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技術文章
在自動駕駛中，主要涵蓋感知、規劃、控制三個關鍵的技術層面。在感知層面，單一傳感器采集外界信息，各有優劣，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。
要實現多傳感器的時間同步，首先，我們需要選擇一個統一的時鐘源，為整個系統提供時間基準，通過"PPS+GPRMC"形式完成主設備授時。此外，在系統中包含多個不同類型的傳感器，一般采用基于以太網的時間同步協議，實現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據能在統一時間框架內準確分析處理。
一、時間源
1、GNSS
在自動駕駛系統時間同步中，多數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星信號從而實現定位和授時功能。具體來說，解算獲得導航衛星中高精度原子時鐘與本系統時間的鐘差，從而校準系統時間，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（協調世界時）產生時間周期為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，全球定位系統推薦最小數據集）：是NMEA 0183報文之一，包含經緯度、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，會將內部以晶振為時鐘源的系統時間進行清零（毫秒及以下部分），并由此開始計算毫秒時間。
設備收到GPRMC數據后，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，進而完成一次時間同步。
每秒鐘會精確校準一次系統時間，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據采集和存儲。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。
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，并且容易出現信號干擾。
GPRMC通過RS232串口發送同步報文，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1對幾數據傳輸，但對十幾，非常少見。
因此，基于單純的PPS和GPRMC實現整個自動駕駛系統的時間同步，具有理論可行性，但并不具有實際可操作性。
三、高精度時間同步協議
1、PTP
PTP（Precision Time Protocol，精確時間協議）是一種IEEE 1588標準定義，用于在以太網中實現高精度的時間同步網絡協議。它能夠為網絡中的所有設備提供一個統一的時間參考，從而確保數據的時效性和一致性。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。
PTP網絡由一個主時鐘（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絡中的各個設備上，如各類傳感器。同時定義了三種時鐘節點，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發到另一個網絡段，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。
2、時間同步過程
PTP通過在主從設備之間交互同步報文，并記錄下報文發送時間，從而計算網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
主時鐘周期性的發送 Sync 報文 (預計時間) → 從時鐘接收 Sync 報文 (時間 t2)；
主時鐘發送 Follow_Up 報文 (實際發送時間 t1) → 從時鐘接收 Follow_Up 報文；
從時鐘發送 Delay_Req 報文 (發送時間 t3) → 主時鐘接收 Delay_Req 報文 (接收時間 t4)；
主時鐘發送 Delay_Resp 報文 (包含時間 t4) → 從時鐘接收 Delay_Resp 報文；
從時鐘根據網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絡延時和時間偏差。其中，網絡延時是Sync報文和Delay_Resp報文在網絡中往返傳輸的時間，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，從設備會根據網絡延遲調整其接收到的同步報文的時間戳，以消除網絡傳輸帶來的延遲影響。同時，從設備還會根據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時間同步協議，我們也會在自動駕駛領域時常看見gPTP（Generalized Precision Time Protocol）協議。gPTP和PTP都是基于IEEE標準的時間同步協議，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，主要關注局域網（LAN）內的時間同步。而gPTP設計用于更廣泛的網絡環境，包括局域網和廣域網（WAN），以及跨越不同網絡技術的場景。gPTP在PTP的基礎上增加了一些額外的功能和機制，以支持更廣泛的網絡環境和應用場景，比如邊界時鐘（Boundary Clock）的概念，用于處理網絡中的復雜路徑。但它們的最終目的都是為網絡中的設備提供高精度的時間同步。
四、時間同步方案
1、康謀數據采集方案
針對智駕域控制器測試和數據采集，我們康謀帶來了一整套的數據采集方案。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點。方案架構如圖5所示，配置BRICK/ATX4設備處于邊界時鐘節點，其他各類傳感器通過車載以太網（PTP/gPTP）連接進行時間同步，對于相機，我們可以采用外觸發方式在主控中記錄此時系統時間或者通過轉換器進行打時間戳進行記錄。
圖5：數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據，滿足自動駕駛各類場景下的數據采集任務。
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接口）捕獲精確的硬件時間戳。
五、應用案例
1、數采系統
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采系統并配置時間同步服務。此次，我們聯合友思特，搭載了以Blickfeld LiDAR+BRICK plus+XTSS軟件的數采采集系統，如圖6所示。
圖6：數采系統
在搭載好整個系統后，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
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