3D激光SLAM：Livox激光雷达硬件时间同步

前言

在进行机器人进行slam的时候往往单一的传感器不能实现强鲁棒性，很多时候需要用到多个传感器的融合，例如激光雷达+相机+IMU+GPS+轮速计+毫米波雷达等等。

在进行多传感器融合的时候就涉及到了数据帧的对应，如果需要用时间戳去对应的话，那么则需要进行时间同步。由于数据的传输接收等存在不同程度的延时，数据的产生频率也不相同，如果仅用软同步的话，那么必然会存在一定偏差，导致数据对准不精确，那么就体现了硬件时间同步的重要性。

本篇主要介绍在3D激光SLAM中，如何对Livox激光雷达进行时间硬件同步。

Livox设备支持3种时间同步方式：

• PTP：IEEE 1588v2.0 PTP 网络协议同步；
• GPS：秒脉冲+GPRMC时间数据，组成GPS时间同步方式；
• PPS：秒脉冲同步，需要上层应用程序通过其他途径（如：uart）获取每个脉冲的时间信息，并修正点云时间。

同步原理

PTP时间同步原理

同步过程使用IEEE 1588v2.0 PTP的Delay request-response机制（two steps），Livox设备作为slave端，和master时钟设备进行ptp时间同步。

master和slave时钟通过Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp这几个数据包的交互，得到t1、t2、t3、t4时间，通过如下计算得到传输路径延迟和两时钟的偏移：
传输路径延时：

时间偏移：

GPS时间同步原理

GPS时钟源的PPS端口每秒发送一次硬件脉冲（PPS信号），随后数据端口发送一次对应这个脉冲上升沿的时间信息（GPRMC格式）。

Livox设备接收到PPS信号上升沿，并由GPRMC数据解析出正确的时间信息后，会设置点云时间为GPS时间，并保持此时间基准持续累加，来实现和GPS设备的时间同步。

注意：
Livox Hub可以直接接收RS485电平的GPRMC信号；
Livox LiDAR无法直接接收GPRMC信号，需要将GPRMC数据端口接入PC，然后通过sdk协议发送给雷达

PPS信号和GPRMC信号的时序要求：

PPS时间同步原理

Livox LiDAR每次接收到PPS信号的上升沿后，会将当前时刻的点云时间置为0，然后重新开始计时直到下一个PPS脉冲到来。我们可以利用这个特性，来实现PPS脉冲对LiDAR时间的同步。

GPS+PPS时间同步使用方法

为了兼容其他厂商的LiDAR硬件，Livox设备也支持GPS时间同步。
由于Livox有不同种类的硬件（LiDAR/Hub），在使用GPS同步时，可以将硬件接口分为3类：

• 使用Livox Hub；
• 使用Livox Converter 1.0连接的LiDAR（如：Mid-40、Mid-100）；
• 使用Livox Converter 2.0连接的LiDAR（如：Tele-15、Horizon、Avia）；

下面将分别介绍如何使用这3种接口进行GPS时间同步。

Livox Hub

如果GPS模块的时间信号和PPS信号是RS485电平，直接将线接入Hub的GPS时间同步口（GPS sync port）即可。
如果GPS模块的时间信号和PPS信号是TTL电平，则需要进行如下的电平转换后，才能将信号接入Hub的GPS时间同步口（GPS sync port）。

Hub使用GPS同步时，不需要进行SDK软件的配置。

Livox Converter 1.0

将GPS模块的时间信号（GPRMC）通过TTL转usb模块接入PC，PPS(必须是RS485电平)信号接入LiDAR转接盒同步口（Sync Port）。

查看接入PC的usb模块的端口名称，
例如 /dev/ttyUSB0，
添加到 livox_lidar_config.json 文件中“timesync_config”的“device_name”，
然后将“enable_timesync”配置为 true，
波特率“baudrate_index”可以参考 Livox_ros_driver 来配置具体数值

"timesync_config": {
    
    "enable_timesync": true,
    "device_name": "/dev/ttyUSB0",
    "comm_device_type": 0,
    "baudrate_index": 2,
    "parity_index": 0
    }

然后 运行launch file

Livox Converter 2.0

将GPS模块的时间信号（GPRMC）通过TTL转usb模块接入PC，PPS（注意这里是TTL电平）信号接入LiDAR转接盒同步口（Sync Port）。

查看接入PC的usb模块的端口名称，
例如 /dev/ttyUSB0，
添加到 livox_lidar_config.json 文件中“timesync_config”的“device_name”，
然后将“enable_timesync”配置为 true，
波特率“baudrate_index”可以参考 Livox_ros_driver 来配置具体数值

"timesync_config": {
    
    "enable_timesync": true,
    "device_name": "/dev/ttyUSB0",
    "comm_device_type": 0,
    "baudrate_index": 2,
    "parity_index": 0
    }

然后 运行launch file

状态检查

通过查看点云数据包头中的timestamp_type数据，
如果timestamp_type为3，则说明设备正在进行GPS时间同步：


UTC时间格式：

PPS时间同步使用方法

Livox LiDAR每次接收到PPS信号的上升沿后，会将当前时刻的点云时间置为0，然后重新开始计时直到下一个PPS脉冲到来。我们可以利用这个特性，来实现PPS脉冲对LiDAR时间的同步。
下面是实现这个流程的伪代码：

// PPS Time Synchronization
static uint64_t lidar_time_last;
static uint64_t lidar_time_real;

// 1. Read the PPS rising edge time, Unit is nanosecond.
uint64_t pps_time_ns = get_pps_rising_nsecond();
// 2. Read LiDAR point time, Unit is nanosecond.
uint64_t lidar_time = get_lidar_pack_time();
// 3. Update real time.
if (lidar_time < lidar_time_last)
{
    
    //LiDAR time jump indicates the generation of PPS rising edge.
    lidar_time_real = pps_time_ns + lidar_time%(1000000000);
}
else
{
    
    lidar_time_real += lidar_time - lidar_time_last;
}
//Update history
lidar_time_last = lidar_time;

通过其他方式获得PPS上升沿的时间信息，对应上述代码中的get_pps_rising_nsecond()接口。