一种adas系统多传感器信号时空同步控制系统及方法
阅读说明：本技术 一种adas系统多传感器信号时空同步控制系统及方法 (ADAS system multi-sensor signal time-space synchronous control system and method ) 是由 文翊 何思 舒丽 李泽彬 孙国正 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统及方法,属于车辆技术领域,由光采集模块收集自然太阳光得到振动方向一致的可载波的基准光波信号；通过光门将基准光波信号传输入车辆光网络后,经过光耗散装置消耗部分能量,以使车辆各光网络上存在表征当前时刻之前时间的目标基准光波信号；光载波器将各元件ECU的输出信息加载在目标基准光波信号上后得到载波后的目标信息；子控制器将与其连接的若干网段中的目标信息进行融合载波,以同步部分网段信息流；中央控制器将全网段中的目标信息进行融合载波,以同步全网段信息流。以解决目前相关的制动系统仅使用时间戳的方式进行了时间同步,未达到空间同步和时空同步的技术问题。(The invention discloses a system and a method for space-time synchronous control of multiple sensor signals of an ADAS (advanced vehicle analysis System), belonging to the technical field of vehicles.A light collection module collects natural sunlight to obtain reference light wave signals which have consistent vibration directions and can carry carriers; after the reference light wave signals are transmitted into the vehicle optical network through the optical door, part of energy is consumed through the light consumption device, so that target reference light wave signals representing the time before the current moment exist on each optical network of the vehicle; the optical carrier device loads the output information of each element ECU on a target reference optical wave signal to obtain target information after carrier; the sub-controllers fuse the target information in a plurality of network segments connected with the sub-controllers with carrier waves to synchronize partial network segment information flows; and the central controller fuses the target information in the whole network segment with carrier waves to synchronize the information flow of the whole network segment. The technical problems that the time synchronization is carried out in a mode that the related brake system only uses a time stamp at present and the space synchronization and the space-time synchronization are not achieved are solved.)
技术领域
本发明属于车辆技术领域，更具体地，涉及一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统及方法。
背景技术
时间同步技术是高级驾驶辅助系统ADAS控制领域必不可少的一环，原来车辆信号均为顺序发送，控制器顺次接收，如打开雨刮开关后，几十ms后BCM车辆控制器收到信号，进而请求雨刮控制器。其为一个单次的过程。但智能驾驶日益发展的今天，车辆数据大融合，智能驾驶ADAS所需要的传感器及其多，如：毫米波雷达、环境感知摄像头、角雷达、超声波雷达，视觉摄像头等；其需要控制的执行器也很多如EMS\ESC\EPS等；各机构控制器单元ECU其有的在相同网段，也有的在不同网段中间通过网关转发(必然有较大延迟)，且各机构控制器单元ECU发送信号周期不同。但智能驾驶控制对信号的同时性要求极高，如前方各传感器识别到前方目标车1，几十或几百ms后目标车位置已经改变，若控制器顺次接收信号信息再进行处理，则无法判断目标状态，甚至ADAS系统会发出错误的执行请求，导致事故。现有的成熟的解决方案为时间戳，各传感器单元ECU在向CAN网广播输出信息时，同时设置一个周期循环信号，1、2、3、…、N(每个信号周期变化1次，最大N个信号周期，其根据ECU安全等级设定，一般N个周期时间会略大于最极限工况ECU信号处理时间)；各传感器校验需要时刻的时间戳，将该时刻各传感器特定数字标记的信号组，统一提取，进行当前时刻的计算。
比如，车辆上角度传感器为实体传感器，信号处理快，T时间已发出角度信号，时间戳信号为1；车辆上环境感知摄像头需要芯片读取视频，再将视频中信息提取转化为车辆状态距离速度信号输出，处理速度较慢约200ms，其将T时间收到信息并转化后发出的时间戳信号为1；但200ms后角度传感器大约经过4个信号周期，发出角度信号，时间戳信号为4，其最新发出的信号和环境感知摄像头之前同时入CAN总线；故无法使用顺序提取信号法；故时间同步性要求高的传感器会提取时间戳相同的信号组作为自身的信号输入。现有的时间戳信号同步法，方案简单利于实施和推广。但面对数据量成千上万倍增加的汽车网络，已不再适应当前需求。主要存在以下问题：
1)信号周期不等产生的连锁反应，说明：假设A控制器ECU信号周期20ms，某时刻A受到扰动或本身计算复杂导致A控制器ECU未能在20ms内计算出输出信号组；导致两个信号间隔不均；进而导致其他控制器因未收到信号超时，导致两个信号间隔不均；多组传递放大后，延迟大于安全要求，系统崩溃退出。
2)信号时序的倒置，某时刻A受到扰动或本身计算复杂导致A控制器ECU未能在20ms内计算出输出信号组；但下一时刻进行简单快速计算正常输出；导致时间戳后者先出现在CAN网上；因其他控制器暂时无法判断前一时间信号未出现的原因；触发应对丢帧或其他反馈判断。信号为保证全面及时，各控制器ECU采用即时广播方式，同步向CAN网段广播1-N标记时间戳信号的所有信号组，每组信号包含全部参数信息，再按自己需求读取有用的信号，故网络负载极大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统及方法，以解决目前相关的制动系统仅使用时间戳的方式进行了时间同步，未达到空间同步和时空同步的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统，包括：光采集模块、光门、光耗散装置、光载波器、子控制器和中央控制器；
利用已有传感器上存在的光采集入口和/或新增光采集入口，作为光采集模块的光入口端，由光采集模块收集自然太阳光得到振动方向一致的可载波的基准光波信号；
光门与光采集模块和车辆中光网络连接，用于将基准光波信号传输入车辆光网络；
光耗散装置设置在子控制器和/或中央控制器中，输入车辆光网络中的基准光波信号经过光耗散装置消耗部分能量，以使车辆各光网络上存在表征当前时刻之前时间的目标基准光波信号；
光载波器，用于将各元件ECU的输出信息加载在目标基准光波信号上后得到载波后的目标信息，在光网络中进行目标信息的传递；
子控制器将与该子控制器连接的若干网段中的目标信息进行融合载波，以同步部分网段信息流；
中央控制器将全网段中的目标信息进行融合载波，各光网络汇聚在一个载波点，以同步全网段信息流。
在一些可选的实施方案中，所述光采集模块包括依次排列的滤光片A、滤光片B、降噪滤光片及观察滤光片；
滤光片A和滤光片B的光波偏振角不同，且滤光片A和滤光片B纵向放置，经过滤光片A和滤光片B后只选取一种方向的光波；
降噪滤光片为特定倍数的多层滤波片组合制造而成的滤频片，频率为整数倍值；
观察滤光片几何倍数的削弱进入的太阳光，其用于减少光照强度，不改变光属性参数。
在一些可选的实施方案中，所述中央控制器从目标基准光波信号中选出目标光波振幅对应的特征点为第一特征起点，中央控制器通过自身的载波装置在第一特征起点后搭载自身特征频率得到中央特征频率。
在一些可选的实施方案中，各元件ECU读取中央特征频率为第二特征起点，各元件ECU完成自身计算后，将各元件ECU的输出信息传递给光载波器，由光载波器按第二特征起点，完成载波得到载波后的目标信息。
按照本发明的另一方面，提供了一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制方法，包括：
太阳光通过设置在车身上的光采集入口进入，通过光采集模块形成振动方向一致的可载波的基准光波信号；
基准光波信号通过光门进入车辆光网络，并通过内置在子控制器和/或中央控制器中的光耗散装置进行自然耗散，以使车辆各光网络上存在表征当前时刻之前时间的目标基准光波信号；
通过光载波器将各元件ECU的输出信息加载在目标基准光波信号上后得到载波后的目标信息，在光网络中进行目标信息的传递；
通过子控制器将与该子控制器连接的若干网段中的目标信息进行融合载波，以同步部分网段信息流；
通过中央控制器将全网段中的目标信息进行融合载波，各光网络汇聚在一个载波点，以同步全网段信息流。
在一些可选的实施方案中，所述光采集模块包括依次排列的滤光片A、滤光片B、降噪滤光片及观察滤光片；
滤光片A和滤光片B的光波偏振角不同，且滤光片A和滤光片B纵向放置，经过滤光片A和滤光片B后只选取一种方向的光波；
降噪滤光片为特定倍数的多层滤波片组合制造而成的滤频片，频率为整数倍值；
观察滤光片几何倍数的削弱进入的太阳光，其用于减少光照强度，不改变光属性参数。
在一些可选的实施方案中，在通过光耗散装置得到车辆各光网络上的表征当前时刻之前时间的目标基准光波信号之后，所述方法还包括：
由中央控制器从目标基准光波信号中选出目标光波振幅对应的特征点为第一特征起点，中央控制器通过自身的载波装置在第一特征起点后搭载自身特征频率得到中央特征频率。
在一些可选的实施方案中，在中央控制器通过自身的载波装置在第一特征起点后搭载自身特征频率得到中央特征频率之后，所述方法还包括：
各元件ECU读取中央特征频率为第二特征起点，各元件ECU完成自身计算后，将各元件ECU的输出信息传递给光载波器，由光载波器按第二特征起点，完成载波得到载波后的目标信息。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明通过特定场景下的自动时间同步控制方式，通过既有的光线为基准的基准光波，在光信号为时间同步基准下，根据光波中特定特征点为参考点，各控制器ECU在特征点后分别进行载波，使得信号处理完成的信号及时通过光载波器进入以太光网络，满足部分控制器的信号需求，也保证信号的连续性，为了更高级别的自动驾驶控制提供基础解决方案。
(2)一种ADAS系统多传感器信号时空同步的控制方式，通过多重循环载波数据同步，保证车辆信息的高度准确；将ADAS系统多传感器信号时空同步的控制方式的大数据融合背景下，深度挖掘不同功能，提升客户体验；本发明简单实用，适用于所有车型，模块化运行；传统时间同步及信息传递方案，和社会物流类似。工厂集中原料后集中加工，后各个工厂在将同一天的产品送到分拣中心，分拣中心将同一天的产品集中打包送到下游，效率低容易出错，且不适应现在汽车电器发展的今天，现在各个汽车元件都是传感器发送监测信息，也都是执行器承担部分功能，即生产又消费再也不是原来单纯上下游关系。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种目标识别阶段在未时间同步前典型的过程；
图2是本发明实施例提供的一种认知决策阶段在未时间同步前典型的过程；
图3是本发明实施例提供的一种车辆控制阶段在未时间同步前典型的过程；
图4是本发明实施例提供的一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统的架构设计图；
图5是本发明实施例提供的一种ADAS系统多传感器信号时空同步的控制方式架构原理图；
图6是本发明实施例提供的一种光采集模块滤光降噪结构图；
图7是本发明实施例提供的一种光门示意图，其中，(a)为基础原理示意图，(b)为结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种发明科普说明或构想图；
图9是本发明实施例提供的一种时空同步后的光信号图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
目前相关的制动系统使用的时间戳方式进行时间同步，在传感器较少时问题不凸显，在自动驾驶全传感器融合的今天假设自动驾驶系统中没有时空同步，从目标识别、认知决策和车辆控制几个环节都有严重的后果。
(1)目标识别阶段：现在的自动驾驶感知系统基本上都是多传感器融合系统，在多个传感器融合过程中，如果没有时空同步，各个传感器的坐标系不能统一、测量时刻不能准确获取，融合时再一起丢到滤波器里，其结果将是灾难性的。在未时间同步前典型的过程如图1所示。
在不考虑自车运动的前提下，假设在感知范围内有个障碍物正在做曲线运动S，有两个不同的传感器能够观测到这个障碍物，分别给出这个障碍物的轨迹S1和S2。但是这两个传感器的采样周期不同，数据处理复杂度也不同，导致融合环节收到的数据存在一定的时间差。而融合环节由于不知道各传感器的真实采样时间，只能都当作最新的数据处理，也就默认是同一时刻的测量结果，导致将不同时刻的数据错误匹配在了一起，最后给出错误的障碍物位置和速度估计(曲线S’)。
(2)认知决策阶段目前高等级的自动驾驶方案基本上都脱离不了高精度电子地图，导致决策规划的输入存在两个重要的信息源，一个是上面提到的目标识别，另一个就是高精度地图，可以认为一个是后验信息，一个是先验信息，在没有时间同步的情况下，别说使用贝叶斯滤波的思想来处理这两个信息源了，就是单纯地进行坐标转换都会产生大问题，其结果也是灾难性的。在未时间同步前典型的过程如图2所示。
假设在弯道上自车高速行驶，同车道前方有一个静止的障碍物，t1时刻感知识别到了这个障碍物，t2时刻高精度地图根据定位结果给出了周边地图信息，当决策规划收到这两个信息时，如果不考虑时间同步，认知环节将会直接将这两个结果通过坐标转换叠加在一起，然后得出障碍物是压着车道线的结论，从而做出错误的决策规划结果--原本应该直接减速停车或者往右换道避障，结果可能是做出往左车道内避障的动作，被称为人工智障也就不奇怪了。
(3)车辆控制阶段车辆控制的信息源是决策规划，不存在多源融合的问题，看起来似乎和时空同步无关，但是经过上面一系列不考虑时空同步的过程之后，再加上从决策规划开始到车辆控制结束的时间延迟，不考虑时空同步的后果毫无疑问是灾难性的。在未时间同步前典型的过程如图3所示。
在t1时刻路边有个静止障碍物，正常来说应该往左避让一下绕开该障碍物，而经过上述不考虑时空同步的融合与认知决策过程，规划出的轨迹此刻已经存在碰撞风险(后续收到新的感知结果时可能触发减速和路径重规划，不一定真的造成碰撞)，而控制时刻如果不考虑时空同步的问题，就会把规划轨迹作为当前时刻的规划结果执行，造成实际执行结果与期望结果在行驶方向上产生一个平移，进一步造成碰撞风险的上升。
实施例一
本发明提供一种ADAS系统多传感器信号时空同步的控制方式，并相应提出一种车辆信号时空同步控制的新思路。本发明的技术前提为：太阳光的高度同源同频、高度平行的特性。说明：正常的光纤通讯需要规模庞大的高功率终端机，显然不可能放在机动车上。但太阳光由于：1)太阳光的同源平行性：光源距离地球极其遥远，故光夹角极其微小甚至无法测量，即在非天文学尺度上，一般几米或几十上百米的尺度上两个任意采样点上，同一时刻，太阳光的频率、振幅、组成成分完全一致，且完全平行。故若无需高精度的光终端机，可在不同网段引入经过相同滤波处理的太阳光作为可载波的基础光源信号。2)太阳光的不确定性：由于太阳光是混合光各组成成分随时变化，故太阳光在不同时刻频率、振幅、组成成分完全不同，故光的特征和时间成唯一对应关系。
本发明设计了一种全新应用于汽车上的光路，如图4所示，其利用环境感知传感器、环视摄像头、阳光雨量传感器上既有采集入口，和必要新增的光采集入口；分别用光纤串联各网段及主要时间同步高需求控制器。不同光路在中央网关或各系统的域控制器进行交叉交互。系统通过太阳光滤波后的高幅或高频特征点对齐后，进行载波，用于数据的交换和传递。
本发明光路上使用既有的光能耗散装置削减光的能量，调整光能耗散装置使得光在光路中正常耗散，防止后续新时刻光进入后各传感器反复滤波计算，防止算力不足。既有光在光路中正常耗散，任意时刻，各控制器均可完成载波控制。
如图4所示是本发明实施例提供的一种ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统的架构设计图，包括：
光采集模块：其由多个子单元构成，目的在于收集自然太阳光作为信息传递的基准光波信号；
其中，如图5所示，光采集模块入口：利用环境感知传感器、环视摄像头、阳光雨量传感器上既有采集入口，或者新增采集入口；太阳光在车身上多点中选择若干个不同点(一般选择时间同步要求高或同网段)进入光采集模块。
其中，如图6所示，光采集模块包括依次排列的滤光片A、滤光片B、降噪滤光片及观察滤光片；
滤光片A和滤光片B，光波偏振角不同一般选45°或90°差值，滤光片A和滤光片B纵向放置，滤过后只选取一种方向的光波方便后期载波和计算；
观察滤光片只几何倍数的削弱进入的太阳光，即仅减少光照强度，不改变光属性参数(如频率、波峰等)；
降噪滤光片为特定倍数的多层滤波片组合制造而成的滤频片，由于人造灯光多为电光，频率为整数倍值，一般用于天文观察屏蔽人造灯光。
在本实施例中，如图7所示，光采集光门作为基准光波进入车辆中光网的入口，图7中(a)为基础原理示意图，(b)为结构示意图，其中，光门结构和摄像头镜头类似，但无镜头后端成像端，可将自然光约束范围后导入后续装置。作为一种优选的实施方式，光门结构的透镜组合如图7中(b)所示，包括同轴布置的三个透镜，用于将入射光按预设路径进行偏折，使得外界光或增强光源通过光门后和光纤中传播路径平行。可由一般的镜头或倒车影像镜头厂家制作(图未标明弧度)。
在本实施例中，光耗散装置：为连接如光网络的透射系统，基准光波信号经过其中消耗部分能量(光纤中调整光能耗散装置使得光在光路中正常耗散，防止后续新时刻光进入后各传感器反复滤波计算，防止算力不足，其中，正常光纤中光反复全反射传播几乎无消耗)，设置在子控制器或中央控制器中。
光载波器：可以将元件ECU计算后的信号加载在经过耗散后的目标基准光波信号上，进行目标信息传递；
光电转化单元：可以将传统CAN信号和光信号互相转换；
整车光网络用于实时车辆各传感信号传递；
ESC制动辅助单元用于执行对应的减速度请求，来完成大减速制动的基本功能和完成车辆纵向控制的减速度请求；
子控制器，同步与该子控制器连接的若干光网段信息，对部分网段信息交互；基本的子控制器功能算法储存；
中央控制器，同步车辆全部网段信息，各光网络汇聚在一个载波点，全网段信息交互；整车级别系统功能算法储存。
本发明上述方案的形象比喻：现在传统的时间同步方案好比不同工厂产品出厂后贴上标签，之后在中转站上对应编号的卡车，集齐后统一配送，必然会有产品无法集齐，配送间隔不均，后者超车等异常情况。如图8所示，本发明方案好比多个高速旋转的圆盘，圆盘上有孔洞，信息棒横向穿过各个圆盘，达到信息交流的目的。信息可以来自于任意圆盘，正向反向或从中间延伸。起到真正数据信息的高度同步融合传递。
实施例二
基于上述ADAS系统多传感器信号时空同步控制系统的控制方法为：
(1)太阳光在车身上设置的多光采集入口进入，其中，光采集入口既有利用环境感知传感器、环视摄像头、阳光雨量传感器上既有采集入口进入，也有新设置采集入口进入；
(2)太阳光通过光采集模块，通过滤波、降噪、降低光照强度处理后，形成振动方向一致的可载波的基准光波信号；
(3)基准光波信号通过光门进入车辆中光网络；
其中，光门结构和摄像头镜头类似，但无镜头后端成像端，可将自然光约束范围后导入后续装置。作为一种优选的实施方式，光门结构的透镜组合如图7中(b)所示，包括同轴布置的三个透镜，用于将入射光按预设路径进行偏折，使得外界光或增强光源通过光门后和光纤中传播路径平行。可由一般的镜头或倒车影像镜头厂家制作(图未标明弧度)。
(4)基准光波信号通过内置在子控制器或中央控制器中光耗散装置进行自然耗散；
其中，耗散时间可根据车辆实际设计要求，取部分传感器最大反应时间进行设计，如设计为800ms。
作为一种优选实施方式，在各单独ECU(控制器)进行标准电磁兼容性PV设计验证试验，取试验测试条目中反应时间平均值最长的条目单独进行鲁棒性测试，再取其分布90％分位的反应时间，增加固定冗余时间，取整。
比如：某传感器最严苛工况延迟最大平均值为537ms，单独进行鲁棒性测试后90％的测试结果可以在670ms内输出结果，向上取770ms冗余，取整800ms。其中，若中央控制器等汽车核心算法算力足够本值可取尽可能长。
其中，通过光耗散装置后，车辆各个光网络上就有了一段可表征当前时刻前800ms-0s的目标基准光波信号，由于光波为自然波，可表征的时间具有独一无二性。
(5)中央控制器在目标基准光波信号中，目标光波振幅对应的某特征点(自然光才可能出现，正常设备载波按协议设置远低于其振幅)为第一特征起点，中央控制器通过自身的载波装置在第一特征起点后搭载自身特征频率得到中央特征频率；
关于振动幅度说明：即光信号光波的振幅，人工载波振幅按协议要求不会超过约定阀值，但自然光不稳定出现的高振幅光波可作为基准点。
关于特征点的说明：太阳光为高频光，一段时间内可取的特征点数量庞大，远大于数据传输需求。
其中，目标光波振幅对应的某特征点可以为光波振幅较高时对应的某特征点，比如光波振幅大于某一预设特定值。
(6)各元件ECU再读取中央特征频率为第二特征起点；
(7)各元件ECU完成自身计算后，及时将计算后的信息传递给外接或自带光载波器，按接收到的第二特征起点段，完成载波得到目标信息；
(8)子控制器将若干网段中的目标信息进行融合载波，同步部分网段信息流；
(9)中央控制器将全网段目标信息进行融合载波，同步全网段信息流。
通过上述控制方法，如图9所示，车辆中始终流转着当前前时刻前800ms-0s的目标基准光波信号，随着各ECU完成计算，目标基准光波信号丰满了各个信息。且时间以自然光波中特征点为基准高度对齐。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。