T2 - T0)

T3为约定量,为2020年1月1日0分0秒,直接在Lidar回传的时间戳扣除即可
T1的测量方法为,当PC收到第一个IMU数据包时,将其减去2.69ms即为T1
根据实验和手册,(T2 - T0)为1000.19ms

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