InfiniteSenseSDK

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InfiniteSenseSDK

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# InfiniteSenseSDK 
# 多传感器时间同步系统

## 通知 (News)

>1. 接线问题：[全功能同步板快速开始](./assets/全功能同步板快速开始.md)与[核心板快速开始](./assets/核心板快速开始.md)介绍了MID360与工业相机的接线。
>2. 很多小伙伴咨询同步精度，整体同步精度可以满足VIO，LO，VSLAM，LSLAM等绝大数多的算法应用，至于是否符合您的需求，需要您自己测试。
>3. 全功能板输出电源有效功率为15W，建议多(>3)工业相机用户可以采用外部供电方案。
>4. 我们正全力支持新一代同步板(V4)与[SDK2.0](https://github.com/InfiniteSenseLab/InfiniteSenseSDK2.0)的推出，主要方向包括：稳定的电源，精准协同的触发逻辑(特别加入LIVO方案支持，支持GPS)，更加易用的SDK2.0(兼容V3与MINI硬件) 。

## 简介 (Brief)
多传感器的时间同步是一个很重要的问题，尤其对多传感器融合系统。不正确的时间同步会导致数据融合错误，影响系统的性能。
对于大多数研究人员来说，这是一个很底层又复杂的问题，却不是他们的研究方向。
更多的精力应该放在设计传感器融合算法上，而不是在时间同步上。因此，我们设计了一个这样一个系统，让时间同步不再是一件难事。

## 如何开始 (Getting Started)

### 开始之前 (Before You Begin)
你依旧需要一些关于时间同步的基础知识，才能够更好的使用这个系统。
幸运的是，我们将必要的相关知识整理到了[这里](./assets/时间同步原理.md)。针对不同平台的用户提供基于ROS/ZMQ例程，也提供ARM/X86环境的支持。下表是我们支持的类型
>| 设备类型        | 品牌                          |同步方式 |
>|-------------|-----------------------------|--------|
>| 工业相机(网口)    | 海康/大华/大恒/京航/...             | PWM    |
>| 工业相机(USB)   | 海康/大华/大恒/京航/...             | PWM    |
>| 第三方IMU      | Xsense全系列/...               | PWM    |
>| 3D激光        | Mid360/Mid70/RoboSense系列/... | PPS   |
>| RTK/GPS     | 暂无                          | NMEA   |
>| 主机(ARM/X86) | Intel/AMD/Jetson/RockChip/... | PTP    |
### 硬件准备 (Hardware Setup)

准备**全功能时间同步板**或**时间同步核心板**，核心板尺寸较小适合无人机搭载，**全功能时间同步板**与树莓派尺寸相同，安装孔位对应(端子型号GH1.25)。连接好需要同步的传感器和电源。硬件接口的定义如下：

全功能时间同步板：

<img alt="full" src="./assets/img2.png"/>

时间同步核心板：

 <img alt="core" src="./assets/img3.png"/>

按照上图的定义，将传感器的同步信号连接到板子上的对应接口，然后连接电源。下面是一个同步线连接的参考示例：

### 烧入固件 (Firmware Flashing)
在firmware文件夹下，有mini_xx.uf2文件和full_xx.uf2文件，分别对应最小功能固件和全功能固件。其中full表示全功能，V3表示第三代同步板。

>| 固件类型                 | 功能            | 支持硬件版本 |
>|----------------------|---------------|----|
>| flash_board_tool.uf2 | 配置工具(IP,PORT,HZ...) | V3 |
>| full_xx.uf2          | 全功能同步板固件      | V3 |
>| mini_xx.uf2                | 核心同步板固件         | V3 |

将对应uf2文件下载，将板子连接通过Type-C连接到电脑上，按住板上的BOOT按键，再按一次RESET按键，最后松开BOOT按键，会弹出一个虚拟U盘。 将uf2文件拖到板子的U盘中，等待固件烧入完成。

你可以参考[全功能同步板快速开始](./assets/全功能同步板快速开始.md)与[核心板快速开始](./assets/核心板快速开始.md)进行快速使用。

### 运行程序 (Running the Program)

#### 权限设置 (Permissions)
将Type-C线连接到Linux系统上，检测到串口设备后，设置串口权限，使用如下命令：

```shell
sudo chmod 777 /dev/ttyACM0
```

#### ROS示例程序 (ROS Example)

如果相机设备是**海康**、**大恒**,**大华**等相机，无论是USB3.0接口或者网口接口，那么我们的SDK将自动检测相机数量然后读取图片信息并以ROS消息的格式发布出来。
如果是其他的相机系统，由于相机时间计算较为复杂，则需要参考高级功能中**自定义相机型号**，自行编写相机读取代码以及时间计算代码。

假设您的设备是**海康**、**大恒**,**大华**等相机，运行程序之前请接好设备并按如下操作运行程序。

克隆代码
```shell

git clone https://github.com/linyicheng1/Multi-Sensor-Time-Synchronisation-System.git

```

编译代码, 如果是**全功能**时间同步板
```shell

cd demo/udp_demo
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j8

```

如果是时间同步**核心板**
```shell
cd demo/uart_demo
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j8
```

运行代码，如果是**全功能**时间同步板
```shell
./udp_demo_ros_node
```

运行代码，如果是时间同步**核心板**
```shell
./uart_demo_ros_node
```

正常运行则可以通过`rostopic list`的方法得到传感器信息，进一步的可以通过`rostopic echo /imu_sync_board`查看IMU数据

#### ZMQ示例程序 (ZMQ Example)

与ROS程序相同，ZMQ示例程序提供了非ROS环境下数据发送方法。通过将图像消息与IMU消息进行序列化(ProtoBuf)后通过ZMQ发布。

```shell
cd demo/zmq_demo
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j8
```

运行代码，与ROS相同，用户可以根据同步板类型使用不同的同步模式

```shell
./zmq_demo_zmq_node
```

## 高级功能 (Advanced Features)

### 网口通信同步(Ethernet Communication Synchronization)
全功能时间同步板提供了一个百兆网口，能够更高效、更准确的进行时间同步。网口提供了更快的数据传输速度和更加稳定的通讯质量，在实现网口传输数据的同时，还额外加入精简版的[PTP对时协议](https://en.wikipedia.org/wiki/Precision_Time_Protocol)，从而实现了与主机时间同步，进而传感器数据采集时间与主机时间一致。如果要使用网口通信功能则需要按如下步骤进行。

### 参数配置 (Parameter Configuration)
全功能时间同步板出厂的默认IP地址为192.168.1.168端口号为8888。为了方便用户自定义组网。可通过以下方式配置同步板的IP地址与端口。
IP设置：
例如：设置网络IP号为192.168.1.168，使用Typc连接线连接同步板和电脑，安装任意版本的串口助手，串口助手发送以下数数据给同步板：
```
IP192.168.1.168\n
```
其中`\n`是回车换行符，转换成16进制为0D 0A, 有的串口调试助手发送时自带换行，有的不带需要自己手动添加。
端口设置：
例如：设置网络端口号为8888，串口助手发送以下数数据：
```
IO8888\n
```
时间同步核心板与全功能时间同步板都支持更改相机触发帧率。默认多相机之间与多相机与IMU的同步帧率为25HZ，自定义帧率可通过以下方式进行配置。目前最大同步帧率为400HZ。最大相机同步帧率与相机性能有关，过高的同步帧率会造成相机丢帧。日常使用中建议25HZ。
相机帧率设置：
例如：设置相机帧率为25HZ，串口助手发送以下数数据：
```
HZ25\n
```
上述所有设置后，需要重新上电重启，或者按下Reset按键等待系统重启。

PTP同步只有在全功能时间同步板中才会启用，启动方式使用UDP协议开启数据传输即可。在代码中可以按照以下方式打开：
```c++
 // 开启数据传输和PTP同步
 auto udp_manager = std::make_shared<UdpManager>("192.168.192.168", 8888);
 udp_manager->Start();
 // 关闭数据传输和PTP同步 
 udp_manager->Stop();
```
### 姿态解算 (Attitude Calculation)
时间同步板搭载了最新推出的[ICM42688P]([./assets/相机购买指南.md](https://invensense.tdk.com/products/motion-tracking/6-axis/icm-42688-p/))，为了方便非紧耦合算法的使用，我们提供基于6轴IMU的航姿解算功能。具体实现可以参考`demo/udp_demo`中的实现。
```c++
void PublishIMUData(const ros::Publisher& pub, const ImuData& imudata) {
 FusionVector gyroscope = {imudata.gx, imudata.gy, imudata.gz};
 FusionVector accelerometer = {imudata.ax, imudata.ay, imudata.az};
 FusionAhrsUpdateNoMagnetometer(&ahrs, gyroscope, accelerometer, 0.0025f);
 FusionQuaternion q = FusionAhrsGetQuaternion(&ahrs);

sensor_msgs::Imu imu_msg_data;
 ...
 imu_msg_data.orientation.w = q.array[0];
 imu_msg_data.orientation.x = q.array[1];
 imu_msg_data.orientation.y = q.array[2];
 imu_msg_data.orientation.z = q.array[3];
 pub.publish(imu_msg_data);
}
```

 <img alt="full" src="./assets/angle.png"/>

## 自定义相机型号 (Custom Camera Models)

如果使用的相机型号不是指定厂商的，那么需要自己进行一定的编程，如果需要我们协助支持，请私信或者提出相关的issue。在`demo/CustomisedCamera`文件夹下有一个示例代码，可以参考这个示例代码进行开发。
这里简单介绍一下开发步骤：

1. 新建头文件和源文件，例如 `customised_camera.h` 和 `customised_camera.cpp`。
2. 在头文件中定义一个类，例如`CustCamManger`，定义如下的接口函数

```c++
#pragma once
#include <vector>
#include <thread>

class CustCamManger {
public:
    static CustCamManger& GetInstance() {
        static CustCamManger instance;
        return instance;
    }
    CustCamManger(const CustCamManger&) = delete;
    CustCamManger& operator=(const CustCamManger&) = delete;

// 初始化相机函数
    bool Initialization();
    // 停止相机读取线程函数
    void Stop();
    // 开始相机读取线程函数
    void Start();
    // 启用相机函数
    void Enable() { is_running_ = true; }
    // 禁用相机函数
    void Disable() { is_running_ = false; }
    // 相机线程，读取相机数据
    void Receive(const std::string&) const;

private:

CustCamManger();
 ~CustCamManger();
 // 相机线程向量，一个相机一个线程读取
 std::vector<std::thread> cam_threads_;
 // 是否正在运行标志位
 bool is_running_{false};
};
```

3. 在源文件中实现这些函数，其中关键点在于实现如下几个关键部分：
   1. 初始化相机线程，一个相机一个线程
   2. 结束相机线程，关闭相机
   3. 相机读取线程函数，读取相机图像数据，曝光数据，计算时间戳，存入DataManger

如下是一个示例代码：
```c++
// 根据相机数量，构造对应数量的线程，读取相机
void CustCamManger::Start() {
    // 假设有两个相机
    const std::string cam1 = "cam1";
    const std::string cam2 = "cam2";
    cam_threads_.emplace_back(&CustCamManger::Receive, this, cam1);
    cam_threads_.emplace_back(&CustCamManger::Receive, this, cam2);
    Enable();
}

void CustCamManger::Stop() {
    // 1. 关闭相机线程
    Disable();
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds{500});
    for (auto &cam_thread : cam_threads_) {
        while (cam_thread.joinable()) {
            cam_thread.join();
        }
    }
    cam_threads_.clear();
    cam_threads_.shrink_to_fit();
    // 2. 关闭相机, 自定义相机关闭
}

// 相机读取线程函数
void CustCamManger::Receive(const std::string &name) const {
 ImgData img_data;
 while (is_running_) {
 // 1. 自定义相机获取图像数据
 // 2. 将图像数据存入img_data TODO
 // 3. 自定义相机获取曝光时间
 float expose_time_us = 0;
 // 4. 将曝光时间存入img_data t = t_trigger + t_expose / 2
 img_data.time_stamp_us = DataManger::GetInstance().GetLastTiggerTime() + static_cast<uint64_t>(expose_time_us / 2.);
 // 5. 设置相机名字
 img_data.camera_name = name;
 // 6. 将img_data存入DataManger
 DataManger::GetInstance().AddCamData(name, img_data);
 std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds{10});
 }
}
```
如果您手中没有相机，需要购买相机或者镜头，以及搭建自己的多相机模组，我们这里有恰好有一些建议：[这里](./assets/相机购买指南.md)。
如果您手中没有雷达，需要雷达，以及搭建自己的基于雷达的多传感器融合模组，我们这里建议选择支持PPS秒脉冲同步功能的雷达设备。

# 购买与咨询 (Purchasing & Consultation)

[【淘宝】Access denied MF3543 「多相机IMU同步板网口串口同步工业相机六轴姿态」
点击链接直接打开 或者 淘宝搜索直接打开](https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=832624497202)

[//]: # (![photo]&#40;./assets/img4.png&#41;)

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