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你知道如何解決自動駕駛中HIL測試的同步以及延遲問題嗎?

虹科衛(wèi)星與無線電通信 ? 2023-02-27 11:21 ? 次閱讀

在上期文章中,我們提到了自動駕駛的HIL測試中目前需要考慮的兩個問題:

對于同步,需要考慮:

  • 如何處理HIL測試的同步化和時鐘系統(tǒng)?
  • HIL模擬器和虹科Orolia Skydel GNSS模擬器能否使用一個共同的時鐘源?

對于時延:

  • 從HIL模擬器的輸入(自動駕駛儀命令)和GNSS模擬器的輸出(GNSS射頻信號)如何使他們的延遲最小化,以保證模擬的實時性呢?

同步問題解決方案

應(yīng)對同步的問題可以使用網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器作為HIL模擬器和虹科Orolia Skydel GNSS模擬器的共用時鐘源,確保HIL仿真器和GNSS模擬器上的操作系統(tǒng)在數(shù)百微秒內(nèi)緊密同步。在HIL模擬器和虹科Orolia Skydel GNSS模擬器中均使用Linux系統(tǒng),并配置精確時間協(xié)議(PTP)將時鐘與網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器同步。

pYYBAGP8DV-AOOvqAADtMUP8NpU448.png

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HIL模擬器接收到自動駕駛儀發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后,會為數(shù)據(jù)添加時間戳,保證數(shù)據(jù)與GNSS模擬器共用同一個時鐘源,以最大限度減少二者之間的抖動和漂移。接著通過HIL客戶端把真實的位置信息發(fā)送到虹科Orolia Skydel GNSS模擬器上,通過GPU生成IQ數(shù)據(jù)并發(fā)給SDR產(chǎn)生射頻信號。需要注意,SDR也屬于模擬器部分,同樣需要進行同步,所以需要從同一時鐘源接收PPS來進行時間同步。這樣就實現(xiàn)了HIL模擬器和虹科Orolia Skydel GNSS模擬器的安全同步。

延遲問題解決方案

存在延遲的原因:

在自動駕駛中,從自動駕駛儀命令輸入真實信息給HIL模擬器,再到GNSS模擬器生成RF信號的過程中不可避免的會存在延遲。在這一個過程中,延遲存在于三個環(huán)節(jié)中:

pYYBAGP8DV6AVCIeAACQsga9I1U667.png

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  • 在HIL模擬器中確定真實軌跡(也就是自動駕駛儀發(fā)送過來的信息)所需時間,而HIL模擬器對這些信息的采樣率不同可能會影響仿真器的處理時間。
  • HIL模擬器處理完成并輸出計算的真實位置到GNSS模擬器的傳輸時間,這一傳輸?shù)臅r間是不可避免的。
  • GNSS模擬器處理收到真實位置并創(chuàng)建與軌跡對應(yīng)的射頻信號的時間,通常稱這個時間為引擎延遲。

引擎延遲觀測解決方案:

在虹科Orolia Skydel GNSS模擬器中設(shè)置處理和生成軌跡的時間,通過性能界面觀測樣本傳輸是否正常,若不正常,可以把引擎延遲時間調(diào)大一點,從而得到最優(yōu)的引擎延遲時間,以減少延遲

如果希望將引擎延遲,也就是GNSS處理器處理和生成軌跡并創(chuàng)建與軌跡對應(yīng)的射頻信號的時間延遲減少到幾毫秒,則可能會將硬件推向極限,從而造成欠載。GNSS模擬器中提供的性能圖可以直觀地了解所設(shè)置的引擎生成時間離硬件極限有多遠(yuǎn),以設(shè)置最優(yōu)的引擎生成時間來保證引擎延遲的最優(yōu)化。

poYBAGP8DV6AKarOAACpiVUt3sw464.png

下圖左側(cè)是模擬最后一分鐘的概覽,右側(cè)是模擬最后一秒的詳細(xì)視圖:

pYYBAGP8DV6AK3MfAACksV-VY0A162.png

?

為了更好地理解該圖,首先需要了解GNSS模擬器實時模擬的工作原理。GNSS模擬器在1毫秒的塊中處理模擬,每個塊必須通過3個工作線程:

  • 星座工作線程
  • 調(diào)制工作線程
  • 數(shù)據(jù)流線程

這些工作線程的組合稱為管道,樣本通過管道所需的時間是確定系統(tǒng)延遲的主要因素。由于一個樣本模擬的是1毫秒,因此SDR以1000Hz(實時)的穩(wěn)定速率進行處理。實時GNSS模擬器被允許提前處理這些樣本,但受到之前設(shè)置的引擎延遲的限制,當(dāng)GNSS模擬器無法及時向SDR提供樣本時,就會發(fā)生欠載(也稱為下溢)。

下圖垂直軸上顯示的時間是:與SDR傳輸樣本的時間相比,樣本被提前處理的時間,引擎延遲限制可以提前處理樣本的時間。因此,工作線程應(yīng)始終位于引擎延遲線下。

poYBAGP8DV-AfZw6AAFQIIsCdOc809.png穩(wěn)定的管道

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一個正常穩(wěn)定的系統(tǒng)應(yīng)始終開始在接近引擎延遲閾值的塊上工作。換句話說,藍(lán)色的工作線程應(yīng)盡可能接近引擎延遲線。如果藍(lán)色工作線程低于引擎延遲,則表示模擬器落后;如果它沒有迅速趕上,就會發(fā)生欠載。根據(jù)系統(tǒng)的不同,藍(lán)色工作線程可能會靠近引擎延遲線,但仍有其他線程下降。如下圖,模擬器落后,發(fā)生欠載。

poYBAGP8DV-AR6j9AAFIJTBH464040.png管道欠載

?

下圖顯示了GNSS模擬器模擬最后一秒的分解圖,可以看到管道實時的處理情況。比如圖中藍(lán)色工作線程始終位于引擎延遲的下方,并接近引擎延遲,也就是說模擬器此時并沒有落后。而調(diào)制線程先落后再趕上并趨于穩(wěn)定,且在這個過程中沒有發(fā)生欠載,不會對信號生成產(chǎn)生影響,說明此時的引擎延遲是可靠的,還可以再嘗試調(diào)小,調(diào)小后再次觀察性能圖是否發(fā)生欠載。通過這種方式即可以找到最優(yōu)的引擎延遲。

poYBAGP8DV-ARUs-AAFiyqG81sQ425.png

?

傳輸延遲解決方案:

(1)

HIL模擬器定期發(fā)送當(dāng)前接收機位置,虹科Orolia Skydel GNSS模擬器可以推斷接下來的軌跡以減輕延遲的影響,GNSS模擬器能夠根據(jù)收到的樣本估計接收器接下來的位置,從而無需等待中間的傳輸時間。

從自動駕駛儀命令的輸入開始,HIL模擬器接收到接收機的位置和動態(tài)信息,如速度、加速度、抖動等,并定期的對這些數(shù)據(jù)進行采樣,給每個樣本都打上時間戳以對應(yīng)采樣的時間,此信息被稱為PVA樣本。

接著HIL模擬器發(fā)送處理過后獲得的真實位置給虹科Orolia Skydel GNSS模擬器,GNSS模擬器根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時推斷接收機的下一個位置。此時需注意,對于GNSS模擬器來說,HIL模擬器發(fā)送給它的數(shù)據(jù)是過去的,是過去時間接收的信號,而對于RF信號來說GNSS模擬器發(fā)送給它的信號是經(jīng)過推算后的軌跡,是未來的軌跡。

具體過程如下:

首先假設(shè)收到HIL客戶端發(fā)送過來的第一個樣本是T0,P點為當(dāng)前時刻的T0樣本外推的軌跡位置。在P位置前一時刻,GNSS模擬器收到新的樣本T1。

pYYBAGP8DV-AL_uhAABC4YK1944174.png接收到新樣本T1

接收到了新樣本,那么軌跡到了P點曲線應(yīng)該怎么變化呢?由于接收器的軌跡是動態(tài)的,HIL模擬器接收到接收器的軌跡后,要進行采樣,也就是說,T0的外推軌跡不會和T1完美連接,從圖中可以看出T1和T0中間是有空間的。

為了降低不連續(xù)性,GNSS仿真器平滑了兩個外推軌跡之間的過渡。引入一個時間參數(shù)T,該參數(shù)是從新樣本輸入時刻開始,到P所處的外推曲線收斂到和新樣本外推曲線相交的時刻所用的時間。可以看到下圖,一個不連續(xù)的軌跡引入時間參數(shù)T后,軌跡收斂平滑,平滑后不改變軌跡的趨勢。

poYBAGP8DV-AI7OaAABSygi4zbY233.png軌跡不連續(xù)性緩解

收斂完成后,此時P點由原來的位置,收斂到P2的位置。如下圖所示,此時HIL模擬器又輸入一個T2樣本到GNSS仿真器,在T時間內(nèi),將P點所在的外推曲線收斂到和T2樣本的外推曲線相交的點P3,使軌跡變得平滑。

pYYBAGP8DV-AG3AQAABfGBvLSoA075.png軌跡平滑外推

若是在收到T1樣本并收斂到P2點的這段時間內(nèi),沒有收到新的樣本T2,那么在P2之后會按照目前最新的樣本軌跡,也就是T1樣本的軌跡外推,直到收到下一個樣本。

不斷地收到新樣本,不斷地按照這樣的方式收斂和平滑,通過這樣的方式可以提前推斷GNSS的軌跡,不用等到下一個樣本到來再進行處理和平滑軌跡,既保證了軌跡的正確性,又減少了等待樣本時間和計算軌跡的時間,間接的減少了HIL模擬器到GNSS模擬器的傳輸延遲。

(2)

HIL 模擬器定期發(fā)送未來接收器位置信息,此時HIL模擬器必須提前足夠的時間接收位置以彌補GNSS模擬器的等待時間。

在這個方案中,HIL模擬器提前的時間被稱為時間偏移量,由于HIL模擬器發(fā)送的是未來某個時間的位置而不是當(dāng)前位置,時間偏移量應(yīng)該是以下各項的總和:

  • HIL模擬器的采樣間隔
  • 傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲
  • 引擎延遲

例如,對于10ms的引擎延遲、200Hz的HIL模擬器采樣率和1ms的網(wǎng)絡(luò)延遲,時間偏移量應(yīng)為16ms。

HIL模擬器發(fā)送帶有未來16ms時間戳的樣本,可以觀察到以下最佳模式:

pYYBAGP8DWCAQqTwAACe7wqdzgU261.png

目前大部分GNSS模擬器在延遲上最小只能做到20ms。而虹科Orolia GNSS模擬器通過設(shè)置最優(yōu)引擎時間以及預(yù)測軌跡的方案,使GNSS模擬器擁有極低的時延,可以達到小于10ms的延遲,甚至達到5ms。同步的解決方案也使得HIL模擬器和GNSS模擬器在幾百微秒緊密時鐘同步,極大的提高HIL測試性能。

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