下一代自動駕駛系統(tǒng)需要采用多激光雷達(dá)、多毫米波雷達(dá)、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(yán)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)）。考慮智駕大數(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(dá)、毫米波雷達(dá)、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(dá)、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(dá)、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(dá)：當(dāng)前主要利用的是半固態(tài)激光雷達(dá)。

HPC和激光雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)需要按照該同步過程實時更新時間。此外，激光雷達(dá)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(dá)返回時間記錄激光點云發(fā)送點時刻（即激光雷達(dá)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(dá)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(dá)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(fù)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(dá)：主要指前毫米波雷達(dá)、角毫米波雷達(dá)。

通常前毫米波雷達(dá)單獨對信息進行同步，而角毫米波雷達(dá)群本身會存在一個主雷達(dá)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(dá)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(dá)更新?lián)Q代為4D毫米波雷達(dá)，即直接處理毫米波雷達(dá)點云的呼聲越來越高。這個過程中，毫米波雷達(dá)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(dá)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(dá)更加寬泛些，通常為1ms以內(nèi)。點云毫米波雷達(dá)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(dá)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(dá)實時更新對應(yīng)的時間。同樣的，域控制器基于毫米波雷達(dá)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(dá)已帶時間戳信息，華為不再打時間戳）；毫米波雷達(dá)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(dá)確認(rèn)，尤其角雷達(dá)，通過時間同步信息才能確定角雷達(dá)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?？紤]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(xì)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。