張 輝,牛小驥*,郭文飛,翟 冰,羅國軍,王青江

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079;2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430072)

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一種簡易通用的敲擊觸發(fā)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步裝置設(shè)計(jì)*

張 輝1,牛小驥1*,郭文飛1,翟 冰2,羅國軍2,王青江1

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079;2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430072)

科學(xué)研究與工程實(shí)踐中常需要利用多種傳感器協(xié)同工作獲取被測目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息,此時(shí)對不同傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步是必要前提。提出了一種以“敲擊-脈沖”信號(hào)為媒介的時(shí)間同步方案,通過能夠在敲擊瞬間產(chǎn)生脈沖信號(hào)的時(shí)間同步裝置實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等運(yùn)動(dòng)傳感器與其他脈沖同步傳感器的時(shí)間同步,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和時(shí)間同步精度。與傳統(tǒng)的硬件方案或軟件方案時(shí)間同步技術(shù)相比,本方案通用性極強(qiáng),開發(fā)工作量小,操作簡單方便,適用于對時(shí)間同步精度要求不高的傳感器或系統(tǒng)的快速試驗(yàn)評(píng)估。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS);時(shí)間同步;GNSS接收機(jī);脈沖信號(hào);多傳感器;數(shù)據(jù)融合

科學(xué)研究與工程實(shí)踐中經(jīng)常需要利用多種傳感器采集不同種類相關(guān)信息或?qū)ν荒繕?biāo)量采用不同方法進(jìn)行冗余觀測,如在移動(dòng)測圖中,需要同時(shí)利用GPS接收機(jī)、LIDAR、全景相機(jī)、INS等分別采集圖像和位置信息。對于不同傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的時(shí)間同步在實(shí)際應(yīng)用中具有重大意義。INS作為位置、速度和姿態(tài)傳感器,在與其他種類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合解算之前,對INS與其他傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的時(shí)間同步是必要前提。為此需要額外的硬件和軟件來賦予各傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)。但是二者往往由于存在時(shí)間起點(diǎn)和基準(zhǔn)不一致、數(shù)據(jù)輸出速率不一致、電路延遲等因素,為INS與其他種類傳感器時(shí)間同步對準(zhǔn)造成困難[1],而且相應(yīng)的軟硬件開發(fā)調(diào)試的工作量大、開發(fā)周期長,不利于對多傳感器集成系統(tǒng)的快速驗(yàn)證。

以常見的INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)為例。針對INS與GNSS時(shí)間同步的問題,國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究。概括起來有軟件方法[2-3]、硬件方法[4-7]、軟硬件結(jié)合的方法[8-12]。其中軟件方法為了實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間對準(zhǔn)往往算法設(shè)計(jì)復(fù)雜,計(jì)算量大,而且精度有限;采用專門設(shè)計(jì)的INS/GNSS集成同步電路能得到較好的同步效果,但是這種硬件同步方案往往針對特定設(shè)備,對開發(fā)人員的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力要求較高,且成本高,研發(fā)周期長。近年來,低成本、種類繁多的低精度且缺少穩(wěn)定內(nèi)部時(shí)鐘的MEMS傳感器開始普及。應(yīng)用中急需一種操作簡單、通用性強(qiáng)的時(shí)間同步設(shè)備,來對上述傳感器性能進(jìn)行快速實(shí)驗(yàn)評(píng)估。

本文針對上述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與其他傳感器的時(shí)間同步問題,提供一種簡單、方便、通用性強(qiáng),并能保證一定同步精度的敲擊式時(shí)間同步方案,并給出實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果及誤差分析,驗(yàn)證了其可行性。

1 設(shè)計(jì)方案

本方案工作原理如圖1所示。在數(shù)據(jù)采集過程中,可以在選定的時(shí)間點(diǎn)(如起始、中間、結(jié)束部分),通過本裝置敲擊IMU,由IMU捕捉到對應(yīng)的特征波形(通常敲擊會(huì)使加速度計(jì)輸出波形出現(xiàn)尖峰);同時(shí),觸發(fā)本裝置的脈沖生成電路產(chǎn)生電壓跳變,可將跳變電壓作為脈沖信號(hào),經(jīng)調(diào)理后,接入待同步設(shè)備中,觸發(fā)待同步設(shè)備做出特定開啟、關(guān)閉,或者記錄時(shí)標(biāo)等動(dòng)作。通過數(shù)據(jù)后處理,匹配特征波形和對應(yīng)的時(shí)間標(biāo)簽,可進(jìn)行各設(shè)備間的同步。

圖1 裝置工作原理圖

設(shè)備的硬件部分是一個(gè)敲擊同步裝置,包括依次相連的敲擊機(jī)構(gòu)、脈沖生成電路、脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路,如圖2所示。

敲擊機(jī)構(gòu)如圖3所示,一個(gè)可前后伸縮的錘頭套在管筒內(nèi),錘頭末端和管壁連有金屬觸點(diǎn),形成一個(gè)常閉開關(guān),當(dāng)敲擊時(shí),錘頭受力縮回,開關(guān)斷開。

脈沖生成電路如圖4所示,用于在錘頭敲擊(開關(guān)開閉)時(shí)產(chǎn)生電壓跳變。根據(jù)不同的待同步設(shè)備,可以通過選擇開關(guān),選擇產(chǎn)生上升或下降的電壓脈沖信號(hào)。

圖2 硬件方案結(jié)構(gòu)圖

圖3 敲擊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖4 脈沖生成電路結(jié)圖

脈沖調(diào)理電路根據(jù)接入設(shè)備的實(shí)際需要調(diào)節(jié)脈沖電壓、寬度和形狀,此處不給出具體設(shè)計(jì)。

依據(jù)上述設(shè)備原理對響應(yīng)時(shí)標(biāo)誤差分析如下:認(rèn)為敲擊以相同的概率發(fā)生在IMU采樣間隔中間的任意一點(diǎn),假如不考慮其他誤差,大量敲擊的平均發(fā)生時(shí)刻將依概率收斂到IMU采樣間隔的中點(diǎn),而IMU只能在敲擊發(fā)生后的第1個(gè)采樣點(diǎn)記錄到波形跳變,即待同步設(shè)備記錄的脈沖發(fā)生時(shí)刻將比對應(yīng)IMU波形提前半個(gè)IMU采樣周期。

實(shí)際應(yīng)用中,通過本裝置和GPS接收機(jī)為內(nèi)部時(shí)鐘不穩(wěn)定的IMU所采集的數(shù)據(jù)打GPS時(shí)標(biāo)。在采集過程前后兩次敲擊IMU,通過與兩次敲擊匹配的時(shí)標(biāo)及采集到數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù),內(nèi)插出每一采樣數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)。應(yīng)用本方法需假設(shè)IMU采樣間隔均勻。對內(nèi)插時(shí)標(biāo)的誤差分析如下:

假設(shè)t1,t2為真實(shí)的敲擊發(fā)生時(shí)刻,q1,q2為接收機(jī)記錄到的敲擊時(shí)刻,e1,e2分別為前后敲擊時(shí)刻真值與記錄值的偏差。

e1=q1-t1

(1)

e2=q2-t2

(2)

e1,e2>0,說明記錄有延遲,e1,e2<0說明記錄超前。

真實(shí)采樣總時(shí)長為:

(3)

記錄的采樣總時(shí)長為:

(4)

設(shè)采樣無數(shù)據(jù)丟失,共進(jìn)行n次采樣,真實(shí)采樣間隔為:

(5)

記錄的采樣間隔為:

(6)

采樣間隔誤差:

(7)

當(dāng)e2=e1時(shí):

內(nèi)插數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)與真值在每一歷元發(fā)生e1(或e2)的偏移。

當(dāng)e2≠e1時(shí):

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述基于“敲擊-脈沖”信號(hào)的慣導(dǎo)時(shí)間同步方案的可行性,設(shè)計(jì)了以下兩組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1,將新方法應(yīng)用于一套帶有傳統(tǒng)硬件時(shí)間同步的慣導(dǎo)設(shè)備。將該方法的時(shí)間同步結(jié)果與傳統(tǒng)硬件同步結(jié)果對比,以此考核新方法的INS與GPS時(shí)間同步效果。

實(shí)驗(yàn)2,利用高精度GPS接收機(jī),為缺少穩(wěn)定精確內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)的IMU數(shù)據(jù)打時(shí)標(biāo),并評(píng)定其內(nèi)部時(shí)鐘的誤差水平。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:MTi-G;NovAtel DL-V3待驗(yàn)證敲擊同步裝置。

2.1 實(shí)驗(yàn)1

設(shè)置MTi_G采樣頻率為100 Hz,啟用MTi_G的INS/GPS硬件時(shí)間同步功能。在此情況下,MTi_G內(nèi)部時(shí)鐘精度達(dá)到1 ppm[13],以此作為本實(shí)驗(yàn)參考時(shí)標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)中利用NovAtel DL-V3接收機(jī)的markcontrol命令開啟事件響應(yīng)功能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),命令中timeguard參數(shù)建議設(shè)為400 ms。

將敲擊同步裝置與Novatel DL_V3相連,利用本實(shí)驗(yàn)裝置敲擊MTi_G,使INS記錄敲擊時(shí)刻的特征波形,同時(shí)觸發(fā)接收機(jī)記錄敲擊時(shí)刻的GPS時(shí)刻。

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了時(shí)長約1 h的數(shù)據(jù)采集,每隔5 min左右進(jìn)行一組敲擊,每組連續(xù)敲擊10次。共進(jìn)行了14組,共142次敲擊,其中因?yàn)榇嬖趦纱吻脫粑从|發(fā)DL_V3響應(yīng),故補(bǔ)充敲擊兩次。第13組與第14組間隔較短。在整個(gè)采樣過程中出現(xiàn)了一次丟數(shù),丟數(shù)32個(gè)。實(shí)驗(yàn)中,將與參考時(shí)標(biāo)相差0.02 s以上的錯(cuò)誤記錄剔除。敲擊形成的加速度特征波形,如圖5所示。

圖5 加速度計(jì)輸出的特征波形及局部細(xì)節(jié)

圖6 Z軸加速度前后歷元差的絕對值

其中圖5(a)為完整的加速度計(jì)輸出特征波形圖,圖5(b)為將其中一組敲擊波形放大顯示的圖形。敲擊主要在Z軸方向,故單獨(dú)提取Z軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

敲擊發(fā)生的前后歷元,加速度計(jì)輸出發(fā)生階躍變化,故對Z軸前后歷元作差,并取絕對值,以突出敲擊信號(hào),波形如圖6所示。

取脈沖波形上升段的第1個(gè)讀數(shù)與接收機(jī)記錄時(shí)標(biāo)匹配,137次正確敲擊響應(yīng)匹配誤差的均值為-0.006 597 s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 482 s。時(shí)標(biāo)匹配誤差的分布直方圖如圖7所示。

圖7 時(shí)標(biāo)匹配誤差分布直方圖

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,DL-V3記錄的時(shí)標(biāo)較參考真值超前-0.006 597 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第2節(jié)設(shè)備原理導(dǎo)致的誤差分析結(jié)論較為符合。

為提高匹配精度和可靠性,提出以下改進(jìn)方案:

①對所有敲擊觸發(fā)記錄的時(shí)標(biāo),減去半個(gè)采樣間隔(這里是0.005 s)的系統(tǒng)偏差改正。

②實(shí)際應(yīng)用中采用多次敲擊的方法,在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí),分別連續(xù)敲擊兩組。對每組時(shí)標(biāo)取平均值,作為平均敲擊時(shí)刻的記錄時(shí)標(biāo),并以此作為內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)。原因分析如下:

(8)

由記錄到的時(shí)標(biāo)構(gòu)造的虛擬敲擊時(shí)刻為:

(9)

二者的誤差為:

(10)

由于敲擊力量不大,本時(shí)間同步系統(tǒng)適用于輕型低精度慣性傳感器與其他采樣速率不高的傳感器進(jìn)行時(shí)間同步,同步敲擊最好發(fā)生在慣性傳感器動(dòng)態(tài)較小的時(shí)候,以便于區(qū)分敲擊造成的特征波形。建議各傳感器采樣速率不要大于100 Hz。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正后,本系統(tǒng)能給出約0.005 s的時(shí)間同步精度,通過多次敲擊取平均時(shí)刻的辦法,可以提高本系統(tǒng)的可靠性。

2.2 實(shí)驗(yàn)2

結(jié)合實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果,通過本裝置為未開啟硬件時(shí)間同步的MTi_G打GPS時(shí)標(biāo),并評(píng)定其內(nèi)部時(shí)鐘精度。

設(shè)置MTi_G采樣頻率為100 Hz,關(guān)閉MTi_G的INS/GPS硬件時(shí)間同步,此時(shí)MTi_G輸出時(shí)標(biāo)僅由內(nèi)部晶陣提供,MTi_G內(nèi)部時(shí)鐘精度為80 ppm～90 ppm[8]。

總采樣時(shí)間內(nèi),時(shí)鐘漂移誤差需顯著高于本同步裝置分辨率。

利用MTi_G進(jìn)行了3 h 20 min的數(shù)據(jù)采集,在80 ppm～90 ppm時(shí)鐘精度下,MTi_G可能存在最大約1 s的時(shí)鐘漂移,在本實(shí)驗(yàn)中不丟數(shù)的情況下,可能造成約100個(gè)歷元的采樣歷元誤差。

分別在數(shù)據(jù)采集的開始和結(jié)束階段進(jìn)行10次敲擊。根據(jù)上述方法,分別求取平均后的虛擬敲擊時(shí)刻。表2、表3給出了第1組和第2組敲擊中GPS接收機(jī)記錄到的敲擊時(shí)刻與IMU波形確定的敲擊時(shí)刻,并給出了二者之差,以及與二者記錄的前后兩次敲擊的時(shí)間間隔。

敲擊間隔的測量精度反應(yīng)了系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度。MTi_G內(nèi)部時(shí)鐘短時(shí)間內(nèi)精度高,MTi_G和GPS接收機(jī)分別記錄到的敲擊間隔可以用于評(píng)定敲擊系統(tǒng)的同步性能。對上述兩表格最后一列求平均,其均值約為0.0003 76 s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 67 s(對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)一求得的兩時(shí)間系統(tǒng)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差0.005 482 s)

比較前后兩組敲擊,Novatel接收機(jī)通過脈沖響應(yīng)記錄到時(shí)標(biāo)與MTi_G內(nèi)部時(shí)標(biāo)差的均值分別為0.088 6 s和0.095 6 s,兩者相差0.007 0 s,此偏差包含觀測噪聲、設(shè)備噪聲以及MTi_G內(nèi)部時(shí)鐘漂移。考慮3 h以上的數(shù)據(jù)采集時(shí)間,此偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MTi_G內(nèi)部時(shí)鐘可能發(fā)生的最大漂移量。

由上述方法,對兩組敲擊時(shí)刻求平均,并改正由實(shí)驗(yàn)一、確定的系統(tǒng)偏差-0.006 597 s,確定出虛擬起始敲擊時(shí)刻為33 564.274 828 394 s,虛擬結(jié)束敲擊時(shí)刻為45 602.424 571 524 s,由此確定總采樣時(shí)長為12 038.149 743 13 s,100 Hz頻率下理應(yīng)采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為1 203 815個(gè),實(shí)際采集個(gè)數(shù)為1 203 813個(gè),僅相差2個(gè)。說明此時(shí)間段MTi_G內(nèi)部時(shí)鐘漂移在0.03 s以內(nèi),由于等間隔采樣,平均采樣間隔誤差在3×10-8s以內(nèi),符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

表2 第1組敲擊時(shí)標(biāo)對應(yīng)表 單位:s

表3 第2組敲擊時(shí)標(biāo)對應(yīng)表 單位:s

3 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于“敲擊-脈沖”信號(hào)的慣導(dǎo)與其他類型傳感器進(jìn)行時(shí)間同步的方案,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在進(jìn)行了充分的誤差補(bǔ)償和粗差剔除的基礎(chǔ)上,對于單次敲擊時(shí)間同步,本方案能夠提供半個(gè)IMU采樣歷元(例如100 Hz采樣率時(shí),0.005 s)的時(shí)間同步精度。通過連續(xù)多次敲擊的方式,采用平均敲擊時(shí)刻的方法可有效提高系統(tǒng)的可靠性。此外,還可以通過外部高精度時(shí)間參考(如高精度時(shí)鐘,GNSS接收機(jī)等)粗略估計(jì)IMU內(nèi)部低精度時(shí)鐘的漂移。本敲擊同步方案不需要對被測慣導(dǎo)進(jìn)行任何硬件或軟件改動(dòng),通用性強(qiáng)、操作簡單、方便快捷,非常適用于對低精度慣導(dǎo)做快速測試評(píng)估的場合,作為INS(IMU)與其他種類的傳感器(如GPS,LIDAR,攝像頭等)進(jìn)行時(shí)間同步的簡易工具。

當(dāng)利用本裝置敲擊IMU,使其加速度計(jì)輸出波形產(chǎn)生尖峰,相當(dāng)于人為引入了不真實(shí)的載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對于車載導(dǎo)航,通常垂向速度保持穩(wěn)定,以減小敲擊對IMU導(dǎo)航性能的影響。相對于導(dǎo)航過程,敲擊發(fā)生的次數(shù)少,時(shí)間極短,在有GPS輔助的條件下,對導(dǎo)航結(jié)果影響不顯著。

下一步工作將進(jìn)一步詳細(xì)評(píng)估應(yīng)用本裝置時(shí),所發(fā)生的敲擊對IMU導(dǎo)航性能的影響。開發(fā)改進(jìn)方案,進(jìn)一步提高本時(shí)間同步方案的通用性,同步精度和可靠性。

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[13]MTi_G User Manual and Technical Documentation:46.

A Universal INS Time Synchronization Solution Based on Punch Triggering*

ZHANGHui1,NIUXiaoji1*,GUOWenfei1,ZHAIBing2,LUOGuojun2,WANGQingjiang1

(1.GNSS Research Center,Wuhan University,Wuhan 430079,China;2.Electronic Information School,Wuhan University,Wuhan 430072)

Scientific researches and engineering applications usually require integrating the kinetic information of the same research object from different kinds of sensors.Synchronization of these data is the prerequisite of the integration.A synchronization solution using a kind of "punch-pulse" signal to link different sensors is presented.A special device(a hammer)is designed which can generate electrical pulse when it punches the motion sensors.The generated pulse will trigger other devices that need to be synchronized with INS,while the punch will be captured by INS.Then the data from INS and other devices will be time aligned.Experiments were conducted to evaluate the feasibility and the synchronization accuracy of this solution.Compared to the traditional synchronization solutions,the proposed solution is easier to operate,requires much less workload of development,and has much more generality for different applications.It can be used in quick evaluations of sensors and systems that do not require high synchronization accuracy,and test the data logging continuity,reliability and clock stability of INS.

INS;time synchronization;GNSS receiver;pulse signal;multi-sensors;data fusion

張 輝(1989-)武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,導(dǎo)航制導(dǎo)與控制專業(yè)碩士研究生。研究方向:組合導(dǎo)航與信息融合,zhanghuiagain@gmail.com;

牛小驥(1973-),男,武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心教授。清華大學(xué)博士畢業(yè),加拿大卡爾加里大學(xué)(University of Calgary)博士后。目前在武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心從事慣性導(dǎo)航(INS)和組合導(dǎo)航(GNSS/INS)方面的研究。研究方向?yàn)閼T性測量和GNSS/INS組合導(dǎo)航;研究興趣為GNSS/INS超緊組合,微機(jī)械(MEMS)慣性測量,個(gè)人導(dǎo)航,xjniu@whu.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA12A206);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(學(xué)科交叉類)(2042014kf0258)

2014-08-18 修改日期:2014-11-06

C:6330;7630;7230K

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.003

V249.3

A

1004-1699(2015)01-0013-06