自動(dòng)駕駛：揭秘高精度時(shí)間同步技術(shù)（一）

眾所周知，在自動(dòng)駕駛中，主要涵蓋感知、規(guī)劃、控制三個(gè)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(dá)有一個(gè)較大的感知范圍和精度，但是分辨率上不如相機(jī)。因此，市面上普遍采用多傳感器的方案進(jìn)行車(chē)輛感知。而做傳感器融合時(shí)，需要先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、時(shí)間同步和傳感器標(biāo)定。

要實(shí)現(xiàn)多傳感器的時(shí)間同步，首先，我們需要選擇一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘源，為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，通過(guò)”P(pán)PS+GPRMC”形式完成主設(shè)備授時(shí)。此外，在系統(tǒng)中包含多個(gè)不同類型的傳感器，一般采用基于以太網(wǎng)的時(shí)間同步協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主設(shè)備與傳感器的高精度時(shí)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(shí)間框架內(nèi)準(zhǔn)確分析處理。

一、時(shí)鐘源

1、GNSS

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)間同步中，多數(shù)情況下會(huì)配備高精度GNSS車(chē)載接收機(jī)，如圖1所示。GNSS接收機(jī)會(huì)解算導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)定位和授時(shí)功能。具體來(lái)說(shuō)，解算獲得導(dǎo)航衛(wèi)星中高精度原子時(shí)鐘與本系統(tǒng)時(shí)間的鐘差，從而校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間，完成GNSS的授時(shí)功能。

二、PPS＋GPRMC

隨后，GNSS接收機(jī)會(huì)發(fā)送PPS脈沖+GPRMC報(bào)文，信號(hào)如圖2所示。

1、PPS

PPS（Pulse Per Second，秒脈沖）：基于 UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）產(chǎn)生時(shí)間周期為1s的同步脈沖信號(hào)，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(bào)文之一，包含經(jīng)緯度、日期（年、月、日）和UTC時(shí)間（精確到秒）等信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口進(jìn)行輸出。

3、時(shí)間同步原理

通過(guò)PPS+GPRMC進(jìn)行時(shí)間同步原理如下：

當(dāng)設(shè)備（比如域控制器、工控機(jī)）接收到PPS秒脈沖后，會(huì)將內(nèi)部以晶振為時(shí)鐘源的系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行清零（毫秒及以下部分），并由此開(kāi)始計(jì)算毫秒時(shí)間。

設(shè)備收到GPRMC數(shù)據(jù)后，提取報(bào)文中的UTC時(shí)間（時(shí)、分、秒、年、月、日）。

收到秒脈沖到解析出GPRMC中UTC時(shí)間所用時(shí)間為tx，tx時(shí)間與UTC整秒時(shí)間相加同步給設(shè)備系統(tǒng)，進(jìn)而完成一次時(shí)間同步。

每秒鐘會(huì)精確校準(zhǔn)一次系統(tǒng)時(shí)間，以確保時(shí)間的準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。此時(shí)如果我們?cè)谟蚩刂破髋c各類傳感器之前都采用”P(pán)PS+GPRMC”，用兩根線來(lái)連接這兩個(gè)物理接口，技術(shù)上是可行的，但是實(shí)際上十分難以操作。

PPS是低功率脈沖電平信號(hào)，一次性帶十幾個(gè)設(shè)備是十分困難的，并且容易出現(xiàn)信號(hào)干擾。

GPRMC通過(guò)RS232串口發(fā)送同步報(bào)文，RS232是一種1對(duì)1的全雙工通信形式，也可以通過(guò)主從形式實(shí)現(xiàn)1對(duì)幾數(shù)據(jù)傳輸，但對(duì)十幾，非常少見(jiàn)。

因此，基于單純的PPS和GPRMC實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的時(shí)間同步，具有理論可行性，但并不具有實(shí)際可操作性。

三、高精度時(shí)間同步協(xié)議

1、PTP

PTP（Precision Time Protocol，精確時(shí)間協(xié)議）是一種IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)定義，用于在以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備提供一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間參考，從而確保數(shù)據(jù)的時(shí)效性和一致性。采用硬件時(shí)間戳，可以大幅減少軟件處理時(shí)間，同步精度可以達(dá)到亞微秒級(jí)。此外，PTP可以運(yùn)行在L2層（MAC層）和L4層（UDP層），在L2層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，可以在MAC層中直接進(jìn)行報(bào)文解析，避免在UDP層處理，減少協(xié)議棧中駐留時(shí)間，進(jìn)一步提高時(shí)間同步精度，十分適用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

PTP網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主時(shí)鐘（Master Clock）和多個(gè)從時(shí)鐘（Slave Clock）組成，。主時(shí)鐘通常連接到一個(gè)高精度的時(shí)間源，如GPS，而從時(shí)鐘則分布在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)設(shè)備上，如各類傳感器。同時(shí)定義了三種時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，包括普通時(shí)鐘，邊界時(shí)鐘和透明時(shí)鐘。

普通時(shí)鐘（Ordinary Clock, OC）：基本的從時(shí)鐘，只有一個(gè)PTP通信端口，只同步時(shí)間。

邊界時(shí)鐘（Boundary Clock, BC）：有多個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘，可以接收一個(gè)時(shí)間信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)段，如交換機(jī)或路由器。

透明時(shí)鐘（Transparent Clock, TC）：通過(guò)它的報(bào)文不需要進(jìn)行任何處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)。

2、時(shí)間同步過(guò)程

PTP通過(guò)在主從設(shè)備之間交互同步報(bào)文，并記錄下報(bào)文發(fā)送時(shí)間，從而計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲和主從設(shè)備間時(shí)鐘的偏差。同步報(bào)文包括：Sync、Follow_Up、Delay_Req和Delay_Resp，時(shí)間同步過(guò)程如下，如圖3所示：

① 主時(shí)鐘周期性的發(fā)送 Sync 報(bào)文 (預(yù)計(jì)時(shí)間) → 從時(shí)鐘接收 Sync 報(bào)文 (時(shí)間 t2)；

② 主時(shí)鐘發(fā)送 Follow_Up 報(bào)文 (實(shí)際發(fā)送時(shí)間 t1) → 從時(shí)鐘接收 Follow_Up 報(bào)文；

③ 從時(shí)鐘發(fā)送 Delay_Req 報(bào)文 (發(fā)送時(shí)間 t3) → 主時(shí)鐘接收 Delay_Req 報(bào)文 (接收時(shí)間 t4)；

④ 主時(shí)鐘發(fā)送 Delay_Resp 報(bào)文 (包含時(shí)間 t4) → 從時(shí)鐘接收 Delay_Resp 報(bào)文；

⑤ 從時(shí)鐘根據(jù)網(wǎng)絡(luò)往返延時(shí)和時(shí)鐘偏差的測(cè)量結(jié)果，調(diào)整其本地時(shí)鐘。

值得注意的是，t1和t4時(shí)間由主時(shí)鐘記錄，t2和t3時(shí)間由從時(shí)鐘記錄。這樣我們就可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和時(shí)間偏差。其中，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是Sync報(bào)文和Delay_Resp報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中往返傳輸?shù)臅r(shí)間，D=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。時(shí)間偏差是從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間差，Δ=(t2?t1)?D。

具體來(lái)說(shuō)，從設(shè)備會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延遲調(diào)整其接收到的同步報(bào)文的時(shí)間戳，以消除網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)的延遲影響。同時(shí)，從設(shè)備還會(huì)根據(jù)時(shí)鐘偏差的測(cè)量結(jié)果，調(diào)整其本地時(shí)鐘的頻率或相位，使其與主設(shè)備的時(shí)鐘保持一致。

3、gPTP

此外，除了PTP時(shí)間同步協(xié)議，我們也會(huì)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域時(shí)?？匆?jiàn)gPTP（Generalized Precision Time Protocol）協(xié)議。gPTP和PTP都是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步協(xié)議，其中PTP遵循IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，而gPTP是IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)。

PTP最初設(shè)計(jì)用于以太網(wǎng)，主要關(guān)注局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)的時(shí)間同步。而gPTP設(shè)計(jì)用于更廣泛的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)（WAN），以及跨越不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的場(chǎng)景。gPTP在PTP的基礎(chǔ)上增加了一些額外的功能和機(jī)制，以支持更廣泛的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景，比如邊界時(shí)鐘（Boundary Clock）的概念，用于處理網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜路徑。但它們的最終目的都是為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備提供高精度的時(shí)間同步。

四、時(shí)間同步方案

1、康謀數(shù)據(jù)采集方案

針對(duì)智駕域控制器測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，我們康謀帶來(lái)了一整套的數(shù)據(jù)采集方案?；贐RICK/ATX4系列工控機(jī)和時(shí)間同步XTSS軟件，如圖4所示。

在時(shí)間同步方面，GNSS作為絕佳的時(shí)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(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。方案架構(gòu)如圖5所示，配置BRICK/ATX4設(shè)備處于邊界時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，其他各類傳感器通過(guò)車(chē)載以太網(wǎng)（PTP/gPTP）連接進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)于相機(jī)，我們可以采用外觸發(fā)方式在主控中記錄此時(shí)系統(tǒng)時(shí)間或者通過(guò)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行打時(shí)間戳進(jìn)行記錄。

總的來(lái)說(shuō)，在BRICK/ATX4系列工控機(jī)中，集成了GNSS接收機(jī)，可以簡(jiǎn)便快捷的采集GPS信號(hào)，進(jìn)行授時(shí)，獲取精確的時(shí)間信息。配備了多個(gè)以太網(wǎng)接口，支持時(shí)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(dòng)駕駛各類場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

通過(guò)XTSS軟件可以進(jìn)行靈活的時(shí)間同步配置，包括gPTP和PTP（UDP – P2P, UDP – E2E, 1588 Ethernet – E2E）。因此，通過(guò)XTSS軟件可以在BRICK/AXT4工控機(jī)上（支持硬件時(shí)間戳的以太網(wǎng)接口）捕獲精確的硬件時(shí)間戳。

五、應(yīng)用案例

1、數(shù)采系統(tǒng)

通過(guò)BRICK/ATX4系列工控機(jī)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(shí)間同步服務(wù)。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。

在搭載好整個(gè)系統(tǒng)后，就可以對(duì)XTSS軟件配置PTP時(shí)間同步服務(wù)，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(dá)的時(shí)間同步配置。如圖7所示，我們可以看到激光雷達(dá)時(shí)間同步配置服務(wù)成功，與主時(shí)鐘的誤差在us級(jí)別。

作者介紹

鄭工

康謀科技自動(dòng)駕駛技術(shù)研發(fā)工程師 具備超過(guò)五年的汽車(chē)電子和自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)。在高精度傳感器數(shù)據(jù)采集、整合與優(yōu)化方面具有深厚的專業(yè)知識(shí)，尤其在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 曾多次代表公司參加國(guó)內(nèi)外技術(shù)研討會(huì)和培訓(xùn)項(xiàng)目，深入了解國(guó)際自動(dòng)駕駛行業(yè)的最新動(dòng)態(tài)和技術(shù)趨勢(shì)，積累了豐富的國(guó)際視野。 具備跨學(xué)科技術(shù)整合能力，擅長(zhǎng)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、可視化和算法開(kāi)發(fā)與集成，能夠高效優(yōu)化系統(tǒng)性能，增強(qiáng)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的環(huán)境感知能力。