DE102013224697A1

DE102013224697A1 - Verfahren zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis für Netzwerkteilnehmer in einem Netzwerk eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102013224697A1
Application number: DE102013224697.8A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Schoenherr; Markus Schweigger; Martin Geng; Achim Krzesinski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104683091A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis für Netzwerkteilnehmer in einem Netzwerk (100) eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Zeit-Master (110) in bestimmten Zeitintervallen jeweils eine Synchronisations-Nachricht über das Netzwerk (100) aussendet, wobei Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140), die mit dem Zeit-Master (110) verbunden sind, die Synchronisations-Nachricht des Zeit-Masters (110) empfangen, wobei die Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) mittels der empfangenen Synchronisations-Nachricht (S1) jeweils eine eigene Zeitbasis korrigieren und somit eine gemeinsame Zeitbasis etablieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis für Netzwerkteilnehmer in einem Netzwerk eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
Verfahren zur Datenübertragung zwischen Netzwerkteilnehmern in einem Netzwerk sind aus der IT-Branche hinreichend bekannt. Beispielsweise spezifiziert die Ethernet Technologie Software und Hardware für kabelgebundene Netzwerke und ermöglicht Datenübertragung und Datenaustausch zwischen Netzwerkteilnehmern in einem lokalen kabelgebundenen Netzwerk. Die Ethernet Technologie ist in der IEEE-Norm 802.3 spezifiziert.
Für eine Datenübertragung in einem Netzwerk ist es von Bedeutung, dass Sender und Empfänger eine gemeinsame Zeitbasis besitzen. Das Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis wird mittels spezieller Protokolle bzw. spezieller Zeitsynchronisationsverfahren, wie beispielsweise dem Precision Time Protocol (PTP), ermöglicht. Das Precision Time Protocol (PTP) ist ein Netzwerkprotokoll, das Synchronität von Uhren bzw. Zeitbasen von Netzwerkteilnehmern bewirkt. Das Precision Time Protocol PTP ist in der IEEE-Norm 1588 und in der IEC-Norm 61588 spezifiziert.
Derartige Technologien und Protokolle zur Datenübertragung, die aus der herkömmlichen IT-Branche bekannt sind, sind jedoch zumeist nicht für den Kraftfahrzeugbereich geeignet und erfüllen zumeist nicht die Anforderungen und Sicherheitsstandards der KFZ-Branche. Netzwerke in Kraftfahrzeugen können beispielsweise Sensoren, Aktoren und Steuergeräte umfassen. Diese Anforderungen für sicherheitsrelevante elektrische und elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen sind in der ISO-Norm 26262 ("Road vehicles – Functional safety") definiert.
Eine essentielle Grundvoraussetzung in einem derartigen Netzwerk eines Kraftfahrzeugs ist Echtzeitfähigkeit. Dabei muss gewährleistet werden, dass eine gemeinsame Zeitbasis zwischen Netzwerkteilnehmern zu bestimmten Zeiten etabliert ist. Bei herkömmlichen Protokollen und Technologien aus der IT-Branche, insbesondere beidem PTP, kann jedoch nicht zwingend eine maximale Zeit gewährleistet werden, bis zu welcher die gemeinsame Zeitbasis etabliert ist. Eine Echtzeitfähigkeit ist daher nicht zwingend gegeben.
Weiterhin überschreiten typische Längen von PTP-Nachrichten (insbesondere von PTP-Synchronisationsnachrichten) zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis von Netzwerkteilnehmern die Transportkapazitäten von typischen Bussystemen in Fahrzeugen, mittels welchen die Netzwerkteilnehmer in dem Kraftfahrzeugen vernetzt sind.
Des Weiteren erfordert das Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis von Netzwerkteilnehmern gemäß dem PTP für jeden Netzwerkteilnehmer zwei Kommunikationskanäle. Aufgrund der begrenzten Adress-Ressourcen bei typischen Bussystemen in Kraftfahrzeugen ist jedoch problematisch, für jeden Netzwerkteilnehmer zwei Kommunikationskanäle bereitzustellen.
Herkömmliche Protokolle und Technologien aus der IT-Branche, insbesondere das PTP, sind somit nicht oder kaum geeignet, eine gemeinsame Zeitbasis von Netzwerkteilnehmern in einem Kraftfahrzeug zu etablieren. Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um eine gemeinsame Zeitbasis zwischen Netzwerkteilnehmern in einem Netzwerk eines Kraftfahrzeugs zu etablieren, welche den Anforderungen und Sicherheitsvorgaben der KFZ-Branche genügt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis für Netzwerkteilnehmer in einem Netzwerk eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Insbesondere weisen die einzelnen Netzwerkteilnehmer jeweils eine individuelle lokale Zeitbasis auf. Ein Netzwerkteilnehmer ist dabei als ein Zeit-Master ausgebildet. Eine Zeitbasis dieses Zeit-Masters ist dabei eine Master-Zeitbasis, mit welcher die einzelnen lokalen Zeitbasen der übrigen Netzwerkteilnehmer synchronisiert werden, um eine gemeinsame Zeitbasis zu etablieren.
Der Zeit-Master sendet dafür in bestimmten Zeitintervallen jeweils eine Synchronisations-Nachricht. Sämtliche Netzwerkteilnehmer, die mit dem Zeit-Master über das Netzwerk verbunden bzw. vernetzt sind, empfangen diese Synchronisations-Nachricht. Die Netzwerkteilnehmer müssen dabei nicht direkt mit dem Zeit-Master verbunden sein. Unter dem Begriff "verbunden" sei dabei zu verstehen, dass Zeit-Master und Netzwerkteilnehmer über das Netzwerk miteinander vernetzt sind.
Mittels der empfangenen Synchronisations-Nachricht korrigieren die einzelnen Netzwerkteilnehmer jeweils ihre individuellen lokalen Zeitbasen. Somit wird die gemeinsame Zeitbasis etabliert.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß sendet der Zeit-Master die Synchronisations-Nachricht stets nach den bestimmten Zeitintervallen erneut aus. Somit wird auch die Korrektur der individuellen lokalen Zeitbasen der einzelnen Netzwerkteilnehmer stets nach den bestimmten Zeitintervallen wiederholt. Somit wird die Etablierung der gemeinsamen Zeitbasis in bestimmten Zeitabständen wiederholt. Somit wird die Zeitbasis der einzelnen Netzwerkteilnehmer in bestimmten Zeitintervallen automatisch nachjustiert.
Erfindungsgemäß synchronisiert nicht jeder einzelne Netzwerkteilnehmer seine lokale Zeitbasis autonom und selbstständig mit dem Zeit-Master, was zusätzlichen Datenverkehr in Form von Delay-Request-Nachrichten und Delay-Response-Nachrichten mit sich bringen würde. Ein derartiges Request-Response-Prinzip bzw. Anfrage-Antwort-Prinzip kann erfindungsgemäß vermieden werden. Weiterhin ist es im Sinne der Erfindung nicht nötig, dass die einzelnen Netzwerkteilnehmer die Master-Zeitbasis bei dem Zeit-Master abfragen. Stattdessen justieren sich sämtliche Netzwerkteilnehmer zu den bestimmten Zeitintervallen automatisch nach, sobald sie die von dem Zeit-Master ausgesendete Synchronisations-Nachricht erhalten.
Somit ist es erfindungsgemäß nicht notwendig, dass jeder einzelne Netzwerkteilnehmer Nachrichten mit dem Zeit-Master austauscht, um eine gemeinsame Zeitbasis zu etablieren. Stattdessen sendet der Zeit-Master in bestimmten Zeitintervallen die Synchronisations-Nachricht aus. Der benötigte Datenverkehr zum Etablieren der gemeinsamen Zeitbasis wird im Sinne der Erfindung somit erheblich reduziert. Somit kann der Datenverkehr in dem Netzwerk reduziert und das Netzwerk des Kraftfahrzeugs entlastet werden.
Für ein derartiges Request-Response-Prinzip bzw. Anfrage-Antwort-Prinzip, welches in herkömmlichen Protokollen und Technologien aus der IT-Branche, insbesondere das PTP, zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis genutzt wird, sind zumeist zwei Kommunikationskanäle für jeden Netzwerkteilnehmer notwendig. Durch das erfindungsgemäße automatische Nachjustieren der lokalen Zeitbasen sämtliche Netzwerkteilnehmer zu den bestimmten Zeitintervallen werden keine zwei Kommunikationskanäle für jeden Netzwerkteilnehmer benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit besonders für die begrenzten Adress-Ressourcen bei typischen Netzwerkten (insbesondere Bussystemen) in Kraftfahrzeugen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Protokollen bzw. Zeitsynchronisationsverfahren ist dem Zeit-Master dabei nicht bekannt, wie viele Netzwerkteilnehmer in dem Netzwerk vorhanden sind bzw. wie viele Netzwerkteilnehmer mit dem Zeit-Master verbunden sind. Der Zeit-Master benötigt diese Information erfindungsgemäß nicht. Durch das Wiederholen des Etablierens der gemeinsamen Zeitbasis in bestimmten Zeitintervallen wird gewährleistet, dass automatisch sämtliche lokalen Zeitbasen aller Netzwerkteilnehmer mit der Master-Zeitbasis synchronisiert werden.
Das bestimmte Zeitintervall kann dabei zweckmäßig und flexibel gewählt werden. Insbesondere wird das bestimmte Zeitintervall beim Starten des Netzwerks des Kraftfahrzeugs vergleichsweise klein gewählt. Da beim Starten des Netzwerks zunächst erst alle lokalen Zeitbasen aller Netzwerkteilnehmer an die Master-Zeitbasis synchronisiert werden müssen, sendet der Zeit-Master somit vergleichsweise viele Synchronisations-Nachrichten in vergleichsweise kurzen Zeitintervallen aus. Insbesondere betragen die Zeitintervalle dabei 40ms. Somit wird gewährleistet, dass beim Starten des Netzwerks möglichst schnell eine gemeinsame Zeitbasis aller Netzwerkteilnehmer etabliert werden kann. Während des laufenden Betriebs des Netzwerks können die Zeitintervalle vergleichsweise groß gewählt werden, insbesondere 1000ms. Es ist jedoch auch möglich, dass der Zeit-Master die Synchronisations-Nachrichten in unregelmäßigen Zeitintervallen oder bei Bedarf bzw. beim Eintreten einer bestimmten Bedingung sendet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, dass die Netzwerkteilnehmer stets über eine synchronisierte Zeitbasis verfügen. Dabei wird weiterhin gewährleistet, dass die gemeinsame Zeitbasis innerhalb einer vorgegebenen maximalen Zeit etabliert ist. Somit kann eine Echtzeitfähigkeit des Etablierens der gemeinsamen Zeitbasis gewährleistet werden. Weiterhin wird gewährleistest, dass geforderte Sicherheitsvorgaben und Sicherheitsstandards der KFZ-Branche, insbesondere Anforderungen für sicherheitsrelevante elektrische und elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen gemäß der ISO-Norm 26262, erfüllt werden können.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung korrigieren die einzelnen Netzwerkteilnehmer jeweils einen Offset zwischen der Master-Zeitbasis des Zeit-Masters und der individuellen lokalen Zeitbasis des jeweiligen Netzwerkteilnehmers. Insbesondere korrigieren die einzelnen Netzwerkteilnehmer diesen Offset mittels der exakten Sendezeit t₁, zu welcher die Synchronisations-Nachricht von dem Zeit-Master ausgesendet wurde, und der exakten Empfangszeit t₂, zu welcher die Synchronisations-Nachricht von dem jeweiligen Netzwerkteilnehmer empfangen wurde.
Insbesondere enthält die Synchronisations-Nachricht die Information, zu welcher Sendezeit die Synchronisations-Nachricht von dem Zeit-Master ausgesendet wurde. Alternativ kann der Zeit-Master auch anschließend an die Synchronisations-Nachricht eine Follow-Up-Nachricht über das Netzwerk versenden. Diese Follow-Up-Nachricht enthält dabei die Sendezeit der Synchronisations-Nachricht als Information. In diesem Fall empfangen die Netzwerkteilnehmer ebenfalls die Follow-Up-Nachricht und korrigieren den Offset mittels der empfangenen Synchronisations-Nachricht und der empfangenen Follow-Up-Nachricht. Ist im Folgenden von der "Synchronisations-Nachricht" die Rede, soll damit sowohl die Möglichkeit einer einzelnen Synchronisations-Nachricht, als auch einer Synchronisations-Nachricht in Verbindung mit einer Follow-Up-Nachricht umfasst sein.
Durch die Korrektur des Offset passen die einzelnen Netzwerkteilnehmer ihre lokale Zeitbasis t_lokal an die Master-Zeitbasis t_master des Zeit-Masters an. Sendezeit t₁, Empfangszeit t₂, die lokale Zeitbasis t_lokal, die Master-Zeitbasis t_master und der Offset t_Offset hängen dabei gemäß der folgenden Formel zusammen: t_master = t_lokal – t_Offset t_Offset = (t₂ – t₁) – t_delay t_delay ist dabei eine Übertragungszeit, die benötigt wird, um die Synchronisations-Nachricht von dem Zeit-Master an den jeweiligen Netzwerkteilnehmer zu übermitteln. Bei einem Netzwerk eines Kraftfahrzeugs kann diese Übertragungszeit bei geeigneter Generierung von t₁ und t₂ in sehr guter Näherung als Null angesehen werden. Somit ergibt sich folgende Formel, nach welcher die einzelnen Netzwerkteilnehmer ihre lokale Zeitbasis t_lokal an die Master-Zeitbasis t_master anpassen: t_master = t_lokal – (t₂ – t₁) = t_lokal-korr Die um den Offset korrigierte lokale Zeitbasis t_lokal-korr der einzelnen Netzwerkteilnehmer stimmt mit der Master-Zeitbasis überein. Netzwerkteilnehmer und Zeit-Master verfügen somit über eine gemeinsame Zeitbasis.
Der Zeit-Master sendet die Synchronisations-Nachricht stets nach den bestimmten Zeitintervallen erneut aus. Somit wird auch die Korrektur des Offsets stets nach den bestimmten Zeitintervallen wiederholt. Durch diese Wiederholung der Korrektur des Offsets in bestimmten Zeitabständen kann vermieden werden, dass eventuelle Drifts zwischen den lokalen Zeitbasen der einzelnen Netzwerkteilnehmer und dem Zeit-Master korrigiert werden müssen. Der Drift beschreibt, wie sich der Offset zwischen einer lokalen Zeitbasis eines Netzwerkteilnehmers und der Master-Zeitbasis über die Zeit verändert.
Um Drift gemäß herkömmlichen Protokollen bzw. Zeitsynchronisationsverfahren zu korrigieren ist zumeist ein Austausch zusätzlicher Nachrichten zwischen Zeit-Master und Netzwerkteilnehmern nötig. Zumeist muss dazu der Netzwerkteilnehmer Delay-Request-Nachrichten an den Zeit-Master senden, welcher daraufhin mit Delay-Response-Nachrichten dem jeweiligen Netzwerkteilnehmer antwortet. Dieser zusätzliche Nachrichtenaustausch kann gemäß dieser Ausgestaltung der der Erfindung eingespart werden.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestimmen die Netzwerkteilnehmer mittels mehrerer empfangener Synchronisations-Nachrichten jeweils den Offset und einen Korrekturfaktor zwischen der Zeitbasis des Zeit-Masters und der jeweiligen eigenen Zeitbasis. Somit wird eine gemeinsame Zeitbasis etabliert. Dieser Korrekturfaktor ist insbesondere der Drift. Gemäß dieser zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die gemeinsame Zeitbasis mittels einer linearen Extrapolation, insbesondere inklusive einer Driftkorrektur, etabliert. Dabei werden insbesondere für jedes Netzwerkelement mehrere Wertepaare aus der jeweiligen lokalen Zeitbasis t_lokal eines jeweiligen Netzwerkelements und der Master-Zeitbasis t_master des Zeit-Masters für das Etablieren der gemeinsamen Zeitbasis genutzt. Der Offset kann dabei jeweils wie oben beschrieben bestimmt werden. Zusätzlich kann mittels der empfangenen Synchronisations-Nachrichten der Drift als Korrekturfaktor extrapoliert werden. Somit wird aus mehreren empfangenen Synchronisations-Nachrichten, beispielsweise aus vier empfangenen Synchronisations-Nachrichten, bestimmt bzw. extrapoliert bzw. abgeschätzt, wie sich der Offset mit der Zeit verändert.
Somit können der Drift und der Offset auf einfache Weise korrigiert werden. Der Drift wird dabei ebenfalls nur mittels der der empfangenen Synchronisations-Nachrichten bestimmt und korrigiert. Ein Austausch zusätzlicher Nachrichten zwischen Zeit-Master und Netzwerkteilnehmern, wie es gemäß herkömmlichen Protokollen bzw. Zeitsynchronisationsverfahren oftmals nötig ist, muss somit nicht stattfinden, um den Drift zu korrigieren. Die Netzwerkteilnehmer müssen keine Delay-Request-Nachrichten an den Zeit-Master senden und Zeit-Master muss auf diese Nachrichten nicht mit Delay-Response-Nachrichten den jeweiligen Netzwerkteilnehmern antworten.
Vorteilhafterweise wird ein Gateway als Zeit-Master verwendet. Ein Gateway kann dabei ein Verbindungspunkt zwischen dem Netzwerk und einem weiteren Netzwerk in dem Kraftfahrzeug sein. Das Gateway besitzt dabei Master-Anschlüsse, die Netzwerkteilnehmer Slave-Anschlüsse. Über die Slave-Anschlüsse sind die einzelnen Netzwerkteilnehmer mit einem Master-Anschluss und somit mit dem Gateway verbunden. Weiter bevorzugt kann auch ein herkömmlicher Netzwerkteilnehmer als Zeit-Master verwendet werden. In diesem Fall sind die übrigen Netzwerkteilnehmer über ihre Slave-Anschlüsse mit einem Master-Anschluss dieses Zeit-Masters verbunden.
Bevorzugt wird Daten, welche zwischen Netzwerkteilnehmern über das Netzwerk verschickt werden, ein Zeitstempel gemäß der gemeinsamen Zeitbasis der Netzwerkteilnehmer zugewiesen. Daten werden für eine derartige Datenübertragung zwischen Netzwerkteilnehmern des Netzwerks insbesondere in Datenpaketen versendet. Diese Datenpakete enthalten dabei den zugehörigen Zeitstempel, für den ein entsprechender Speicherplatz der Datenpakete reserviert ist, sowie die entsprechenden Daten. Insbesondere benötigt der Zeitstempel dabei 32bit. Insbesondere wird für den Zeitstempel eine Byte-Reihenfolge im Little-Endian-Format gewählt. Der Zeitstempel gibt dabei insbesondere einen Zeitpunkt an, zu welchem die Daten erstellt bzw. erfasst wurden.
Die Synchronisations-Nachrichten enthalten insbesondere ebenfalls den Zeitstempel. In die Synchronisations-Nachrichten können insbesondere auch weitere zweckmäßige Funktionen integriert werden. Beispielsweise kann eine zyklische Redundanzprüfung (Cyclic Redundancy Check, CRC) integriert werden, mittels welcher Fehler bei der Übertragung der Synchronisations-Nachrichten erkannt werden können. Dabei sind insbesondere 8bit einer Synchronisations-Nachricht für den CRC reserviert. Insbesondere können die Synchronisations-Nachrichten auch eine Sequence ID aufweisen, die insbesondere 4bit beträgt. Mittels der Sequence ID wird der Zeitstempel der entsprechenden Synchronisations-Nachricht zugeordnet, mittels der die gemeinsame Zeitbasis etabliert wurde. Weiter insbesondere können die Synchronisations-Nachrichten auch einen PDU Typ aufweisen, der ebenfalls insbesondere 4bit beträgt. Dieser PDU Typ enthält insbesondere die Informationen, ob es sich um eine tatsächliche Synchronisations-Nachricht oder um eine Follow-Up-Nachricht handelt.
Vorzugsweise wird bzw. werden einer oder mehrere Netzwerkteilnehmer als eine Boundary Clock verwendet. Mittels eines Slave-Anschlusses ist eine derartige Boundary Clock mit einem Master-Anschluss des Zeit-Masters verbunden. Die lokale Zeitbasis der Boundary Clock wird somit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Master-Zeitbasis synchronisiert. Diese korrigierte Zeitbasis der Boundary Clock, welche mit der Master-Zeitbasis identisch ist, kann wiederum als Master-Zeitbasis für weitere Netzwerkteilnehmer genutzt werden. Die Boundary Clock weist dafür auch Master-Anschlüsse auf. Weitere Netzwerkteilnehmer sind über deren Slave-Anschluss mit einem derartigen Master-Anschluss der Boundary Clock verbunden. Die lokalen Zeitbasen dieser Netzwerkteilnehmer werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der korrigierten Zeitbasis der Boundary Clock synchronisiert.
Die Boundary Clock dient somit als Master und Slave in einem. Zunächst wird die Boundary Clock mit dem Zeit-Master wie ein herkömmliches Netzwerkelement synchronisiert. Daraufhin werden weitere herkömmliche Netzwerkelemente mit der Boundary Clock wie mit dem Zeit-Master synchronisiert. Das Netzwerk kann somit flexibel in unterschiedliche Teilnetze unterteilt werden. Diese Teilnetze können insbesondere durch Boundary Clocks miteinander verbunden sein. Jede Boundary Clock etabliert dabei eine gemeinsame Zeitbasis in ihrem Teilnetz. Durch die Synchronisation der Boundary Clocks mit dem Zeit-Master wird somit eine gemeinsame Zeitbasis aller Teilnetze und somit des kompletten Netzwerks erreicht. Einzelne unterschiedliche Teilnetze in einem Kraftfahrzeug können somit zu einem gesamten Netzwerk zusammengeschlossen werden. Über dieses gesamte Netzwerk kann auf einfache Weise eine gemeinsame Zeitbasis etabliert werden.
Bevorzugt sind die Netzwerkteilnehmer mittels eines Feldbus miteinander vernetzt. Weiter bevorzugt sind die Netzwerkteilnehmer mittels eines CAN-Bus oder eines FlexRay Bus miteinander vernetzt. Feldbusse, insbesondere der CAN-Bus und der FlexRay Bus, sind dabei insbesondere für die Vernetzung von Netzwerkteilnehmern eines Kraftfahrzeugs geeignet. Das erfindungsgemäße Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis erfüllt die speziellen Anforderungen und Sicherheitsvorgaben der KFZ-Branche und eignet sich besonders für mittels Feldbusse. Das erfindungsgemäße Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis ist jedoch nicht auf spezielle Bus-Arten beschränkt, sondern eignet sich allgemein für sämtliche Netzwerke, auch für Ethernet Netzwerke.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Sensoren, Aktoren und/oder Steuergeräte als Netzwerkteilnehmer verwendet. Sensoren und Aktoren sind dabei an zweckmäßigen Stellen des Kraftfahrzeugs angeordnet. Derartige Sensoren können insbesondere als Radar- und/oder Videosensoren ausgebildet sein. Derartige Sensoren erfassen insbesondere Daten bzw. Messdaten, welche durch Steuergeräte ausgewertet bzw. verarbeitet werden.
Durch die Erfindung wird gewährleistet, dass die Sensoren und Steuergeräte stets über dieselbe synchronisierte Zeitbasis verfügen. Durch die gemeinsame Zeitbasis können Daten bzw. Messdaten der einzelnen Netzwerkteilnehmer (zeitlich) miteinander in Bezug gesetzt werden. Mittels der etablierten gemeinsamen Zeitbasis können Daten von mehreren Sensoren auf einem Steuergerät zeitlich korreliert werden. Dies ist eine wesentliche Vorrausetzung für eine Fusionierung dieser Daten.
Weiter bevorzugt ist das Netzwerk ein Teil eines Fahrerassistenzsystems (Driver Assistance System, DA), beispielsweise ein Notbremsassistent. In einem derartigen Fahrerassistenzsystem werden Daten, beispielsweise Messwerte, von Sensoren, insbesondere von Radar- und/oder Videosensoren, an ein Steuergerät gesendet. Insbesondere werden von Radar- und/oder Videosensoren in einem Notbremsassistenten Radar- bzw. Videodaten von der Fahrbahn, die vor dem Kraftfahrzeug liegt, erfasst und über ein Netzwerk an das entsprechende Steuergerät gesendet. In dem Steuergerät wird anhand dieser Daten insbesondere eine Objekterkennung bzw. Objekthypothese bzw. Objektprädiktion durchgeführt und analysiert, ob ein Objekt bzw. eine Gefahrenstelle vor dem Kraftfahrzeug liegt. Auf Basis von fusionierten Daten ist eine bessere Objekterkennung bzw. Objekthypothese bzw. Objektprädiktion möglich. Basierend auf dieser Analyse kann das Steuergerät beispielsweise eine Warnmeldung ausgeben oder über ein Netzwerk gar entsprechende Aktoren ansteuern, um einen (Not-)Bremsvorgang durchzuführen. Dabei ist es für die Sicherheit von Insassen des Fahrzeugs (sowie weiterer Verkehrsteilnehmer in der näheren Umgebung) von größter Bedeutung, dass all diese beteiligten Netzwerkteilnehmer, insbesondere die Sensoren und Steuergeräte, über dieselbe Zeitbasis verfügen. Dies ist insbesondere von erheblicher Bedeutung, wenn das Steuergerät selbstständig Aktoren ansteuert. Insbesondere kann mittels des Zeitstempels der gesendeten Daten sichergestellt werden, dass die Daten auch aktuell sind. Somit kann gewährleistet werden, dass das Steuergerät auf aktuelle Daten von Sensoren reagiert und dass Aktoren durch aktuelle Daten des Steuergeräts angesteuert werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein Netzwerk eines Kraftfahrzeuges mit mehreren Netzwerkteilnehmern, das dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
2 zeigt schematisch das Versenden von Synchronisations-Nachrichten im Zuge einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Netzwerk eines Kraftfahrzeuges schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. In diesem speziellen Beispiel ist das Netzwerk 100 in zwei Teilnetze 100a und 100b unterteilt. Jedes Teilnetz 100a und 100b weist jeweils mehrere Netzwerkteilnehmer auf.
Teilnetz 100a weist beispielsweise einen Videosensor 120, einen Aktor 130 und ein Steuergerät 140 auf. Das Teilnetz 100a und dessen Netzwerkteilnehmer sind insbesondere Teil eines Fahrerassistenzsystems, beispielsweise eines Notbremsassistenten. Die Netzwerkteilnehmer des Teilnetzes 100a sind mittels eines Feldbus, insbesondere eines CAN-Bus oder eines FlexRay-Bus, miteinander verbunden. Der Videosensor 120 nimmt Videodaten von der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug auf und sendet diese über das Teilnetz 100a an das Steuergerät 140. Das Steuergerät 140 analysiert diese Videodaten und steuert gegebenenfalls den Aktor 130 an. Analog weist auch Teilnetz 100b einen Videosensor 125, einen Aktor 135 und ein Steuergerät 145 auf und ist ebenfalls Teil eines Fahrerassistenzsystems. Auch die Netzwerkteilnehmer des Teilnetzes 100b sind mittels eines Feldbus, insbesondere eines CAN-Bus oder eines FlexRay-Bus, miteinander verbunden.
Um dabei sämtlichen Sicherheitsanforderungen zu genügen, müssen sämtliche Netzwerkteilnehmer des gesamten Netzwerks 100 über dieselbe Zeitbasis verfügen. Dazu wird eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt.
Teilnetz 100a weist dabei einen Zeit-Master 110 auf. Der Zeit-Master 110 ist dabei als ein herkömmlicher Netzwerkteilnehmer des Teilnetz 100a ausgebildet. Alternativ kann der Zeit-Master 110 auch als ein Gateway ausgebildet sein. Der Zeit-Master 110 weist mehrere Master-Anschlüsse 111 auf. Videosensor 120, Aktor 130 und Steuergerät 140 sind jeweils über einen Slave-Anschluss 121 bzw. 131 bzw. 141 mit einem Master-Anschluss 111 und somit mit dem Zeit-Master 110 verbunden. Lokale Zeitbasen des Videosensors 120, des Aktors 130 und des Steuergeräts 140 werden somit mit einer Master-Zeitbasis des Zeit-Masters 110 synchronisiert. Somit wird in dem Teilnetz 100a eine gemeinsame Zeitbasis etabliert.
Ein Gateway 150 verbindet die Teilnetze 100a und 100b miteinander. Das Gateway 150 wird dabei als eine Boundary Clock verwendet. Ein Slave-Anschluss 151 des Gateways ist dabei mit einem Master-Anschluss 111 des Zeit-Masters 110 verbunden. Eine lokale Zeitbasis des Gateways 150 wird somit ebenfalls mit der Master-Zeitbasis synchronisiert. Das Gateway 150 etabliert nun in dem Teilnetz 100b ebenfalls eine gemeinsame Zeitbasis, analog zu dem Zeit-Master 110 in Teilnetz 100a. Sensor 125, Aktor 135 und Steuergerät 145 sind dabei über jeweilige Slave-Anschlüsse 126 bzw. 136 bzw. 146 mit einem Master-Anschluss 152 des Gateways 150 verbunden.
Die lokalen Zeitbasen des Sensors 125, des Aktors 135 und des Steuergeräts 145 werden mit der Zeitbasis des Gateways 150 synchronisiert. Dadurch, dass die Zeitbasis des Gateways 150 der Master-Zeitbasis des Zeit-Masters 110 entspricht, verfügen somit sämtliche Netzwerkteilnehmer des Netzwerks 100 über dieselbe Master-Zeitbasis.
Die Etablierung der gemeinsamen Zeitbasis zwischen Zeit-Master 110 und dem Sensor 120, dem Aktor 130, dem Steuergerät 140 und dem Gateway 150 (als Slave) in dem Teilnetz 100a wird im Folgenden anhand von 2 detailliert erläutert. Die folgenden Erläuterungen gelten in analoger Weise für die Etablierung der gemeinsamen Zeitbasis zwischen dem Gateway 150 (als Master) und dem Sensor 125, dem Aktor 135 und dem Steuergerät 145 in dem Teilnetz 100b.
In 2 symbolisiert die rechte Zeitachse 210 den Zeit-Master 110 und die linke Zeitachse 220 einen Zeit-Slave. Dieser Zeit-Slave kann dabei der Sensor 120, der Aktor 130, das Steuergerät 140 oder auch das Gateway 150 sein. (Analog kann der die rechte Zeitachse 210 das Gateway 150 symbolisieren. Der Zeit-Slave kann dabei der Sensor 125, der Aktor 135 oder das Steuergerät 145 sein.)
Zu einer Sendezeit t₁ sendet der Zeit-Master 110 eine Synchronisations-Nachricht S₁ über das Teilnetz 100a aus. Zu einer Empfangszeit t₂ empfängt der Zeit-Slave diese Nachricht S₁. Anschließend sendet der Zeit-Master 110 zu einem Zeitpunkt t₁' eine Follow-Up-Nachricht F₁ über das Teilnetz 100a aus, in welcher die exakte Sendezeit t₁ als Information enthalten ist. Zu einem Zeitpunkt t₂' empfängt der Zeit-Slave diese Follow-Up-Nachricht F₁. Insbesondere wird die Follow-Up-Nachricht F₁ nach einer Zeitdauer dt_F von 20ms nach der Synchronisations-Nachricht S₁ versendet. Gegebenenfalls kann das Senden der Follow-Up-Nachricht F₁ auch entfallen, wenn der Zeit-Master die Sendezeit t₁ bereits als Information in die Synchronisations-Nachricht S₁ einfügen kann.
Mittels der empfangenen Synchronisations-Nachricht S₁ bzw. mittels der Sendezeit t₁ und der Empfangszeit t₂ korrigiert der Zeit-Slave einen Offset zwischen der Zeitbasis t_master des Zeit-Masters 110 und der lokalen Zeitbasis t_lokal des jeweiligen Zeit-Slaves gemäß der Formel: t_master = t_lokal – (t₂ – t₁)
Dieser Vorgang des Sendens der Synchronisations-Nachricht (und gegebenenfalls der Follow-Up-Nachricht) und der Korrektur des Offsets wird in bestimmten Zeitintervallen Δt wiederholt. Die Länge der Zeitintervalle Δt kann flexibel gewählt werden. Insbesondere beträgt die Länge der Zeitintervalle Δt beim Starten des Netzwerks 40ms, im laufenden Betrieb des Netzwerks 1000ms.
Zu einer Sendezeit t₃ sendet der Zeit-Master 110 erneut eine Synchronisations-Nachricht S₂ aus, die zu einer Empfangszeit t₄ von dem Zeit-Slave empfangen wird. Gegebenenfalls wird zu einem Zeitpunkt t₃' eine Follow-Up-Nachricht F₂ ausgesendet, die zu einem Zeitpunkt t₄' empfangen wird.
Zu den bestimmten Zeitintervallen Δt werden somit die lokalen Zeitbasen der Zeit-Slaves nachjustiert. Somit wird eine gemeinsame Zeitbasis in dem Teilnetz 100a etabliert.
Alternativ kann die gemeinsame Zeitbasis auch mittels einer linearen Extrapolation etabliert werden. Dabei bestimmt der Zeit-Slave mittels mehrerer Synchronisations-Nachrichten S₁ und S₂ jeweils den Offset. Weiterhin bestimmt der Zeit-Slave aus diesen Synchronisations-Nachrichten S₁ und S₂ einen Drift als Korrekturfaktor. Dabei wird anhand der Synchronisations-Nachrichten S₁ und S₂ extrapoliert, wie sich der Offset mit der Zeit verändert. Somit wird eine gemeinsame Zeitbasis in dem Teilnetz 100a etabliert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE-Norm 802.3 [0002]
IEEE-Norm 1588 [0003]
IEC-Norm 61588 [0003]
ISO-Norm 26262 [0004]
ISO-Norm 26262 [0019]

Claims

Verfahren zum Etablieren einer gemeinsamen Zeitbasis für Netzwerkteilnehmer in einem Netzwerk (100) eines Kraftfahrzeugs, – wobei ein Zeit-Master (110) in bestimmten Zeitintervallen (Δt) jeweils eine Synchronisations-Nachricht (S₁) über das Netzwerk (100) aussendet, – wobei Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140), die mit dem Zeit-Master (110) vernetzt sind, die Synchronisations-Nachricht (S₁) des Zeit-Masters (110) empfangen, – wobei die Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) mittels der empfangenen Synchronisations-Nachricht (S₁) jeweils eine eigene Zeitbasis korrigieren und somit eine gemeinsame Zeitbasis etablieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) mittels der empfangenen Synchronisations-Nachricht (S₁) jeweils einen Offset zwischen einer Zeitbasis des Zeit-Masters (110) und der eigenen Zeitbasis korrigieren und somit eine gemeinsame Zeitbasis etablieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) mittels mehrerer empfangener Synchronisations-Nachrichten (S₁, S₂) jeweils den Offset und einen Korrekturfaktor zwischen der Zeitbasis des Zeit-Masters (110) und der jeweiligen eigenen Zeitbasis bestimmen und somit eine gemeinsame Zeitbasis etablieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ein Gateway (150) des Netzwerks oder eine herkömmlicher Netzwerkteilnehmer als Zeit-Master (110) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Daten, welche zwischen Netzwerkteilnehmern (120, 130, 140) über das Netzwerk (100) verschickt werden, ein Zeitstempel gemäß der gemeinsamen Zeitbasis der Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) zugewiesen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei einer oder mehrere Netzwerkteilnehmer als eine Boundary Clock (150) verwendet wird/werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) mittels eines Feldbus miteinander vernetzt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Netzwerkteilnehmer (120, 130, 140) mittels eines CAN-Bus oder eines FlexRay Bus miteinander vernetzt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Sensoren (120), Aktoren (130) und/oder Steuergeräte (140) als Netzwerkteilnehmer verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Netzwerkteilnehmer und das Netzwerk (100) Teil eines Fahrerassistenzsystems sind.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 11, ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.