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高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的時(shí)間同步原理解析

2022-03-02 23:56:23·  來(lái)源：焉知智能汽車(chē)  
　
對(duì)于整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的時(shí)鐘同步來(lái)說(shuō)，因?yàn)楦鱾€(gè)傳感器時(shí)鐘源都有鐘漂，而且每個(gè)時(shí)鐘源鐘漂不同，所以即使把各個(gè)傳感器時(shí)間戳在初始時(shí)刻對(duì)齊，運(yùn)行一段時(shí)間之后，
對(duì)于整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的時(shí)鐘同步來(lái)說(shuō)，因?yàn)楦鱾€(gè)傳感器時(shí)鐘源都有鐘漂，而且每個(gè)時(shí)鐘源鐘漂不同，所以即使把各個(gè)傳感器時(shí)間戳在初始時(shí)刻對(duì)齊，運(yùn)行一段時(shí)間之后，之前對(duì)齊的結(jié)果仍會(huì)偏離。因此，為了統(tǒng)一各個(gè)傳感器或芯片的時(shí)鐘，需進(jìn)行時(shí)間同步。同步過(guò)程需要設(shè)置相應(yīng)的同步時(shí)鐘源。當(dāng)前，常見(jiàn)的時(shí)間同步主要有以下幾種方式：


以上同步源中，大家可能對(duì)GNSS的定位功能比較熟悉，其實(shí)它的授時(shí)功能是和定位同等重要的功能，在自動(dòng)駕駛的傳感器配置里，GNSS是一個(gè)必備的傳感器，它自帶秒脈沖發(fā)生器，所以可以直接使用。而且GNSS信號(hào)能夠達(dá)到定位要求時(shí)，自身時(shí)鐘也會(huì)受到衛(wèi)星上原子鐘的校正，從而進(jìn)一步提高精度。
其余時(shí)鐘同步原理我們將在如下章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。
域控與傳感器時(shí)間同步
在當(dāng)前分布式架構(gòu)中，通常的時(shí)間同步信號(hào)式通過(guò)can/canfd進(jìn)行傳輸，而下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)則基本采用以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳遞。對(duì)于融合需要的信息，需要在報(bào)文中打上相關(guān)的時(shí)間戳來(lái)進(jìn)行匹配，時(shí)間戳應(yīng)盡量接近目標(biāo)被探測(cè)到對(duì)的實(shí)際時(shí)刻。
實(shí)例：以最通用分布式架構(gòu)5R1V1D為例說(shuō)明各個(gè)傳感器在時(shí)間同步上的原理。
方案一：由其中一個(gè)傳感器融合另外一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，將接收時(shí)間點(diǎn)在對(duì)應(yīng)位置打上時(shí)間戳，然后整體發(fā)給域控制器。域控制器在接收到相應(yīng)的融合目標(biāo)后，在對(duì)應(yīng)接收點(diǎn)上打上時(shí)間戳。
臨時(shí)時(shí)間同步方案：
Tcan：表示通過(guò)can總線(xiàn)發(fā)送信息到攝像頭的時(shí)間間隔；
t1：攝像頭在本地時(shí)間接收到的時(shí)間點(diǎn)信息；
T1：攝像頭的發(fā)送時(shí)間-接收測(cè)量時(shí)間；
t_v：攝像頭本地時(shí)間測(cè)量點(diǎn)；
t_r：雷達(dá)本地時(shí)間測(cè)量點(diǎn)；
t_vs：攝像頭發(fā)送時(shí)間點(diǎn)為融合目標(biāo)本地時(shí)間；
T_abs：最后由傳感器發(fā)送到域控制器的時(shí)間差值；


方案二：基于域控制器底層基礎(chǔ)軟件Autosar的時(shí)間同步解決方案。AUTOSAR 解決方案，ADS 中的時(shí)間Master，每個(gè)傳感器中的時(shí)間Slave。帶有時(shí)間主控的 ECU 將在一個(gè)公共時(shí)基內(nèi)同步所有其他從屬 ECU。傳感器將發(fā)送時(shí)間戳以告知“何時(shí)測(cè)量目標(biāo)對(duì)象”。由于所有 ECU 在公共時(shí)基通信，域控制器會(huì)直接將所有傳感器數(shù)據(jù)置于公共時(shí)間坐標(biāo)中，然后重新計(jì)算到其本地時(shí)間供其使用。


T_global_V：公共時(shí)基中的攝像頭測(cè)量時(shí)間點(diǎn)；
T_global_R: 公共時(shí)基中的雷達(dá)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)；
Tmeasure: 公共時(shí)基中的環(huán)境目標(biāo)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)；
基礎(chǔ)GNSS+PPS的組合時(shí)間同步原理
本節(jié)主要講解基于組合慣導(dǎo)接收GNSS的授時(shí)和PPS時(shí)間同步的原理。由于激光雷達(dá)通常使用PPS進(jìn)行同步，高精定位普遍預(yù)留PPS。在開(kāi)發(fā)階段的數(shù)據(jù)采集中，可考慮使用此方法與域控同步。


1、GNSS授時(shí)
一般地，衛(wèi)星（GPS/北斗…）中會(huì)有精準(zhǔn)的時(shí)間信息（一般為UTC時(shí)間）。高精定位系統(tǒng)通過(guò)接受多顆衛(wèi)星的信號(hào)，可以獲取精準(zhǔn)的UTC時(shí)間，此過(guò)程一般與定位過(guò)程一起進(jìn)行（可能需要時(shí)間信息來(lái)提高定位精度）。此方式的另外一個(gè)可能應(yīng)用是衛(wèi)星向數(shù)采設(shè)備授時(shí)。
2、PPS時(shí)間同步
在GNSS完成授時(shí)的同時(shí)需要通過(guò)GPIO將相應(yīng)的PPS信號(hào)從組合慣導(dǎo)系統(tǒng)ECU發(fā)送給中央域控制器HPC，兩者進(jìn)行過(guò)程會(huì)存在一定的時(shí)間差。如上圖所示，ECU過(guò)CAN/ETH發(fā)送當(dāng)下的UTC時(shí)刻給HPC，隨即ECU通過(guò)GPIO發(fā)送PPS給HPC，每次脈沖上升沿為當(dāng)前秒數(shù)開(kāi)始時(shí)間。隨后，HPC用PPS信號(hào)對(duì)UTC時(shí)間進(jìn)行修正，從PPS精度獲知能達(dá)到10ns。
基于NTP和PTP的時(shí)間同步
NTP即Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議。是通過(guò)時(shí)鐘同步服務(wù)器從GPS衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，將這些信號(hào)通過(guò)各種接口傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備（計(jì)算機(jī)、保護(hù)裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)RTU），這樣就可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。NTP常用于Windows操作系統(tǒng)的時(shí)間同步，在局域網(wǎng)中精度在10ms左右?？捎糜诰纫蟛桓叩臄?shù)采設(shè)備同步（供應(yīng)商方案）。
PTP 是一種高精度時(shí)間同步協(xié)議,可以到達(dá)亞微秒級(jí)精度,有資料說(shuō)可達(dá)到30納秒左右的偏差精度,但需要網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)（交換機(jī)）支持PTP協(xié)議，才能實(shí)現(xiàn)納秒量級(jí)的同步。一般在實(shí)際使用中，現(xiàn)有的NTP可以達(dá)到5ms以?xún)?nèi)的精度，對(duì)一般的應(yīng)用都是滿(mǎn)足的；對(duì)于超高精度設(shè)備，可以使用PTP設(shè)備提高同步精度。
與NTP主要區(qū)別：PTP是在硬件級(jí)實(shí)現(xiàn)的，NTP是在應(yīng)用層級(jí)別實(shí)現(xiàn)的。PTP 是主從同步系統(tǒng)，一般采用硬件時(shí)間戳，并配合一些對(duì)NTP更高精度的延時(shí)測(cè)量算法。


NTP時(shí)間同步過(guò)程如下：
Step1：t1時(shí)刻Master（Router A）發(fā)送NTP報(bào)文，該報(bào)文數(shù)據(jù)在t2時(shí)刻被Slave（Router B）收到；
Step2：隨后，Router B在t3時(shí)刻返回NTP報(bào)文，并加入t2/t3值。
Step3：Router A在t4時(shí)刻收到并記錄t4時(shí)刻值。
Step4：Router B可計(jì)算傳輸延時(shí)△t=[(t2－t1)＋(t4－t3)]/2（默認(rèn)往返延時(shí)相同）。
Step5：同時(shí)Router B可校準(zhǔn)時(shí)鐘偏差offset=t4-t3- △t
PTP時(shí)間同步過(guò)程如下：
Step1：t1時(shí)刻Master（Router A）發(fā)送同步報(bào)文信號(hào)Sync，該報(bào)文數(shù)據(jù)在t2時(shí)刻被Slave（Router B）收到；
Step2：幾乎同時(shí)，Router A發(fā)送跟隨報(bào)文FUP，將時(shí)刻t1時(shí)間值告知Router B。
Step3：隨后，Router B在t3時(shí)刻發(fā)送DelayReq報(bào)文，該報(bào)文數(shù)據(jù)在t4時(shí)刻被Router B收到。
Step4：幾乎同時(shí)，Router A隨后發(fā)送DelayResp報(bào)文，將時(shí)刻t4時(shí)間值告知Router B。
從鐘根據(jù) t1 、 t2 、 t3 、 t4 計(jì)算時(shí)間偏移 (offset) 以及傳輸延時(shí) ( delay) ,即 t2 -t1 = offset + delay t4 - t3 = delay - offset 計(jì)算出 delay = ( t4 - t3 + t2 - t1) / 2 offset = ( t2 - t1 - t4 + t3) / 2 ，從中根據(jù) offset 從鐘可以調(diào)整自己的時(shí)鐘。
基于Autosar的時(shí)間同步
在Autosar的軟件架構(gòu)中進(jìn)行同步的過(guò)程需要理清兩個(gè)比較重要的術(shù)語(yǔ)。其一是時(shí)間主站Time Master是一個(gè)實(shí)體，它是某個(gè)時(shí)基的主站，并將該時(shí)基傳播到通信網(wǎng)絡(luò)某個(gè)段內(nèi)的一組時(shí)基，作為該時(shí)基的源。如果時(shí)間主站也是全局基準(zhǔn)時(shí)間的所有者，所有其他時(shí)基都來(lái)自該時(shí)基，那么它就是全局時(shí)間主站。時(shí)間網(wǎng)關(guān)通常由一個(gè)連接到一個(gè)或多個(gè)時(shí)間從站的時(shí)間主站端口組成。當(dāng)將時(shí)間實(shí)體映射到真實(shí)的 ECU 時(shí)，必須注意，一個(gè) ECU 可以是一個(gè)時(shí)基的時(shí)間主站（甚至全局時(shí)間主站）和另一個(gè)時(shí)基的時(shí)間從站。


總體來(lái)說(shuō)，AUTOSAR完全通過(guò)CAN/ETH通訊進(jìn)行，假設(shè)在Autsosar軟件架構(gòu)下通信的兩個(gè)終端ECU分別為兩大不同域端控制器，其一是自動(dòng)駕駛域控制器HPC，其二是車(chē)身區(qū)域控制器PDC，假設(shè)由自動(dòng)駕駛域控制器HPC接收世界時(shí)鐘，并對(duì)PDC進(jìn)行時(shí)間同步。


其中進(jìn)行時(shí)間同步的原理需要滿(mǎn)足如下過(guò)程：
Step1：HPC在t0時(shí)刻HPC接收發(fā)送當(dāng)下的UTC時(shí)間，并于t1時(shí)刻發(fā)送給PDC，PDC于t2時(shí)刻收到該時(shí)間戳信息；
Step2：然后HPC計(jì)算跟隨時(shí)間戳信息FUP并發(fā)送Δt=t1-t0給PDC；
Step3：PDC于t3時(shí)刻收到該時(shí)間戳信息，并計(jì)算兩次報(bào)文的時(shí)間差Δt’=t3-t2；
Step4：PDC在時(shí)間戳t3時(shí)刻通過(guò)計(jì)算當(dāng)下的時(shí)間=(t3-t2)+t1，隨機(jī)每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次同步；
如上簡(jiǎn)單描述了整個(gè)Autosar簡(jiǎn)單的同步過(guò)程，后續(xù)文章將單獨(dú)針對(duì)這一塊進(jìn)行詳細(xì)的過(guò)程說(shuō)明。
域控內(nèi)部芯片時(shí)間同步
域控內(nèi)部芯片的時(shí)間同步通常是將域控區(qū)分成各種不同功能的模塊進(jìn)行，比如針對(duì)SOC來(lái)說(shuō)，主要是負(fù)責(zé)進(jìn)行相應(yīng)的圖像智能識(shí)別和處理，其中包含深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這里我們舉出一種簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說(shuō)明。
假設(shè)我們?cè)谙乱淮詣?dòng)駕駛系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)成了相應(yīng)的行泊一體控制器。其中包含智能行車(chē)處理芯片單元，這里假設(shè)我們采用英偉達(dá)已經(jīng)量產(chǎn)的較大算力Xavier來(lái)進(jìn)行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，采用英飛凌MCU芯片TC397來(lái)進(jìn)行邏輯算力的計(jì)算，而對(duì)于泊車(chē)模塊可采用德州儀器的TDA4來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的泊車(chē)信息處理。


如上如表示了目前在研的高階自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的域控傳輸信息同步過(guò)程內(nèi)部架構(gòu)，其中主要包含攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、高精地圖、超聲波雷達(dá)幾類(lèi)。各個(gè)傳感器在對(duì)目標(biāo)檢測(cè)和發(fā)送過(guò)程中存在時(shí)間延遲，到達(dá)域控制器芯片的傳感器信號(hào)需要在芯片上進(jìn)行時(shí)間同步。
其中參照如上圖中的基本連接方式，目標(biāo)信息及車(chē)輛動(dòng)信息通過(guò)CAN或LVDS傳入域控，最終智能行車(chē)目標(biāo)信息會(huì)在SOC（Xavier）中進(jìn)行目標(biāo)前融合，智能泊車(chē)信息會(huì)在SOC（TDA4）中進(jìn)行前融合，而最終所有傳感器信息則會(huì)在MCU（TC397）中進(jìn)行目標(biāo)后融合。同時(shí)，在軌跡規(guī)劃中也會(huì)在收到最終的融合數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)不同的目標(biāo)大融合信息進(jìn)行軌跡規(guī)劃和預(yù)測(cè)。因此，對(duì)于域控制器來(lái)說(shuō)，需要在終端芯片上分別進(jìn)行時(shí)間同步。同步過(guò)程如下：
Step1：在t1時(shí)刻傳感器探測(cè)到目標(biāo)。其中，攝像頭是指該幀曝光的時(shí)刻，而雷達(dá)是指接收到回波的時(shí)刻；
Step2：在t2時(shí)刻各傳感器發(fā)出檢測(cè)到的目標(biāo)信息；
Step3：在t3時(shí)刻各內(nèi)部芯片接收到傳感器發(fā)出的檢測(cè)信息，然后在t3-t4時(shí)間段內(nèi)，智能行車(chē)和智能泊車(chē)芯片將各自進(jìn)行信息前融合；
Step4：在t4時(shí)刻智能行車(chē)和智能泊車(chē)芯片SOC發(fā)出相應(yīng)的前融合信息給MCU芯片進(jìn)行后融合和軌跡規(guī)劃；
Step5：在t5時(shí)刻，MCU將最終收到智能行車(chē)芯片（Xavier）和智能泊車(chē)芯片（TDA4）發(fā)出的前融合信息。然后在t5-t6時(shí)間段內(nèi)，MCU將根據(jù)接收到的環(huán)境傳感信息進(jìn)行軌跡規(guī)劃和行為預(yù)測(cè)；
Step6：在t6時(shí)刻，MCU將最終預(yù)測(cè)的軌跡和規(guī)劃的決策控制指令發(fā)送給執(zhí)行器進(jìn)行控制執(zhí)行。
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