timesync - RK3588与PX4飞控高精度时间同步节点

zhaoxiaowei2026/02/12uavROS PX4 时间同步 RK3588 1PPS

timesync - 时间同步节点

简介

基于 ROS Noetic 的高精度时间同步节点，用于 RK3588 与 PX4 飞控之间的时间同步。

功能

1PPS GPIO 捕获：通过 GPIO3_C6 捕获 PX4 输出的 1PPS 信号（纳秒精度）
MAVLink 通信：通过串口与 PX4 通信，解析 TIMESYNC、IMU 等消息
IMU 数据发布：发布带精确时间戳的 IMU 数据
时间戳对齐：使用 PPS 时间戳标记 IMU 数据

架构

PX4 (STM32H7) ──┬── PPS (1Hz) ──▶ RK3588 GPIO3_C6
               │
               └── UART ────────▶ /dev/ttyS9
                                    │
                                    ▼
                         timesync_node
                         ├── PpsCapture (GPIO 事件)
                         ├── MavlinkReceiver (串口解析)
                         ├── TimeSynchronizer (offset 计算)
                         └── ROS Topics (数据发布)

时间同步原理

目标

将 PX4 的 IMU 数据时间戳（PX4 boot 时间）转换为 RK3588 本地时间（CLOCK_MONOTONIC）。

公式

RK3588时间 = PX4时间 + offset

其中：

offset = RK3588_PPS时间 - PX4_PPS时间

流程详解

步骤 1: PPS 捕获与 Offset 计算

PX4                       RK3588
│                         │
├── PPS 上升沿            │
│  hrt_absolute_time()    │
│  = 1000000 us           │
│                         │
├── TIMESYNC(tc1=1000000) ──────▶│
│                         │ GPIO 捕获
│                         │ = 1234567890 ns
│                         │
│                         │ offset = 1234567890 - 1000000000
│                         │ = 234567890 ns

步骤 2: IMU 时间戳转换

PX4 发送 RAW_IMU:
│  time_usec = 1000500 us
│
│  RK3588 接收后:
│  px4_boot_ns = 1000500 * 1000
│  rk3588_ns = 1000500000 + 234567890 = 1235067890 ns
│
│  imu.header.stamp = 1235067890 ns

步骤 3: Offset 平滑滤波

// 指数移动平均 (EMA)
if (pps_count < 10) {
    offset = (raw_offset + offset) / 2;  // α = 0.5 (快速收敛)
} else {
    offset = (raw_offset + 9*offset) / 10;  // α = 0.1 (稳定跟踪)
}

为什么串口延迟不影响精度？

因为 TIMESYNC 消息中的 tc1 是 PX4 发出 PPS 的时间，而不是消息发送时间：

正确的理解：
tc1 = PX4发出PPS的时刻 (硬件精度)

错误的理解：
tc1 = PX4发送TIMESYNC的时刻 (会受串口延迟影响)

因此即使串口有 1ms 延迟，offset 计算仍然基于同一时刻的 PPS 捕获时间。

硬件连接

信号	PX4 引脚	RK3588 引脚	说明
PPS	GPIO 输出	GPIO3_C6	1Hz 时间同步脉冲
UART TX	UART TX	UART RX	MAVLink 通信
UART RX	UART RX	UART TX	MAVLink 通信
GND	GND	GND	共地

依赖

系统依赖

# GPIO 库
sudo apt-get install libgpiod-dev

编译

cd ~/ros_ws
catkin build timesync

配置

GPIO 权限配置（首次使用必须）

重要： 必须先配置 GPIO 权限，否则无法捕获 PPS 信号。

详细步骤请参考：GPIO_PERMISSION.md

快速配置：

cd ~/ros_ws/src/timesync/scripts
chmod +x setup_gpio_permissions.sh
./setup_gpio_permissions.sh

# 应用组权限
newgrp gpio

运行

启动节点

roslaunch timesync timesync.launch

参数配置

参数	默认值	说明
`port`	`/dev/ttyS9`	串口设备
`baud_rate`	`230400`	串口波特率
`use_pps`	`true`	是否启用 PPS 捕获
`gpio_chip`	`/dev/gpiochip3`	GPIO chip 设备
`gpio_line`	`22`	GPIO line 偏移
`publish_rate`	`10.0`	时间发布频率 (Hz)

自定义参数

roslaunch timesync timesync.launch \
  port:=/dev/ttyUSB0 \
  baud_rate:=115200 \
  gpio_line:=22

Topics

发布的 Topics

Topic	类型	频率	说明
`imu/data`	sensor_msgs/Imu	>100 Hz	IMU 数据（带时间同步后的时间戳）
`px4_pps_time`	std_msgs/Time	1 Hz	PX4 的 PPS 时间戳（来自 TIMESYNC）
`sync_offset_us`	std_msgs/Int64	10 Hz	平滑后的时间 offset（微秒）
`raw_offset_us`	std_msgs/Int64	1 Hz	原始时间 offset（微秒）

日志输出

正常运行日志

[INFO] PPS: GPIO capture started on /dev/gpiochip3 line 22
[INFO] PPS: Capture thread running, waiting for pulses...
[INFO] MAVLink: Serial port /dev/ttyS9 opened at 230400 baud
[INFO] TimeSync node started
[INFO] PPS capture enabled
[INFO] MAVLink receiver enabled
[INFO] PPS: *** FIRST PULSE CAPTURED ***
[INFO] PPS: Timestamp: 4493.804124494 sec
[INFO] PPS: Pulse # 1 | RISING edge | ts=4493.804124494 | interval=0.000000 sec
[INFO] PPS: Pulse # 2 | RISING edge | ts=4494.804162016 | interval=1.000038 sec
[INFO] MAVLink TIMESYNC: tc1=4197059186 us, ts1=1, local=4198000123456 ns
[INFO] === TimeSync Update ===
[INFO] PX4 PPS (tc1): 4197059186 us
[INFO] Sequence (ts1): 1
[INFO] Raw offset: 123456 us
[INFO] Smoothed offset: 123450 us
[INFO] has_sync: 1

模块说明

PpsCapture

1PPS GPIO 捕获模块，使用 libgpiod 捕获上升沿事件。

头文件： include/timesync/PpsCapture.hpp

主要接口：

class PpsCapture {
public:
    PpsCapture(const std::string& chip_device, int line_offset);
    bool isActive() const;
    uint64_t getLastTimestampNs() const;
    void stop();
};

MavlinkReceiver

MAVLink 串口通信和消息解析模块。

头文件： include/timesync/MavlinkReceiver.hpp

主要接口：

class MavlinkReceiver {
public:
    MavlinkReceiver(const std::string& port, int baud_rate);
    void setImuCallback(ImuCallback callback);
    void setTimeSyncCallback(TimeSyncCallback callback);
    bool isOpen() const;
};

TimeSyncNode

主节点，协调各模块并发布 ROS Topics。

文件： src/TimeSyncNode.cpp

主要功能：

加载配置参数
初始化 PpsCapture 和 MavlinkReceiver 模块
处理 TIMESYNC 和 IMU 消息
发布时间同步后的数据

TimeSynchronizer

时间同步算法模块，计算和维护 RK3588 与 PX4 之间的时间 offset。

头文件： include/timesync/TimeSynchronizer.hpp

主要功能：

从 TIMESYNC 消息更新时间 offset
使用指数平滑滤波处理 offset
将 PX4 boot 时间转换为本地同步时间
检测 PX4 重启并重置同步状态

故障排查

PPS 捕获失败

[WARN] PPS: Failed to open GPIO chip /dev/gpiochip3

解决方案： 参考 GPIO_PERMISSION.md

串口打开失败

[ERROR] MAVLink: Failed to open serial port /dev/ttyS9

检查：

# 检查串口设备
ls -l /dev/ttyS*

# 检查用户权限
sudo usermod -a -G dialout $USER

找不到正确的 gpiochip

# 列出所有 gpiochip
gpiodetect

# 查看 GPIO lines
gpioinfo gpiochip0
gpioinfo gpiochip1
...

timesync - RK3588与PX4飞控高精度时间同步节点

# timesync - 时间同步节点

# 简介

# 功能

# 架构

# 时间同步原理

# 目标

# 公式

# 流程详解

# 步骤 1: PPS 捕获与 Offset 计算

# 步骤 2: IMU 时间戳转换

# 步骤 3: Offset 平滑滤波

# 为什么串口延迟不影响精度？

# 硬件连接

# 依赖

# 系统依赖

# 编译

# 配置

# GPIO 权限配置（首次使用必须）

# 运行

# 启动节点

# 参数配置

# 自定义参数

# Topics

# 发布的 Topics

# 日志输出

# 正常运行日志

# 模块说明

# PpsCapture

# MavlinkReceiver

# TimeSyncNode

# TimeSynchronizer

# 故障排查

# PPS 捕获失败

# 串口打开失败

# 找不到正确的 gpiochip

ON THIS PAGE