你知道如何解決自動(dòng)駕駛中HIL測試的同步以及延遲問題嗎？

在上期文章中，我們提到了自動(dòng)駕駛的HIL測試中目前需要考慮的兩個(gè)問題：

對于同步，需要考慮：

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

對于時(shí)延：

• 從HIL模擬器的輸入（自動(dòng)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(shí)時(shí)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(shí)間服務(wù)器作為HIL模擬器和虹科Orolia Skydel GNSS模擬器的共用時(shí)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(shí)間協(xié)議（PTP）將時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器同步。

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HIL模擬器接收到自動(dòng)駕駛儀發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，會(huì)為數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳，保證數(shù)據(jù)與GNSS模擬器共用同一個(gè)時(shí)鐘源，以最大限度減少二者之間的抖動(dòng)和漂移。接著通過HIL客戶端把真實(shí)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(jìn)行同步，所以需要從同一時(shí)鐘源接收PPS來進(jìn)行時(shí)間同步。這樣就實(shí)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(dòng)駕駛中，從自動(dòng)駕駛儀命令輸入真實(shí)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(huì)存在延遲。在這一個(gè)過程中，延遲存在于三個(gè)環(huán)節(jié)中：

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• 在HIL模擬器中確定真實(shí)軌跡（也就是自動(dòng)駕駛儀發(fā)送過來的信息）所需時(shí)間，而HIL模擬器對這些信息的采樣率不同可能會(huì)影響仿真器的處理時(shí)間。
• HIL模擬器處理完成并輸出計(jì)算的真實(shí)位置到GNSS模擬器的傳輸時(shí)間，這一傳輸?shù)臅r(shí)間是不可避免的。
• GNSS模擬器處理收到真實(shí)位置并創(chuàng)建與軌跡對應(yīng)的射頻信號的時(shí)間，通常稱這個(gè)時(shí)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(shí)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(shí)間調(diào)大一點(diǎn)，從而得到最優(yōu)的引擎延遲時(shí)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(shí)間延遲減少到幾毫秒，則可能會(huì)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(shí)間離硬件極限有多遠(yuǎn)，以設(shè)置最優(yōu)的引擎生成時(shí)間來保證引擎延遲的最優(yōu)化。

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：

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為了更好地理解該圖，首先需要了解GNSS模擬器實(shí)時(shí)模擬的工作原理。GNSS模擬器在1毫秒的塊中處理模擬，每個(gè)塊必須通過3個(gè)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(shí)間是確定系統(tǒng)延遲的主要因素。由于一個(gè)樣本模擬的是1毫秒，因此SDR以1000Hz（實(shí)時(shí)）的穩(wěn)定速率進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)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(shí)向SDR提供樣本時(shí)，就會(huì)發(fā)生欠載（也稱為下溢）。

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

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一個(gè)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(huì)發(fā)生欠載。根據(jù)系統(tǒng)的不同，藍(lán)色工作線程可能會(huì)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。

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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(shí)時(shí)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(shí)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(gè)過程中沒有發(fā)生欠載，不會(huì)對信號生成產(chǎn)生影響，說明此時(shí)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。

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傳輸延遲解決方案：

（1）

HIL模擬器定期發(fā)送當(dāng)前接收機(jī)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(jì)接收器接下來的位置，從而無需等待中間的傳輸時(shí)間。

從自動(dòng)駕駛儀命令的輸入開始，HIL模擬器接收到接收機(jī)的位置和動(dòng)態(tài)信息，如速度、加速度、抖動(dòng)等，并定期的對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，給每個(gè)樣本都打上時(shí)間戳以對應(yīng)采樣的時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)推斷接收機(jī)的下一個(gè)位置。此時(shí)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(shí)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(gè)樣本是T0，P點(diǎn)為當(dāng)前時(shí)刻的T0樣本外推的軌跡位置。在P位置前一時(shí)刻，GNSS模擬器收到新的樣本T1。

接收到了新樣本，那么軌跡到了P點(diǎn)曲線應(yīng)該怎么變化呢？由于接收器的軌跡是動(dòng)態(tài)的，HIL模擬器接收到接收器的軌跡后，要進(jìn)行采樣，也就是說，T0的外推軌跡不會(huì)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(gè)外推軌跡之間的過渡。引入一個(gè)時(shí)間參數(shù)T，該參數(shù)是從新樣本輸入時(shí)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(shí)刻所用的時(shí)間。可以看到下圖，一個(gè)不連續(xù)的軌跡引入時(shí)間參數(shù)T后，軌跡收斂平滑，平滑后不改變軌跡的趨勢。

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

若是在收到T1樣本并收斂到P2點(diǎn)的這段時(shí)間內(nèi)，沒有收到新的樣本T2，那么在P2之后會(huì)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(gè)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(gè)樣本到來再進(jìn)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(shí)間和計(jì)算軌跡的時(shí)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(shí)HIL模擬器必須提前足夠的時(shí)間接收位置以彌補(bǔ)GNSS模擬器的等待時(shí)間。

在這個(gè)方案中，HIL模擬器提前的時(shí)間被稱為時(shí)間偏移量，由于HIL模擬器發(fā)送的是未來某個(gè)時(shí)間的位置而不是當(dāng)前位置，時(shí)間偏移量應(yīng)該是以下各項(xiàng)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(shí)間偏移量應(yīng)為16ms。

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

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(shí)間以及預(yù)測軌跡的方案，使GNSS模擬器擁有極低的時(shí)延，可以達(dá)到小于10ms的延遲，甚至達(dá)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(shí)鐘同步，極大的提高HIL測試性能。