CN115576295A - 一种域控制器授时系统、域控制器及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种域控制器授时系统、域控制器及工程机械，其中域控制器授时系统包括中央域控制器、区域控制器和激光雷达，所述中央域控制器与卫星通信连接，用于接收所述卫星通信发送的基准时间；所述区域控制器与所述中央域控制器通过车载以太网通信连接，所述中央域控制器与所述区域控制器之间采用广义精确时间同步协议进行授时；所述激光雷达与所述区域控制器通过车载以太网通信连接，所述区域控制器和所述激光雷达之间采用所述广义精确时间同步协议进行授时。由此可以在中央域控制器、区域控制器和激光雷达之间通过广义精确时间同步协议实现高精度时间同步。

Description

一种域控制器授时系统、域控制器及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械域控制器技术领域，具体涉及一种域控制器授时系统、域控制器及工程机械。

背景技术

随着产业转型升级的持续推进，未来工程机械渗透率将会持续提升，新四化(电动化、网联化、智能化、共享化)将是未来工程机械行业发展的重点。从技术和价值链两个维度来分析，电动化是基础，网联化是条件，智能化是关键，共享化是趋势。

新四化趋势将指引未来工程机械电子电气架构由传统的分布式电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)演进为集中式的中央域控制器。中央域控制器是实现智能驾驶或自动驾驶的感知、规划、定位、决策等任务的主体，并完成车辆的实时控制，这就要求域控制器不仅需要具备强大的算力，还应确保所有任务执行的功能安全，确保所有任务执行的功能安全的前提条件之一是域控制器内部、以及与域控制器相连接的各电子电器能做到时间同步，以适应不同应用场景的工程机械自动驾驶需求和工程作业需求。

目前在域控制器内部、以及与域控制器相连接的电子电器之间还无法实现高精度时间同步。进一步的，不同时间戳的信息在融合时出现错误，这会给域控制器甚至整个工程机械自动驾驶系统业务执行带来风险，例如，根据错误的环境感知信息做出的决策规划自然也是错误的，这会导致工程机械的整个自动驾驶系统的性能下降，甚至带来人员生命财产风险。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种域控制器授时系统、域控制器及工程机械，以解决目前的域控制器内外电子电器间无法实现高精度时间同步的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种域控制器授时系统，包括中央域控制器、区域控制器和激光雷达，所述中央域控制器与卫星通信连接，用于接收所述卫星通信发送的基准时间；所述区域控制器与所述中央域控制器通过车载以太网通信连接，所述中央域控制器与所述区域控制器之间采用广义精确时间同步协议进行授时；所述激光雷达与所述区域控制器通过车载以太网通信连接，所述区域控制器和所述激光雷达之间采用所述广义精确时间同步协议进行授时。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，域控制器授时系统还包括毫米波雷达，所述毫米波雷达与所述区域控制器通过控制器局域网络总线通信连接，所述区域控制器和所述毫米波雷达之间采用CAN信号进行授时。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，域控制器授时系统还包括视觉传感器，所述视觉传感器与所述区域控制器通过LVDS总线通信连接，所述区域控制器和所述视觉传感器之间根据预设的反推规则进行授时。

结合第一方面至第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述中央域控制器包括中央网关和计算平台，所述中央网关的一端与所述计算平台连接，另一端与所述卫星通信连接，所述中央网关采用以太网交换机。

结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述区域控制器至少为两个，所述区域控制器之间采用环形连接。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述区域控制器之间采用车载以太网连接。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述激光雷达、和/或所述毫米波雷达、和/或所述视觉传感器与所述区域控制器连接。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第七实施方式中，所述中央域控制器中设有时钟芯片。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种域控制器，所述域控制器包括第一方面会第一方面任一实施方式所述的域控制器授时系统。

根据第三方面，本发明实施例还提供了一种车辆，所述车辆包括第二方面所述的域控制器。

本发明实施例提供的域控制器授时系统，包括中央域控制器、区域控制器和激光雷达，所述中央域控制器与卫星通信连接，用于接收所述卫星通信发送的基准时间，所述区域控制器与所述中央域控制器通过车载以太网通信连接，所述中央域控制器与所述区域控制器之间采用广义精确时间同步协议进行授时；所述激光雷达与所述区域控制器通过车载以太网通信连接，所述区域控制器和所述激光雷达之间采用广义精确时间同步协议进行授时，由此可以在中央域控制器、区域控制器和激光雷达之间通过广义精确时间同步协议实现高精度时间同步，并且可以实现时间敏感网络(Time-Sensitive Network，TSN)确定性低时延。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为域控制器授时系统的结构示意图；

图2为域控制器授时系统一示例的结构示意图；

图3为gPTP时钟同步原理图；

图4为gPTP频率同步原理图；

图5为gPTP延迟时间计算原理图；

图6为gPTP的同步方式示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例1提供了一种域控制器授时系统。图1为域控制器授时系统的结构示意图，如图1所示，域控制器授时系统包括中央域控制器、区域控制器和激光雷达，所述中央域控制器与卫星通信连接，用于接收所述卫星通信发送的基准时间；所述区域控制器与所述中央域控制器通过车载以太网通信连接，所述中央域控制器与所述区域控制器之间采用广义精确时间同步协议(generalized Precision Time Protocol，gPTP)进行授时；所述激光雷达与所述区域控制器通过车载以太网通信连接，所述区域控制器和所述激光雷达之间采用gPTP进行授时。示例的，卫星通信可以选用全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、北斗通信等。

其中，域控制器是指在“域”模式下，至少有一台服务器负责每一台联入网络的电脑和用户的验证工作，相当于一个单位的门卫一样，称为“域控制器(Domain Controller，简写为DC)”。区域控制器为在每个区域进行数据收集和管理的控制器，中央域控制器为利用区域控制器收集的数据进行计算的控制器。

具体到工程机械领域而言，中央域控制器为整个工程机械的计算平台，是整个工程机械的神经中枢，负责所有其他区域控制器的协同调度；区域控制器为无人驾驶和/或无人作业控制器，负责工程机械与无人驾驶和/或无人作业相关的业务，激光雷达是工程机械搭载的传感器之一，负责采集环境感知数据。

示例的，工程机械域控制器不仅可以接收无人驾驶和或无人作业需要的数字信号数据、设备状态信息、补偿信息和定位天线数据，而且还可以接收无人作业需要的模拟信号数据；在工程机械域控制器中可以根据获取的上述数据进行感知融合、决策规划、控制执行按照既定逻辑进行所需要的计算处理，以实现工程机械设备广义上的无人作业功能。

TSN的任务是确保数据包在一个确定的时间窗口内交付，而不会因为链路拥塞错误导致丢失或高延迟。这其中很重要的一个环节是能够确保网络中的所有网元(Elements)同步在相同的时间基准。

TSN协议栈是一系列IEEE 802.1标准的集合，包括技术类和配置类。技术类也称为组件，主要有五类组件构成，包括时间同步组件、可靠性组件、延时控制组件、资源管理组件和安全组件。配置类主要分为工业领域、汽车领域和移动领域等。汽车领域主要涉及两份配置标准IEEE 802.1BA和IEEE P802.1DG，后者将gPTP定义为车载以太网TSN网络下时间同步的标准。其中，gPTP基于PTP(IEEE 1588v2)协议进行了一系列优化，形成了更具有针对性的时间同步机制，可以实现同步精度在±500ns内。

具体的，gPTP时钟同步原理图如图2所示。具体的，如图2所示，授时系统包括GrandMaster(相当于中央域控制器)、Gateway(相当于区域控制器)和End Point(相当于激光雷达)，其中Grand Master是所有时间或者时钟授时的源头，Gateway和End Point都是由Grand Master授时的。

通常所说的时间同步的时间有两个来源，第一个是世界时间，例如图6中的日时间(Time of Day，TOD)，第二个是系统时间；在物理层(Physical Layer，PHY)中将系统时间与世界时间进行同步，然后再授时。

其中，TOD的单位为秒，最大误差为1秒，所以使用PPS信号可以实现更好精度的同步；系统时间是由时钟芯片提供，时钟芯片提供稳定的时钟(clock，CLK)信号和秒脉冲(Pulse per Second，PPS)信号，PPS信号用于时间同步，而CLK信号用于时钟同步；PHY需要CLK信号来作为工作时钟，需要PPS信号用于gPTP时间触发信号；使用同源的信号以保证更高的精度。GNSS信号丢失之后，由于内置的时钟芯片仍旧可以产生PPS信号，保证整个系统内部的时间仍旧进行同步，待GNSS恢复后与世界时间再进行同步。

从设备需要主设备进行授时，也就是说要对齐主设备，因此gPTP相关信号都是由主设备的系统级芯片(System on Chip，SOC)/Switch发出来的，而从设备的SoC/Switch接收这些信号，从而实现时间同步，具体的，Grand Master是主设备，Gateway是Grand Master的从设备、也是End Point的主设备。

gPTP的相关信号是由PHY来传输的，从设备在接收到主设备的PHY传输的信号之后，SyncE CLK作为时钟同步的信号，需要与时钟芯片相连从而达到时钟同步；gPTP信号传输给SoC/Switch，用于进行系统时间同步；同时时钟芯片也会给PHY发出CLK和PPS，用于PHY的正常工作；时钟芯片发出的PPS信号与接收到的SyncE信号形成闭环，可达到更高精度的时间同步。更加具体的，gPTP定义有两类报文，事件类型报文(包括Sync、Pdelay_Req、Pdelay_Resp三条)和一般类型报文(包括Follow_UP、Pdelay_Resp_Follow_UP二条)。

gPTP协议包括频率同步和相位同步。gPTP Slaver的时钟频率需要与Master相匹配，频率同步的实现方式如下所示：

gPTP协议中的主时钟master会不停地发送Sync报文和Follow-up报文，从时钟slave能够测量出自己收到Sync报文的时间，即图3中的T2和T4，这个时间是以slave的本地时钟为基准的。在每个sync报文之后，master都会发送一个follow-up报文，告诉slave发送上一条sync报文时的时间戳，以master的本地时钟为基准。没有follow-up报文的话，slave无法知道Sync报文的实际发送时间，即图3中的T1和T3。有了T1、T3和T2、T4，slave计算出自己的时钟频率与master之间的偏差，计算式如下所示：

同时，slave为了将自己的时钟与master同步，必须测量出与master之间报文传递的延迟时间。时延测量使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Followup三种gPTP报文。具体的测量方式如图4所示：

1.首先slave发送PDelay_Req报文，请求测量延迟时间；

2.PDelay_Req报文离开物理层时，slave利用本地时钟获得T1时间戳；

3.PDelay_Req报文到达应答方物理层，master利用本地时钟获得T2时间戳；

4.master生成一个Pdelay_Resp报文并发送，将T3时间戳带给slave；

5.slave利用本地时钟可以捕获收到Pdelay_Resp时的时间戳T4；

6.然后master会发送Pdelay_Resp_Followup报文将T3带给slave；

Slave根据T1,T2,T3,T4这四个时间戳，利用如下算式计算延迟时间：

其中R是slave与master之间时钟频率的偏差。

在计算出延迟时间和频率差异之后，slave就可以利用master不断发送的sync和Follow_up报文将自己的时钟与master进行同步了。具体的同步方式如图5所示。

计算公式如下所示：

Ta＝T1+Tdelay+(Tb-T2)×R

在上述计算式中，Tb是slave在某时刻的本地时间戳，Ta是该时刻master上的本地时间戳。同步的目的，就是根据Tb可以推算出Ta的值。在这个计算式中，slave通过sync和follow_up报文获得T1和T2，delay和R在之前的延迟时间和频率差异计算中已经获得。所以，slave能够根据本地时间戳Tb计算出master上的时间戳Ta，时间同步就实现了。

由此可见，本发明实施例提供的域控制器授时系统，包括中央域控制器、区域控制器和激光雷达，所述中央域控制器与卫星通信连接，用于接收所述卫星通信发送的基准时间，所述区域控制器与所述中央域控制器通过车载以太网通信连接，所述中央域控制器与所述区域控制器之间采用广义精确时间同步协议进行授时；所述激光雷达与所述区域控制器通过车载以太网通信连接，所述区域控制器和所述激光雷达之间采用广义精确时间同步协议进行授时，由此可以在中央域控制器、区域控制器和激光雷达之间通过广义精确时间同步协议实现高精度时间同步，并且可以实现TSN确定性低时延。

也就是说，在上述域控制器授时系统中，利用gPTP实现中央域控制器、区域控制器和激光雷达的us级别的高精度时间同步。其中，在gPTP中使用了Sync报文，由此可以实现中央域控制器、区域控制器和激光雷达的频率同步，避免了中央域控制器、区域控制器和激光雷达由于环境因素导致晶振漂移带来的频偏。

进一步的，域控制器授时系统还包括毫米波雷达，所述毫米波雷达与所述区域控制器通过控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线通信连接，所述区域控制器和所述毫米波雷达之间采用CAN信号进行授时。

这是因为，目前主流的车载毫米波雷达采用调频连续波(Frequency ModulatedContinuous Wave，FMCW)调制方式，其上电后开始进行信号的发送和接收，无法接收外部的时间，毫米波雷达周期性发送CAN信号，所以可以从CAN信号中获取数据时间。

进一步的，域控制器授时系统还包括视觉传感器，所述视觉传感器与所述区域控制器通过低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)通信连接，所述区域控制器和所述视觉传感器之间根据预设的反推规则进行授时。示例的，视觉传感器可以为摄像头。

这是因为，自动驾驶上使用的卷帘快门(rolling shutter)相机是支持外部触发曝光的，但由于相机帧周期包括曝光时间和整帧像素点读出时间，所以需要关注曝光时间，对于相同cmos(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相机，其整帧像素点读出时间是固定的，因此区域控制器和所述视觉传感器之间可以根据预设的反推规则进行授时。例如，可以利用区域控制器中的时间减去预设时间来反推相机中的曝光时间，其中预设时间可以根据整帧像素点读出时间来确定，曝光时间可为曝光中间时间。

示例的，如图6所示，所述中央域控制器包括中央网关和计算平台，所述中央网关的一端与所述计算平台连接，另一端与所述卫星通信连接，所述中央网关采用以太网交换机。示例的，中央网关采用支持TSN的千兆以太网交换机，例如NXP的S32G2，采用GPS授时，各个以太网端口通过gPTP发送时间信息，在满足高精度时间同步的同时可以实现确定性低时延。在计算平台主要进行整合计算，包括智能驾驶等。

具体的，所述区域控制器至少为两个，所述区域控制器之间采用环形连接。如图1所示，分区1与分区2连接，分区2与分区3连接，分区3与分区1连接。示例的，分区1、分区2和分区3网关采用支持TSN的交换机，例如NXP的SJA1105，将其中某一端口作为从时钟，通过接受主时钟分发的时间信息实现与GPS的时间同步，并通过其他以太网端口分发时钟给其他终端节点，实现整个工程机械车辆的系统级别的高精度时间同步及低时延数据交互。在分区1、分区2和分区3的微控制单元(Micro Control Unit，MCU)中进行信息监控、转发、管理等。

示例的，在车辆中包括1个中央域控制器和3个区域控制器，即分区1、分区2和分区3，其中中央域控制器设置在车辆的前端，分区1设置在车辆的后端，分区2设置在车辆的左侧，分区3设置在车辆的右侧。每个分区就近的传感器以及其他的设备，比如车门车窗等控制器等与该分区对应的区域控制器连接。

具体的，如图1所示，所述区域控制器之间采用车载以太网连接。如图1所述，在正常情况下，中央网关分别对分区1、分区2和分区3进行授时，分区1对分区1-ECU1和分区1-ECU2进行授时，分区2对分区2-ECU1和分区2-ECU2进行授时，分区3对分区3-ECU1和分区3-ECU2进行授时。当分区2内部发生故障时，分区2-ECU1和分区2-ECU2使用本地时间，待分区2恢复之后，将时间重新对齐。当分区2的外部线路，例如当分区2与中央网关连接的端口发生故障时，由于整个系统采用环形以太网架构，所以分区2可以通过分区1或分区3进行授时，进一步的，可以选取最短路径对分区2进行授时，假如分区1与分区2的距离小于分区3与分区2的距离，可以采用分区1对分区2进行授时。当分区2与分区2-ECU1或分区2-ECU2的端口发生故障时，分区2-ECU1或分区2-ECU2就无法进行授时，只能使用本地时间。其中ECU表示电子控制单元。

具体的，所述激光雷达、和/或所述毫米波雷达、和/或所述视觉传感器与所述分区连接。如图1所示，分区1-ECU1、分区2-ECU2可以为激光雷达、所述毫米波雷达或所述视觉传感器。

进一步的，所述中央域控制器中设有时钟芯片RTC。由此，中央域控制器通过时钟芯片快速锁定GPS的秒脉冲(1Pulse Per Second，1pps)，并通过通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接受GPS的TOD时间信息，及时短暂的GPS信号丢失，也能通过内部的晶振来保持模式锁定PPS相位，并输出时钟给PHY时间计数，同时时钟芯片输出的PPS信号给PHY物理层附上时间戳。

由此可见，本发明实施例1提供的域控制器授时系统具备如下有点：

(1)各传感器、各网关都采用车载以太网连接，并通过gPTP协议实现高精度时间同步的同时实现TSN确定性低时延。

(2)中央域控制器通过TSN确定性以太网gPTP+SYNC的混合模式实现底板和扩展板及各传感器的us级别高精度时间同步。

(3)在具体时间同步方案上采用专用时钟芯片，能快速锁定GPS时间相位并在GPS短暂丢失场景下维持PPS信号相位，同时采用硬件打戳的方法实现更高同步精度、更低时延。

(4)采用了SYNC-E物理同步以太方式实现系统各个节点的频率同步，保证了各个模块由于环境因素导致晶振漂移带来的频偏。

实施例2

在本发明实施例1的基础上，本发明实施例2还提供了一种域控制器，其中域控制器包括本发明实施例1的域控制器授时系统。

进一步的，本发明实施例2还提供了一种工程机械，包括上述的域控制器。具体的，所述工程机械包括但不限于工程车辆、乘用车辆，更加具体的，工程车辆可以为叉车、起重机、压路机等等。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种域控制器授时系统，其特征在于，包括：

中央域控制器，与卫星通信连接，用于接收所述卫星通信发送的基准时间；

区域控制器，与所述中央域控制器通过车载以太网通信连接，所述中央域控制器与所述区域控制器之间采用广义精确时间同步协议进行授时；

激光雷达，与所述区域控制器通过车载以太网通信连接，所述区域控制器和所述激光雷达之间采用所述广义精确时间同步协议进行授时。

2.根据权利要求1所述的域控制器授时系统，其特征在于，还包括：

毫米波雷达，所述毫米波雷达与所述区域控制器通过控制器局域网络总线通信连接，所述区域控制器和所述毫米波雷达之间采用CAN信号进行授时。

3.根据权利要求1所述的域控制器授时系统，其特征在于，还包括：

视觉传感器，所述视觉传感器与所述区域控制器通过LVDS总线通信连接，所述区域控制器和所述视觉传感器之间根据预设的反推规则进行授时。

4.根据权利要求1～3任一项所述的域控制器授时系统，其特征在于，所述中央域控制器包括中央网关和计算平台，所述中央网关的一端与所述计算平台连接，另一端与所述卫星通信连接，所述中央网关采用以太网交换机。

5.根据权利要求4所述的域控制器授时系统，其特征在于，所述区域控制器至少为两个，所述区域控制器之间采用环形连接。

6.根据权利要求5所述的域控制器授时系统，其特征在于，所述区域控制器之间采用车载以太网连接。

7.根据权利要求5所述的域控制器授时系统，其特征在于，所述激光雷达、和/或所述毫米波雷达、和/或所述视觉传感器与所述区域控制器连接。

8.根据权利要求5所述的域控制器授时系统，其特征在于，所述中央域控制器中设有时钟芯片。

9.一种域控制器，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的域控制器授时系统。

10.一种工程机械，其特征在于，包括权利要求9所述的域控制器。

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