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康謀技術(shù) | 自動駕駛：揭秘高精度時間同步技術(shù)（一）
在自動駕駛中,，主要涵蓋感知、規(guī)劃,、控制三個關(guān)鍵的技術(shù)層面,。在感知層面，單一傳感器采集外界信息,，各有優(yōu)劣，比如攝像頭采集信息分辨率高,，但是受外界條件影響較大,，一般缺少深度信息；激光雷達有一個較大的感知范圍和精度，但是分辨率上不如相機,。因此,，市面上普遍采用多傳感器的方案進行車輛感知。而做傳感器融合時,，需要先進行運動補償,、時間同步和傳感器標定。
要實現(xiàn)多傳感器的時間同步,，首先,，我們需要選擇一個統(tǒng)一的時鐘源，為整個系統(tǒng)提供時間基準,，通過"PPS+GPRMC"形式完成主設備授時,。此外，在系統(tǒng)中包含多個不同類型的傳感器,，一般采用基于以太網(wǎng)的時間同步協(xié)議,，實現(xiàn)主設備與傳感器的高精度時間同步。這一整體流程確保了多傳感器數(shù)據(jù)能在統(tǒng)一時間框架內(nèi)準確分析處理,。
一,、時間源
1、GNSS
在自動駕駛系統(tǒng)時間同步中,，多數(shù)情況下會配備高精度GNSS車載接收機,，如圖1所示。GNSS接收機會解算導航衛(wèi)星信號從而實現(xiàn)定位和授時功能,。具體來說,，解算獲得導航衛(wèi)星中高精度原子時鐘與本系統(tǒng)時間的鐘差，從而校準系統(tǒng)時間,，完成GNSS的授時功能,。
圖1：GNSS接收機
二、PPS＋GPRMC
隨后,，GNSS接收機會發(fā)送PPS脈沖+GPRMC報文,，信號如圖2所示。
圖2：PPS與GPRMC
1,、PPS
PPS（Pulse Per Second,，秒脈沖）：基于 UTC（協(xié)調(diào)世界時）產(chǎn)生時間周期為1s的同步脈沖信號，脈沖寬度通常在5ms-100ms之間,。
2,、GPRMC
GPRMC（Global Positioning System Recommended Minimum data，全球定位系統(tǒng)推薦最小數(shù)據(jù)集）：是NMEA 0183報文之一,，包含經(jīng)緯度,、日期（年,、月、日）和UTC時間（精確到秒）等信息,，通過標準串口進行輸出,。
3、時間同步管理
通過PPS+GPRMC進行時間同步原理如下：
當設備（比如域控制器,、工控機）接收到PPS秒脈沖后,，會將內(nèi)部以晶振為時鐘源的系統(tǒng)時間進行清零（毫秒及以下部分），并由此開始計算毫秒時間,。
設備收到GPRMC數(shù)據(jù)后,，提取報文中的UTC時間（時、分,、秒,、年、月,、日）,。
收到秒脈沖到解析出GPRMC中UTC時間所用時間為tx，tx時間與UTC整秒時間相加同步給設備系統(tǒng),，進而完成一次時間同步,。
每秒鐘會精確校準一次系統(tǒng)時間，以確保時間的準確性,。
4,、可操作性
在智能駕駛的方案中，一般都采用多傳感器進行數(shù)據(jù)采集和存儲,。此時如果我們在域控制器與各類傳感器之前都采用"PPS+GPRMC",，用兩根線來連接這兩個物理接口，技術(shù)上是可行的,，但是實際上十分難以操作,。
PPS是低功率脈沖電平信號，一次性帶十幾個設備是十分困難的,，并且容易出現(xiàn)信號干擾,。
GPRMC通過RS232串口發(fā)送同步報文，RS232是一種1對1的全雙工通信形式,，也可以通過主從形式實現(xiàn)1對幾數(shù)據(jù)傳輸,，但對十幾，非常少見,。
因此,，基于單純的PPS和GPRMC實現(xiàn)整個自動駕駛系統(tǒng)的時間同步，具有理論可行性,，但并不具有實際可操作性,。
三,、高精度時間同步協(xié)議
1,、PTP
PTP（Precision Time Protocol,，精確時間協(xié)議）是一種IEEE 1588標準定義，用于在以太網(wǎng)中實現(xiàn)高精度的時間同步網(wǎng)絡協(xié)議,。它能夠為網(wǎng)絡中的所有設備提供一個統(tǒng)一的時間參考,，從而確保數(shù)據(jù)的時效性和一致性。采用硬件時間戳,，可以大幅減少軟件處理時間,，同步精度可以達到亞微秒級。此外,，PTP可以運行在L2層（MAC層）和L4層（UDP層）,，在L2層網(wǎng)絡運行時，可以在MAC層中直接進行報文解析,，避免在UDP層處理,，減少協(xié)議棧中駐留時間，進一步提高時間同步精度,，十分適用于自動駕駛系統(tǒng),。
PTP網(wǎng)絡由一個主時鐘（Master Clock）和多個從時鐘（Slave Clock）組成，,。主時鐘通常連接到一個高精度的時間源,，如GPS，而從時鐘則分布在網(wǎng)絡中的各個設備上,，如各類傳感器,。同時定義了三種時鐘節(jié)點，包括普通時鐘,，邊界時鐘和透明時鐘,。
普通時鐘（Ordinary Clock, OC）：基本的從時鐘，只有一個PTP通信端口,，只同步時間,。
邊界時鐘（Boundary Clock, BC）：有多個PTP通信端口的時鐘，可以接收一個時間信號并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡段,，如交換機或路由器,。
透明時鐘（Transparent Clock, TC）：通過它的報文不需要進行任何處理，直接轉(zhuǎn)發(fā),。
2,、時間同步過程
PTP通過在主從設備之間交互同步報文，并記錄下報文發(fā)送時間,，從而計算網(wǎng)絡傳輸延遲和主從設備間時鐘的偏差,。同步報文包括：Sync,、Follow_Up、Delay_Req和Delay_Resp,，時間同步過程如下,，如圖3所示：
圖3：PTP時間同步過程
主時鐘周期性的發(fā)送 Sync 報文 (預計時間) → 從時鐘接收 Sync 報文 (時間 t2)；
主時鐘發(fā)送 Follow_Up 報文 (實際發(fā)送時間 t1) → 從時鐘接收 Follow_Up 報文,；
從時鐘發(fā)送 Delay_Req 報文 (發(fā)送時間 t3) → 主時鐘接收 Delay_Req 報文 (接收時間 t4),；
主時鐘發(fā)送 Delay_Resp 報文 (包含時間 t4) → 從時鐘接收 Delay_Resp 報文；
從時鐘根據(jù)網(wǎng)絡往返延時和時鐘偏差的測量結(jié)果,，調(diào)整其本地時鐘,。
值得注意的是，t1和t4時間由主時鐘記錄,，t2和t3時間由從時鐘記錄,。這樣我們就可以計算網(wǎng)絡延時和時間偏差。其中,，網(wǎng)絡延時是Sync報文和Delay_Resp報文在網(wǎng)絡中往返傳輸?shù)臅r間,，D=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。時間偏差是從時鐘與主時鐘之間的時間差,，Δ=(t2?t1)?D,。
具體來說，從設備會根據(jù)網(wǎng)絡延遲調(diào)整其接收到的同步報文的時間戳,，以消除網(wǎng)絡傳輸帶來的延遲影響,。同時，從設備還會根據(jù)時鐘偏差的測量結(jié)果,，調(diào)整其本地時鐘的頻率或相位,，使其與主設備的時鐘保持一致。
3,、gPTP
此外,，除了PTP時間同步協(xié)議，我們也會在自動駕駛領(lǐng)域時?？匆奼PTP（Generalized Precision Time Protocol）協(xié)議,。gPTP和PTP都是基于IEEE標準的時間同步協(xié)議，其中PTP遵循IEEE 1588標準,，而gPTP是IEEE 802.1AS標準,。
PTP最初設計用于以太網(wǎng)，主要關(guān)注局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)的時間同步,。而gPTP設計用于更廣泛的網(wǎng)絡環(huán)境,，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)（WAN），以及跨越不同網(wǎng)絡技術(shù)的場景,。gPTP在PTP的基礎上增加了一些額外的功能和機制,，以支持更廣泛的網(wǎng)絡環(huán)境和應用場景,，比如邊界時鐘（Boundary Clock）的概念，用于處理網(wǎng)絡中的復雜路徑,。但它們的最終目的都是為網(wǎng)絡中的設備提供高精度的時間同步,。
四、時間同步方案
1,、康謀數(shù)據(jù)采集方案
針對智駕域控制器測試和數(shù)據(jù)采集,，我們康謀帶來了一整套的數(shù)據(jù)采集方案?；贐RICK/ATX4系列工控機和時間同步XTSS軟件，如圖4所示,。
圖4：BRICK/AXT4工控機與XTSS軟件
在時間同步方面,，GNSS作為上佳的時鐘源，又可與智駕域控制器直接連接（或內(nèi)置）,。因此,，可以采用智駕域控制器成為主時鐘節(jié)點。方案架構(gòu)如圖5所示,，配置BRICK/ATX4設備處于邊界時鐘節(jié)點,，其他各類傳感器通過車載以太網(wǎng)（PTP/gPTP）連接進行時間同步，對于相機,，我們可以采用外觸發(fā)方式在主控中記錄此時系統(tǒng)時間或者通過轉(zhuǎn)換器進行打時間戳進行記錄,。
圖5：數(shù)采方案時間同步架構(gòu)
總的來說，在BRICK/ATX4系列工控機中,，集成了GNSS接收機,，可以簡便快捷的采集GPS信號，進行授時,，獲取精確的時間信息,。配備了多個以太網(wǎng)接口，支持時間同步（PTP/gPTP）配置,，與各類轉(zhuǎn)換器一起,，采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，滿足自動駕駛各類場景下的數(shù)據(jù)采集任務,。
通過XTSS軟件可以進行靈活的時間同步配置,，包括gPTP和PTP（UDP – P2P, UDP – E2E, 1588 Ethernet – E2E）。因此,，通過XTSS軟件可以在BRICK/AXT4工控機上（支持硬件時間戳的以太網(wǎng)接口）捕獲精確的硬件時間戳,。
五、應用案例
1,、數(shù)采系統(tǒng)
通過BRICK/ATX4系列工控機和XTSS軟件,，我們可以方便快捷的搭載數(shù)采系統(tǒng)并配置時間同步服務,。此次，我們聯(lián)合友思特,，搭載了以Blickfeld LiDAR+BRICK plus+XTSS軟件的數(shù)采采集系統(tǒng),，如圖6所示。
圖6：數(shù)采系統(tǒng)
在搭載好整個系統(tǒng)后,，就可以對XTSS軟件配置PTP時間同步服務,，以確保BRICKplus端口支持PTP同步，隨后在LiDAR的GUI界面中配置同樣的PTP,，我們就可以完成激光雷達的時間同步配置,。如圖7所示，我們可以看到激光雷達時間同步配置服務成功,，與主時鐘的誤差在us級別,。
圖7：時間同步配置