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統(tǒng)一時鐘源為了解決“鐘漂”問題，提供一個所有傳感器都遵循的共同時間基準，我們引入了統(tǒng)一時鐘源的概念，如下圖所示：

統(tǒng)一時鐘源有兩種常見方式：一種是基于 GPS 的 “PPS+NMEA” （秒脈沖+GPRMC），另一種是基于以太網(wǎng)的 PTP（IEEE 1588）、gPTP（IEEE 802.1AS）時鐘同步協(xié)議。 自駕領(lǐng)域主流的方案是結(jié)合上述兩種方案，以 GNSS 時鐘時間為基準時間，采用 PTP/gPTP 時鐘同步協(xié)議統(tǒng)一各 傳感器/域 之間的時鐘源，完成時間基準的統(tǒng)一。

2.1 時鐘源

自動駕駛系統(tǒng)目前絕大多數(shù)標配高精度 GNSS 接收機，而 GNSS 中導(dǎo)航衛(wèi)星內(nèi)置高精度原子鐘，GNSS接收機通過解算導(dǎo)航衛(wèi)星信號（大于等于 4 顆衛(wèi)星的信號），可以獲得接收機系統(tǒng)時間與衛(wèi)星原子鐘之間鐘差，并通過鐘差來校準自己的系統(tǒng)時間，得到超高精度的時鐘信號，這就是GNSS 的授時功能。

原子鐘是人類目前最精確的時間測量儀器，原子在不同能級之間的移動稱為“躍遷”，且由高能級躍遷到低能級時，會釋放電磁波。而對同一種原子來說，這種頻率是固定的，且不受溫度和壓力影響，只與自身能量有關(guān)，物理學(xué)上稱之為“共振頻率”。物理學(xué)家通過一些物理手段，獲得共振頻率的準確物理值。并以此值作為產(chǎn)生時間信號的基本節(jié)拍，即丈量時間的基本單位。據(jù)相關(guān)報道，北斗三號衛(wèi)星上的原子鐘300年才會有1s累積誤差。 

2.2 PPS+GPRMC

GNSS 接收機獲取時鐘信號后，會輸出兩類同步信號：①同步脈沖信號 PPS。其時間周期為 1s ，脈沖寬度5ms~100ms；②GPRMC 時間同步報文。通過標準串口輸出，符合 GPRMC 格式，用于提供精確的時間同步信息。

GPRMC 是一種包含UTC時間（精確到秒），經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)的標準格式報文。其格式如下：

其中 PPS 前沿時刻與 GPRMC報文 的發(fā)送在同一時刻，誤差為 ns 級別，可以忽略。PPS 秒脈沖（通常為1PPS，即1次每秒）為物理電平輸出，接收及處理 PPS 信號的時間在 ns 級別，依舊可以忽略。但 GPRMC數(shù)據(jù)一般通過波特率 9600 的串口發(fā)送，其發(fā)送、接收、處理時間 tx 在 ms 級別，是時間同步的關(guān)鍵。以下是使用 PPS+GPRMC 進行時間同步的原理。

（1）設(shè)備收到 PPS 秒脈沖信號后，將內(nèi)部以晶振為時鐘源的系統(tǒng)時間里的毫秒及以下時間清零，并由此開始計算毫秒時間。

（2）當(dāng)收到 GPRMC 數(shù)據(jù)后，提取報文里的年、月、日、時、分、秒的 UTC 時間。

（3）將收到秒脈沖到解析出 GPRMC 中 UTC 時間所用的時間 tx，與 UTC 整秒時間相加，同步給系統(tǒng)時間，至此已完成一次時間同步。下一秒再進行相同的過程，每秒準確校準一次。

基于單純的 PPS 和 GPRMC 實現(xiàn)整個自動駕駛系統(tǒng)的時間同步的局限：

PPS信號驅(qū)動能力不足：PPS 是一種低功率脈沖信號，驅(qū)動電流范圍通常為 0.5mA 至 20mA，難以觸發(fā)多個傳感器的穩(wěn)定工作。

PPS 信號抗干擾能力較弱：PPS 信號為無屏蔽的單線脈沖信號，在車輛復(fù)雜的電磁環(huán)境中容易受到干擾。當(dāng)多條 PPS 線同時布置在車內(nèi)時，可能難以區(qū)分干擾脈沖和有效同步脈沖，導(dǎo)致信號準確性下降。

GPRMC 報文的傳輸限制：GPRMC 通過 RS232 串口傳輸同步報文，RS232 為 1 對 1 的全雙工通信形式，可通過主從方式實現(xiàn)有限的 1 對 N 數(shù)據(jù)傳輸。然而，若需支持十幾臺設(shè)備的同步傳輸，實際應(yīng)用中可能面臨困難，需通過實驗驗證可行性。此外，線束的復(fù)雜性會對工程設(shè)計造成較大挑戰(zhàn)。導(dǎo)遠 INS570D 車載組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)的 PPS+GPRMC 信息如下：

若將其接入 Mid-360，則參考：

Mid-360 時間同步說明

• 時鐘源失效的嚴重后果：當(dāng)時鐘源丟失時，所有依賴同步的設(shè)備將失去統(tǒng)一基準，各設(shè)備時鐘將自主運行，失去全局協(xié)調(diào)。這種情況在對功能安全要求極高的自動駕駛系統(tǒng)中是不可接受的，需要設(shè)計冗余機制以確保在主時鐘故障時由備用時鐘迅速接替，維持全系統(tǒng)的正常運行。

2.3 PTP

PTP(Precision Time Protocol，IEEE 1588 V2)是基于以太網(wǎng)的高精度時鐘同步協(xié)議，是一種主從式的時間同步系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)主節(jié)點（Master Node）和從節(jié)點（Slave Node）之間的亞微秒級時鐘同步，前提是所有節(jié)點之間都通過以太網(wǎng)互聯(lián)，交換機支持 PTP 協(xié)議，并且每個節(jié)點都支持 PTP 協(xié)議。

設(shè)備中運行 PTP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)端口稱為 PTP 端口，PTP主端口用來發(fā)布時間，PTP從端口用來接收時間。同時定義了三種時鐘節(jié)點，邊界時鐘節(jié)點（BC，Boundary Clock）、普通時鐘節(jié)點（OC，Ordinary Clock）和透明時鐘節(jié)點（TC，Transparent clock）。

（1）邊界時鐘節(jié)點擁有多個PTP端口，其中一個用來同步上游設(shè)備時間，其余端口用來向下游設(shè)備發(fā)送時間。當(dāng)邊界時鐘節(jié)點的上游時間同步設(shè)備是GNSS接收機時，此時的邊界時鐘節(jié)點就是一個主時鐘節(jié)點（最優(yōu)時鐘）

（2）普通時鐘節(jié)點只有一個PTP端口，用來同步上游時鐘節(jié)點的時間。

（3）透明時鐘節(jié)點具有多個PTP端口，收到什么時間，轉(zhuǎn)發(fā)什么時間，不進行協(xié)議解析，內(nèi)部不參與時間同步

PTP通過在主從設(shè)備之間交互同步報文，并記錄下報文發(fā)送時間，從而計算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲和主從設(shè)備間時鐘的偏差。PTP定義了四條同步報文：Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp，精確同步過程如下：

（1）PTP 主端口向從端口發(fā)送 Sync 報文，同步記錄下 Sync 發(fā)送的時間 t1。從端口收到 Sync 報文后，記錄下收到的時間 t2。

（2）緊接著主端口將 t1 時間放到 Follow_Up 報文發(fā)送給從端口，從端口收到此報文后就可以解析出 t1，并由此得到第一個方程式：t1 + T_delay（網(wǎng)絡(luò)延時）+ T_offset（時鐘偏差）= t2。

（3）從端口向主端口發(fā)送 Delay_Req 報文，同步記錄下 Delay_Req 發(fā)送的時間 t3。主端口收到報文后，記錄下收到的時間 t4。

（4）緊接著主端口將 t4 時間放到 Delay_Resp 報文發(fā)送給從端口，從端口收到此報文后就可以解析出 t4，并由此得到第二個方程式：t3 + T_delay（網(wǎng)絡(luò)延時）- T_offset（時鐘偏差）= t4。

這里假設(shè)網(wǎng)絡(luò)延遲是對稱的，即上下行的延遲相等。解方程組得：

2.4 全域架構(gòu)時間同步方案

全域架構(gòu)下，智駕域控制器因為直接連接GNSS接收機（或內(nèi)置），而GNSS又是絕佳的時鐘源，因此智駕域控制器自然而然成為主時鐘節(jié)點，中央網(wǎng)關(guān)域控制器通過車載以太網(wǎng)主干網(wǎng)串聯(lián)起其它域控制器，自然而然成為邊界時鐘的最佳選擇，這樣在時鐘源丟失的時候，邊界時鐘節(jié)點同步主時鐘節(jié)點的系統(tǒng)時間，仍然可以保持整個全域架構(gòu)內(nèi)相對時間一致。

其它域內(nèi)傳感器、執(zhí)行器的時間同步需求，若沒有，此域控制器設(shè)計成普通時鐘節(jié)點即可。如有，可以設(shè)計成邊界時鐘，以保證無時鐘源時的相對時間統(tǒng)一。

基于以太網(wǎng)設(shè)備的時間同步方案已經(jīng)完善，而對于非車載以太網(wǎng)設(shè)備但有非常強烈同步需求的相機，我們還得特殊處理一下。將相機設(shè)置為外觸發(fā)模式，通過主控給相機外觸發(fā)脈沖信號， 即 PPS。相機拍照時，曝光時刻也會產(chǎn)生脈沖信號發(fā)送給主控，主控記錄此時系統(tǒng)時間，并將時間戳數(shù)據(jù)放到相機的圖像數(shù)據(jù)里。

完成時鐘源的統(tǒng)一后，每個傳感器數(shù)據(jù)都有了全局一致的時間參考。但會面臨一個新問題，不同的傳感器采樣頻率不一樣，比如激光雷達（通常為 10Hz）和相機（通常為 30Hz）。導(dǎo)致在特定時間獲取同步數(shù)據(jù)可能會有延遲，在動態(tài)環(huán)境中可能造成較大的誤差。

如下圖所示，三個傳感器具有不同的采樣頻率。在 T1 時刻，傳感器2 有一個數(shù)據(jù)，此時，我們需要對應(yīng)傳感器1 和  3的數(shù)據(jù)是多少，就會進行查找。查找的方式就是找對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)和傳感器2時間差最近的數(shù)據(jù)包。如果查找的數(shù)據(jù)包時間和 T1 時刻傳感器2 數(shù)據(jù)包的差距較大，在加上車身和障礙物都在移動，這樣誤差會比較大。為了緩解查找時間戳造成的誤差現(xiàn)象，主要采用的方式有硬件同步和軟件同步。

3.1 硬件同步

硬件同步是一種通過物理信號來確保不同傳感器數(shù)據(jù)采集時間一致性的方法。一種常見的硬件同步方法是使用 PPS 信號作為觸發(fā)器。PPS 信號是一個精確的時鐘信號，可以觸發(fā)傳感器在特定的時間點采集數(shù)據(jù)，以此來改變傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率。GNSS系統(tǒng)除了可以作為統(tǒng)一的時鐘源外，還可以利用其 PPS 脈沖來觸發(fā)傳感器在特定的時間點采集數(shù)據(jù)，當(dāng)使用 GNSS 的 PPS 脈沖時，傳感器給出的數(shù)據(jù)包中的時間戳即為對齊到絕對時間的上的全局時間戳（GPS時間戳）而非傳感器時間戳。由于 GNSS 的 PPS 的頻率通常只有 1Hz，所以通常需要一個設(shè)備把 PPS 信號轉(zhuǎn)發(fā)為任意頻率（分頻，1Hz -> 10Hz）、但是跟原始 PPS 信號同相位的方波，這樣就可以控制各傳感器的采集頻率了。

例如，激光雷達和相機可以配置為在 PPS 信號的上升沿采集數(shù)據(jù)，從而確保兩者的數(shù)據(jù)采集是同步的。具體來說，激光雷達可以利用其相位鎖定功能來實現(xiàn)與 PPS 信號的同步，如下圖所示。通過設(shè)置激光雷達的相位鎖定角度與相機視野的中心對齊，可以在激光雷達的激光束旋轉(zhuǎn)到相機視野中心線時觸發(fā)相機，實現(xiàn)兩者的同步采集。

當(dāng)然，由于激光雷達是連續(xù)旋轉(zhuǎn)采集數(shù)據(jù)，而相機則是瞬間曝光，因此硬件同步只能近似實現(xiàn)。例如，激光雷達的幀率若是 10Hz，那么一幀點云中最早和最晚采集的點之間的時間差可能達到 100ms。相機由于曝光是瞬時的，其所有像素點的采集時刻是一致的。因此，對于相機視野中心的點云，采集時間與圖像采集時間一致，但對于視野邊緣的點云，存在一定的時間偏差，這個偏差可能在 5ms 到 20ms 之間。

3.2 軟件同步

軟件同步是一種在數(shù)據(jù)處理階段對傳感器數(shù)據(jù)進行時間校正的方法。當(dāng)硬件同步無法實現(xiàn)或不足以滿足系統(tǒng)要求時，軟件同步提供了一種解決方案，利用已知的時間標簽和傳感器的運動信息來推算傳感器數(shù)據(jù)的準確時間點。

內(nèi)插外推法是軟件同步中常用的一種算法。通過以下步驟實現(xiàn)同步：

時間差計算：首先，計算兩個傳感器數(shù)據(jù)幀之間的時間差。例如，如果有一個激光雷達（Lidar）數(shù)據(jù)幀和一個相機數(shù)據(jù)幀，它們的時間標簽可能不同，我們需要找出這兩個時間標簽之間的差異。

運動信息獲取：收集傳感器在兩個時間標簽期間的運動信息，這通常包括速度、加速度和旋轉(zhuǎn)等。

位置推算：利用傳感器的運動信息和時間差，通過物理模型或機器學(xué)習(xí)模型推算目標在兩個時間點之間的位置變化。

建立新幀：根據(jù)推算出的目標位置，創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)幀，這個新幀代表了兩個原始數(shù)據(jù)幀之間的某個時間點的狀態(tài)。

3.2.3 其他方式

① ROS 中的 message_filters 包

ROS 提供了message_filters 包來進行時間軟同步，message_filters 類似一個消息緩存，分別訂閱不同傳感器的 Topic，當(dāng)消息到達消息過濾器時，并不會立即輸出，而是在滿足一定條件下輸出，產(chǎn)生一個同步結(jié)果并給到回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)里處理時間同步后的數(shù)據(jù)。

message_filters 只是輸出時間軸上相近的不同傳感器的數(shù)據(jù)，不能做到主動去同步！詳情參考 ROS時間同步----使用message_filters進行時間軟同步。

 ② 雙端隊列 std::deque

使用雙端隊列 std::deque 存儲不同傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同傳感器數(shù)據(jù)的時間戳進行判斷，對滿足時間同步要求的數(shù)據(jù)進行處理。類似 message_filters 包，只是輸出時間軸上相近的不同傳感器的數(shù)據(jù)。

來源：自動駕駛技術(shù)網(wǎng)