[论文解读] Open-Source LiDAR Time Synchronization System by Mimicking GPS-clock.

Marsel Faizullin, Anastasiia Kornilova+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Network Time Synchronization Technologies参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于LiDAR和IMU传感器的开源硬件时间同步系统，通过微控制器模拟GPS时钟接口，实现1微秒的时间同步精度。该系统优于ROS软件时间戳方法和LiDAR内部时钟方法，为机器人和自主系统中的多传感器融合提供了可扩展的解决方案。

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.

研究动机与目标

• 解决机器人和自主导航中多传感器系统精确时间同步的关键挑战。
• 开发一种低成本、开源的硬件解决方案，实现在LiDAR、IMU及其他传感器之间亚微秒级的时间同步。
• 提供一种可推广的时间同步框架，兼容多种传感器，包括摄像头和编码器。
• 在时间同步精度方面优于现有方法，如ROS软件时间戳和LiDAR内部时钟。

提出的方法

• 基于微控制器的平台模拟GPS时钟接口，为多个传感器提供稳定且同步的时间参考。
• 系统采用硬件触发时间戳技术，实现1微秒级别的精确时间同步。
• 通过共享触发信号将传感器数据流对齐至同一时间基准，实现时间同步。
• 该设计模块化且可扩展，支持集成额外传感器，如摄像头和编码器。
• 系统利用现有的GPS时间信号作为参考，实现高精度时间同步，而无需在每个传感器上配备外部GPS硬件。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、开源硬件系统能否在LiDAR和IMU传感器之间实现1微秒的时间同步精度？
• RQ2 所提出的硬件时间同步方法在精度上与ROS软件时间戳和LiDAR内部时钟相比如何？
• RQ3 该时间同步框架能否推广至其他传感器，如摄像头和编码器？
• RQ4 基于硬件的时间同步对LiDAR-IMU里程计（LIO）系统性能有何影响？

主要发现

• 所提出的系统实现了1微秒的时间同步精度，显著优于基线方法。
• 与ROS软件时间戳相比，基于硬件的时间同步在时间抖动和一致性方面表现更优。
• 与LiDAR的内部时钟相比，该系统提供更稳定、更精确的时间戳，后者表现出更高的漂移和抖动。
• 该框架具有可推广性，可扩展用于同步多个传感器，包括摄像头和编码器。
• 评估结果证实，该方法在LiDAR-IMU里程计等数据融合应用中提供了更优越的精度。