[논문 리뷰] Open-Source LiDAR Time Synchronization System by Mimicking GPS-clock.

Marsel Faizullin, Anastasiia Kornilova외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 06.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마이크로컨트롤러를 사용하여 GPS 시계 인터페이스를 모방하는 오픈소스 하드웨어 시간 동기화 시스템을 제안하며, LiDAR 및 IMU 센서 간에 1 마이크로초의 정밀도로 시간 동기화를 달성한다. 이는 ROS 소프트웨어 타임스탬프 기반 방법과 LiDAR 내부 시계 방법을 뛰어넘으며, 로봇 및 자율주행 시스템의 다중 센서 융합에 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

Time synchronization of multiple sensors is one of the main issues when building sensor networks. Data fusion algorithms and their applications, such as LiDAR-IMU Odometry (LIO), rely on precise timestamping. We introduce open-source LiDAR to inertial measurement unit (IMU) hardware time synchronization system, which could be generalized to multiple sensors such as cameras, encoders, other LiDARs, etc. The system mimics a GPS-supplied clock interface by a microcontroller-powered platform and provides 1 microsecond synchronization precision. In addition, we conduct an evaluation of the system precision comparing to other synchronization methods, including timestamping provided by ROS software and LiDAR inner clock, showing clear advantages over both baseline methods.

연구 동기 및 목표

• 로봇 및 자율주행을 위한 다중 센서 시스템에서 정밀한 시간 동기화 문제를 해결하기 위해.
• LiDAR, IMU 및 기타 센서 간에 마이크로초 이하의 정밀도로 동기화를 가능하게 하는 저비용, 오픈소스 하드웨어 솔루션을 개발하기 위해.
• 카메라 및 인코더와 같은 다양한 센서와 호환 가능한 일반화된 동기화 프레임워크를 제공하기 위해.
• 기존 방법인 ROS 소프트웨어 타임스탬프 기반 방법과 LiDAR 내부 시계 방법에 비해 정밀도에서 뛰어난 성능을 내기 위해.

제안 방법

• 마이크로컨트롤러 기반 플랫폼이 GPS 시계 인터페이스를 모방하여 다수의 센서에 안정적이고 동기화된 시간 기준을 제공한다.
• 하드웨어 트리거 기반 타임스탬프 기반으로 1 마이크로초 수준의 정밀한 동기화를 달성한다.
• 공통의 트리거 신호를 통해 센서 데이터 스트림을 동일한 시간 기반에 맞추어 동기화를 실현한다.
• 설계는 모듈식이며 확장 가능하여 카메라 및 인코더와 같은 추가 센서의 통합을 가능하게 한다.
• 기존의 GPS 타이밍 신호를 기준으로 활용함으로써, 각 센서에 외부 GPS 하드웨어가 필요 없이 고정밀도 동기화를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용, 오픈소스 하드웨어 시스템이 LiDAR 및 IMU 센서 간에 1 마이크로초의 정밀도로 동기화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 하드웨어 기반 동기화 방법은 ROS 소프트웨어 타임스탬프 기반 방법과 LiDAR 내부 시계에 비해 정밀도에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 동기화 프레임워크는 카메라 및 인코더와 같은 다른 센서로 일반화될 수 있는가?
• RQ4 하드웨어 기반 동기화가 LiDAR-IMU 오도메트리(LIO) 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 1 마이크로초의 동기화 정밀도를 달성하여 기준 방법에 비해 뚜렷이 향상됨을 확인하였다.
• 하드웨어 기반 동기화는 시간 지터와 일관성 측면에서 ROS 소프트웨어 타임스탬프 기반 방법보다 뛰어난 성능을 보였다.
• LiDAR 내부 시계는 더 높은 드리프트와 지터를 보이지만, 시스템은 더 안정적이고 정확한 타임스탬프를 제공하였다.
• 프레임워크는 일반화 가능하며 카메라 및 인코더와 같은 다수의 센서를 동기화하는 데 확장 가능하다.
• 평가 결과, 제안된 방법이 LiDAR-IMU 오도메트리와 같은 데이터 융합 응용 분야에서 뛰어난 정밀도를 제공하는 것으로 확인되었다.