CN111443756B - 一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法及*** - Google Patents

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CN111443756B CN202010244967.XA CN202010244967A CN111443756B CN 111443756 B CN111443756 B CN 111443756B CN 202010244967 A CN202010244967 A CN 202010244967A CN 111443756 B CN111443756 B CN 111443756B
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Abstract

本发明公开了一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法及***，包括，振荡信号模块分别与计算机和设备相连接；振荡信号模块输出振荡信号触发设备，同时发送通信包告知计算机设备被触发；设备通过其内部时钟记录被触发的时间戳
Figure DDA0002433750510000011
计算机通过其内部时钟记录通信包到达的时间戳
Figure DDA0002433750510000012
将测得的时间戳
Figure DDA0002433750510000013
和
Figure DDA0002433750510000014
进行线性回归，得到其线性关系；根据线性关系计算新的时间戳
Figure DDA0002433750510000015
对应的计算机时钟的时间戳
Figure DDA0002433750510000016
和新的时间戳
Figure DDA0002433750510000017
对应的设备时钟的时间戳
Figure DDA0002433750510000018
本发明的有益效果：提供了能够将带硬件触发的测试设备的内部时钟与传感器的上位计算机的内部时钟相互换算的时钟驯服方法和***，从而评价传感器在运动中的测距精度和误差。

Description

一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法及***
技术领域
本发明涉及传感器测试的技术领域，尤其涉及一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法及***。
背景技术
近年来，传感器作为重要的测量工具被广泛应用于各个领域，在传感器的使用时，对传感器进行测试是十分重要的步骤，而在传感器测试领域，特别是诸如双目相机等测距传感器的测试，往往需要对其在运动中的测距性能进行评估，以确定传感器在运动中的测距精度和误差。目标物的位置实现通过测距设备测得；开始试验时，传感器开始运动并开始对目标物进行实时测距，测距设备实时跟踪传感器的位置，即可获得传感器与目标物的实时真值距离。为了评估传感器的实时测距精度，需要将传感器的实时测距结果与其对应时间的与目标物的距离真值进行比较。
传感器的测距软件与算法往往在与之相连的上位计算机上运行,而诸如激光跟踪仪等动态测距设备虽然能提供高频率、高精度的实时测距结果，有的设备也提供硬件触发功能，但不具有时钟同步功能，其内部时钟往往以自身开机时间开始计算。因此为了评价传感器在运动中的测距精度和误差，需要一种能将带硬件触发的测距设备的内部时钟与传感器的上位计算机的内部时钟相互换算的时钟驯服方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的一个技术问题是：提供一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法，能够获得计算机时钟与带硬件触发功能设备的时钟所示时间的关系，从而解决计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法，包括，振荡信号模块分别与计算机和设备相连接；振荡信号模块输出振荡信号触发设备，同时发送通信包告知计算机设备被触发；设备通过其内部时钟记录被触发的时间戳
Figure BDA0002433750490000021
计算机通过其内部时钟记录通信包到达的时间戳
Figure BDA0002433750490000022
将测得的时间戳
Figure BDA0002433750490000023
和
Figure BDA0002433750490000024
进行线性回归，得到其线性关系；根据线性关系计算新的时间戳
Figure BDA0002433750490000025
对应的计算机时钟的时间戳
Figure BDA0002433750490000026
和新的时间戳
Figure BDA0002433750490000027
对应的设备时钟的时间戳
Figure BDA0002433750490000028
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：所述振荡信号模块通过通信端口与计算机相连接；通过信号输入输出端与设备相连接。
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：所述设备将其第i个被触发的时间戳记为
Figure BDA0002433750490000029
共计N个点；所述计算机将第i个通信包到达的时间戳记为
Figure BDA00024337504900000210
共计N个点，N至少为2。
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：所述时间戳
Figure BDA00024337504900000211
和
Figure BDA00024337504900000212
的线性关系满足如下公式，
tC＝k·tE+α+ε
其中，其中tC为计算机内部时钟的时间，tE为设备内部时钟的时间，ε为期望为零且方差有限的白噪声，k和α分别为待定的斜率与截距。
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：斜率k和截距α的估计值
Figure BDA00024337504900000213
和
Figure BDA00024337504900000214
通过以下公式求解最优化值得到，
Figure BDA00024337504900000215
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：所述
Figure BDA00024337504900000216
和
Figure BDA00024337504900000217
的关系满足如下公式，
Figure BDA00024337504900000218
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：所述
Figure BDA00024337504900000219
和
Figure BDA00024337504900000220
的关系满足如下公式，
Figure BDA00024337504900000221
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的一种优选方案，其中：所述根据线性关系计算新的时间戳
Figure BDA00024337504900000222
和
Figure BDA00024337504900000223
时，i>N。
本发明解决的另一个技术问题是：提供一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服***，使上述方法能够依托于该***实现。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服***，包括，振荡信号模块，所述振荡信号模块能够输出高精度、频率可调的振荡信号；计算机，所述计算机内部包含时钟；设备，所述设备内部包含时钟，能够被振荡信号模块输出的振荡信号触发。
作为本发明所述的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服***的一种优选方案，其中：所述振荡信号模块包括通信端口和信号输入输出端，所述通信端口与计算机相连接，所述信号输入输出端与设备相连接。
本发明的有益效果：提供了能够将带硬件触发的测试设备的内部时钟与传感器的上位计算机的内部时钟相互换算的时钟驯服方法和***，从而评价传感器在运动中的测距精度和误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一种实施例所述计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的整体流程示意图；
图2为本发明第一种实施例所述进行测试的拟合结果示意图；
图3为本发明第二种实施例所述计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服***的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1的示意，为本实施例提供的一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的整体流程示意图，为了实现测试设备的内部时钟与传感器的上位计算机的内部时钟相互换算，本发明通过计算二者时间戳的关系，从而实现时钟换算。
具体的，本实施例提供的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法，包括，
S1：振荡信号模块100分别与计算机200和设备300相连接。其中，振荡信号模块100可以为单片机、FPGA、DSP等，能够输出振荡信号。
具体的，所述振荡信号模块100通过通信端口101与计算机200相连接，通信端口101可以为串口、CAN总线、网络等用于通信的端口；通过信号输入输出端102与设备300相连接，信号输入输出端102可以为单片机上的I/O端口，能够作为振荡信号模块100与计算机200通信传输端口，还可以用于振荡信号的输出。
S2：振荡信号模块100输出振荡信号触发设备300，同时发送通信包告知计算机200设备300被触发。
S3：设备300通过其内部时钟记录被触发的时间戳
Figure BDA0002433750490000051
计算机(200)通过其内部时钟记录通信包到达的时间戳
Figure BDA0002433750490000052
其中，设备300将其第i个被触发的时间戳记为
Figure BDA0002433750490000053
共计N个点；所述计算机200将第i个通信包到达的时间戳记为
Figure BDA0002433750490000054
共计N个点，N至少为2。增大N的值，可以提高最终结果的精确度。
S4：将测得的时间戳
Figure BDA0002433750490000055
和
Figure BDA0002433750490000056
进行线性回归，得到其线性关系。
具体的，将测得的N对时间戳
Figure BDA0002433750490000057
和
Figure BDA0002433750490000058
进行线性回归，时间戳
Figure BDA0002433750490000059
和
Figure BDA00024337504900000510
的线性关系满足如下公式，
tC＝k·tE+α+ε
其中，其中tC为计算机内部时钟的时间，tE为设备内部时钟的时间，ε为期望为零且方差有限的白噪声，k和α分别为待定的斜率与截距。斜率k和截距α的估计值
Figure BDA00024337504900000511
和通过以下公式求解最优化值得到，
Figure BDA00024337504900000512
其中，求解最优化值是指对上式求解最小值，当该式取值最小时，此时对应的k和α的大小分别记作为
Figure BDA00024337504900000513
和
Figure BDA00024337504900000514
S5：根据线性关系计算新的时间戳
Figure BDA00024337504900000515
对应的计算机时钟的时间戳
Figure BDA00024337504900000516
和新的时间戳
Figure BDA00024337504900000517
对应的设备时钟的时间戳
Figure BDA00024337504900000518
其中，根据线性关系计算新的时间戳
Figure BDA00024337504900000519
和
Figure BDA00024337504900000520
时，i>N。
具体的，通过斜率k和截距α的估计值
Figure BDA00024337504900000521
和
Figure BDA00024337504900000522
进行计算，所述
Figure BDA00024337504900000523
和
Figure BDA00024337504900000524
的关系满足如下公式，
Figure BDA00024337504900000525
所述
Figure BDA00024337504900000526
和
Figure BDA00024337504900000527
的关系满足如下公式，
Figure BDA00024337504900000528
根据以上两个公式，能够得到计算机时钟和设备时钟所示时间的相互关系，即完成了时钟驯服的过程。
场景一：
由于以双目相机为首的很大一部分传感器并不具有硬件触发的功能，使其与其相连的上位计算机很难与带硬件触发功能的设备的时钟进行同步。而本实施例提出的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法，目的在于使不带硬件触发功能的传感器以及其上位机算机与带硬件触发功能的设备，如激光跟踪仪，其之间的时钟能够同步。
为了体现本实施例提高的时钟驯服方法的优势，以双目相机在运动状态下的测距精度测试为例，介绍并观察其具体的实施方式和结果。以双目相机在运动状态下的测距精度测试为例的目的是使本实施例所述方法的目的、特征和优点能更加便于理解，但本实施例所述方法可以以不同的形式呈现，并不受此例中的具体实施方式所限。
测试中选择STM32单片机作为振荡信号模块100，将STM32单片机分别与激光跟踪仪和计算机200相连接，STM32单片机能够输出方波信号，当方波信号由高电平转为低电平时，STM32同时经由RS232串口向上位计算机200发送一个字节的数据包，告知计算机200激光跟踪仪被触发。
计算机200记录收到STM32数据包时的时间戳，第i个时间戳记为
Figure BDA0002433750490000061
共计10000个点；激光跟踪仪被下降沿触发输出带时间戳的测量数据，第i个数据的时间戳记为
Figure BDA0002433750490000062
共计10000个点。
将10000对时间戳
Figure BDA0002433750490000063
和
Figure BDA0002433750490000064
进行线性回归，使计算机200内部时钟的时间与激光跟踪仪的内部时钟时间符合线性关系tC＝k·tE+α+ε，k和α分别为待定的斜率与截距，通过求解以下最优化问题，
Figure BDA0002433750490000065
求出斜率k和截距α的估计值
Figure BDA0002433750490000066
和
Figure BDA0002433750490000067
对于激光跟踪仪在试验中测得的每一个数据的新时间戳
Figure BDA0002433750490000068
或上位计算机时钟的新时间戳
Figure BDA0002433750490000069
(其中i＞N)，可通过对斜率k和截距α的估计值
Figure BDA00024337504900000610
和
Figure BDA00024337504900000611
计算对应的计算机时钟的时间戳
Figure BDA00024337504900000612
或对应的设备时钟的时间戳
Figure BDA00024337504900000613
Figure BDA00024337504900000614
Figure BDA00024337504900000615
得到的拟合结果如下图2所示，另外使用新的1000组数据来验证拟合结果，即计算
Figure BDA0002433750490000071
该1000个误差值中最大值约为4.6ms，可以看出本实施例提出的时钟驯服方法具有较好的准确性，方法有效可行。
实施例2
参照图3的示意，示意为本实施例提出的一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服***的整体结构示意图，上述实施例中的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法能够依托于该***实现。该***包括振荡信号模块100、计算机200和设备300，其中，振荡信号模块100能够输出高精度、频率可调的振荡信号；计算机200内部包含时钟；设备300内部包含时钟，能够被振荡信号模块100输出的振荡信号触发。
具体的，振荡信号模块100包括通信端口101和信号输入输出端102，通信端口101与计算机200相连接，信号输入输出端102与设备300相连接。振荡信号模块100可以为单片机、DSP、FPGA等具有高精度振荡信号输出能力，并能够与计算机200和设备300进行通信的模块；通信端口101可以为单片机上的串口、网口或CAN口等用于通信的端口，信号输入输出端102可以为单片机上的I/O口的端口等。
计算机200内部包含时钟，能够与连接振荡信号模块100和设备300相连接；设备300可以为传感器，其内部也包含时钟。
***的运行流程如下：
步骤一：将测试传感器与计算机200相连接，振荡信号模块100与计算机200相连接；
步骤二：振荡信号模块100通过输出振荡信号触发设备300，并发送通信包至计算机200；
步骤三：设备300的内部时钟记录被触发的时间戳
Figure BDA0002433750490000072
计算机200的内部时钟记录通信包到达的时间戳
Figure BDA0002433750490000073
步骤四：计算时间戳
Figure BDA0002433750490000074
和
Figure BDA0002433750490000075
的线性关系；
步骤五：根据线性关系计算新的时间戳
Figure BDA0002433750490000076
对应的计算机时钟的时间戳
Figure BDA0002433750490000077
和新的时间戳
Figure BDA0002433750490000078
对应的设备时钟的时间戳
Figure BDA0002433750490000079
完成时钟驯服过程。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机***通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机***的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“***”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地***、分布式***中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它***进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法，其特征在于：包括，
振荡信号模块分别与计算机和设备相连接；
振荡信号模块输出振荡信号触发设备，同时发送通信包告知计算机设备被触发；
具体的，所述振荡信号模块通过通信端口与计算机相连接，通信端口为串口、CAN总线或网络；通过信号输入输出端与设备相连接，信号输入输出端为单片机上的I/O端口，作为振荡信号模块与计算机通信传输端口，用于振荡信号的输出；
设备通过其内部时钟记录被触发的时间戳
Figure FDA0003074716450000011
计算机通过其内部时钟记录通信包到达的时间戳
Figure FDA0003074716450000012
将测得的时间戳
Figure FDA0003074716450000013
和
Figure FDA0003074716450000014
进行线性回归，得到其线性关系；
所述设备将其第i个被触发的时间戳记为
Figure FDA0003074716450000015
所述计算机将第i个通信包到达的时间戳记为
Figure FDA0003074716450000016
共计N对时间戳，N至少为2；
具体的，将测得的N对时间戳
Figure FDA0003074716450000017
和
Figure FDA0003074716450000018
进行线性回归，时间戳
Figure FDA0003074716450000019
和
Figure FDA00030747164500000110
的线性关系满足公式(1)，
tC＝k·tE+α+ε (1)
其中，其中tC为计算机内部时钟的时间，tE为设备内部时钟的时间，ε为期望为零且方差有限的白噪声，k和α分别为待定的斜率与截距；斜率k和截距α的估计值
Figure FDA00030747164500000111
和
Figure FDA00030747164500000112
通过公式(2)求解最优化值得到，
Figure FDA00030747164500000113
其中，求解最优化值是指对公式(2)求解最小值，当公式(2)取值最小时，此时对应的k和α的大小分别记作为
Figure FDA00030747164500000114
和
Figure FDA00030747164500000115
根据线性关系计算新的时间戳
Figure FDA00030747164500000116
对应的计算机时钟的时间戳
Figure FDA00030747164500000117
和新的时间戳
Figure FDA00030747164500000118
对应的设备时钟的时间戳
Figure FDA00030747164500000119
其中，根据线性关系计算新的时间戳
Figure FDA00030747164500000120
和
Figure FDA00030747164500000121
时，i>N；
具体的，通过斜率k和截距α的估计值
Figure FDA00030747164500000122
和
Figure FDA00030747164500000123
进行计算，所述
Figure FDA00030747164500000124
和
Figure FDA00030747164500000125
的关系满足公式(3)，
Figure FDA00030747164500000126
所述
Figure FDA00030747164500000127
和
Figure FDA00030747164500000128
的关系满足公式(4)，
Figure FDA00030747164500000129
根据(3)和(4)两个公式，能够得到计算机时钟和设备时钟所示时间的相互关系，即完成了时钟驯服的过程。
2.一种采用如权利要求1所述计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服方法的计算机与带硬件触发功能设备的时钟驯服***，其特征在于：包括，
振荡信号模块，所述振荡信号模块能够输出高精度、频率可调的振荡信号；
计算机，所述计算机内部包含时钟；
设备，所述设备内部包含时钟，能够被振荡信号模块输出的振荡信号触发。
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