基于GPTP时间同步（时钟同步服务器）技术助力智能驾驶应用

基于GPTP时间同步（时钟同步服务器）技术助力智能驾驶应用
基于GPTP时间同步（时钟同步服务器）技术助力智能驾驶应用
智能驾驶区域网关架构并未采用车载以太网总线进行连接，而是采用传统的 CAN 总线、FlexRay 或 MOST 总线进行通信，若该架构被装配有 L4/L5 的自动驾驶功能的车辆采用，则可能会出现多个摄像头、激光雷达之间的时间同步不够精确而导致图像数据与点云数据不匹配，座舱域控制器显示屏的驾驶策略与扬声器发出的提示声音可能不同步，或者传感器采集感知数据传输到自动驾驶域控制器的时间延迟达不到要求，那么无疑该 L4/L5 的自动驾驶功能的车辆仅仅停留在演示的 Demo 车，无法真正实现 L4/L5 的自动驾驶功能。
因此，车内网络中各节点精确的时间同步对于实现 L4/L5 的自动驾驶功能是非常重要的，而基于车载以太网为骨干网络的通信具备时间同步功能，能够满足要求。
现阶段基于车载以太网的时间同步功能是基于 gPTP 协议进行的，但在实际应用中由于异常情况等原因导致时钟同步信息消失，进而使得时钟同步中断，如何在时钟同步信息丢失后快速进行同步仍然是车载以太网的时间同步功能需要解决的关键性问题。为了搞清楚车载以太网的时间同步技术的改进路线，我们在国家的专利数据库中查询车载以太网的时间同步技术的相关专利，通过查询使我们了解到了，在国际上，韩国的现代自动车株式会社申请了较多的车载以太网的时间同步相关的专利。在国内，高校和研究所中，TJ大学申请了车载以太网的时间同步的专利。

应用于主时钟与从时钟的时间同步修正方法、装置的专利，该专利针对基于 gPTP 协议的时钟同步信息丢失后如何快速进行同步提供一种确实可行的解决方案，具体要点为：

从时钟接收主时钟发送的同步时间消息后，计算主时钟与从时钟的时钟偏移量，并通过时钟偏移量对从时钟进行时钟偏移修正但不修正从时钟的时钟频率；当在指定的时刻后，才同步进行时钟偏移和时钟频率偏移修正。

以预设的调频时间作为起始位置，并在预设的时间段内对主时钟与从时钟的时钟频率偏移量进行追踪，对主时钟与从时钟之间的时钟频率偏移的趋势进行预估；
例如：根据用户需要设置测量时长，假设经历了 Ts_2 至 Ts_k 的测试时长，在测试时长对主从时钟进行修正，具体计算公式如下：

其中，公式（1）中，Offset_i 为第 i 次的时钟偏移量，其中，i 从第 2 次开始计算；公式（2）中，Offset_total 为 Ts_2 至 Ts_k 这段预设时长内的所有主从时钟的时钟偏移量。
因此，根据公式（1）至公式（4），计算时钟频率的校正结果对从时钟的时钟频率进行校正，从而使得主时钟与从时钟保持精准时钟同步。
根据某科技公开专利提供的实测数据，分别采用 HigPTP 的时间同步校正方法与现有技术中的 LinuxPTP 的时钟同步校正方法进行对比，如图 2 所示，结果显示采用 LinuxPTP 方法，经历 10min 后，时钟偏移量从初始的 31477ns 变为 95344ns，相差为 95344ns/10min，换算成秒则为 99.8nm/s。但是当采用 HigPTP 的方法，经历 10min 后，时钟偏移量从初始的 31044ns 变为 23243ns，相比于 LinuxPTP 方法，时间差降低为 7801ns/10min，换算成秒则仅为 13nm/s，时钟同步的精度提升约 8 倍。因此，经过 HigPTP 时间同步后，主时钟和从时钟的时间同步精度相对于现有技术有较大的提升。

图 2 采用某科技提供的 HigPTP 方法与现有 LinuxPTP 方法对主时钟和从时钟进行校正的结果对比
根据上述介绍可以知晓，目前国内外较多的机构和企业仍然在专注于车载以太网的精准时间同步技术研究，如图 3 展示的集中式的区域网关架构采用车载以太网的时间同步方案，假设为 HigPTP 方案，可以看出以自动驾驶域控制器作为主时钟，根据主时钟，采用 HigPTP 方案同步车载以太网摄像头和车载以太网激光雷达的时钟，同时，同步 TSN 网关的时钟。由于 TSN 网关通过车载以太网总线与不同的域控制器相连接，选择 TSN 网关作为主时钟，通过 HigPTP 对动力域控制器、底盘域控制器、车身域控制器、座舱域控制器的时钟进行精准同步。通过 HigPTP 的时钟同步方法，能够完成车载以太网为骨干网络的各节点的时钟精准同步。

图 3 基于车载以太网为骨干网络的精准时钟同步技术方案
若装配有 L4/L5 的自动驾驶车辆采用 HigPTP 方案，由于具备精确的时间同步功能，则车载以太网激光雷达、车载以太网摄像头的时钟能够精确同步，使得点云数据与图像数据能够做到同步采集，精确匹配。传感器采集的感知数据传输到自动驾驶域控制器的延迟能够可控，座舱控制器播放的提示音能够与画面显示的内容始终保持同步，那么该 L4/L5 的自动驾驶功能的车辆成为真正意义具备自动驾驶功能的车辆。
由此可见，车载以太网对汽车智能网联、ADAS、智能座舱、自动驾驶等功能至关重要，幸运的是目前国内已经有许多优秀的高科技企业在从事相关方面的研究并量产配套产品，伴随着汽车的智能化不断向前推进，相信不久的将来，以车载以太网总线为骨干网络的配套产品一定会在汽车的智能化浪潮中开枝散叶。