一種簡易通用的敲擊觸發式慣性導航系統時間同步裝置設計*

張 輝,牛小驥*,郭文飛,翟 冰,羅國軍,王青江

(1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079;2.武漢大學電子信息學院,武漢 430072)

?

一種簡易通用的敲擊觸發式慣性導航系統時間同步裝置設計*

張 輝1,牛小驥1*,郭文飛1,翟 冰2,羅國軍2,王青江1

(1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079;2.武漢大學電子信息學院,武漢 430072)

科學研究與工程實踐中常需要利用多種傳感器協同工作獲取被測目標的動態信息,此時對不同傳感器采集的數據進行時間同步是必要前提。提出了一種以“敲擊-脈沖”信號為媒介的時間同步方案,通過能夠在敲擊瞬間產生脈沖信號的時間同步裝置實現慣性導航系統等運動傳感器與其他脈沖同步傳感器的時間同步,并通過實驗驗證了其可行性和時間同步精度。與傳統的硬件方案或軟件方案時間同步技術相比,本方案通用性極強,開發工作量小,操作簡單方便,適用于對時間同步精度要求不高的傳感器或系統的快速試驗評估。

慣性導航系統(INS);時間同步;GNSS接收機;脈沖信號;多傳感器;數據融合

科學研究與工程實踐中經常需要利用多種傳感器采集不同種類相關信息或對同一目標量采用不同方法進行冗余觀測,如在移動測圖中,需要同時利用GPS接收機、LIDAR、全景相機、INS等分別采集圖像和位置信息。對于不同傳感器采集的數據進行精確的時間同步在實際應用中具有重大意義。INS作為位置、速度和姿態傳感器,在與其他種類傳感器進行數據融合解算之前,對INS與其他傳感器的測量數據進行高精度的時間同步是必要前提。為此需要額外的硬件和軟件來賦予各傳感器數據統一的時標。但是二者往往由于存在時間起點和基準不一致、數據輸出速率不一致、電路延遲等因素,為INS與其他種類傳感器時間同步對準造成困難[1],而且相應的軟硬件開發調試的工作量大、開發周期長,不利于對多傳感器集成系統的快速驗證。

以常見的INS/GNSS組合導航系統為例。針對INS與GNSS時間同步的問題,國內外進行了廣泛的研究。概括起來有軟件方法[2-3]、硬件方法[4-7]、軟硬件結合的方法[8-12]。其中軟件方法為了實現高精度時間對準往往算法設計復雜,計算量大,而且精度有限;采用專門設計的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備,對開發人員的硬件設計與實現能力要求較高,且成本高,研發周期長。近年來,低成本、種類繁多的低精度且缺少穩定內部時鐘的MEMS傳感器開始普及。應用中急需一種操作簡單、通用性強的時間同步設備,來對上述傳感器性能進行快速實驗評估。

本文針對上述慣性導航系統與其他傳感器的時間同步問題,提供一種簡單、方便、通用性強,并能保證一定同步精度的敲擊式時間同步方案,并給出實驗測試結果及誤差分析,驗證了其可行性。

1 設計方案

本方案工作原理如圖1所示。在數據采集過程中,可以在選定的時間點(如起始、中間、結束部分),通過本裝置敲擊IMU,由IMU捕捉到對應的特征波形(通常敲擊會使加速度計輸出波形出現尖峰);同時,觸發本裝置的脈沖生成電路產生電壓跳變,可將跳變電壓作為脈沖信號,經調理后,接入待同步設備中,觸發待同步設備做出特定開啟、關閉,或者記錄時標等動作。通過數據后處理,匹配特征波形和對應的時間標簽,可進行各設備間的同步。

圖1 裝置工作原理圖

設備的硬件部分是一個敲擊同步裝置,包括依次相連的敲擊機構、脈沖生成電路、脈沖調理電路和脈沖輸出接口電路,如圖2所示。

敲擊機構如圖3所示,一個可前后伸縮的錘頭套在管筒內,錘頭末端和管壁連有金屬觸點,形成一個常閉開關,當敲擊時,錘頭受力縮回,開關斷開。

脈沖生成電路如圖4所示,用于在錘頭敲擊(開關開閉)時產生電壓跳變。根據不同的待同步設備,可以通過選擇開關,選擇產生上升或下降的電壓脈沖信號。

圖2 硬件方案結構圖

圖3 敲擊機構結構設計圖

圖4 脈沖生成電路結圖

脈沖調理電路根據接入設備的實際需要調節脈沖電壓、寬度和形狀,此處不給出具體設計。

依據上述設備原理對響應時標誤差分析如下:認為敲擊以相同的概率發生在IMU采樣間隔中間的任意一點,假如不考慮其他誤差,大量敲擊的平均發生時刻將依概率收斂到IMU采樣間隔的中點,而IMU只能在敲擊發生后的第1個采樣點記錄到波形跳變,即待同步設備記錄的脈沖發生時刻將比對應IMU波形提前半個IMU采樣周期。

實際應用中,通過本裝置和GPS接收機為內部時鐘不穩定的IMU所采集的數據打GPS時標。在采集過程前后兩次敲擊IMU,通過與兩次敲擊匹配的時標及采集到數據的總個數,內插出每一采樣數據的時標。應用本方法需假設IMU采樣間隔均勻。對內插時標的誤差分析如下:

假設t1,t2為真實的敲擊發生時刻,q1,q2為接收機記錄到的敲擊時刻,e1,e2分別為前后敲擊時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。

真實采樣總時長為:

(3)

記錄的采樣總時長為:

(4)

設采樣無數據丟失,共進行n次采樣,真實采樣間隔為:

(5)

記錄的采樣間隔為:

(6)

采樣間隔誤差:

(7)

當e2=e1時:

內插數據時標與真值在每一歷元發生e1(或e2)的偏移。

當e2≠e1時:

2 實驗及結果分析

為了驗證上述基于“敲擊-脈沖”信號的慣導時間同步方案的可行性,設計了以下兩組實驗。

實驗1,將新方法應用于一套帶有傳統硬件時間同步的慣導設備。將該方法的時間同步結果與傳統硬件同步結果對比,以此考核新方法的INS與GPS時間同步效果。

實驗2,利用高精度GPS接收機,為缺少穩定精確內部時間基準的IMU數據打時標,并評定其內部時鐘的誤差水平。實驗設備有:MTi-G;NovAtel DL-V3待驗證敲擊同步裝置。

2.1 實驗1

設置MTi_G采樣頻率為100 Hz,啟用MTi_G的INS/GPS硬件時間同步功能。在此情況下,MTi_G內部時鐘精度達到1 ppm[13],以此作為本實驗參考時標。

實驗中利用NovAtel DL-V3接收機的markcontrol命令開啟事件響應功能。根據經驗,命令中timeguard參數建議設為400 ms。

將敲擊同步裝置與Novatel DL_V3相連,利用本實驗裝置敲擊MTi_G,使INS記錄敲擊時刻的特征波形,同時觸發接收機記錄敲擊時刻的GPS時刻。

實驗共進行了時長約1 h的數據采集,每隔5 min左右進行一組敲擊,每組連續敲擊10次。共進行了14組,共142次敲擊,其中因為存在兩次敲擊未觸發DL_V3響應,故補充敲擊兩次。第13組與第14組間隔較短。在整個采樣過程中出現了一次丟數,丟數32個。實驗中,將與參考時標相差0.02 s以上的錯誤記錄剔除。敲擊形成的加速度特征波形,如圖5所示。

圖5 加速度計輸出的特征波形及局部細節

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,故單獨提取Z軸加速度計數據進行分析。

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

取脈沖波形上升段的第1個讀數與接收機記錄時標匹配,137次正確敲擊響應匹配誤差的均值為-0.006 597 s,標準差為0.005 482 s。時標匹配誤差的分布直方圖如圖7所示。

圖7 時標匹配誤差分布直方圖

由統計數據可知,DL-V3記錄的時標較參考真值超前-0.006 597 s。實驗結果與第2節設備原理導致的誤差分析結論較為符合。

為提高匹配精度和可靠性,提出以下改進方案:

①對所有敲擊觸發記錄的時標,減去半個采樣間隔(這里是0.005 s)的系統偏差改正。

②實際應用中采用多次敲擊的方法,在實驗開始和結束時,分別連續敲擊兩組。對每組時標取平均值,作為平均敲擊時刻的記錄時標,并以此作為內插標準。原因分析如下:

(8)

由記錄到的時標構造的虛擬敲擊時刻為:

(9)

二者的誤差為:

(10)

由于敲擊力量不大,本時間同步系統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行時間同步,同步敲擊最好發生在慣性傳感器動態較小的時候,以便于區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。

由上述實驗結果可知,在進行系統誤差校正后,本系統能給出約0.005 s的時間同步精度,通過多次敲擊取平均時刻的辦法,可以提高本系統的可靠性。

2.2 實驗2

結合實驗一的結果,通過本裝置為未開啟硬件時間同步的MTi_G打GPS時標,并評定其內部時鐘精度。

設置MTi_G采樣頻率為100 Hz,關閉MTi_G的INS/GPS硬件時間同步,此時MTi_G輸出時標僅由內部晶陣提供,MTi_G內部時鐘精度為80 ppm～90 ppm[8]。

總采樣時間內,時鐘漂移誤差需顯著高于本同步裝置分辨率。

利用MTi_G進行了3 h 20 min的數據采集,在80 ppm～90 ppm時鐘精度下,MTi_G可能存在最大約1 s的時鐘漂移,在本實驗中不丟數的情況下,可能造成約100個歷元的采樣歷元誤差。

分別在數據采集的開始和結束階段進行10次敲擊。根據上述方法,分別求取平均后的虛擬敲擊時刻。表2、表3給出了第1組和第2組敲擊中GPS接收機記錄到的敲擊時刻與IMU波形確定的敲擊時刻,并給出了二者之差,以及與二者記錄的前后兩次敲擊的時間間隔。

敲擊間隔的測量精度反應了系統的計時精度。MTi_G內部時鐘短時間內精度高,MTi_G和GPS接收機分別記錄到的敲擊間隔可以用于評定敲擊系統的同步性能。對上述兩表格最后一列求平均,其均值約為0.0003 76 s,標準差為0.006 67 s(對應于實驗一求得的兩時間系統偏差的標準差0.005 482 s)

比較前后兩組敲擊,Novatel接收機通過脈沖響應記錄到時標與MTi_G內部時標差的均值分別為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、設備噪聲以及MTi_G內部時鐘漂移。考慮3 h以上的數據采集時間,此偏差遠遠小于MTi_G內部時鐘可能發生的最大漂移量。

由上述方法,對兩組敲擊時刻求平均,并改正由實驗一、確定的系統偏差-0.006 597 s,確定出虛擬起始敲擊時刻為33 564.274 828 394 s,虛擬結束敲擊時刻為45 602.424 571 524 s,由此確定總采樣時長為12 038.149 743 13 s,100 Hz頻率下理應采集數據個數為1 203 815個,實際采集個數為1 203 813個,僅相差2個。說明此時間段MTi_G內部時鐘漂移在0.03 s以內,由于等間隔采樣,平均采樣間隔誤差在3×10-8s以內,符合實驗預期。

表2 第1組敲擊時標對應表 單位:s

表3 第2組敲擊時標對應表 單位:s

3 結論

本文研究設計了一種基于“敲擊-脈沖”信號的慣導與其他類型傳感器進行時間同步的方案,并進行了實驗驗證。兩組實驗結果表明,在進行了充分的誤差補償和粗差剔除的基礎上,對于單次敲擊時間同步,本方案能夠提供半個IMU采樣歷元(例如100 Hz采樣率時,0.005 s)的時間同步精度。通過連續多次敲擊的方式,采用平均敲擊時刻的方法可有效提高系統的可靠性。此外,還可以通過外部高精度時間參考(如高精度時鐘,GNSS接收機等)粗略估計IMU內部低精度時鐘的漂移。本敲擊同步方案不需要對被測慣導進行任何硬件或軟件改動,通用性強、操作簡單、方便快捷,非常適用于對低精度慣導做快速測試評估的場合,作為INS(IMU)與其他種類的傳感器(如GPS,LIDAR,攝像頭等)進行時間同步的簡易工具。

當利用本裝置敲擊IMU,使其加速度計輸出波形產生尖峰,相當于人為引入了不真實的載體運動狀態。對于車載導航,通常垂向速度保持穩定,以減小敲擊對IMU導航性能的影響。相對于導航過程,敲擊發生的次數少,時間極短,在有GPS輔助的條件下,對導航結果影響不顯著。

下一步工作將進一步詳細評估應用本裝置時,所發生的敲擊對IMU導航性能的影響。開發改進方案,進一步提高本時間同步方案的通用性,同步精度和可靠性。

[1]劉帥,孫付平,陳坡,等.GPS/INS組合導航系統時間同步方法綜述[J].全球定位系統,2012,37(1):53-56.

[2]肖進麗,潘正風,黃聲享.GPS/INS組合導航系統數據同步處理方法研究[J].武漢大學學報(信息科學版),2008,33(7):715-717.

[3]楊濤,王瑋.GPS/SINS組合導航系統實現時間同步的軟件方法[J].中國慣性技術學報,2008,16(4):436-438.

[4]張開東,吳美平.SINS/GPS組合導航中的一種高精度時間同步方案[J].戰術導彈控制技術,2006,55(4):66-68.

[5]馬云峰.基于DSP的MSINS/GPS組合導航計算機設計[J].微計算機信息,2007,23(6-2):180-181.

[6]艾銀河,劉藻珍,王正杰.DSP/MCU并行雙處理器結構在GPS/INS組合制導系統中的應用[J].測試技術學報,2002,16(專刊):565-570.

[7]劉廣孚,張為松,李旭,等.IMU/GPS數據同步電路的研究與實現[J].儀器儀表學報,2006,27(6):1353-1354.

[8]張濤,徐曉蘇,劉曉東,等.不同動態條件下組合導航系統的時間同步[J].中國慣性技術學報,2012,20:320-325.

[9]朱智勤,吳玉宏,羊遠新.GPS/INS組合系統中時間同步的模塊化實現[J].武漢大學學報(信息科學版),2010,35(7):830-832.

[10]張迪,鐘若飛,魯旭偉.無外觸發的激光掃描儀的時間同步方法研究[J].激光與紅外,2013,43(6):618-621.

[11]李倩,戰興群,王立端,等.GPS/INS組合導航系統時間同步系統設計[J].傳感技術學報,2009,22(12):1752-1756.

[12]曾桓濤,余志,張輝,等.GPS/INS組合導航數據同步時標的計算方法研究[J].傳感技術學報,2012,25(4):515-518.

[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-)武漢大學衛星導航定位技術研究中心,導航制導與控制專業碩士研究生。研究方向:組合導航與信息融合,zhanghuiagain@gmail.com;

牛小驥(1973-),男,武漢大學衛星導航定位技術研究中心教授。清華大學博士畢業,加拿大卡爾加里大學(University of Calgary)博士后。目前在武漢大學衛星導航定位技術研究中心從事慣性導航(INS)和組合導航(GNSS/INS)方面的研究。研究方向為慣性測量和GNSS/INS組合導航;研究興趣為GNSS/INS超緊組合,微機械(MEMS)慣性測量,個人導航,xjniu@whu.edu.cn。

項目來源:國家863計劃項目(2012AA12A206);中央高校基本科研業務費專項資金項目(學科交叉類)(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