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高級智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的時間同步原理解析

2022-03-02 23:56:23·  來源：焉知智能汽車  
　
對于整個自動駕駛系統(tǒng)的時鐘同步來說，因為各個傳感器時鐘源都有鐘漂，而且每個時鐘源鐘漂不同，所以即使把各個傳感器時間戳在初始時刻對齊，運行一段時間之后，
對于整個自動駕駛系統(tǒng)的時鐘同步來說，因為各個傳感器時鐘源都有鐘漂，而且每個時鐘源鐘漂不同，所以即使把各個傳感器時間戳在初始時刻對齊，運行一段時間之后，之前對齊的結(jié)果仍會偏離。因此，為了統(tǒng)一各個傳感器或芯片的時鐘，需進行時間同步。同步過程需要設(shè)置相應(yīng)的同步時鐘源。當前，常見的時間同步主要有以下幾種方式：


以上同步源中，大家可能對GNSS的定位功能比較熟悉，其實它的授時功能是和定位同等重要的功能，在自動駕駛的傳感器配置里，GNSS是一個必備的傳感器，它自帶秒脈沖發(fā)生器，所以可以直接使用。而且GNSS信號能夠達到定位要求時，自身時鐘也會受到衛(wèi)星上原子鐘的校正，從而進一步提高精度。
其余時鐘同步原理我們將在如下章節(jié)中進行詳細介紹。
域控與傳感器時間同步
在當前分布式架構(gòu)中，通常的時間同步信號式通過can/canfd進行傳輸，而下一代自動駕駛系統(tǒng)則基本采用以太網(wǎng)進行信號傳遞。對于融合需要的信息，需要在報文中打上相關(guān)的時間戳來進行匹配，時間戳應(yīng)盡量接近目標被探測到對的實際時刻。
實例：以最通用分布式架構(gòu)5R1V1D為例說明各個傳感器在時間同步上的原理。
方案一：由其中一個傳感器融合另外一個傳感器數(shù)據(jù)，將接收時間點在對應(yīng)位置打上時間戳，然后整體發(fā)給域控制器。域控制器在接收到相應(yīng)的融合目標后，在對應(yīng)接收點上打上時間戳。
臨時時間同步方案：
Tcan：表示通過can總線發(fā)送信息到攝像頭的時間間隔；
t1：攝像頭在本地時間接收到的時間點信息；
T1：攝像頭的發(fā)送時間-接收測量時間；
t_v：攝像頭本地時間測量點；
t_r：雷達本地時間測量點；
t_vs：攝像頭發(fā)送時間點為融合目標本地時間；
T_abs：最后由傳感器發(fā)送到域控制器的時間差值；


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


T_global_V：公共時基中的攝像頭測量時間點；
T_global_R: 公共時基中的雷達測量時間點；
Tmeasure: 公共時基中的環(huán)境目標測量時間點；
基礎(chǔ)GNSS+PPS的組合時間同步原理
本節(jié)主要講解基于組合慣導(dǎo)接收GNSS的授時和PPS時間同步的原理。由于激光雷達通常使用PPS進行同步，高精定位普遍預(yù)留PPS。在開發(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
一般地，衛(wèi)星（GPS/北斗…）中會有精準的時間信息（一般為UTC時間）。高精定位系統(tǒng)通過接受多顆衛(wèi)星的信號，可以獲取精準的UTC時間，此過程一般與定位過程一起進行（可能需要時間信息來提高定位精度）。此方式的另外一個可能應(yīng)用是衛(wèi)星向數(shù)采設(shè)備授時。
2、PPS時間同步
在GNSS完成授時的同時需要通過GPIO將相應(yīng)的PPS信號從組合慣導(dǎo)系統(tǒng)ECU發(fā)送給中央域控制器HPC，兩者進行過程會存在一定的時間差。如上圖所示，ECU過CAN/ETH發(fā)送當下的UTC時刻給HPC，隨即ECU通過GPIO發(fā)送PPS給HPC，每次脈沖上升沿為當前秒數(shù)開始時間。隨后，HPC用PPS信號對UTC時間進行修正，從PPS精度獲知能達到10ns。
基于NTP和PTP的時間同步
NTP即Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議。是通過時鐘同步服務(wù)器從GPS衛(wèi)星上獲取標準的時間信號，將這些信號通過各種接口傳輸給自動化系統(tǒng)中需要時間信息的設(shè)備（計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU），這樣就可以達到整個系統(tǒng)的時間同步。NTP常用于Windows操作系統(tǒng)的時間同步，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 是一種高精度時間同步協(xié)議,可以到達亞微秒級精度,有資料說可達到30納秒左右的偏差精度,但需要網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點（交換機）支持PTP協(xié)議，才能實現(xiàn)納秒量級的同步。一般在實際使用中，現(xiàn)有的NTP可以達到5ms以內(nèi)的精度，對一般的應(yīng)用都是滿足的；對于超高精度設(shè)備，可以使用PTP設(shè)備提高同步精度。
與NTP主要區(qū)別：PTP是在硬件級實現(xiàn)的，NTP是在應(yīng)用層級別實現(xiàn)的。PTP 是主從同步系統(tǒng)，一般采用硬件時間戳，并配合一些對NTP更高精度的延時測量算法。


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


總體來說，AUTOSAR完全通過CAN/ETH通訊進行，假設(shè)在Autsosar軟件架構(gòu)下通信的兩個終端ECU分別為兩大不同域端控制器，其一是自動駕駛域控制器HPC，其二是車身區(qū)域控制器PDC，假設(shè)由自動駕駛域控制器HPC接收世界時鐘，并對PDC進行時間同步。


其中進行時間同步的原理需要滿足如下過程：
Step1：HPC在t0時刻HPC接收發(fā)送當下的UTC時間，并于t1時刻發(fā)送給PDC，PDC于t2時刻收到該時間戳信息；
Step2：然后HPC計算跟隨時間戳信息FUP并發(fā)送Δt=t1-t0給PDC；
Step3：PDC于t3時刻收到該時間戳信息，并計算兩次報文的時間差Δt’=t3-t2；
Step4：PDC在時間戳t3時刻通過計算當下的時間=(t3-t2)+t1，隨機每隔一段時間進行一次同步；
如上簡單描述了整個Autosar簡單的同步過程，后續(xù)文章將單獨針對這一塊進行詳細的過程說明。
域控內(nèi)部芯片時間同步
域控內(nèi)部芯片的時間同步通常是將域控區(qū)分成各種不同功能的模塊進行，比如針對SOC來說，主要是負責進行相應(yīng)的圖像智能識別和處理，其中包含深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這里我們舉出一種簡單的例子進行說明。
假設(shè)我們在下一代自動駕駛系統(tǒng)中，設(shè)計成了相應(yīng)的行泊一體控制器。其中包含智能行車處理芯片單元，這里假設(shè)我們采用英偉達已經(jīng)量產(chǎn)的較大算力Xavier來進行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，采用英飛凌MCU芯片TC397來進行邏輯算力的計算，而對于泊車模塊可采用德州儀器的TDA4來進行相應(yīng)的泊車信息處理。


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