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技術(shù)文章
01 引言
自動(dòng)駕駛車輛行駛過程中，多傳感器（相機(jī)、激光雷達(dá)等）采集的帶有精準(zhǔn)同步時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，是車輛實(shí)現(xiàn)高精度感知、定位、決策與規(guī)劃的核心前提。正因如此，在自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器與主控單元之間通常會(huì)采用(g) PTP 協(xié)議，以保障多傳感器的硬件時(shí)間同步。
然而和客戶對(duì)接過程中，客戶普遍反饋在實(shí)際開發(fā)過程中，要實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)傳感器與主控平臺(tái)的精準(zhǔn)時(shí)間同步，往往會(huì)面臨時(shí)間同步精度不足、多傳感器時(shí)間戳不統(tǒng)一、系統(tǒng)部署流程復(fù)雜、數(shù)據(jù)質(zhì)量難以管控等一系列問題。
康謀長(zhǎng)期致力于多傳感器數(shù)據(jù)采集方案開發(fā)，在解決客戶問題的實(shí)踐中，積累了應(yīng)對(duì)上述時(shí)間同步問題的豐富經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì) PTP 時(shí)間同步協(xié)議在傳感器與主控平臺(tái)間的應(yīng)用，分享相關(guān)的實(shí)踐案例與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，和大家一起討論學(xué)習(xí)。
02 相機(jī)與工控機(jī)時(shí)間同步
PTP時(shí)間同步體系
以相機(jī)和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)PTP時(shí)間同步部署為例，相機(jī)采集端口采集用以太網(wǎng)接口(支持PTP)，工控機(jī)對(duì)應(yīng)采用以太網(wǎng)接口(支持PTP)，以此搭建基礎(chǔ)的同步硬件鏈路。此外，激光雷達(dá)通常采用車載以太網(wǎng)（支持 (g) PTP 協(xié)議）完成時(shí)間同步，其實(shí)現(xiàn)思路與部署邏輯和本案例中的相機(jī)方案同理。
PTP時(shí)間同步可以簡(jiǎn)單劃分為四層結(jié)構(gòu)：
①硬件層：依托網(wǎng)卡 PHC（Precision Hardware Clock）硬件時(shí)鐘，在數(shù)據(jù)包收發(fā)的物理層 / 數(shù)據(jù)鏈路層邊界直接打上時(shí)間戳?？梢?guī)避軟件協(xié)議棧的延遲干擾，為整個(gè)同步體系提供納秒級(jí)的硬件時(shí)間基準(zhǔn)。
②協(xié)議層：基于 IEEE 1588 PTP 協(xié)議，通過 Sync/Follow-Up 和 Delay_Req/Delay_Resp 兩組核心消息對(duì)實(shí)現(xiàn)主從同步。Sync/Follow-Up 消息傳遞主時(shí)鐘精確時(shí)間，Delay_Req/Delay_Resp 消息測(cè)量鏈路往返延遲，最終計(jì)算主從時(shí)鐘偏移量并完成從時(shí)鐘校正。
③系統(tǒng)層：采用phc2sys工具，將 PHC 硬件時(shí)鐘時(shí)間同步至 Linux 系統(tǒng)時(shí)鐘（CLOCK_REALTIME），確保系統(tǒng)時(shí)間與硬件時(shí)間的一致性，保障同步穩(wěn)定性。
④應(yīng)用層：從圖像緩沖區(qū)的 Chunk 數(shù)據(jù)中提取 PTP 硬件時(shí)間戳，時(shí)間戳以 int64_t 格式存儲(chǔ)，保持納秒級(jí)精度，并直接關(guān)聯(lián)到每一幀圖像數(shù)據(jù)。
多網(wǎng)口同步架構(gòu)
在多相機(jī)場(chǎng)景中，每個(gè)網(wǎng)口需要運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的ptp4l實(shí)例。如果配置不當(dāng)，多個(gè)實(shí)例會(huì)產(chǎn)生沖突，就像多個(gè)“Master"各自發(fā)布不同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。
針對(duì)這一問題，采用系統(tǒng)時(shí)鐘中轉(zhuǎn)同步架構(gòu)，以 Linux 系統(tǒng)時(shí)鐘為統(tǒng)一基準(zhǔn)，借助phc2sys工具實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)口 PHC（Precision Hardware Clock）的層級(jí)化同步，解決多實(shí)例沖突問題。
在實(shí)現(xiàn)過程中，將所有PHC都通過phc2sys同步到系統(tǒng)時(shí)鐘，確保時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一。每個(gè)網(wǎng)口的 ptp4l 實(shí)例仍基于自身綁定的 PHC 獨(dú)立工作，負(fù)責(zé)對(duì)下游相機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步，由于各 PHC 已校準(zhǔn)至同一系統(tǒng)時(shí)鐘，多 ptp4l 實(shí)例的時(shí)間基準(zhǔn)保持高度一致，從根源上消除沖突。此外，phc2sys 工具啟用-w參數(shù)，自動(dòng)獲取 UTC 時(shí)間偏移量，無需手動(dòng)配置，有效避免人工參數(shù)設(shè)置帶來的同步偏差。
PTP狀態(tài)監(jiān)控
實(shí)現(xiàn)了完整的PTP狀態(tài)監(jiān)控機(jī)制，實(shí)時(shí)跟蹤同步過程：
①狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程：Initializing → Uncalibrated → Listening → Slave；
②狀態(tài)監(jiān)控頻率：每10秒檢查一次狀態(tài)，提供實(shí)時(shí)反饋；
③同步等待機(jī)制：可配置的同步超時(shí)時(shí)間（默認(rèn)120秒），給相機(jī)足夠的時(shí)間完成同步；
④診斷信息輸出：實(shí)時(shí)顯示PTP時(shí)鐘精度、父時(shí)鐘ID、同步計(jì)數(shù)器等診斷信息。
可視化驗(yàn)證
為了進(jìn)一步呈現(xiàn)硬件時(shí)間同步效果，在測(cè)試過程中，我們將每幀時(shí)間戳疊加在該張圖像上。采用多網(wǎng)口同步架構(gòu)后，兩個(gè)相機(jī)啟動(dòng)后，均能實(shí)現(xiàn)PTP硬件時(shí)間同步。隨著時(shí)間增加Frame計(jì)數(shù)也會(huì)累加，可以看出，在累計(jì)1.2W+幀后，可以觀察到PTP時(shí)間同步依舊穩(wěn)定。
此外，影響時(shí)間同步精度另一個(gè)指標(biāo)就是時(shí)間偏移量，即系統(tǒng)時(shí)鐘（CLOCK_REALTIME）與 PHC 硬件時(shí)鐘時(shí)間差。經(jīng)過實(shí)踐開發(fā)，可以看到offset（單位：ns）的最大值約為 48147 ns（≈48 μs），最小值約為 - 36840 ns（≈-37 μs），整體波動(dòng)范圍約為 85 μs（48 μs - (-37 μs)），偏移量的絕對(duì)值未超過 50 μs。一般系統(tǒng)時(shí)鐘與 PHC 的偏移控制在百微秒內(nèi)即滿足多傳感器同步需求，因此時(shí)間偏移量滿足需求。
03 結(jié)語
這套基于PTP協(xié)議的自動(dòng)駕駛多傳感器時(shí)間同步方案，在實(shí)施過程中，依托多網(wǎng)口 PHC 時(shí)鐘中轉(zhuǎn)同步架構(gòu)、phc2sys 工具校準(zhǔn)、實(shí)時(shí) PTP 狀態(tài)監(jiān)控及異常處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)時(shí)間同步精度。
此外，通過 YAML 參數(shù)化配置、自動(dòng)化部署腳本與完整文檔體系，降低了技術(shù)門檻與部署難度，支持從單相機(jī)到多相機(jī)部署、對(duì)激光雷達(dá)等設(shè)備靈活擴(kuò)展能力。
實(shí)踐證明，該套方案能有效解決傳統(tǒng)方案中，客戶所面臨的時(shí)間同步精度不足、多傳感器時(shí)間戳不一致、系統(tǒng)部署復(fù)雜、數(shù)據(jù)質(zhì)量不可控等核心痛點(diǎn)。此外，更可保障系統(tǒng)數(shù)小時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提升數(shù)據(jù)采集效率與質(zhì)量。
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