CN110967967B - 移动高级主时钟、建立高级主时钟的方法和自主车辆 - Google Patents

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Abstract

提供移动高级主时钟、建立高级主时钟的方法和自主车辆。一种高级主时钟被提出。高级主时钟具有：GNSS接口，接收GNSS时间同步数据；实时时钟(RTC)，具有晶体振荡器；一个或多个通信接口，与时钟校正源交换数据；以及时钟校正主机。时钟校正主机基于GNSS时间同步数据和来自时钟校正源的数据计算时钟漂移，生成调整的时钟数据，并且将调整的时钟数据写到来自不同位置的RTC。高级主时钟可在车辆中。

Description

移动高级主时钟、建立高级主时钟的方法和自主车辆
本申请要求于2018年9月28日提交的第62/739,100号美国临时专利申请的权益，其内容通过引用包含于此。
技术领域
本公开涉及一种用于跨多个域同步时钟的方法和设备。
背景技术
装置在时域中同步自身的一种常见方法是通过与全球导航卫星系统(GNSS)时钟自相关。遗憾的是，难以实现卫星中的时钟和装置接收器中的时钟之间的完全同步。由于这些相隔很远的时钟(一个在地球上并且一个在太空中)不能彼此完全步伐一致，因此它们生成的代码也不能完全同步。自然，由于这两个时钟之间的不一致，出现了时间偏移。时间偏移不仅包含信号从卫星到接收机的传输时间，它也包含时钟误差。事实上，每当对照小心控制的GNSS时间来检查卫星时钟和接收器时钟时，都会发现漂移。它们的振荡器是不完美的。它们受到温度、加速度、辐射和其它不一致的不稳定影响。结果，与GNSS同步的各种装置没有自动导致可位于不同域中的不同装置彼此完全同步。
自主车辆的操作需要精确的方法来同步输入数据、执行必要的计算并输出用于控制车辆的指令。在使自主车辆有效操作中包含三个域：车辆域、边缘域和云计算域。如图8所示，车辆域包括多个电子控制模块、传感器以及驱动装置。这些装置中的每一个通常由内部晶体振荡器钟控。边缘域包含两个或更多个车辆之间(V2X)以及车辆和周围基础设施或边缘之间(V2I)的时间同步。云计算域包含与车辆和边缘进行通信的计算机/服务器的组合。需要三个域之间的精确的时间同步，以确保云到边缘到车辆的协调，从而导致车辆的安全、有效的操作。时间参照中的任何不明确都可能产生灾难性的结果。
需要一种准确的同步车辆域、边缘域和云计算域的方法以预防事故和灾难。
发明内容
在一方面，本发明构思包括高级主时钟(GMC)，高级主时钟具有：接收GNSS时间同步数据的GNSS接口；实时时钟(RTC)，具有晶体振荡器；一个或多个通信接口，与时钟校正源交换数据；以及时钟校正主机，基于GNSS时间同步数据和来自时钟校正源的数据计算时钟漂移，生成调整的时钟数据，并且将调整的时钟数据写到RTC。
在另一方面，本发明构思包括建立高级主时钟的方法。所述方法需要：获得GNSS时间同步数据；检查使用GNSS时间同步数据的同步误差是否在预定义范围内；检查使用来自一个或多个时钟校正源的数据的同步误差是否在预定义范围内；如果任意同步误差在预定义范围之外，则计算对实时时钟(RTC)的校正；以及将所述校正应用于RTC。
在又一方面，本发明构思适用于一种包括多个传感器和高级主时钟的自主车辆，其中，所述多个传感器被同步到高级主时钟。高级主时钟包括：GNSS接口，接收GNSS时间同步数据；实时时钟(RTC)，包括晶体振荡器；一个或多个通信接口，与时钟校正源交换数据；以及时钟校正主机，基于GNSS时间同步数据和来自时钟校正源的数据计算时钟漂移，生成调整的时钟数据，并且将调整的时钟数据写到RTC。
附图说明
图1是描绘根据本发明构思的高级主时钟(Grandmaster Clock)的示例性实施例的框图。
图2是描绘由时钟校正主机用来将自身建立为高级主时钟的GNSS时间校正计算的示图。
图3描绘高级主时钟在与以太网源交互时如何充当时间同步的最高权威。
图4描绘高级主时钟在与无线源交互时如何充当时间同步的最高权威。
图5A是示出将具有足够高可靠性的时钟实现为主时钟的可行方法的表。
图5B描绘根据本发明构思的一个实施例的时钟校正主机确定用于调整内部晶体振荡器以考虑时钟偏斜、漂移和偏移的最佳源所使用的源选择处理。
图6A描绘根据本发明构思的一个实施例的用于确定时间钟校正源的神经网络训练处理。
图6B描绘根据本发明构思的一个实施例的用于使用神经网络确定时间钟校正源的处理。
图6C示出根据本发明构思的用于神经网络训练的权重优化的示例。
图7描绘包括以世界时间(World Time)使用IEEE 1588的连接和移动系统的本发明构思的示例性实施例。
图8描绘车辆域中的传感器和装置的示例。
具体实施方式
一种实现多个域之间的精确时间同步的方法是建立一个所有的各种装置都可同步到的准确的权威时钟源。同步的时间基础确保基于相关时间的数据可被加时间戳并发送到包括云平台的各种计算平台。在一个实施例中，可对数据进行计算，对处理后的信息应用一致的时间戳，并且将处理后的信息与时间戳数据传输回车辆。在此公开的方法和装置提供了一种具有期望准确度和精密度的准确的全球时间参照，以使用到云计算平台(多个时域)的无线连接或在车辆内作为独立平台(一个时域)进行操作。
方法和系统被期望为：不仅确定时域的范围内的时间准确度，还确定如何在保持正确时间的同时在同步的时域范围内和外转换。例如，时域可以是GNSS。有时，时域处于GNSS不可用的位置(超出范围)的情况下。高级主时钟(GMC)应能保持准确的时间，直到时域回到范围内，并能进行即时校正。
在此描述的方法和设备使用可进行自动驾驶的车辆内的同步时间信息的中央权威源。同步时间的中央权威源包括具有含有高度稳定晶体振荡器的实时时钟的处理器。中央权威源软件在时钟校正主机上运行。更具体地说，在此公开的方法和设备包含动态自适应时钟选择和神经网络的使用，以优化准确度、降低电力使用并减少成本。方法和设备允许多个时域和操作模式中的高度准确的同步，同时降低电力使用并减少成本。
当前的车辆时间敏感网络和标准(例如，IEEE 802.1AS，时间敏感网络)通常处理一个时域，并且时域被定义为仅车辆(本地时间)。这些网络和标准不解决如何管理晶体振荡器漂移、偏斜和老化。结果，传统的车辆时间技术需要多次时间转换以确保全球性的时间表示。管理包括大型分布式系统(车辆、基础设施和云)上的时钟漂移的时间转换依赖于可潜在地产生灾难性结果的容易出错的处理。
图1是描绘根据本发明构思的高级主时钟的示例性实施例的框图。如所示出的，高级主时钟10包括时钟校正主机20(作为处理单元)和晶体振荡器30。时钟校正主机负责校正本地晶体振荡器30。晶体振荡器30可以是电池支持的实时时钟。校正可使用来自GNSS源40、以太网(ETH)50、无线源(WiFi)60和近场通信(BLE)70的数据来进行。
GNSS接收器40与高级主时钟10通信。GNSS接收器40可具有用于向高级主时钟10提供GNSS时间同步信息的UART/1PPS同步接口。在卫星向高级主时钟(GMC)10提供数据的情况下，GNSS接收器40和高级主时钟10之间的接口可以是单向的。高级主时钟10包括可用于时钟校正源(诸如，ETH 50，WiFi或V2X 60，以及BLE 70)的额外主机无线和有线通信接口。高级主时钟10和额外接口50、60、70之间的数据流可以是双向的。额外接口50、60、70可位于与GMC 10相同的芯片上或外部。
图1描绘的布局与一个GNSS连接到一个装置(例如，传感器)的传统布局形成鲜明对比。图1的布局从每个装置都有自己的GNSS的布局转移到几乎像服务器与多个客户端一样执行时钟校正的模型。高级主时钟可请求周期性时间同步。
高级主时钟10可以是自主车辆的部分，并且不管自主车辆是正在移动还是静止，高级主时钟10功能相同。在一个实施例中，GMC 10利用现有车辆电源。因此，GMC 10意识到优化电力使用。虽然GMC 10在特定时域中用作中央权威时间源，但是可具有在单独的时域中起作用的车辆中的多于一个的GMC。例如，GMC可在两个时域(例如，作为“主”域的服务器时域是和作为“备份”域的客户端域)上实现服务器和客户端。此配置允许GMC作为主时间服务器，并且如果发现更高准确度的GMC则作为备份时间客户端。因此，GMC支持多个时域，并且允许从一个时域到另一个时域的时间校正传送。
图2是描绘由时钟校正主机20用来将自身建立为最高准确度时钟或高级主时钟的GNSS时间校正计算的示图。时钟校正主机20的目标不仅仅是提高GNSS位置的准确度；而是，目标是通过使用GNSS时间数据成为其它时钟的权威时间源。时钟校正主机20使用GNSS源40、以太网源50、无线源60以及近场通信70来校正通常作为电池支持的实时时钟的本地晶体振荡器30。如所示出的，具有根据NMEA(国家海洋电子协会)标准的时间戳的消息由通用异步接收机/发射机(UART)接收。它被转发到通过基于过去的测量计算时钟漂移、偏斜和偏移来对时间戳进行解码的通信中断服务例程(CISR)。时间校正方法对完全形成的软件和硬件时间戳进行操作，并且应用计算出的参数以对时钟数据进行调整。时钟校正主机20可与同步或异步接口工作。
1PPS(每秒脉冲)通用输入输出(GPIO)向GPIO同步中断服务例程发信号通知1秒边界过渡(1-second boundary transition)，GPIO同步中断服务例程然后将调整后的时钟数据写到实时时钟(RTC)。此处理有助于确定下一秒将发生多少漂移，从而获得绝对时间。使用图2的处理，时钟校正主机20使其自身成为高级主时钟。
图3描绘高级主时钟在与以太网源交互时如何充当时间同步的最高权威。如所示出的，上电时，主时钟与以太网的端到端透明时钟来回交换信号，以实现两个时钟之间的同步。透明时钟为接收或发送的同步消息加时间戳。与IEEE 1588协议一致，出发和到达的时间戳被用于在高级主时钟和其它时钟之间进行调整和同步时间。透明时钟向普通时钟发送同步信号，每个普通时钟在本地级别上根据需要进行调整。透明时钟还向边界时钟发送信号。边界时钟可从透明时钟接收时间，设置它自身时钟，并且从它自身时钟生成新的同步消息。
图4描绘高级主时钟在与无线网络交互时如何充当时间同步的最高权威。如所示出的，上电时，无线网络的边界时钟和高级主时钟经由云来回交换同步信号以确定同步调整。边界时钟将它的时间同步信号发送给它的一个或多个网络中的透明时钟和普通时钟。图3和图4展示了高级主时钟如何将它的时间传递给从装置。
在此描述的高级主时钟消息协议允许在一个以上的时域中管理时间戳。由于高级主时钟提供以世界时间格式操作的时间服务，所以除非明确期望，否则不需要时间转换来解释数据。例如，如果GMC以世界时间格式(诸如协调世界时间(UTC))提供时间数据，并且用户希望在他/她的本地时区中显示数据，则转换可在不影响系统的时间完整性的情况下进行。
图5A是示出将具有足够高可靠性的时钟实现为主时钟的可行方法的表。例如，众所周知GNSS具有良好的准确度。然而，如图5A所示，为了准确信息而依赖GNSS的一个限制是，为了获得准确的时间，跟踪和使用的卫星数量通常必须超过5。自然，在室内设置或高多路径环境中，GNSS的准确度受到影响。实时时钟(RTC)会受到时钟偏斜、偏移和漂移。除非那些参数处于相对于绝对时间的可接受的容许限度内，否则RTC不能作为主时钟被依赖。在需要不同时区和装置之间的近乎完全的同步来避免事故和灾难的高度动态的环境中，RTC的准确度可不足够可靠来作为主时钟。当偏斜、偏移和漂移被考虑在内时，GNSS趋向于比RTC具有更准确的时间。有线以太网没有RTC准确，无线通常甚至没有有线以太网准确。可以通过校准来确定源选择。在高度动态的环境中，此度量可能不准确。
RTC的准确度可随校正的频率而提高。然而，校正的频率的增加伴随着功耗的增加。增加的功耗是不期望的。为了减轻功耗的增加，可动态调整自身的校正的频率，以优化功耗和准确度。随着这种动态频率调整，可以以高准确度执行时钟校正，直到达到期望的准确度水平，在该点校正的频率降低。时钟校正系统(包括主机)可断电以省电。这种动态频率调整方法不是没有缺点。例如，进入和退出低功率模式或打开和关闭电源可消耗大量电力。无线调制解调器通常具有高上电要求。
图5B描绘时钟校正主机20确定用于调整内部晶体振荡器30以考虑时钟偏斜、漂移和偏移的最佳源所使用的源选择处理100。特定的源选择处理100是启发式方法，并且通过初始化时钟校正处理110开始。检查使用GNSS的时钟同步误差，以查看它是否在预定义的可接受参数范围内(120)。如果时钟同步误差在预定义的可接受的参数范围内，则计算GNSS校正并将GNSS校正应用于RTC(130)。另一方面，如果GNSS的时钟同步误差在预定义的可接受参数范围之外，则检查使用以太网的时钟同步误差，以查看它是否落在预定义的可接受参数范围内(140)。如果答案是“是”，则计算以太网校正并将以太网校正应用于RTC(150)。如果以太网的时钟同步误差落在预定义的可接受参数范围之外，则检查使用无线的时钟同步误差(160)。如果误差在预定义的可接受参数范围内，则计算无线校正并将无线校正应用于RTC(170)。如果所有时钟同步源具有不可接受的误差，则内部晶体振荡器(OCXO)被视为权威时钟源，而无需任何校正(180)。
在上述启发式方法的一个实施例中，GPS可被选择为默认时钟。当GPS数据不可用时，根据同步误差的大小，备用物按照那个顺序将是互联网或无线。启发式方法的缺点之一是它为静态。
图6A和图6B描绘根据本发明构思的实施例的时钟校正主机20确定用于使用神经网络来调节内部晶体振荡器30的源所使用的源选择处理200。在图6A中描绘的训练处理中，GMC记录相同位置处的包括互联网和无线的信号强度、卫星视图等信息，并获取对相同位置处的包括互联网和无线的信号强度、卫星视图等信息的访问。权重确定可针对每个感兴趣区域进行。训练需要计算或另外确定不同时间源(诸如GNSS、以太网和无线)的权重，并且可在期望进行权重确定的环境中进行。权重确定可基于使时钟偏斜最小化、使时钟漂移最小化、使时钟偏移最小化和/或使功耗最小化来进行。
图6C示出基于相对距离准则的权重优化的示例。权重基于来自GNSS、以太网和无线的带注释的收集的数据和时间真实性信息(Timing Truth Info)以及实际装置功率测量来确定。这些数据被预处理并且存储在带注释的数据库中。然后，基于约束优化方法(诸如，相对距离准则)，将数据库用作神经网络的训练源。在验证阶段，应用一个或多个机器学习算法以确保高正相关性和最小的假阴性。权重wi和wj基于相对目标aij以以下方式确定：
Figure BDA0002218336140000071
可以使用其它权重优化或约束的方法。
与图5A和图5B描绘的启发式方法不同，图6A和图6B的方法使用神经网络并且包括优化学习和/或自适应监督学习以实现期望的时钟准确度和/或功耗水平。如果神经网络模型是自适应的，则时钟校正源确定可通过逐渐改进时钟准确度推断来进行，从而最小化对神经网络训练的需要。神经网络模型可有助于处理车辆移动通过的动态环境。
GMC消息软件在被选择时在所选择的一个或多个接口上操作。只要满足低配置文件和时钟准确度，就不存在对使用多少接口的限制。通过使用图6A描绘的处理来训练神经网络。如所示出的，针对在所使用的示例中是GNSS、以太网和无线的可用的不同接口计算感兴趣区域的覆盖权重。当感兴趣区域的改变时，可重新计算权重。然后，如图6B所示，检查GNSS/无线/以太网数据(210)，并且基于计算出的校正对它们中的一个进行选择(220)。
图5A和图5B的启发式方法以及图6A和图6B的基于神经网络的方法都允许高级主时钟也充当主备份，在两个不同时区提供冗余。
基于神经网络的方法200的动态性质使得容易根据车辆所处的环境的状况来调整源。例如，如果车辆从城市地区行进到农村地区，则源可自动改变，以在不影响时间准确度的情况下最小化功耗。通常，在具有许多车辆和障碍物的城市地区中，准确度将优先于功耗。在农村地区中，情况将相反。
图7描绘包括以世界时间使用IEEE 1588的连接和移动系统的本发明构思的示例性实施例。本示例中的GMC包括GNSS+RTK+OCXO。与实时运动学(real-time kinematic，RTK)和晶体振荡器(OCXO)组合的GNSS提供了具有合理准确度的高级主时钟。当GNSS卫星在视野中时，使用如上描述时钟校正处理之一来校正高级主时钟准确度。当没有足够GNSS卫星在视野中时，高级主时钟的时间准确度可基于晶体振荡器特性而降低。IEEE 1588可被用于在无线基站回程中以50ppb和亚微秒准确度提供频率和时间同步。IEEE1588被广泛部署在分布式计算机后端网络中，并且靠包括10Gbps链路的多条以太网链路支持。各种装置与边界时钟同步，边界时钟转而与高级主时钟同步。
在车辆中，通常只有一个主装置和多个从装置(例如，IEEE 801.2AS)。这些部件在车辆中的单个时域中操作。缺点是没有具有备份时域的规定。GMC消息协议允许在1个以上的时域中管理时间戳。例如，GMC可实现一个时间服务器和多个时间客户端实例(时域的实例)。因此，GMC可实现多个时域，并且如果一个GMC中存在故障，备份GMC可立即接管。时域的多个实例的目的是允许系统中(例如，车辆上)存在多于1个的GMC。高级主时钟支持多个时域并提供主时间服务和备份时间服务的能力增加了时间服务的可靠性。
在图7所示的示例中，每个GMC将负责作为一个时域的权威时间源，但可同时充当不同时域中的另一个GMC的备份客户端。这与仅具有一个GMC的常规设置不同。GMC支持多于一个的时域的能力允许车辆上的多于一个的GMC，并且提供主时间服务和备份时间服务。这样的设置增加了时间服务的可靠性。
在以上描述的方式中，高级主时钟(GMC)确保并实现车辆中的最高水平的时钟准确度。在此所用的“车辆”是指能够从一个地理位置移动或被移动到另一个地理位置并被远程或本地控制的任何硬件，所述任何硬件包括但不限于汽车、飞机、火车、船只和无人驾驶飞机。GMC负责发现每个接口、配置每个接口和与每个接口的握手，它可从每个接口可接收时钟校正。GMC使用启发式处理或基于神经网络的处理来优化时钟校正源选择，以实现最高时钟准确度和低功率模式。由于GMC正在积极管理时钟准确度，因此GMC是车辆的时间的权威源。
在一个实施例中，GMC可以以世界时间格式(单个，统一时区格式)而不是本地时间格式来管理时间。世界时间格式定义可与支持世界时间(诸如，UTC)的其它系统实时关联的时间戳。在GMC提供以世界时间格式操作的时间服务的情况下，除非明确期望，否则不需要时间转换来解释数据。如果GMC以UTC提供时间数据，并且用户希望在本地时区中显示该数据，则用户可在不影响系统的时间完整性的情况下执行调整。
尽管实施例是按照方法或技术描述的，但应当理解，本公开还可覆盖包括非暂时性计算机可读介质的制品，用于执行所述方法的实施例的计算机可读指令被存储在非暂时性计算机可读介质上。例如，计算机可读介质可包括用于存储计算机可读代码的半导体、磁性、光磁性、光学或其它形式的计算机可读介质。此外，本公开还可覆盖用于实践在此公开的本发明构思的实施例的设备。这样的设备可包括专用和/或可编程的电路，以执行与实施例有关的操作。
这样的设备的示例包括通用计算机和/或当适当编程时的专用计算装置，并且可包括适于与实施例有关的各种操作的计算机/计算装置和专用/可编程硬件电路(诸如，电、机械和/或光学电路)的组合。
虽然本发明构思已参照示例性实施例被描述，但是对本领域技术人员来说将显而易见的是，在不偏离本发明构思的精神和范围的情况下可进行各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种移动高级主时钟，包括：
全球导航卫星系统GNSS接口，接收GNSS时间同步数据；
实时时钟RTC，具有晶体振荡器；
一个或多个通信接口，与时钟校正源交换数据；以及
时钟校正主机，基于GNSS时间同步数据和来自时钟校正源的数据计算时钟漂移，生成调整的时钟数据，并且将调整的时钟数据写到来自不同的位置的RTC，
其中，所述移动高级主时钟支持多个时域。
2.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，调整的时钟数据的写入包括：通用输入输出GPIO同步中断服务例程ISR接收指示用于确定未来时钟漂移的量的一秒边界过渡的GPIO信号。
3.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，使用过去的测量来进行时钟漂移的计算。
4.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，时钟校正源包括以太网、无线源和近场通信源中的一个或多个。
5.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，时钟校正源和时钟校正主机之间的数据交换通道是双向通道。
6.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，所述移动高级主时钟以世界时间格式管理时间。
7.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，所述移动高级主时钟充当它的域中的主时间服务器和另一个高级主时钟的备份时间服务器。
8.如权利要求1所述的移动高级主时钟，其中，所述移动高级主时钟允许从一个时域到另一个时域的时间校正的传送。
9.一种通过主动管理实时时钟RTC准确度来建立高级主时钟的方法，包括：
获取全球导航卫星系统GNSS时间同步数据；
检查使用GNSS时间同步数据的同步误差是否在预定义范围内；
检查使用来自一个或多个时钟校正源的数据的同步误差是否在预定义范围内；
如果任意同步误差在预定义范围之内，则计算对RTC的校正；以及
将所述校正应用于来自不同的位置的RTC，
其中，将所述校正应用于RTC的步骤包括：基于GNSS时间同步数据和来自时钟校正源的数据计算时钟漂移，生成调整的时钟数据，并且将调整的时钟数据写到RTC，
其中，高级主时钟支持多个时域。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：确定GNSS时间同步数据和来自所述一个或多个时钟校正源的数据的权重因子。
11.如权利要求10所述的方法，其中，确定的步骤是基于使时钟偏斜最小化、使时钟漂移最小化、使时钟偏移最小化以及使功耗最小化中的至少一个来进行的。
12.如权利要求10所述的方法，其中，当感兴趣区域变化时，针对不同的感兴趣区域动态地改变权重因子。
13.如权利要求9所述的方法，其中，校正的计算的步骤包括：
接收国家海洋电子协会NMEA消息；
对NMEA消息的时间戳进行解码；以及
发信号通知用于确定未来时钟漂移的量的一秒边界过渡。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述校正的计算的步骤包括基于过去的测量来计算时钟漂移、偏斜和偏移。
15.如权利要求9所述的方法，其中，时钟校正源之一是以太网，所述方法还包括：与以太网的透明时钟交换时间同步信号，使得透明时钟向其它时钟传输时间同步信号。
16.如权利要求9所述的方法，其中，时钟校正源之一是无线源，所述方法还包括与无线源的边界时钟交换时间同步信号。
17.如权利要求9所述的方法，其中，时钟校正源之一是近场通信源。
18.如权利要求9所述的方法，还包括同时为另一个高级主时钟提供备份时间服务。
19.一种自主车辆，包括：
多个传感器；以及
高级主时钟，所述多个传感器被同步到高级主时钟，高级主时钟包括：
GNSS接口，接收GNSS时间同步数据；
实时时钟RTC，包括晶体振荡器；
一个或多个通信接口，与时钟校正源交换数据；以及
时钟校正主机，基于GNSS时间同步数据和来自时钟校正源的数据计算时钟漂移，生成调整的时钟数据，并且将调整的时钟数据写到RTC，
其中，高级主时钟支持多个时域。
20.如权利要求19所述的自主车辆，其中，高级主时钟是第一高级主时钟，所述自主车辆还包括第二高级主时钟，其中，第一高级主时钟和第二高级主时钟彼此提供备份时间服务。
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