一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步系统及方法

摘要

本发明一种大规模R‑LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步系统及方法，通过同步光的方式将传感器网络中的各个节点之间的时钟统一起来，采用多个基准节点的方式，在上位机中进行节点时钟统一和角度计算。从而提高整个系统的测量精度，去除基准基站对系统测量范围的限制。确保了传感器网络节点之间的等价性，提高了系统拓展能力，并且不影响系统的布站方式。通过统一的同步光信号，使R‑LATs系统传感器网络中各个传感器节点之间的信息可以进行交互，避免了基准基站和发射极信号之间的相互干扰，因此可以增加基准节点。通过增加基准节点的数和改变同步光光带的布置可以有效的解决基准基站对R‑LATs系统布站方式及测量范围的限制。

说明书

技术领域

本发明属于大尺寸空间测量领域，涉及大规模旋转激光经纬仪测量网络(R-LATs)组网测量，具体为一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步系统及方法。

背景技术

旋转激光经纬仪网络(R-LATs)是大尺寸空间测量的一种重要方法，原理上通过合理的布站，可以实现任意尺寸的测量空间扩展，并且具备不限数量的并行测量能力。其测量精度能够保持在±0.2mm，目前广泛的应用于飞机制造、船舶制造、大型天线制造等航空航天与军事领域。

如附图1所示，在常规的R-LATs工作中，每一台旋转激光经纬仪发出两个具有夹角的扇形平面光，并按照指定速度匀速回转，同时，在每一回转角度的零点由平面光触发基准基站使其发出一个覆盖全空间的脉冲光。如此，这三个光平面扫过空间中的一个光电传感器P，使之得到三个时间触发信号。这时，基于这三个时间信号和旋转激光经纬仪的转速，可以确定出空间内的唯一一条射线L，其通过旋转激光经纬仪激光面发射中心点O和光电传感器P。如此，当有两台以上旋转激光经纬仪时，它们的空间直线L在空间交汇于一点，即为传感器P的空间位置点。因此，在旋转激光经纬仪的空间相对位置确定后，即可实现大尺寸空间内光电传感器的坐标测量。

为满足大空间范围的测量，R-LATs系统中的激光旋转经纬仪数量会非常的多，远超过一般单元组成的4～8台，甚至可能达到上百台，传感器网络中节点的数量也将大幅增加。每个传感器节点接受各台旋转激光经纬仪发出的三个脉冲信号并进行识别，从而保证R-LATs测量场中光电传感器坐标的计算。然而，当存在大量旋转激光经纬仪时，面对测量对象移动任务，如AGV导航等，光电传感器需要有效的甄别全测量场内各台发射机的平面光信号和基准信号，但传感器节点接收的平面光信号和基准信号发生重叠的几率大大增加，且系统的测量范围将受到基准基站的限制。这将造成光电传感器节点无法正确甄别各台发射机的平面光信号和基准信号，测量范围由于基准基站的限制将极度减小，直接造成R-LATs系统测量效率低下，测量范围受限，粗大误差增多，成为R-LATs测量网络应用的一个瓶颈。

发明内容

针对在大规模旋转激光经纬仪布站组网工况中，传感器节点接收的平面光信号和基准信号极易发生重叠，从而产生粗大误差，且基准基站需接受到每一台旋转激光经纬仪发出平面光信号，致使系统布站进一步受限并导致测量范围减小的问题。本发明一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步系统及方法，采用去除基准基站触发基准信号的思想，通过同步传感器网络时钟的光同步，去除基准基站对系统测量范围的限制，使传感器节点相互之间的信息可以交互。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步方法，包括如下步骤，

步骤1，在测量空间内持续发射同步光信号，所述的同步光信号由标准的带有编码信息的脉冲控制，并按设定时序闪烁；

步骤2，传感器网络中的每一节点接收到同步光信号和大规模R-LATs测量系统中旋转激光经纬仪的平面光信号后分别进行识别提取，并上传至上位机；

步骤3，上位机测量软件对同步光信号进行译码，使传感器网络中所有节点接收到的同步光信号时刻对应起来，并将相邻的两个同步光信号之间接收到的平面光信号的时刻换算到同步光信号的时钟周期下，完成对R-LATs系统传感器网络时钟的同步校正；

步骤4，对已经同步校正后的平面光信号进行分析处理，将校正后的至少一个传感器作为基准节点，计算得到被测节点的位置信息。

优选的，步骤1中，在测量空间内持续发射同步光信号，能够覆盖传感器网络中的每个节点。

优选的，步骤2中，传感器网络中节点的识别包括信号类型、发出平面光的旋转激光经纬仪ID和平面光的类型。

优选的，步骤3中，传感器网络中的每个节点的时钟作为一个时间轴，接收到的同步光信号相当于刻度，将每个节点的同步光信号的刻度在时间轴上对应起来，把相邻的两个同步信号之间接收到的平面光信号的时刻换算到同步光时钟周期下对应在同一时间轴上，完成对R-LATs系统传感器网络时钟的校正。

优选的，步骤4中，选择其中一个基准节点，为每一台旋转激光经纬仪提供每转一圈起始位置的零位信号，完成对大规模R-LATs测量系统中旋转激光经纬仪的转角计算。

优选的，基准节点的位置在系统标定完成后固定，通过判断基准与基准之间信号的关系判断传感器网络中基准节点位置有无变化，从而判断系统测量是否可靠。

一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步系统，包括用于持续发射同步光信号的同步光系统，用于通过测量传感器接收平面光信号和同步光信号的处理单元和用于数据处理及计算的上位机；

所述的同步光系统包括，

FPGA模块，用于产生标准的带有编码信息的脉冲控制信号；

LED驱动电路，用于更加脉冲控制信号产生驱动信号；

LED同步灯带，用于根据驱动信号发出设定时序的闪烁，持续发射同步光信号。

优选的，在测量空间内布置多条同步光带，用于传感器网络中的每个节点都能收到同步光信号。

优选的，LED驱动电路包括依次连接的MOS管驱动电路和MOS管开关电路。

与现有技术对比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步方法，通过同步光的方式将传感器网络中的各个节点之间的时钟统一起来，采用多个基准节点的方式，在上位机中进行节点时钟统一和角度计算。从而提高整个系统的测量精度，去除基准基站对系统测量范围的限制。确保了传感器网络节点之间的等价性，提高了系统的拓展能力，并且不影响系统的布站方式。通过统一的同步光信号，使R-LATs系统传感器网络中各个传感器节点之间的信息可以进行交互，因此可以增加基准节点，避免了基准信号与平面光信号之间的相互干扰。为保证系统的测量精度，基准节点的位置在系统标定完成后不能发生变化，通过增加基准节点的数和改变同步光光带的布置可以有效的解决基准基站对R-LATs系统布站方式及测量范围的限制。

进一步的，多个基准节点的优点在于可以通过判断基准与基准之间信号的关系判断传感器网络中基准节点位置有无变化，从而判断系统测量是否可靠，从而提高系统的测量可靠性。

附图说明

图1为现有R-LATs测量系统工作示意图。

图2为本发明网络时钟同步方法下的R-LATs测量系统工作示意图。

图3为本发明网络时钟同步系统的结构原理框图。

具体实施方式

本发明为一种大规模R-LATs测量系统的光电传感器网络时钟同步方法，同时包括同步光信号触发和R-LATs系统的上位机总控软件及下位机传感器网络节点处理设计，如图2和图3所示，具体内容如下。

时钟同步技术原理及概述：

这里的时钟同步概念与Internet不同，不是在发送者和接受者间进行时钟同步，而是传感器网络节点必须在一定偏差下保持相同的时间。本系统硬件的主频决定了传感器网络节点的时钟分辨率为6.6ns，其分辨率较高且系统覆盖的测量空间较大。由于光的传播速度很快且易于传感器网络的触发与接收，因此采用光作为时钟同步媒质。因此，该技术称为同步光技术。

同步光技术实施的核心是将网络中每个处理器的时钟统一到同步光的时钟下。造成时钟不统一的主要原因有两个：一是各个时钟起点不能保证完全一致，二是各个时钟的晶振频率不一致。

R-LATs传感器网络中每个节点的数据处理采用FPGA+ARM双核处理器，每个处理器中的时钟源相互独立，传感器节点之间数据相互独立。同步光为经过编码按特定时序闪烁的光脉冲信号，特定时序能够便于接收后的译码，降低了运算量；R-LATs传感器网络各个传感器节点接收同步光信号和旋转激光经纬仪发出的平面光信号，传感器节点对信号预处理过后经过无线模块发送至上位机，上位机测量软件主程序进行对同步光信号进行译码，上位机测量软件将传感器网络中各个节点译码后的同步光信号一一对应，进而将传感器网络中各个节点的时钟统一起来，使节点与节点之间数据可交互使用。

在R-LATs工作中：测量软件中首先将传感器网络节点时钟同步；然后，选择传感器网络中的一个节点作为整个系统的基准节点，为每一台旋转激光经纬仪提供每转一圈起始位置的零位信号。转速不同的旋转激光经纬仪分别扫过网络中的基准节点和被测节点，每一台旋转激光经纬仪扫过同一被测节点时，由被测节点与基准节点的时序关系可以确定出空间内的唯一一条射线L，其通过旋转激光经纬仪激光面发射中心点O和传感器网络被测节点P。如此，当有两台以上旋转激光经纬仪时，它们的空间直线L在空间交汇于一点，即为被测节点P的空间位置点。由于传感器网络中各个节点之间经过时钟同步后各个节点在网络中的地位是等价的，可以相互替换，因此基准节点可以用多个。为保证系统的测量精度，基准节点的位置在系统标定完成后不能发生变化，多个基准节点的优点在于可以通过判断基准与基准之间信号的关系判断传感器网络中基准节点位置有无变化，从而判断系统测量是否可靠。此外增加基准节点可以有效的解决系统由于单一基准对系统测量范围的限制。

网络时钟同步过程：

(1)同步光信号由FPGA触发的标准的带有编码信息的脉冲控制，由LED组成的同步光带按特定时序闪烁。为使传感器网络中的每个节点都能收到同步光信号，在测量空间内布置多条同步光带，光带的形状根据环境的不同进行设置。

(2)R-LATs传感器网络中的每一节点接收到带有编码信息的同步光信号和旋转激光经纬仪发出的平面光信号，将所有信号经过预处理后，通过无线模块传至上位机。

(3)上位机对同步光信号进行译码，使传感器网络中所有节点接收到的同步光信号时刻对应起来。传感器网络中的每个节点的时钟相当于一个时间轴，而它们接收到的同步光信号相当于刻度，将每个节点的同步光信号对应起来，把相邻的两个同步信号之间接收到的平面光信号的时刻换算到同步光时钟周期下完成对R-LATs系统传感器网络时钟的校正。

(4)对已经校正后的信号进行分析处理，计算R-LATs系统所需的角度信息。

本优选实例中，以图2所示的测量场景为例。

本优选实例中R-LATs系统主要分为四大部分：旋转激光经纬仪、同步光发射节点、传感器接收节点和上位机测量软件。

系统正常工作时，接收传感器网络中各个节点分别接收旋转激光经纬仪发出的平面光信号和同步光发射节点发出的同步光信号：平面光信号由不同转速下高速旋转的旋转激光经纬仪发出；同步光信号由FPGA触发的带有编码信息的脉冲控制同步光光带发出。

传感器网络中各个节点接收到两种信号后在各自的处理器中进行识别提取，识别提取包括信号类型(平面光或同步光)、发出平面光的旋转激光经纬仪ID、平面光的类型(一台旋转激光经纬仪发出两个平面光：平面p、平面q)。数据识别完毕后对数据进行预处理，将数据处理为在上位机中可以用于直接计算的数据后，通过无线模块传输至上位机。

上位机测量软件接收到传感器网络中各个节点的数据后，首先对同步光信号进行译码，使各个传感器节点的同步光信号对应起来，把相邻的两个同步信号之间接收到的平面光信号的时刻换算到同步光时钟周期下完成对R-LATs系统传感器网络时钟的校正。校正后利用多个基准节点计算被测节点的位置信息，提高系统的稳定性和系统的拓展能力。

R-LATs传感器网络经过时钟同步后，网络中各个节点间的信息可以交互，采用多个基准节点的方式，提高了系统的稳定性和定向精度，同时也去除了基准基站对整个系统测量范围以及布站方式的限制。