[Paper] A Low-Cost System for High-Rate, High-Accuracy Temporal Calibration for LIDARs and Cameras

1. 综述

Paper @ IEEE

本文展示了两种用于激光雷达和相机的低成本、高精度的时间校准装置,

  • 可以用于校准传感器测量到HOST CPU获得数据的时间offset
  • 提供了校准的误差上限
  • 可以用来研究时间误差对多传感器融合的影响

2. Lidar 校准

Lidar 激光雷达校准示意图如上,使用一个光电传感器来检测激光,用树莓派中断方式检测光电传感器,此时刻作为激光的测量时刻t0,通过tcp发送给host PC, 同时host PC获得激光雷达的数据时刻为t2。 host PC与树莓派通过PTP协议同步时间(PTP可以精确到200ns),从而整个系统的时间基准为树莓派的系统时间。故offset = t2-t1

细节处理:

  1. 激光是周期性扫描,所以t1和t2需要对齐同一时刻的激光,否则会有N个周期的差。本文采取的做法是 1. 遮挡几次来对齐 2. 对这个offset有先验的估计,其大小有估计范围

2. Camera 校准

Camera 相机校准依然使用PTP精确同步树莓派和host PC的时间,使用树莓派控制一个LED列(10个),两端LED长亮用来定位,剩下的中间8个LED对应一个6位的计数器CNT,高4个LED对应CNT的高4位,低4个LED对应CNT低2位的数字(CNT的低2位表示4个数,如此保证低4位只有一个LED亮),使用外部电路来驱动CNT周期的自增(溢出归零),同时每次溢出时会触发树莓派中断然后树莓派发送当前时刻到host PC。校准时候,相机连续曝光获得图像,通过图像的LED状态以及树莓派的零点时间可以获得相机的曝光时刻t1, host PC可以记录获得图像的时刻t2, 从而offset = t2-t1

细节处理:

  1. 计数器自增周期应该不小于相机的曝光周期,否则会出现一次曝光中LED多次切换状态
  2. 相机曝光为一段时间(ms级别),仍然可能刚好遇到LED切换状态(低4个LED同时2个点亮),此时取这两个时刻的平均。

3. 评价

Pros

  1. 两样装置共享了大部分设置,成本较低(对于没有硬件触发的设备依然可用)但提供了ms级别的精度
  2. 提供了误差上限

Cons

  1. 装置均为对应传感器的,不具有通用性,且激光雷达的校准需要光电传感器对准打出的激光,这一点不具有很好的操作性
  2. 时间上的校准对于多传感器的融合很重要,特别为高速测量设备,但这里主要的误差是数据的传输延迟,数据的传输延迟往往不是固定的,相机多接一级的hub或者雷达的网线多走一格router或者网络的负载不同,都会影响传输,虽然不是本文的缺陷,但是本文陈述的校准方式对于经常变动的系统依然不够方便