下一代自動駕駛系統(tǒng)需要采用多激光雷達、多毫米波雷達、多攝像頭等各類傳感器，傳感器從采集數(shù)據(jù)到處理到發(fā)送到域控制器內(nèi)部，存在延時，且延時的時長不穩(wěn)定。為了提高自動駕駛的傳感器融合、決策規(guī)劃和融合定位等性能，自動駕駛高級域控制器HPC與其關(guān)聯(lián)的傳感器均需要做時間同步，實際過程就是需要定義清楚傳感器輸入數(shù)據(jù)的時間戳信息（包括打時間戳的時刻及精度要求），同時也需要定義整體時間同步方案和同步精度要求。

概述

要講清楚時鐘同步原理需要首先解釋清楚兩種時鐘同步類型：數(shù)據(jù)時鐘和管理時鐘。首先，整體上是組合慣導(dǎo)提供的UTC時間通過PPS+GPRMC給時間同步服務(wù)器授時。該時間同步服務(wù)器將相應(yīng)的時間信息通過PTP協(xié)議和中央網(wǎng)關(guān)，給各類傳感器數(shù)據(jù)采集主機授時。HPC則需要實現(xiàn)好內(nèi)部SOC和MCU之間的時間同步過程。

HPC的SOC和MCU之間的數(shù)據(jù)面時間通過gPTP協(xié)議時間同步，其中SOC為主master；HPC的SOC和MCU之間的管理面時間通過HPC私有協(xié)議進行同步，SOC為主Master，通過以太鏈路進行同步。

SOC和MCU同步過程中，管理時鐘和數(shù)據(jù)時鐘都會做同步，數(shù)據(jù)面用gPTP協(xié)議，在其時間同步精度要求250微妙內(nèi)，管理時鐘用私有協(xié)議，也通過以太網(wǎng)，精度是10ms。其內(nèi)部的管理時間和數(shù)據(jù)面時間就需要對齊，HPC要保證數(shù)據(jù)時鐘的連續(xù)性，不允許有異常跳變。因為異常跳變會引起很嚴重的數(shù)據(jù)誤傳和誤解析。

每次域控制器冷啟動時，域控制器會嘗試與提供主時鐘的節(jié)點持續(xù)進行一定時間（該時間可以根據(jù)實際情況按需標(biāo)定）的通信以進行初始同步。如果同步成功，則數(shù)據(jù)時鐘會采用當(dāng)前管理時間，以同步獲取到的絕對時間；對應(yīng)的驅(qū)動程序可以隨其啟動，并調(diào)用對應(yīng)的應(yīng)用軟件進行運算。如果同步不成功 ，域控制器會一直嘗試同步。

HPC與VDC的同步過程

整個同步分類主要包括中央域控制器與網(wǎng)關(guān)、各類傳感器及執(zhí)行器之間的同步。HPC的絕對時間通常通過中央網(wǎng)關(guān)CGW作為整車所有控制器提供統(tǒng)一時間源，將整體的同步時間戳輸出給所有關(guān)聯(lián)的控制器端（如車身域控制器PDC、整車域控制器VDC、座艙域控制器CSC等）。在下一代自動駕駛系統(tǒng)架構(gòu)中，整車域控制器VDC不僅承擔(dān)著控制整車執(zhí)行器端運行的功能，還同時兼任著中央網(wǎng)關(guān)CGW的功能，承載著HPC與其他域控制器信息交互和協(xié)議轉(zhuǎn)化的功能。

如下圖表示了自動駕駛控制器HPC與其關(guān)聯(lián)域控制器的連接關(guān)系。

前述講到VDC可作為中央網(wǎng)關(guān)功能，因此以HPC為中心的控制器間同步過程著重在于HPC與VDC之間的同步過程。通過VDC的信息中轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)各域控制器之間的同步及通信功能。各控制器主要通過以太網(wǎng)直連，采用基于以太網(wǎng)gPTP協(xié)議。HPC與VDC的同步過程需要考慮與HPC直連的GNSS輸入絕對時間為主時鐘，該時間誤差比較?。ㄍǔＴ?0ms內(nèi)）?？紤]智駕大數(shù)據(jù)云端分析精度，及 gPTP協(xié)議精度通常要求在250微妙內(nèi)，HPC和VDC定周期可采用其整數(shù)倍精度（如125毫秒）做同步。

HPC局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的同步過程

HPC局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步過程是指其與傳感器之間的同步過程。在自動駕駛私有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)均以域控制器為主節(jié)點Master，采用其相應(yīng)的數(shù)據(jù)端時間做時間源。HPC通過局部內(nèi)網(wǎng)單獨給傳感器（激光雷達、毫米波雷達、行車攝像頭、環(huán)視攝像頭和組合慣導(dǎo)等）提供統(tǒng)一時間源。過程中，分別通過以太網(wǎng)連接激光雷達、組合慣導(dǎo)（預(yù)留1PPS），同時通過CANFD/以太網(wǎng)連接毫米波雷達、超聲波盒子PDC，通過GSML/LVDS連接攝像頭（包含行車/環(huán)視攝像頭）。該類不同的網(wǎng)絡(luò)連接形式均作為從節(jié)點與網(wǎng)關(guān)做時間同步。

其中主要包含三大傳感器如下：

• 視覺傳感器：以行車控制和泊車控制的攝像頭進行區(qū)分。

行車攝像頭主要包括前視攝像頭、側(cè)視攝像頭、后視攝像頭為代表，泊車攝像頭主要指環(huán)視攝像頭；采用集中式方案后的攝像頭通常不再是一體機，而是簡單的傳感器而已，輸入的是原始圖像。

HPC和攝像頭通過視頻數(shù)據(jù)線纜如GSML或LVDS進行數(shù)據(jù)傳輸，HPC利用其數(shù)據(jù)時鐘（即系統(tǒng)時間，非絕對時間）作為時間源，定時發(fā)送觸發(fā)信號Trigger Signal給攝像頭，攝像頭基于實時觸發(fā)信號調(diào)整曝光時刻。由于單相機內(nèi)無法直接記錄對應(yīng)的時間戳，因此使用多相機同步觸發(fā)的方式進行同步，并以記錄域控內(nèi)的觸發(fā)信號的時刻作為圖像的初始時間戳。

攝像頭其成像中間（如下計算方式）時刻打時間戳，且時間精度要求在10ms內(nèi)。Tmidtime成像中間=Ttrigger（觸發(fā)時刻）+1/2*Texposure（曝光時間）；如上公式中曝光時間是固定的。

由于觸發(fā)時刻位于整幀圖像的曝光末尾，為了提高時間戳的精度，需要對曝光時長進行補償以獲取中間行曝光結(jié)束點時刻，來代表整幀圖像的曝光中間時刻；通常采用如下公式進行時間補償。

Tcompensate（補償時間）=每行長度×總行數(shù)/2

域控制器記錄時刻包括如下5個時刻：攝像頭成像中間時刻、圖像進感知模塊的時刻、圖像感知結(jié)果進融合模塊的時刻、感知融合結(jié)果發(fā)送時間、下游模塊接收時刻。

• 激光雷達：當(dāng)前主要利用的是半固態(tài)激光雷達。

HPC和激光雷達通常也是基于以太網(wǎng)gPTP協(xié)議結(jié)合千兆以太網(wǎng)直連，HPC為主節(jié)點Master，激光雷達為從節(jié)點Slave。HPC同步時間源采用的是絕對時間（即系統(tǒng)時間）作為數(shù)據(jù)時鐘，時間同步精度要求仍舊是250微妙內(nèi)。HPC和激光雷達采用同步時間精度的整數(shù)倍周期（比如可以是125毫秒、也可以是250ms）做同步，激光雷達需要按照該同步過程實時更新時間。此外，激光雷達需要在發(fā)出每幀點云中每個點的時間作為傳感器打時間戳的時刻要求（精度要求為1ms內(nèi)）。

同樣，域控制器需要基于激光雷達返回時間記錄激光點云發(fā)送點時刻（即激光雷達在接收到反射信號時可以記錄到每個點的時刻）；輸入域控制器時間戳（通常此時激光雷達已帶有相應(yīng)的時間信息，HPC則不用再打時間戳）；激光感知模塊時間戳（一般則由激光雷達供應(yīng)商進行原始點云信息處理，如果是集中式方案則由HPC中的SOC負責(zé)進行前端點云感知，并由專有的SOC進行感知后端融合）；感知結(jié)果帶上時間戳發(fā)送給下游模塊接收；且此時需要打上最后一個時間戳。域控制器的數(shù)據(jù)時鐘針對激光點云感知而言主要用于感知算法設(shè)計（這類算法可以是車端，也可以是云端），而絕對時間主要涉及本地時間，主要用于數(shù)據(jù)記錄和存儲業(yè)務(wù)。

• 毫米波雷達：主要指前毫米波雷達、角毫米波雷達。

通常前毫米波雷達單獨對信息進行同步，而角毫米波雷達群本身會存在一個主雷達對其所有的信息進行進一步過程同步。通常以上一代自動駕駛來說，毫米波雷達輸入數(shù)據(jù)通常采用的是目標(biāo)級數(shù)據(jù)，而下一代域控制器采用集中式方案后，對于將3D毫米波雷達更新?lián)Q代為4D毫米波雷達，即直接處理毫米波雷達點云的呼聲越來越高。這個過程中，毫米波雷達不再具備計算單元，而是簡單輸入點云數(shù)據(jù)。但由于毫米波雷達的微波信號處理仍舊存在較高的難度，對于下一代自動駕駛系統(tǒng)來說，很多OEM仍舊采用目標(biāo)級數(shù)據(jù)進行直連，時間同步精度通常要求叫激光雷達更加寬泛些，通常為1ms以內(nèi)。點云毫米波雷達發(fā)出和收到回波的中間時刻作為標(biāo)記打上時間戳，要求精度1ms內(nèi)。

同時，HPC和毫米波雷達通過設(shè)定1-2秒的周期間隔進行同步，該時間段內(nèi)毫米波雷達實時更新對應(yīng)的時間。同樣的，域控制器基于毫米波雷達返回時間支持記錄包含以下五個時刻的時間戳：

回波反射點生成時間戳、回波輸入至域控制器時間戳（當(dāng)然對于目標(biāo)級數(shù)據(jù)記錄，其毫米波雷達已帶時間戳信息，華為不再打時間戳）；毫米波雷達輸出的目標(biāo)物信息是由原始反射點聚類過濾得到，為了獲取更加精準(zhǔn)的時間戳，通常需要獲得原始反射點生成時刻的時間戳，如下圖紅色部分。

感知結(jié)果發(fā)送專門SOC/MCU并與其他傳感器做大融合時間戳。同樣的，域控制器的數(shù)據(jù)時間（或本地時間）用于算法設(shè)計運行，而絕對時間用于數(shù)據(jù)記錄和存儲業(yè)務(wù)。

HPC需要對智能camera和radar的報文需額外打上對應(yīng)報文進入時刻的時間戳，對數(shù)據(jù)進感知模塊時刻打時間戳，作為備份使用與毫米波雷達確認，尤其角雷達，通過時間同步信息才能確定角雷達是否可發(fā)出目標(biāo)。

• 組合慣導(dǎo)/獨立慣導(dǎo)系統(tǒng)

下一代自動駕駛系統(tǒng)中，不同的OEM對于慣導(dǎo)使用的類型有所不同，通常根據(jù)其自研能力分為組合慣導(dǎo)和獨立慣導(dǎo)兩種類型。由于組合慣導(dǎo)內(nèi)置衛(wèi)慣組合算法，根據(jù)實際應(yīng)用情況，這里我們只針對較為簡單的組合慣導(dǎo)的直連進行說明。HPC作為主節(jié)點Master而組合慣導(dǎo)為從節(jié)點，通過100兆以太網(wǎng)與組合慣導(dǎo)直連。其中，以太網(wǎng)仍舊是基于gPTP協(xié)議進行的。HPC同步時間源仍舊采用數(shù)據(jù)時鐘（即系統(tǒng)時間，非絕對時間）進行同步。要求時間同步精度要求：250微妙內(nèi)，同步周期為同步精度要求的整數(shù)倍時間間隔（如1毫秒或125毫秒）。其間，組合慣導(dǎo)根據(jù)RTK和IMU信息基于最近一次IMU采樣，打時間戳。其精度限制在1ms內(nèi)。

此外，IMU的采樣時刻、進入HPC時刻、進入后端融合模塊這三個時刻均會被打上時間戳。

HPC外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步過程

除開內(nèi)部網(wǎng)路節(jié)點時間同步外，對于下一代自動駕駛系統(tǒng)來說，其與相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行器之間(如集成制動控制系統(tǒng)EPBi、電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS、動力控制系統(tǒng)VCU)均存在大量外部信息交互。參考階段性集中控制方式，這類整車控制端口通常通過整車控制器VDC進行連接和同步控制。如前述，VDC實際亦可看成中央網(wǎng)關(guān)，除開對各類域控制器的信息轉(zhuǎn)發(fā)外，其還承擔(dān)著整個同步時間戳的定義和發(fā)送。因為對于整車系統(tǒng)，整個絕對時間是自動駕駛系統(tǒng)的域控制器HPC連接的GNSS/GPS所獲得的。

關(guān)聯(lián)系統(tǒng)通常是通過整車域控端口（VDC）進行單獨的時間同步控制，因此HPC和ESP、EPS、VCU之間通常是不存在直接的主從節(jié)點這類型的時間同步關(guān)系，而是在執(zhí)行指令過程中直接將各自時間戳發(fā)送給VDC控制器，在執(zhí)行過程中進行時間對齊即可。

HPC安全冗余控制過程中的時間同步過程

對于整個自動駕駛系統(tǒng)來說，在時間同步過程中仍舊需要考慮相應(yīng)的失效控制邏輯。考慮到其內(nèi)所包含的AI芯片SOC和邏輯芯片MCU所承載的不同的功能。通常在兩者出現(xiàn)故障的不同時刻會存在一定程度的功能降級。這類功能降級我們稱之為局部功能降級。局部功能降級期間，若部分SOC失效時，MCU通過晶振維護時間和傳感器做同步。期間，仍可接收Radar及其余SOC傳遞過來的攝像頭目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，并保持輸出時間戳的穩(wěn)定。因此，可以說局部功能降級后系統(tǒng)在短時間內(nèi)仍舊使用原時間戳做應(yīng)對，MCU仍可保持原時間數(shù)據(jù)穩(wěn)定（其時間同步過程可參照MCU中的管里面時鐘進行），支持功能的運行。因為短時間內(nèi)誤差很小，所以該時間內(nèi)不做時間同步風(fēng)險也很小。

當(dāng)然，如果整個HPC失效，則需要另外一個備份控制器（可以是另外一個低配版本的HPC，也可以是額外增加的智能攝像頭Smart Camera）進行安全控制。此過程中，則需要重新建立該備份控制器與對應(yīng)傳感器之間的時間同步關(guān)系。

另外一種失效模式為供電失效引起的功能降級。這里需要說明，域控制器存在兩種睡眠模式：深度睡眠和淺度睡眠。該睡眠模式主要與是否掐斷整體供電有關(guān)。如果控制器處于深睡眠，則數(shù)據(jù)時鐘直接使用上一次下電時存儲的管理時鐘，不再進行重新計時。如果控制器處于淺睡眠，則直接利用本次下電的管理時鐘進行計時。相對于深度睡眠來說，淺睡眠同步的時鐘結(jié)果更加準(zhǔn)確。當(dāng)然無論睡眠深淺，該時間段內(nèi)控制器時鐘始終是無效的，且各軟件均無法正常運行。當(dāng)然，由于整個淺睡眠轉(zhuǎn)化到深睡眠的時間是可以自定義的（如12小時）。

總結(jié)

本文詳細的講解了下一代自動駕駛系統(tǒng)的各個控制單元的時間同步原理，并對同步過程中的各個模塊提出了精度要求，涉及局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步、全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步。其中，局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步主要是針對自動駕駛系統(tǒng)內(nèi)部的傳感器與域控之間的同步關(guān)系。全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步主要是針對自動駕駛系統(tǒng)與外部關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（如控制制動、轉(zhuǎn)向、動力、車門、車燈、網(wǎng)關(guān)等）進行的時間同步關(guān)系。

對于整體計算精度而言，局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步是至關(guān)重要的，因為涉及的傳感器單元比較多，需要各自針對自身實際情況打上對應(yīng)的時間戳，并最終由域控進行總同步。全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步則實際參照各分域控與HPC之間的信息交互簡單的進行時間信息交換即可。這里需要注意的是，整體系統(tǒng)的絕對時間均來自于GNSS系統(tǒng)，通?？捎蒆PC或CSC進行連接輸入。