康謀技術 | 自動駕駛：揭秘高精度時間同步技術（一）

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：

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，技術上是可行的，但是實際上十分難以操作。

三、高精度時間同步協(xié)議

1、PTP

• 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果，調整其本地時鐘。

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)時鐘偏差的測量結果，調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。

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。基于BRICK/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

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。

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