Willkommen zum dritten Blog unserer AMR-Navigations-Spotlight-Serie, in der wir uns auf die technischen Überlegungen rund um Timing und Taktsynchronisation konzentrieren werden. Klicken Sie hier, um den vorherigen Blog dieser Serie zu lesen, in dem es um Auswahl und Platzierung von Sensoren.
Sie haben also die Sensoren ausgewählt, die Sie an Ihrem autonomen mobilen Roboter anbringen wollen, um sicherzustellen, dass er in einer Vielzahl von Umgebungen zu navigieren. Sie haben sich auch Gedanken über die Anbringung dieser Sensoren und die Auswahl von Sensoren für andere Funktionen wie die Objekterkennung gemacht.
Jetzt ist es an der Zeit, über... nun ja, Zeit nachzudenken. Insbesondere muss sichergestellt werden, dass jedes Datenpaket, das Sie von Ihren Sensoren an Ihre Prozessoren senden, mit einer genauen Zeitmessung in einem Format versehen ist, das das System verwenden kann. Wenn Ihre Zeitmessungen nicht genau sind, werden die Prozessoren, die diese Daten verwenden, wahrscheinlich Fehler machen.
Hier ein Beispiel: Wenn Sie eine Positionsmessung auf Zentimeter-Ebene an einem Fahrzeug vornehmen, das mit 10m/s (oder 22 mph) fährt, kann eine Abweichung der Uhren von nur 0,1 Sekunden zu einem Positionsfehler von 1m für das INS führen.
In diesem Blog werden wir die Schlüsselelemente des Timings und der Taktsynchronisation sowie die Methoden, die Sie für beides verwenden können, besprechen. Wir gehen auch auf den Ansatz ein, den wir bei OxTS für das Timing verfolgen. Beachten Sie, dass wir uns hier auf die Verwendung von Daten für die AMR-Lokalisierung konzentrieren. Obwohl einige der Konzepte auch für Daten gelten können, die für Wahrnehmungssysteme verwendet werden (und Sensoren Daten sowohl für die Lokalisierung als auch für die Wahrnehmung übermitteln), können wir nicht garantieren, dass unsere Ratschläge für Wahrnehmungssysteme gelten.
Die Bedeutung von Timing und Taktsynchronisation bei AMRs
Bei der Zeitplanung müssen Sie zwei Elemente berücksichtigen:
- Alle Uhren in Ihrem System müssen synchronisiert werden.
- Anbringen eines Zeitstempels auf den Datenpaketen, die jeder Sensor erzeugt.
Wie wir weiter unten noch näher erläutern werden, ist die OxTS GAD-Schnittstelle so konzipiert, dass sie einen Großteil des Aufwands für das Zeitstempel-Element der Herausforderung abnimmt. Im Wesentlichen handelt es sich um eine vorgefertigte Schnittstelle, über die Sie Ihre Sensordaten konfigurieren können - einschließlich des Zeitstempels, den Ihr Sensor an jedes Datenpaket anhängt.
Doch zunächst ein Blick auf die Uhrensynchronisation. Wie bei so vielen Dingen in diesem Bereich gibt es eine allgemeine Korrelation zwischen Genauigkeit und Komplexität: Je genauer die Synchronisierung sein muss, desto komplexer ist die Arbeit, die Sie leisten müssen.
Basissynchronisation: PPS
Vorteile: Einfach einzurichten, minimiert Taktdrift
Nachteile: Zusätzlicher Aufwand für die Umwandlung von PPS in ein brauchbares Zeitformat
Puls pro Sekunde ist ein elektrisches Signal, das - Sie haben es erraten - eine Sekunde lang anhält. Viele Geräte geben ein PPS-Signal aus, auch unsere INS-Geräte, und sie sind sehr genau (je nach Gerät bis auf eine Pikosekunde genau).
Die Übertragung eines PPS-Signals an Ihre Sensoren ermöglicht es, dass sich alle Sensoren über die Dauer einer Sekunde einig sind; aus diesem Grund eignet sich PPS hervorragend zur Verringerung der Taktdrift.
Der Nachteil von PPS ist, dass es sich nicht um eine Zeitmessung handelt. Das PPS-Signal teilt Ihrem Netzwerk lediglich mit, dass eine Sekunde vergangen ist (sehr genau), und die Geräte, die das Signal empfangen, addieren dies zu ihrer Gesamtzahl der verstrichenen Sekunden. Um PPS nutzen zu können, müssen Sie daher auch alle Uhren an Bord Ihres AMR bei der Initialisierung synchronisieren, damit sie alle dieselbe Zeitmessung liefern (Sie können dies über GNSS, das Internet oder über ein Gerät wie ein INS tun). Danach werden sie von PPS synchron gehalten.
Zwischensynchronisation: NTP
Vorteile: Relativ einfach einzurichten, bessere Taktsynchronisation über den AMR
Nachteile: Nicht so präzise wie PTP, Netzwerklatenz wird nicht berücksichtigt
Das Network Time Protocol ist eine Methode, mit der Computernetzwerke ihre Uhren synchronisieren. Solange Ihr Lokalisierungsprozessor (z. B. ein INS) als NTP-Server und der Prozessor in Ihrem AMR-Kontrollstapel als NTP-Client fungieren kann, sollten Sie in der Lage sein, über NTP zu synchronisieren.
Da diese Methode der Synchronisierung mit tatsächlichen Taktdaten erfolgt, ist sie vielseitiger als PPS.
NTP ist jedoch eine ältere Technologie als PTP und als solche nicht ganz so präzise: NTP gibt die Zeit auf die Millisekunde genau an, während PTP eine Genauigkeit im Submikrosekundenbereich erreichen kann. Außerdem ist NTP eine Einweg-Synchronisation, d. h., die Clients im Netzwerk synchronisieren sich mit einem NTP-Server (wie unserem INS), der sich wiederum mit einer hochgenauen Zeitquelle (in der Regel GNSS-Zeit) synchronisiert. Im Gegensatz zu PTP bedeutet dies, dass NTP keine Netzwerklatenz in seine Messungen einbeziehen kann, was seine Genauigkeit verringert.
Erweiterte Synchronisierung: PTP/gPTP
Vorteile: Zeitpräzision im Sub-Mikrosekundenbereich, hochgenau
Nachteile: Am schwierigsten einzurichten, gPTP hat strengere Hardware-Anforderungen
Die Synchronisierung mit dem Präzisionszeitprotokoll ist der Goldstandard der Zeitsynchronisierung. Es ist die genaueste Methode zur Synchronisierung von Uhren und kann bei der Berechnung von Zeitstempeln die Netzwerklatenz berücksichtigen. Es gibt zwei Varianten von PTP: Standard-PTP und generalisiertes PTP (gPTP). gPTP ist eine Erweiterung von PTP, die besser mit größeren Netzwerken umgehen kann und widerstandsfähiger gegen Netzwerkprobleme ist.
Der Preis für diese Genauigkeit ist, wie wir bereits gesagt haben, die Komplexität der Einrichtung. PTP ist nicht ganz einfach einzurichten, und wenn Sie gPTP verwenden, müssen Sie auch sicherstellen, dass alle Komponenten in Ihrem Netzwerk gPTP unterstützen.
Das sind also Ihre Optionen für die Zeitsynchronisation in Ihrem AMR. Für einfache Netze mit geringer Latenz gibt es aber noch eine weitere Möglichkeit: Sie können Ihre Uhren überhaupt nicht synchronisieren.
Zeitstempel bei Ankunft
Vorteile: Sehr einfach einzurichten, gut geeignet für einfache Netzwerke mit geringer Latenzzeit
Nachteile: Keine echte Synchronisierung, Netzwerkverkehr und Latenz können die Genauigkeit beeinträchtigen
Wir haben bereits erwähnt, dass die Zeitstempelung das andere Teil des Timing-Puzzles ist - der Zeitstempel ist das, was der Prozessor verwenden wird, um zu verstehen, wann die Daten gesammelt wurden, damit er jedes Datenpaket in der richtigen Reihenfolge verarbeiten kann. Sie können jedoch ein Datenpaket mit der Anweisung senden, dass der Prozessor seinen eigenen Zeitstempel anbringen soll, wenn er die Daten empfängt. In einem System OxTS können Sie zum Beispiel die Lokalisierungsdaten so konfigurieren, dass sie beim Eintreffen im INS mit einem Zeitstempel versehen werden.
Da Sie die Uhren nicht in jedem Gerät synchronisieren müssen, ist diese Methode sehr einfach und schnell einzurichten. Da Sie Ihre Uhren nicht synchronisieren, ist diese Methode der Zeitstempelung jedoch anfällig für Störungen durch Netzwerklatenz.
Es ist möglich, die Latenz in Ihrem Netzwerk zu berücksichtigen - aber nur, wenn diese Latenz konsistent ist. Da der Datenverkehr in Ihrem Netz wahrscheinlich schwankt, je nachdem, was Ihr AMR tut, wird Ihre Latenz in der Praxis wahrscheinlich schwanken, was zu Leistungsproblemen führt. Aus diesem Grund ist die Zeitstempelung bei der Ankunft nur in einfachen Netzwerken mit minimaler Latenz wirklich sinnvoll. Wenn Sie die Zeitstempelung bei der Ankunft verwenden und Ihr Roboter sich ruckartig bewegt, ist das oft ein Zeichen dafür, dass Sie eine bessere Methode der Zeitsynchronisierung benötigen.
Wie OxTS die Zeitmessung vornimmt
Alle unsere INS-Geräte unterstützen PTP- und gPTP-Synchronisierung. In den meisten Netzwerken wird das INS als Grandmaster-Uhr verwendet, da seine interne Uhr für die meisten AMR-Anwendungen genau genug ist und auch über GNSS mit der GPS-Zeit synchronisiert wird, wenn ein Signal verfügbar ist. Unser INS kann jedoch auch als PTP-Slave fungieren, wenn Sie eine genauere Uhr in Ihrem Netzwerk haben.
Unsere INS-Geräte können auch ein PPS-Signal aussenden, das Sie zur Synchronisierung Ihrer Uhren verwenden können. Da ein INS GNSS-Daten für die Positionierung verwendet, kann es Ihnen auch den ursprünglichen Zeitstempel für alle Uhren in Ihrem Netzwerk liefern, der für die PPS-Synchronisierung unerlässlich ist. Sie können sogar die interne Zeit des INS für die PPS-Synchronisation verwenden, wenn Sie in einem Bereich ohne GNSS arbeiten, z. B. in einem Lagerhaus, und alles synchron halten, wenn Sie sich nach draußen begeben.
Die OxTS GAD-Schnittstelle
Die wahre Magie unserer Arbeit liegt in der OxTS GAD-Schnittstelle. Wie bereits erwähnt, handelt es sich dabei um eine vorgefertigte Schnittstelle für die Sensorfusion, mit der Sie konfigurieren können, wie Lokalisierungsdaten von Ihren Sensoren an unser INS gesendet werden - einschließlich Zeitdaten. Über die GAD-Schnittstelle, auf die mit dem GAD SDK zugegriffen wird, können Sie festlegen, welchen Zeitstempel Sie Ihren Daten geben.
Wenn Sie die Uhren in Ihrem Netzwerk synchronisiert haben, können Sie Ihre Zeitstempel in GPS-Zeit, UNIX oder TAI konfigurieren - je nachdem, was in Ihrem Netzwerk funktioniert.
Außerdem gibt es zwei Methoden für die Zeitstempelung bei der Ankunft: void (hier wird der Zeitstempel des INS auf die Daten beim Empfang angewendet) und latency (hier wird der Zeitstempel des INS plus eine definierte Latenzzeit auf die Daten beim Empfang angewendet).
Es steht Ihnen auch frei, in Ihrem System gleichzeitig verschiedene Zeitstempel zu verwenden. So könnten Sie beispielsweise einige einfachere Sensoren mit dem ungültigen Zeitstempel arbeiten lassen, während komplexere Sensoren mit dem INS synchronisiert sind und den GPS-Zeitstempel verwenden. Der Sinn der GAD-Schnittstelle besteht darin, Ihnen beim Bau Ihres autonomen mobilen Roboters Flexibilität zu bieten.
Autonome Roboternavigation - Kurzbeschreibung
AMRs benötigen eine robuste Lösung zur Lokalisierung von Robotern; ein Werkzeug, das nicht nur die Position und Orientierung des Roboters erfasst, sondern auch in Innenräumen und im Freien funktioniert.
In dieser Lösungsübersicht gehen wir auf die Aspekte ein, die wir unseren Kunden empfehlen, wenn sie sich für eine Lokalisierungsquelle für ihre autonomen mobilen Roboter entscheiden.
Lesen Sie die Lösungsbeschreibung um zu erfahren, wie die richtige Roboterlokalisierungslösung Ihr AMR-Projekt unterstützen kann, einschließlich der wichtigsten Fragen, die Sie sich stellen müssen, bevor Sie ein Projekt in Angriff nehmen.
Vielen Dank für Ihre tür Ihre Zeit
Wir hoffen, dass dieser Blog Ihnen einen guten Ausgangspunkt für Ihre Überlegungen zur Synchronisierung der Sensoren auf Ihrem AMR gegeben hat.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, was wir derzeit für AMR-Ingenieure tun können, besuchen Sie unsere Bewerbungsseite.
Wenn Sie ein bestimmtes Projekt haben, über das Sie mit uns sprechen möchten, können Sie sich auch über das unten stehende Formular mit uns in Verbindung setzen. Wir sind immer bereit zu helfen.
Halten Sie Ausschau nach dem nächsten Blog in unserer Serie: Schnittstelle zum Roboter.
