AMRナビゲーション・スポットライト - タイミングとクロック同期

AMRにおけるタイミングとクロック同期の重要性

タイミングには考慮すべき2つの要素がある：

1. システム内のすべての時計を同期させる。
2. 各センサーが生成するデータパケットにタイムスタンプを適用する。

詳細は後述するが、OxTS GAD Interfaceは、この課題のタイムスタンプ要素から多くの労力を取り除くように設計されている。基本的には、センサーが各データパケットに付加するタイムスタンプを含む、センサーデータを設定することができる構築済みのインターフェースです。

その前に、クロック同期について見てみよう。この分野の多くのことと同様に、精度と複雑さには一般的な相関関係がある。同期をより正確にする必要があるほど、より複雑な作業が必要になる。

基本的な同期PPS

長所 セットアップが簡単。クロックドリフトを最小化

短所 PPSを使用可能な時間フォーマットに変換するための追加作業が必要。

パルス・パー・セコンドとは、1秒間の電気信号のことである。私たちのINSデバイスを含め、多くのデバイスがPPS信号を出力し、非常に正確です（デバイスによってはピコ秒単位まで）。

PPS信号をセンサーに送信することで、センサーは1秒の長さに合意することができます。

PPSの欠点は、実際には時間の尺度ではないということだ。PPS信号は、1秒が経過したことを（非常に正確に）ネットワークに伝えるだけであり、信号を受信したデバイスはすべて、経過した秒数の合計にそれを加算します。したがって、PPSを使用するには、AMRが初期化される際に、AMRに搭載されているすべてのクロックを同期させ、すべてのクロックが同じ時間を計測できるようにする必要があります（これはGNSS、インターネット、またはINSのようなデバイスを介して行うことができます）。その後、PPSが同期を維持します。

中間同期：NTP

長所 セットアップが比較的簡単で、AMR全体のクロック同期が優れている。

短所： PTPほど正確ではない、ネットワーク遅延が考慮されていない

ネットワークタイムプロトコルは、コンピュータネットワークがクロックを同期するために使用する方法です。ローカリゼーションプロセッサー（INSなど）がNTPサーバーとして動作し、AMRコントロールスタックのプロセッサーがNTPクライアントとして動作できれば、NTPで同期できるはずです。

この同期方法は実際のクロックデータを使って行われるため、PPSよりも汎用性が高い。

しかし、NTPはPTPよりも古い技術であるため、精度はそれほど高くない：NTPはミリ秒単位の時刻を表示しますが、PTPはマイクロ秒以下の精度を実現します。さらに、NTPは一方向同期です。つまり、ネットワーク上のクライアントはNTPサーバー（INSなど）と同期し、NTPサーバーは高精度の時刻ソース（通常はGNSS時刻）と同期します。PTPとは異なり、NTPはネットワーク遅延を測定に反映できないため、精度が低下します。

高度な同期：PTP/gPTP

長所 サブマイクロ秒の時間精度、高精度

短所： セットアップが最も難しい。

精密時間プロトコル同期は、時間同期のゴールドスタンダードです。最も正確なクロック同期方法であり、タイムスタンプを計算する際にネットワークの遅延を考慮することができます。PTPには、標準PTPと一般化PTP（gPTP）の2種類があります。gPTPはPTPを拡張したもので、より大規模なネットワークに対応し、ネットワークの問題により強くなっています。

この精度の代償は、これまで述べてきたように、セットアップの複雑さです。PTPを正しくセットアップするにはそれなりの手間がかかるし、gPTPを使う場合は、ネットワーク内のすべてのコンポーネントがgPTPをサポートしていることを確認する必要もある。

AMRの時刻同期にはこのような選択肢がある。しかし、レイテンシーの低いシンプルなネットワークでは、クロックを同期させないという選択肢もある。

到着時のタイムスタンプ

長所 セットアップが非常に簡単で、低遅延のシンプルなネットワークに適している。

短所： 純正同期ではないため、ネットワークトラフィックや遅延が精度に影響する可能性がある。

タイムスタンプは、プロセッサが各データパケットを正しい順序で処理できるように、データがいつ収集されたかを理解するために使用するものである。しかし、プロセッサがデータを受信したときに独自のタイムスタンプを適用するように指示してデータパケットを送信することもできる。例えば、OxTS システムでは、INSに到着した時点でタイムスタンプが付与されるようにローカリゼーションデータを設定することができます。

各デバイスのクロックを同期させる必要がないため、この方法は非常にシンプルで素早くセットアップできる。しかし、クロックを同期していないため、このタイムスタンプ方法はネットワークの遅延による干渉を受けやすい。

ネットワークのレイテンシを考慮することは可能ですが、それはレイテンシが一定である場合に限られます。ネットワークのトラフィックはAMRの動作によって変動する可能性が高いため、実際にはレイテンシが変動し、パフォーマンスに問題が生じる可能性が高い。そのため、到着時のタイムスタンプは、レイテンシが最小のシンプルなネットワークでのみ実用的です。到着時のタイムスタンプを使用していて、ロボットの動きがぎこちない場合は、より良い時刻同期の方法が必要であるというサインであることが多い。

OxTS 、タイミングはどうなっているのか？

INSデバイスはすべてPTPとgPTP同期をサポートしています。ほとんどのネットワークでは、INSがグランドマスタークロックとして使用されています。INSの内部クロックはほとんどのAMRアプリケーションで十分な精度を持ち、信号が利用可能な場合はGNSS経由でGPS時刻とも同期するからです。しかし、より正確なクロックがネットワークにあれば、INSをPTPスレーブにすることもできます。

当社のINSデバイスは、クロックの同期に使用できるPPS信号を発信することもできます。INSは測位にGNSSデータを使用するため、PPS同期を機能させるために不可欠な、ネットワーク内のすべてのクロックの初期タイムスタンプを取得することもできます。倉庫のようなGNSSが使えない場所で作業している場合は、INSの内部時間をPPS同期に使用し、外に移動してもすべてを同期させることもできます。

OxTS GADインターフェース

OxTS GADインターフェイスは、私たちの真のマジックです。上述したように、これはセンサーフュージョンインターフェイスで、ローカリゼーションデータがセンサーからINSにどのように送信されるかを設定することができます。GAD SDKを使用してアクセスするGADインターフェースでは、データに与えるタイムスタンプを設定することができます。

ネットワークのクロックを同期させれば、タイムスタンプをGPSタイム、UNIXタイム、TAIタイムなど、あなたのネットワークに合ったものに設定できる。

また、到着時のタイムスタンプには、void（受信時にINSのタイムスタンプを適用）とlatency（受信時にINSのタイムスタンプに定義されたレイテンシーを加えたものを適用）の2つの方法がある。

また、システム内で異なるタイムスタンプを同時に使用することも自由です。例えば、より単純なセンサーはボイドタイムスタンプを使用し、より複雑なセンサーはINSと同期してGPSタイムスタンプを使用することができます。GADインターフェイスの要点は、自律移動ロボットを構築する際に柔軟性を与えることです。

お時間をいただきありがとうございました。時間

このブログが、AMRのセンサーをどのように同期させるかを考える良いきっかけになれば幸いです。

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次回のブログは、ロボットとのインターフェイスです。