自動駕駛多傳感器融合的時間校準方法研究*

張晶威，劉鐵軍，李仁剛，劉 丹，詹景麟，闞宏偉

（1. 浪潮集團有限公司，高效能服務(wù)器與存儲技術(shù)國家重點實驗室，北京 100085；2. 廣東浪潮智慧計算技術(shù)有限公司，廣州 510627；3. 浪潮（北京）電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司，北京 100085）

前言

多傳感器的信息融合與AI 加速平臺（異構(gòu)加速器）逐漸應(yīng)用于邊緣計算中心、自主機器人、自動駕駛車輛、無人機等領(lǐng)域，并成為信息感知、決策的應(yīng)用趨勢。在自動駕駛感知域應(yīng)用中，激光雷達（light detection and ranging，Lidar）、圖 像 傳 感 器（Camera）、慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）的信息融合算法成為其研究的熱點問題。激光雷達能夠感知外界環(huán)境的深度信息，圖像傳感器能夠感知外界環(huán)境的紋理信息，IMU 能夠測量物體的三軸姿態(tài)和加速度，多傳感器對外界環(huán)境的感知信息形成互補，成為面向自動駕駛應(yīng)用的核心傳感器組合方案。針對多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合算法而言，時間同步信息是數(shù)據(jù)重要組成部分，時間校準是信息融合技術(shù)的基礎(chǔ)問題之一。

宏觀地看，不同類型傳感器的時間校準主要包括硬件方法和軟件方法。其中硬件方法依賴于傳感器硬件支持時間戳的標(biāo)記。包括控制器對傳感器單向觸發(fā)（例如圖像傳感器的曝光信號觸發(fā)，做時間戳標(biāo)記）和雙向的精確時間協(xié)議（例如支持IEEE1588協(xié)議的傳感器與控制器通過交互報文實現(xiàn)時間同步）。在沒有硬件支持的情況下，軟件方法多是基于傳感器和被測系統(tǒng)的狀態(tài)特征，利用算法估計傳感器與中心計算機的時間偏差，并評估信息融合的效果。機器人領(lǐng)域的多傳感器時間校準問題研究早于自動駕駛領(lǐng)域，大多IMU 不包含時間戳信息，因此IMU 與其他傳感器的信息融合、時間校準是典型利用算法實現(xiàn)時間同步的應(yīng)用場景。

圖1 是一種自動駕駛的多傳感器數(shù)據(jù)流與中心計算機時間對齊的場景示例，其中系統(tǒng)時間與激光雷達的時間戳對齊，轉(zhuǎn)動頻率10 Hz 的激光雷達，旋轉(zhuǎn)1 周標(biāo)記一次時間戳（time stamp），實際上激光雷達的每一個數(shù)據(jù)包都包含時間戳，并可以通過激光器的觸發(fā)時間回溯點云中每一個點的觸發(fā)時刻。而系統(tǒng)中的IMU 和圖像傳感器數(shù)據(jù)是連續(xù)發(fā)送的，工程應(yīng)用中采用插值或估計的方法使上述感知數(shù)據(jù)與中心計算機時基對齊。例如在時間點，激光點云數(shù)據(jù)和圖像傳感器數(shù)據(jù)融合采用直接插值的方法，即采樣曝光時間與最接近的圖像I進行對齊融合。在時間點，激光點云數(shù)據(jù)和圖像傳感器數(shù)據(jù)融合采用線性加權(quán)方法，t時刻曝光圖像數(shù)據(jù)I，t時刻曝光圖像數(shù)據(jù)I，這兩幀圖像數(shù)據(jù)的曝光時刻是距離時刻最鄰近的時刻。即I·（1-）+I·數(shù)據(jù)作為時刻的圖像數(shù)據(jù)。類似的，對應(yīng)計算機在某一時刻t的姿態(tài)信息，可以基于IMU 數(shù)據(jù)和算法進行估計。

圖1 自動駕駛感知域多傳感器數(shù)據(jù)的時基對齊

文獻［9］中提出一種面向機器人應(yīng)用的激光雷達和圖像傳感器時間校準的方法，并測試了多種激光雷達、圖像傳感器和系統(tǒng)中心計算機的時間偏差。其測試應(yīng)用的圖像傳感器是USB 接口的工業(yè)相機，與目前車載應(yīng)用、自動駕駛路測的圖像傳感器在曝光（觸發(fā)）控制方式，圖像與傳感器控制的數(shù)據(jù)鏈路存在差異。文獻［10］中提出一種將多傳感器同步到中心計算機時間的框架，而設(shè)計的基礎(chǔ)是各傳感器具備可標(biāo)記的時間戳。

本文中提出自動駕駛應(yīng)用的機械式激光雷達時間戳為時間基準，分別與圖像傳感器、IMU 進行時間校準。利用激光雷達固定的掃描頻率及其激光發(fā)光時刻特征，激光發(fā)光觸發(fā)校準設(shè)備形成觸發(fā)事件，以及圖像傳感器和IMU自身特征形成時間校準方案和系統(tǒng)。

本文的主要工作有：

提出一種面向自動駕駛應(yīng)用的基于激光雷達時間戳（系統(tǒng)時基）的多傳感器時間校準的方法。

在激光雷達與圖像傳感器時間校準問題研究中，提出基于激光雷達激發(fā)校準設(shè)備形成觸發(fā)標(biāo)記，通過圖像傳感器感知外界事件（LD陣列的發(fā)光狀態(tài)）標(biāo)定激光雷達時間戳與圖像傳感器曝光時刻的時間差，并通過示波器對比測量校驗證明方案的有效性。

在激光雷達與IMU 的時間校準問題研究中，提出基于轉(zhuǎn)臺及本文設(shè)計的激光雷達信號采集系統(tǒng)，對激光雷達連續(xù)兩次觸發(fā)的事件組時刻和IMU的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行時間標(biāo)定，并設(shè)計對比試驗證明其有效性。

1 激光雷達與圖像傳感器時間校準系統(tǒng)與實現(xiàn)

1.1 自動駕駛應(yīng)用的激光雷達與圖像傳感器應(yīng)用

激光雷達與圖像傳感器的數(shù)據(jù)融合應(yīng)用中，圖像信息常作為稀疏點云的插值并提供紋理信息。

激光雷達的工作模式是本文在線校準實驗方案的基礎(chǔ)。自動駕駛應(yīng)用的機械式激光雷達大多應(yīng)用905 nm 波長的激光器并組成陣列，激光器陣列按照確定順序依次發(fā)光，激光雷達檢測回波并利用飛行時間法（time of flight，ToF）獲取目標(biāo)的距離?；夭z測單元的敏光器件是雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）。激光雷達旋轉(zhuǎn)360°獲得周圍環(huán)境的三維點云。機械式激光雷達的數(shù)據(jù)幀（frame）包含時間戳，其中的每一個數(shù)據(jù)塊（block）包含水平角度（azimuth）信息。另外，激光的發(fā)光（fire）時刻和儲能（recharge）時間被嚴格確定。

機器人應(yīng)用中的圖像傳感器的曝光觸發(fā)延遲通?？梢院雎浴＼囕d圖像傳感器的安裝位置距離感知域控制器或中心計算機的距離較遠，且具有較高的穩(wěn)定性要求，不能直接應(yīng)用工業(yè)相機常用的數(shù)據(jù)接口。圖2 所示是常見的兩種車載圖像傳感器傳輸和控制信號拓撲，即圖像信號處理器（image signal processor，ISP）前置拓撲和圖像信號處理器后置拓撲，兩種拓撲的傳輸和控制鏈路中均包含一組信號的串化器（serializer）和解串器（deserializer），它們作用是將圖像數(shù)據(jù)或控制信號串化成為高速信號并通過同軸線纜傳輸，以及將同軸線纜傳輸?shù)母咚傩盘柦獯Ｔ谕S線纜中，數(shù)據(jù)信號和控制信號是以頻分復(fù)用的方式進行傳輸，即圖像信號（稱前向信號，forward signal）一般以1.5～6 GHz比特率傳輸，控制信號（稱反向信號，reverse signal）一般以187.5 MHz 比特率傳輸。

圖2 兩種車載圖像傳感器與控制系統(tǒng)拓撲

鑒于車載圖像傳感器的特點，車載中心計算機或電子控制單元（electronic control unit，ECU）與激光雷達的時間戳同步，并觸發(fā)圖像傳感器的曝光（圖像幀同步時間戳）的過程包含兩部分時間延遲，一部分控制計算機接收到激光雷達時間戳后觸發(fā)圖像傳感器曝光的任務(wù)處理延遲，一部分是報文形式曝光命令的傳輸延遲。

1.2 激光雷達與圖像傳感器的時間校準系統(tǒng)

前文所述控制計算機對車載圖像傳感器曝光存在延遲，另外不同類型車載圖像傳感器、計算機系統(tǒng)具有不同時間延遲參數(shù)。本文設(shè)計了基于激光雷達觸發(fā)事件與圖像傳感器感知事件的時間校準方法。

實現(xiàn)的具體流程如圖3 所示，校準設(shè)備的APD接收激光雷達激光觸發(fā)，如圖3 中①所示，觸發(fā)信號分別傳輸至校準設(shè)備和中心計算機（或ECU）。其中激光傳輸并觸發(fā)APD 的時間極短，可以認為校準設(shè)備的接收時刻″與激光發(fā)光時刻′對齊，校準設(shè)備以Δ時間間隔，改變激光二極管（laser diode，LD）陣列的發(fā)光狀態(tài)，并作為圖像傳感器的采集目標(biāo)。中心計算機以中斷事件處理該外部觸發(fā)（時刻），執(zhí)行中斷函數(shù)中的其他任務(wù)以及輸出圖像傳感器曝光信號（t時刻是計算機系統(tǒng)標(biāo)記圖像傳感器的時間戳），曝光信號報文經(jīng)串化器-解串器組傳輸至圖像傳感器的CMOS，如圖3 中②所示?！?、″時刻對齊，圖像傳感器捕捉到LD 陣列發(fā)光狀態(tài)時刻為″+·Δ，·Δ則為計算機中激光雷達時間戳與圖像傳感器曝光時刻的時間延遲，如圖3 中③所示。需要注意的是因為中心計算機上運行的操作系統(tǒng)差異，或因任務(wù)搶占可能使與t的時間差產(chǎn)生抖動。

圖3 激光雷達與圖像傳感器時間校準系統(tǒng)方案

本文采用基于FPGA的并行采集、控制激光雷達信號和圖像傳感器信號系統(tǒng)，驗證該時間校準方案。

1.3 激光雷達激光信號采集

外部校準設(shè)備的激光觸發(fā)傳感器為905 nm APD，與激光雷達的敏光器件類型一致。本文采用First Sensor 公司的AD230-9 TO，其敏光直徑=230 μm。通過調(diào)整校準設(shè)備與激光雷達的相對位置，使APD 能夠檢測到激光觸發(fā)。激光雷達的水平角度（azimuth）掃描分辨率遠小于激光豎直方向角度（vertical angle）分辨率。以Velodyne 公司的VLP-16為例，其水平掃描分辨率為0.2°（轉(zhuǎn)動頻率10 Hz），激光陣列的垂直角分辨率為2°，在距離激光雷達1 m 的APD 處，水平方向同一激光器兩次發(fā)光，其光斑中心移動約3.474×10μm。而豎直方向上，不同的兩束激光的中心間隔約為3.492×10μm，遠大于APD 的敏光直徑，因此APD 僅能檢測到激光雷達陣列中某一水平面的單個激光器發(fā)光。其檢測到單次觸發(fā)波形脈沖過程＜10 ns，圖4 為APD 感知激光雷達發(fā)光的相對位置示意圖。

圖4 激光雷達與APD的相對位置示意圖

多數(shù)激光光束的能量符合高斯光束特征，其光場強度的高斯函數(shù)如式（1）所示。

式中：為峰值參數(shù)；、為橫向分別參數(shù)。

因此，APD 感光產(chǎn)生的光電流以激光雷達光斑中心向輻照區(qū)域的邊緣衰減，圖5 為APD 測得激光雷達連續(xù)發(fā)光脈沖波形。校準設(shè)備的APD 有效直徑（=230 μm）遠小于激光兩次發(fā)光時間間隔所經(jīng)過的位移（約3.474×10μm）。

圖5 校準設(shè)備APD感知激光雷達觸發(fā)波形及原理

時間校準與系統(tǒng)檢測到有效的電壓脈沖事件直接相關(guān)，其中光場強度的分布函數(shù)是影響時間校準的因素之一。此外，施加于APD的反偏電壓（圖3 中HV）、跨導(dǎo)放大器（TIA）的反饋電阻（圖3 中）綜合決定了APD 感知激光雷達觸發(fā)的脈沖電壓值。另外，檢測電路中的比較器約束了捕捉脈沖電壓的有效窗口。

試驗中發(fā)現(xiàn)，調(diào)制更高的反偏電壓并約束更窄的有效窗口，對激光雷達安裝的穩(wěn)定性、測試環(huán)境、檢測電路都有較高要求，會經(jīng)常出現(xiàn)丟失捕捉脈沖電壓的情況。

1.4 圖像傳感器感知校準設(shè)備的LD 陣列狀態(tài)變換

校準設(shè)備采用LD 陣列的不同發(fā)光狀態(tài)表征APD 被激光觸發(fā)后的不同時刻，圖像傳感器通過捕捉到LD陣列的發(fā)光狀態(tài)，得到感知域系統(tǒng)的激光雷達與圖像傳感器CMOS 曝光的相對延遲，這種方法的優(yōu)點在于可以計入中心計算機任務(wù)處理的時間延遲。不同于文獻［8］，本文采用605 nm 波長LD 組成陣列，因為LD具有更快的發(fā)光響應(yīng)。

采用FPGA 作為校準設(shè)備的計算和控制核心，如1.3 節(jié)所述，外設(shè)捕捉到兩次窗口觸發(fā)事件后，按一定的順序調(diào)整IO 接口狀態(tài)，從而改變LD 陣列的發(fā)光狀態(tài)。LD 發(fā)光需要一個恒流源驅(qū)動電路，本文采用FPGA 驅(qū)動三級管，再驅(qū)動恒流源的兩級驅(qū)動電路。其控制電路如圖6所示。

圖6 校準設(shè)備LD陣列的控制與驅(qū)動電路圖

本文采用7 只LD 激光可以組合形成128 種不同的發(fā)光狀態(tài)，每種狀態(tài)間隔Δ= 250 μs，即可以測試32 ms 內(nèi)的圖像觸發(fā)延遲。圖7 為校準設(shè)備FPGA 控制狀態(tài)機，其采樣電路連續(xù)采集兩次觸發(fā)事件并驅(qū)動改變一次LD 陣列發(fā)光狀態(tài)。定義狀態(tài)機中l(wèi)idar_trigger_event 為“1”時，表示采集電路被激光有效觸發(fā)。定義Δ為同一激光器連續(xù)兩次發(fā)光的時間間隔，本文測試的VLP-16 的激光發(fā)光時間間隔為55.296 μs，因此設(shè)定有效的連續(xù)兩次采集的判斷條件40 μs＜Δ＜60 μs，并有效地連續(xù)兩次采集記為一次事件，以該事件驅(qū)動改變一次LD 陣列狀態(tài)，校準系統(tǒng)的時間分辨率為Δ=250 μs。

圖7 校準設(shè)備觸發(fā)與LD陣列狀態(tài)控制狀態(tài)機

2 激光雷達與圖像傳感器時間校準實驗與分析

2.1 激光雷達與圖像傳感器時間校準實驗系統(tǒng)與步驟

本文實驗中的被校準設(shè)備是以SoC（含ARM 處理器和FPGA 邏輯單元）為核心的計算單元感知域控制器，由FPGA 邏輯單元例化圖像數(shù)據(jù)接口控制器，并通過MIPI 接口連接外置圖像信號處理器（image signal processor，ISP），經(jīng)由串化器-解串器組處理，最后連接CMOS 圖像傳感器，這是一種典型的ISP 后置的圖像傳感器連接方式。圖8 為該感知域控制器及其外接傳感器系統(tǒng)。

圖8 實驗的感知域控制器及傳感器系統(tǒng)

實驗步驟如下：

（1）感知域控制器的FPGA 邏輯接收校準設(shè)備的觸發(fā)事件后（時刻），將曝光指令通過I2C 接口發(fā)送至ISP；

（2）ISP 通過I2C 接口與解串器通信，并映射為串化器對CMOS 傳感器的控制，這段控制映射報文是通過POC 同軸線纜介質(zhì)以高速報文傳輸至圖像傳感器，曝光時刻為t，實驗的POC 同軸線纜長度為5 m，實驗方案中～t可以類比中心計算機的系統(tǒng)任務(wù)延遲；

（3）圖像傳感器感知LD 陣列的發(fā)光狀態(tài)，實測得到感知圖像計算～t時刻的延遲；

（4）使用示波器測量標(biāo)定FPGA 接收觸發(fā)脈沖事件時刻至CMOS 圖像傳感器接收I2C 曝光信號報文的時間t，作為校準設(shè)備有效性的對比實驗。

2.2 激光雷達與圖像傳感器時間校準實驗數(shù)據(jù)與分析

基于2.1 節(jié)所述測試系統(tǒng)，表1 為實驗測試5 次激光雷達觸發(fā)與圖像傳感器曝光延遲，并采用示波器測量該延遲，對比測量誤差最大為0.18 ms（第5次）。圖9 為FPGA 與ISP 通信并最終轉(zhuǎn)換成為圖像傳感器曝光的報文延遲波形。

表1 校準設(shè)備測試圖像傳感器系統(tǒng)延遲

圖9 圖像曝光控制鏈路報文與延遲

圖10為串化器與解串器I2C報文映射的傳輸延遲，其中POC 線纜長度5 m，實測該延遲約7.81 μs，串化器與解串器系統(tǒng)將通用的I2C 接口報文（100 kbps/400 kbps）轉(zhuǎn)化成為187.5 Mbps 高速報文，說明該延遲遠小于計算機接收激光雷達時間戳并觸發(fā)曝光信號的任務(wù)處理與報文轉(zhuǎn)換時間。

圖10 串化器與解串器的I2C映射控制報文延遲

2.3 延遲因子的優(yōu)化

本文采用激光雷達與圖像傳感器的時間校準，獲得系統(tǒng)中上述兩種傳感器數(shù)據(jù)的時間戳延遲因子，并利用該延遲因子對實際系統(tǒng)進行補償。但是采集數(shù)據(jù)的精度受限于LD發(fā)光陣列的時間分辨率。鑒于此，可以采集多組測試數(shù)據(jù)，并利用算法優(yōu)化延時因子。假設(shè)地情況，對測試結(jié)果在2.25～2.50 ms的次采樣結(jié)果進行分析，發(fā)生在2.25 ms時刻曝光次數(shù)為，發(fā)生在2.50 ms 時刻曝光次數(shù)為-，實現(xiàn)對該延遲因子線性加權(quán)優(yōu)化，得到

3 激光雷達與慣性測量單元的時間校準

3.1 激光雷達與組合導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步

在多傳感器融合的感知域系統(tǒng)中，IMU 一般是接入組合導(dǎo)航系統(tǒng)再間接地連接至中心計算機，組合導(dǎo)航控制系統(tǒng)將IMU 數(shù)據(jù)做時間標(biāo)記后，上傳至中心計算機。同時導(dǎo)航系統(tǒng)的時間信息是自動駕駛計算平臺的時間基準，平臺基于以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步。基于上述系統(tǒng)實現(xiàn)了激光雷達數(shù)據(jù)和IMU姿態(tài)信息的時間同步。系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 自動駕駛的激光雷達與組合導(dǎo)航系統(tǒng)

但是，上述系統(tǒng)的時間同步可能存在如下問題。一方面是組合導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)記IMU數(shù)據(jù)時間戳?xí)r存在誤差，即衛(wèi)星導(dǎo)航的時間與IMU 時間存在誤差。另一方面是激光雷達數(shù)據(jù)的時間戳與IMU 姿態(tài)信息標(biāo)記時間隨數(shù)據(jù)進入中心計算機系統(tǒng)，或因計算機系統(tǒng)的任務(wù)處理而產(chǎn)生時間抖動。

3.2 基于激光觸發(fā)事件的激光雷達與IMU 時間校準方法

本文中提出一種基于激光觸發(fā)事件的激光雷達與IMU 在線時間校準方法，其系統(tǒng)方案如圖12 所示，激光雷達安裝于轉(zhuǎn)臺滾轉(zhuǎn)軸系，與轉(zhuǎn)臺隨動，IMU 數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)臺滑環(huán)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)間接輸入至中心計算機。激光雷達觸發(fā)APD 校準設(shè)備，APD 脈沖事件采集調(diào)理電路部分與圖3 相同，滿足窗口門限的、有效的連續(xù)兩次APD脈沖事件（間隔55.296 μs）組成一個有效事件組（case），而兩次有效事件組（case）的時間間隔Δ正比于激光雷達轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速之差（以激光雷達旋轉(zhuǎn)方向為角速度正方向）。

圖12 激光雷達與IMU時間校準系統(tǒng)方案

基于上述系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)臺設(shè)定為振動模式（角位移范圍-35～35（°）/s，振動頻率1 Hz），中心計算機連續(xù)采集IMU數(shù)據(jù)并記錄。另外中心計算機采集到一次IMU的數(shù)據(jù)包（含軸角速度），其處理函數(shù)流程跟隨APD采集兩個脈沖事件組（case）的時間差值，該值與激光雷達-轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系兩者的轉(zhuǎn)速差相關(guān)。對比中心計算機記錄的IMU的數(shù)據(jù)曲線與采集的連續(xù)兩次事件組的差值Δ曲線。即可標(biāo)定該中心計算機激光雷達時間戳?xí)r刻與IMU姿態(tài)讀取時刻的時基誤差。

4 激光雷達與慣性測量單元的時間校準實驗與分析

4.1 激光雷達與慣性測量單元時間校準實驗系統(tǒng)

本文設(shè)計了一種基于FPGA 為計算核心的測試系統(tǒng)，驗證3.2 節(jié)實驗方法的可行性。該實驗系統(tǒng)如圖13 所示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集核心為FPGA，IMU 數(shù)據(jù)通過SPI 接口接入FPGA，同時FPGA 并行采集激光雷達的激光觸發(fā)APD 事件，并記錄連續(xù)兩次觸發(fā)的時間間隔。

圖13 激光雷達與IMU時間校準測試系統(tǒng)

實驗步驟如下。

（1）FPGA 連續(xù)采集IMU 的姿態(tài)信息，并提取軸角速度，得到基于FPGA時基的-曲線。

（2）FPGA 讀取IMU 姿態(tài)同時并行采樣APD 感知事件組（case）。對轉(zhuǎn)臺進行調(diào)零，使APD 感知激光雷達觸發(fā)時的轉(zhuǎn)臺角位移為0°，將激光雷達-轉(zhuǎn)臺組合系統(tǒng)第一次感知事件組的角位移標(biāo)定為0°，則該組合系統(tǒng)再次觸發(fā)感知事件組的角位移滿足式（3）。

式中：為激光雷達-轉(zhuǎn)臺相對APD 的角位移；為激光雷達工作的角速度；為振動模式下轉(zhuǎn)臺角位移幅值；為轉(zhuǎn)臺工作在振動模式下的振動頻率；為轉(zhuǎn)臺工作在振動模式下的周期；t為采樣到第次感知事件組的時刻。

采集到基于FPGA 觸發(fā)事件組時刻t，定義激光雷達旋轉(zhuǎn)方向為角位移正方向。

（3）角位移微分可以得到t時刻的激光雷達-轉(zhuǎn)臺瞬時角速度：

式中為激光雷達-轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)相對APD的角速度。

對比FPGA 時基下測得的IMU 角速度，即可計算與在FPGA時基下的延遲。

（4）采用轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)臺實時仿真計算機，標(biāo)定該IMU的慣性延遲，作為（1）～（3）的對比實驗。

4.2 激光雷達與慣性測量單元時間校準實驗

本實驗中轉(zhuǎn)臺的性能參數(shù)如表2 所示，轉(zhuǎn)臺工作在振動模式，其角位移范圍-35～35（°）/s 振動頻率為1 Hz，振動周期為1 s。激光雷達VLP-16 的掃描頻率為10 Hz，即=3600（°）/s。實驗的慣性測量單元為ADI公司的ADIS16365。

表2 TBL-TEK3301-A03三軸電動轉(zhuǎn)臺參數(shù)

將本實驗中的轉(zhuǎn)臺與激光雷達參數(shù)代入激光雷達-轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系相對于APD 的角位移公式，可以得到：

以FPGA 第1 次采集有效觸發(fā)事件（case）起標(biāo)記為0 時刻，有效觸發(fā)事件依次發(fā)生在激光相對APD 的π角位移處，并在FPGA 中記錄相應(yīng)的時刻t。

同時在FPGA 中讀取IMU 在各t時刻的角速度數(shù)據(jù)，根據(jù)式（7）可以計算得到IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)相對激光雷達-轉(zhuǎn)臺的時間延遲。

基于上述實驗方法測得IMU相對激光雷達的延遲時間見表3。

表3 本文實驗方法測得IMU相對激光雷達延遲

IMU 相對轉(zhuǎn)臺運動姿態(tài)的慣性延遲是通過轉(zhuǎn)臺和實時仿真計算機標(biāo)定和計量的，該系統(tǒng)如圖14 所示，其中實時仿真計算機（含實時驅(qū)動軟件）、轉(zhuǎn)臺控制機柜、轉(zhuǎn)臺驅(qū)動機柜中都包含反射內(nèi)存卡，并組成光纖環(huán)網(wǎng)，當(dāng)該系統(tǒng)進入仿真控制模式時，可校準轉(zhuǎn)臺運動姿態(tài)時基與仿真計算機的時基及驅(qū)動指令時間。

圖14 標(biāo)定IMU的半實物仿真平臺

在該系統(tǒng)平臺下，IMU 數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)臺接線端子、滑環(huán)、線纜傳輸至實時仿真計算機，測得IMU在實時仿真計算機時基下相對于轉(zhuǎn)臺運動姿態(tài)的時間延遲。

如圖15（a）為半實物仿真平臺標(biāo)定IMU 相對轉(zhuǎn)臺的時間延遲。其中轉(zhuǎn)臺內(nèi)框姿態(tài)是實時計算機時基下轉(zhuǎn)臺的運動姿態(tài)，慣組解算內(nèi)框數(shù)據(jù)是IMU 測得轉(zhuǎn)臺的運動姿態(tài)，上述兩者的相位差反映了IMU相對轉(zhuǎn)臺運動姿態(tài)的慣性延遲。該系統(tǒng)測得IMU相對轉(zhuǎn)臺的慣性延遲為20±3 ms。圖15（b）為該慣性延遲的相位差局部放大圖。

圖15 半實物仿真平臺標(biāo)定IMU相對轉(zhuǎn)臺時間延遲

5 結(jié)論

本文基于激光雷達傳感器的信號接收原理，以及圖像傳感器和IMU自身特性，設(shè)計了激光雷達、車載圖像傳感器、IMU 的校準系統(tǒng)及實驗方案。實驗證明該方法能夠有效校準上述傳感器數(shù)據(jù)接入中心計算機系統(tǒng)的時間延遲。其中激光雷達、車載圖像傳感器的時間延遲精度≤250 μs，其時間延時的主要影響因素在于中心計算機曝光指令的處理過程。針對激光雷達與IMU 的時間校準方案，測得時間延時誤差為20±5 ms，轉(zhuǎn)臺半實物仿真測試系統(tǒng)測得其時間延遲為20±3 ms。

本文設(shè)計的實驗方法利用了自動駕駛應(yīng)用中傳感器自身的感知特性，匹配部分外界場景，校準包括傳感器、車載感知計算平臺、數(shù)據(jù)采集計算軟件綜合的車載感知系統(tǒng)的時間延遲。滿足自動駕駛系統(tǒng)中運行狀態(tài)下的感知軟硬件時間校準需求，并可通過標(biāo)定的時間延遲因子參數(shù)對實際運行系統(tǒng)進行補償。