Development of an integrated ROS interface for a time-of-flight measurement system of a LiDAR sensor

Abstract

Com a evolução da condução autónoma e o desenvolvimento de tecnologias de automação e recolha de dados, surge a necessidade do mapeamento digital preciso do mundo real. Um sensor LiDAR permite o mapeamento 3D e a medição precisa de distância a obstáculos num cenário de interesse. O número crescente de aplicações que requerem estas funcionalidades e a capacidade do LiDAR em fornecer de tecção confiável abrangendo curtas e longas distâncias, mesmo em condições desfavoráveis, torna este sensor numa tecnologia cativante a explorar com fortes oportunidades de mercado. O LiDAR ilumina um cenário recorrendo a luz laser, seguido pela medição do intervalo de tempo até que o pulso de luz refletido seja detectado. Este intervalo de tempo, conhecido como Time-of-Flight, pode ser medido usando Time-to-Digital Converters. O cálculo do ToF é fundamental para a viabilidade do sensor e, por isso, o TDC usado deve ser o mais eficiente possível. Atualmente, o estado da arte em TDCs não apresenta interfaces capazes de simples integração numa aplicação. O foco da maioria dos trabalhos está na arquitetura do TDC, não fornecendo soluções de acesso nem visualização dos dados. Esta dissertação apresenta um TDC baseado num oscilador de código de gray que apresenta um duplo estágio de amostragem para melhorar a resolução e uma interface ROS para aprimorar a portabili dade e a capacidade de reutilização. Além disso, o Robotic Operating System permite ainda a visualização dos dados do sensor LiDAR. A implementação foi efetuada num MPSoC contendo uma FPGA e um pro cessador. O TDC foi implementado na FPGA, e a interface ROS foi, numa fase inicial, desenvolvida no processador. Posteriormente, é realizada uma prova de conceito da migração do ROS para hardware. O TDC apresenta 59 ps de precisão e 69 ps RMS de resolução, permitindo ao sistema distinguir 1 cm em profundidade requerendo apenas 7 LUTs, 20 Flip-flops e 1 mW de potência por canal. O DNL e INL atingem 1.76 LSB e 1.50 LSB pico a pico, respectivamente. A interface ROS em software permitiu, no pior caso, uma nuvem de 36000 pontos ser atualizada a 10.32 FPS. A sua migração para hardware revocou a necessidade do processador permitindo a redução da área em silício e diminuindo o consumo em mais de 84%. A execução do ROS na FPGA resultou ainda num desempenho estável de 3.45 FPS.

With the evolution of autonomous driving and the development of automation and data collection technologies, the need for accurate real world digital mapping arises. A LiDAR sensor allows 3D map ping and precise measurement of distances to obstacles in a scene of interest. The increasing number of applications requiring accurate real-world mapping solutions, and the ability of LiDAR to provide reli able detection and ranging over short to long distances, even in challenging conditions, makes it a truly compelling technology to explore with strong market opportunities. LiDAR operates by laser lighting the scene, followed by the time interval measurement until the backscattered light is detected. This time interval, known as Time-of-Flight, can be measured using high resolution Time-to-Digital Converters. The Time-of-Flight calculation is critical for the viability of the sensor, and, consequently, the TDC used should be as efficient as possible. Currently, the state-of-the-art on TDCs does not present interfaces capable of simple integration with an application. The focus of most works is on the TDC architecture, failing to provide accessibility and visualization solutions to the data. This dissertation presents a TDC architecture based on a gray code oscillator that introduces a double sampling stage to improve resolution and an integrated ROS interface to enhance portability and reusability. In addition, the Robotic Operating System allows the visualization of data from the LiDAR sensor. The proposed system was implemented using an MPSoC containing an FPGA and a processor. The TDC architecture was implemented in the FPGA, and the ROS interface is first developed in the processor. Subsequently, a Proof of Concept of the ROS interface migration into hardware is developed. The TDC presents 59 ps single-shot precision and 69 ps RMS resolution enabling the system to distinguish 1 cm in depth while only requiring 7 LUTs, 20 Flip-flops, and 1 mW of power per channel. The peak-to-peak DNL and INL reach 1.76 LSB and 1.50 LSB, respectively. In the worst-case scenario, the software ROS interface allowed a point cloud frame of 36000 points to perform at 10.32 FPS. Its migration to hardware revoked the need for the processor, thus reducing silicon area and decreasing consumption by over 84%. Moreover, executing ROS on the FPGA resulted in a stable performance of 3.45 FPS.