关于Velodyne LiDAR的时间同步

时间不同步的危害

如果一辆无人车上，装了很多传感器，如果各个传感器的时间是孤立的，比如传感器甲在自身时钟的T0时刻，发现有个目标出现；于此同时，传感器乙也看到这个目标，但传感器乙会根据自身时钟，认为当前是T1时刻，于是，当数据融合时，系统会错乱，到底是哪个时刻，出现的目标？如果对两个传感器的时钟都加以采信，如果这个目标是个移动的目标，那么， 系统会看到两个目标，也就是会出现“鬼影”。

时间同步的解决办法

毫秒级同步： 多采用NTP服务的方式，一般服务器和电脑就是这么同步的。

纳秒级同步：多采用统一时钟源的方式，而统一时钟源中，又多用GNSS时间对齐。（或者可以直接用GNSS接收机对齐时间）

如果你的电脑，或者你的智能手表，想获取当前准确的时间，只要对公网上的某个NTP服务器，发出一个基于UDP的ntp request，远程的NTP服务器，就能给你返回一个含时间reply，这个时间经过客户端对网络时延的评估修正，被计算出来，它就是你所需要的时间。这适用于对时间精度不那么敏感的用户。

如果你需要非常精确的同步（比如无人车，毫秒级的时间失步将是灾难性的），那么NTP显然不能满足需求，这时候，你就需要考虑采用统一时钟源的方式。

统一的时钟源设备

统一的时钟源设备在通讯／机场和电力行业中，应用非常之广泛，特别是光传输和4G基站，她们对时间同步的要求丝毫不亚于无人车传感器，甚至有过之而无不及，因此，我们可以参考下她们怎么做的。

她们一般采用统一时钟源设备（一般几U高，安装在机架上），该设备由GPS / COMPASS / GLONASS / GALILEO提供授时。

（时钟同步设备，盗个图，如果有人看出这是什么牌子的设备，那么该图版权属该公司所有）

她的特点：内部有一个非常精准的主时钟（晶体振荡器），并且会用GNSS时钟信号不停的“驯服”该主时钟。在驯服晶振过程中能够不断“学习”晶振的运行特性，并将这些参数存入板载存储器中。当外部时间基准出现异常或不可用时，它能自动切换到内部守时状态，并依据板载存储器中的参数对晶体振荡器特性进行补偿，使守时电路继续提供高可靠性的时间信息输出，同时避免了因晶体振荡器老化造成的频偏对守时指标的影响。

目前绝大部分的无人车团队，相比已经成熟的通讯和电力行业而言，多采用GNSS接收机或惯导直接输出的PPS和GPRMC／GPGGA信号来修正各个传感器的时间，特别是激光雷达的时间，这会有个问题，就是使得GNSS信号不好的时候，时间有反复跳变，半个小时可能有上百毫秒之巨。（原因是传感器本身的时间晶振无法做到很精确的内部守时，当然部分接收机也有类似时时钟同步设备的功能，丢失信号后，也会用内部系统模拟输出，但精度上，对比几十万一台的专业时钟设备，还是有不小的差距）

PPS和GPRMC

我们看一个典型的满足Velodyne要求的时钟信号：

第一条线叫PPS信号(Pulse Per Second), 也就是每秒一个脉冲

PPS信号的呈现五花八门，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激光雷达对PPS的要求：默认低电平，拉高高电平时，上升沿有效，+3.3v或+5v均可，脉宽要控制在10微秒-200毫秒之间，也就是占空比要在80%以上；

第二条线是输出GPRMC信号，这条线，要满足RS232电平标准。（如果你的设备输出UART电平，可以用一块MX232或者7404芯片转一下）。

GPRMC信号要跟在PPS信号后面，也是一秒一个，很多GNSS默认是0.2秒一个，要注意修改，另外，GPRMC信号的末尾离下一个PPS的上升沿，至少要隔开300毫秒。我们一般这样建议，一个PPS上升沿后，过300毫秒，开始输出GPRMC信号，这个是比较理想的。

不知道你注意到没有，GPRMC的NMEA语句，仅仅精确到秒（以pre-2.3版本为例）

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

所以

VelodyneLiDAR是怎么同步时间的

激光雷达内部有两个时钟：（Timer 1和Timer II）

Timer I：我们称之为微秒定时器，它的范围是0-999,999微秒

Timer II: 我们称之为整秒定时器，它的范围是0-3599秒

在未收到任何外来同步信号的时候，这两个timer正常工作，为激光雷达提供系统时间。当PPS信号到来之后，若该PPS是合法有效的PPS（即PPS被锁定），那么，PPS上升沿，会去置零微秒定时器。当合法有效的GPRMC信号到来的时候，系统抽取GPRMC信号中的时间，换算成整秒，并将Timer II的时间重新赋值，赋值成GPRMC中的整秒时间。

以上就是激光雷达的时间同步过程。你发现没有：激光雷达不能表达整小时以上的时间，也就是说，激光雷达只知道现在是几分几秒几毫秒几微秒，但是不知道现在是几月几号几点钟。所以，激光雷达被授予的，不是标准的UTC时间戳。我们称之为TOH时间（Top of Hour）

数据包中的展现

以VLP-16为例，如果你用tcpdump，那么数据包中有四个时间戳，可不能搞混淆了：

时间戳1 - 数据包接收时间戳

这是接收系统（不是激光雷达）的时间戳，对于激光雷达而言，是然并卵的存在。

时间戳2 - 位置数据包中NMEA语句，（UDP 8308, 如果你没有改端口的话）

这个是最近一个收到的GPRMC下发的时间，你可以用来参考是否收到GPRMC信号。

时间戳3 - 还是位置数据包中的时间戳：

这个就是激光雷达自己的TOH时间，不过这个TOH时间出现在这里，仅仅表达的是当前位置数据包组包时的时间。

最有用的，是时间戳4 - 主数据包时间戳：

它直接参与点云XYZ坐标的计算，指代的第一个Block第一束激光的发射时，激光雷达自身的TOH时间，其他激光发射时间，要依据手册中的时序表，添加固定的offset。（还记得TOH时间是怎么被同步的么？）

控制页面中关于时间同步的一些按钮

不是每个PPS都认为是有效的脉冲，那么，用什么标准判定呢，就是这个PPS Qualifier

首先，是否要求GNSS接收机指示有效，因为在NMEA语句中，有一个字段是指示GNSS是否有效的，通常是等待卫星的锁定。如果选择ON，那么，GNSS必须确定有效，才能锁定PPS，如果选择OFF，那么，无论是否有效，PPS都会被锁定。

就是这个字段，A表示有效，V表示无效，通常V是表示卫星未锁定。

其次，PPS是否要求延时lock，意思是，收到了多少个电平合格的PPS后，才认为PPS被lock？ 默认OFF，就使用2个，也就是第三个有效的pps后，开始锁定。如果你选择ON，你可以自己选择，从0-65535个都行。不过没人会选那么大的值，一般3-5个之后就行。

GPS Qualifier表示的是GPRMC信号是否有效，如果选择ON，则那个NMEA语句中，“V/A”字段会起效，只有当字段为A的时候，整秒定时器才会去跟随GPRMC指示时间。如果选择OFF，那么，无论如何都会去跟，并不关心那个“V/A”字段。

Python抽取时间进行分析

如何从pcap数据包中抽取时间，并加以一定的分析，Python是个好工具，墙裂推荐之～

这里不再赘述，常用的几个库socket，dpkg，matplotlib，numpy，pandas等，节选一点供简单参考：

举个例子，如果你想对比是不是发生了时间跳变的现象，只需要把数据包中相应的时间戳拉出来，做个对比，就一目了然：

好啦，就讲这么多，希望对大家平常的开发工作有所帮助。