Автопроизводители столкнулись с проблемой нехватки электронных компонентов, хотя тенденция создания интеллектуальных автомобилей непреодолима. Система PEPS (пассивный вход и пассивный запуск) является самым мгновенным и впечатляющим свидетельством разумности для пользователей. Она больше не является высококлассной функцией только для автомобилей высшего класса. Он был введен в модели среднего или даже экономичного уровня многими производителями автомобилей, в частности, новыми брендами. На китайском рынке, где продажи электромобилей выросли более чем на 100% в первой половине 2022 года, крупные производители электромобилей, такие как BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng и Li Auto, в основном оснастили все модели PEPS .

В то время как этот ECU тихо ошеломляет нас, автомобилистов, задумывались ли мы когда-нибудь о том, чтобы исследовать следы его создания и перспективы его будущего? В путь.

PEPS дает автомобилистам опыт безопасной посадки в автомобиль без необходимости разблокировки вручную. Двигатель и система вентиляции и кондиционирования автомобиля могут быть запущены дистанционно до того, как водитель или пассажиры сядут в автомобиль. Пока все пассажиры покидают автомобиль, PEPS автоматически запирает автомобиль. Таким образом, пользователи автомобилей наслаждаются удобством пассивного входа с уверенностью в безопасности. Должно быть, поэтому мы называем его словом «пассивный».

Вчера: РКЕ и ПКЕ

В настоящее время основные решения PEPS интегрируют беспроводные технологии, такие как Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), NFC, RFID (высокочастотная и низкочастотная) и т. д. Итак, как они работают? Было бы трудно переварить, если бы мы рассказывали историю сегодняшнего дня. Итак, почему бы нам не вернуться во вчерашний день?

В конце 1990-х годов некоторые модели автомобилей высокого класса постепенно внедряли систему удаленного доступа без ключа (RKE), что является развитием более раннего решения IMMO (иммобилайзера), основанного на низкочастотной RFID (125 кГц). Как предшественник PEPS, RKE имеет брелок для передачи сигналов УВЧ (сверхвысокой частоты) на радиочастотный приемник, подключенный к BCM (модулю управления кузовом) автомобиля, для проверки личности пользователя. После проверки идентификатора система выполнит действие открытия/закрытия двери, управляемое BCM. Такой механизм односторонней проверки, показанный на рис. 1, можно интерпретировать как заранее установленный шифр в шпионском фильме. Когда заезжий секретный агент приходит на место встречи, он или она должны говорить или показывать такой шифр. Если шифр правильный, он или она будет пропущен. Недостаток этого механизма в том, что как только враг проник и получил шифр,

Рисунок 1. Рабочий механизм RKE

Решение RKE принимает полосы частот 315 МГц (в США, Китае и Японии и т. д.), 433,92 МГц (в Европе, Китае) и 868 МГц (в Европе).Что касается модуляции сигнала, в большинстве стран используется ASK (амплитудная манипуляция). ), в то время как в Японии используется режим FSK (частотная манипуляция) Поставщики интегральных схем, такие как Silicon Labs, Maxim, Microchip и NXP и т. д., имеют предложения в этой области.

К началу 21 века люди модернизировали механизм односторонней проверки RKE до двустороннего механизма, называемого системой PKE (пассивный вход без ключа), где проверка больше не инициируется держателем брелока, то есть водителем, а инициируется низкочастотным передатчиком, подключенным к BCM. Как только двери автомобиля закрываются и запираются, встроенный в автомобиль беспроводной модуль будет непрерывно транслировать низкочастотные (125 кГц) сигналы в поисках ответчика (встроенного в брелок) в определенном диапазоне. Когда модуль нашел ответчика, его код разбудит последнего. Если низкочастотная часть модуля долгое время не получала сигналов обратной связи, она переходит в спящий режим для снижения энергопотребления. Всякий раз, когда ответчик в брелке получает сигнал пробуждения, он будет посылать скользящую закодированную дейтаграмму по высокочастотным (например, 433 МГц) сигналам. После того, как встроенный модуль декодирует и понимает дейтаграмму, он дает указание автомобилю выполнить определенную операцию. Таким образом, мы можем видеть, что по сравнению с RKE механизм проверки, принятый PKE, является двусторонним механизмом, см. Рисунок 2.

Рисунок 2. Рабочий механизм ПКЕ

Продолжим на примере встречи секретных агентов в шпионских фильмах. В механизме двусторонней проверки тайный агент-хозяин не ждет прихода своего товарища, а ставит рядом какой-нибудь шифр (например, отмечает столбик специальным символом или ставит определенное растение на крыльцо). , когда его или ее товарищ посетит секретного агента хозяина, заметив этот шифр. Когда товарищ постучит в дверь, они будут использовать другой заранее установленный шифр, чтобы проверить личности друг друга. Для точки встречи мобильности такой механизм упреждающий и более безопасный.

В то время как пассивный механизм входа без ключа поколения PKE интегрируется с упомянутым выше IMMO, мы реализуем опыт пассивного входа и пассивного запуска. Таким образом, в 2003 году на сцену вышла ранняя форма PEPS.

Сегодня: Bluetooth PEPS становится мейнстримом

Однако цифровизация никогда не прекращалась. Через десять лет после появления раннего режима PEPS широкое распространение получили смартфоны. В настоящее время они стали самым удобным инструментом для проверки личности в нашей повседневной жизни. Итак, автопроизводители внедрили смартфоны в сценарий PEPS. Так появились PEPS, которые мы видим сегодня.

Какие функции были интегрированы в современное решение PEPS? По сути, основные PEPS теперь включают NFC и Bluetooth. Водитель может положить телефон NFC рядом с колонной B автомобиля, чтобы войти. Это избавило от необходимости засовывать в карман и брелок, и смартфон. Но внедрение Bluetooth в PEPS более революционно. Прежде всего, Bluetooth имеет 100-процентный коэффициент проникновения в смартфоны, поэтому пользователям не нужно беспокоиться о том, какую модель выбрать для совместимости с PEPS. Во-вторых, высокая частота, механизм скачкообразной перестройки частоты и усиленный механизм безопасности Bluetooth обеспечивают большую безопасность и надежность по сравнению с механизмом подтверждения УВЧ/НЧ. Кроме того, функция дальности и позиционирования Bluetooth очень помогает в определении времени открытия/закрытия двери, резко снижает возможность угона автомобиля вслед за водителем. Bluetooth также позволяет владельцу использовать приложение для авторизации других лиц для доступа или использования автомобиля, что делает возможным удаленное совместное использование автомобиля членами семьи и друзьями. Такой механизм также помогает сервисам по аренде автомобилей и сервисам массового самоуправляемого каршеринга.

Уровень точности дальности и позиционирования Bluetooth может достигать полуметра или одного метра. Он включает в себя метод RSSI и метод AoA. Первый, менее точный, предлагает уровень точности от 1 до 5 метров. Последний, более точный, предлагает уровень точности в полметра.

Технология RSSI помогает реализовать начальный уровень Bluetooth PEPS
RSSI (Индикация уровня принимаемого сигнала) — это технология, которая может рассчитать расстояние, которое проходит радиосигнал, в соответствии со степенью его ослабления в диапазоне. Следовательно, система может определить местоположение с помощью тригонометрического расчета.

Во время прохождения радиосигнала его мощность будет уменьшаться после прохождения определенного расстояния или при столкновении с различными препятствиями. Такое затухание происходит в разной степени в разных ситуациях. Это косвенно подорвало уровень точности алгоритма. По этой причине RSSI хорошо работает только на коротких дистанциях. Поскольку он по-прежнему характеризуется недорогим развертыванием и низким энергопотреблением, RSSI используется для Bluetooth PEPS начального уровня. В самом недорогом решении размещается только одна базовая станция Bluetooth внутри стойки A автомобиля. Решение вычисляет расстояние между смартфоном пользователя и столбцом А, чтобы решить, открывать или закрывать дверь. См. рисунок 3.

Рис. 3. Схема Bluetooth PEPS начального уровня (одиночная станция RSSI)

Технология AOA для реализации основных PEPS

Функция под названием AoA (угол прибытия), представленная в версии Bluetooth 5.1, повысила уровень точности службы позиционирования Bluetooth. В решении AoA (см. рис. 4) передатчик, такой как смартфон, периодически посылает специальный сигнал. Антенная решетка в автомобиле развернута для приема сигнала для фазового анализа, чтобы рассчитать угол, под которым передатчик посылает сигнал. При поддержке других методов съемки и оборудования решение может лучше определять местоположение (расстояние и направление) передающего устройства с уровнем точности около 0,5 метра.

Рисунок 4. Позиционирование Bluetooth AOA

Очевидно, что для повышения уровня точности позиционирования необходима поддержка нескольких базовых станций Bluetooth с алгоритмом AoA. Таким образом, в моделях среднего уровня автопроизводители предпочитают развертывать многоточечные Bluetooth PEPS, как показано на рис. 5, хотя точное количество базовых станций и схема компоновки в некоторой степени различаются для разных моделей автомобилей.

Рисунок 5．Основное решение Bluetooth PEPS (позиционирование AoA)

Наиболее распространенные SoC на арене Bluetooth PEPS включают TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 и NXP KW36 и т. д.

Завтра: UWB обещает

Время никогда не останавливается, равно как и инновации PEPS. Благодаря более высокой безопасности, более высокой скорости отклика и точности позиционирования на уровне сантиметра технология UWB все больше привлекает внимание групп разработчиков инновационных продуктов автопроизводителей. В 2019 году Консорциум по подключению автомобилей (CCC) включил UWB в список технологий безопасного доступа к транспортным средствам следующего поколения, и UWB начали применять в автомобилях.

В июне 2020 года IEEE обновил стандарты, связанные с СШП (802.15.4z), чтобы улучшить функции безопасности СШП (на уровне PHY/RF), что еще больше проложило путь для выхода СШП на рынок основных приложений. В июле 2021 года CCC Alliance официально выпустил спецификацию CCC Digital Key 3.0, в которой четко предлагается сочетание беспроводной технологии UWB и BLE (Bluetooth) для обеспечения пассивного входа без ключа и запуска двигателя с помощью совместимых мобильных устройств.

Таблица 1. Сравнение технологий позиционирования PEPS

Алгоритмы позиционирования для СШП

Существует три относительно зрелых алгоритма позиционирования, принятых для решений СШП: TOA (время прибытия, время прибытия), TDOA (разница во времени прибытия, разница во времени прибытия) и AOA (ангел прибытия, угол прихода). . В конкретном процессе реализации обычно используется гибридная схема позиционирования, объединяющая три метода позиционирования, для достижения оптимальной производительности позиционирования.

TOA использует круговой метод позиционирования (см. рисунок 6) для определения местоположения путем измерения расстояния между мобильным терминалом и тремя или более базовыми станциями UWB. Местоположение мобильного терминала можно определить путем пересечения трех окружностей в одной точке. Однако из-за наличия многолучевости, шума и других явлений мультиокружность не может пересекаться или пересечение является не точкой, а областью, поэтому фактически позиционирование TOA редко используется отдельно.

Рис. 6. Алгоритм позиционирования TOA (метод кругового позиционирования)

Улучшение по сравнению с TOA, TDOA обеспечивает точную синхронизацию между базовыми станциями, которую легко реализовать. Синхронизация времени между мобильным терминалом и базовыми станциями не рассматривается, как показано на рисунке 7. Сначала вычислите разницу расстояний между мобильным терминалом и базовой станцией A и разницу между ним и базовой станцией B. Мобильный терминал должен находиться на гиперболе. с базовой станцией A и базовой станцией B в качестве фокусов. Другой набор гипербол можно получить по разности расстояний между мобильным терминалом и базовой станцией А и базовой станцией С, а пересечение гипербол представляет собой положение мобильного терминала. В пределах пространства транспортного средства влияние многолучевости, шума и т. д. также можно уменьшить за счет разницы расстояний.

Рис. 7 Алгоритм позиционирования TDOA

Позиционирование AOA вычисляет угол прихода на основе принципа разности фаз, и для определения местоположения требуются только две базовые станции. Из-за проблем с угловым разрешением точность позиционирования снижается с увеличением расстояния от базовой станции и в основном используется для позиционирования на коротких и средних расстояниях.

Сценарий UWB PEPS
Когда владелец автомобиля подносит смарт-ключ близко к автомобилю, узел BLE автомобиля может обнаружить сигнал BLE смарт-ключа на расстоянии до 80 метров. Узел BLE транспортного средства пробуждает контроллер домена тела, а контроллер домена тела управляет медленным включением индикатора приветствия, тем самым входя в состояние приветствия. В то же время пробуждается узел СШП транспортного средства. Когда расстояние между смарт-ключом, который несет владелец автомобиля, и автомобилем составляет менее 10 м, узел UWB транспортного средства может точно определять положение владельца в режиме реального времени с помощью алгоритмов позиционирования. В это время владелец может автоматически разблокировать дверь и открыть ее, просто потянув. Кроме того, автомобиль также будет оснащен функцией NFC (ближняя радиосвязь). В особых случаях, например, если смарт-ключ вышел из строя, NFC можно использовать для разблокировки и запуска автомобиля. Архитектура его реализации показана на рисунке 8.

Рис. 8. Архитектура реализации UWB PEPS, специфицированная CCC 3.0

В области чипов UWB в настоящее время признанными зрелыми производителями являются Apple, NXP Trimension и QORVO Decawave. Среди выпущенных ими микросхем только NXP Trimension NCJ29D5 соответствует требованиям транспортных правил.

Расширение: Биорадар

Опыт UWB PEPS для водителей является одновременно интимным и безопасным. Однако чувствуют ли пассажиры в машине то же самое? Обычно да, но в некоторых особых случаях нет. Иногда это жестоко для них. Например, если водитель выходит из машины, двери автоматически блокируются. В машине случайно остался младенец или милый питомец. Должен ли автомобиль подавать сигнал водителю? Абсолютно необходимо! К счастью, с этим можно справиться с помощью UWB.

Как сверхширокополосная технология беспроводной связи, UWB использует наносекундные несинусоидальные узкие импульсы для передачи данных. Эта технология позволяет сверхширокополосным радиолокаторам выполнять исключительные функции радара. По сравнению с обычным радаром, СШП-радар имеет много преимуществ, таких как низкое энергопотребление, разрешение на миллиметровом уровне, сильное проникновение, сильная помехоустойчивость, пригодность для обнаружения на ближнем расстоянии и т. д. СШП особенно подходит для обнаружения живых существ, поскольку биорадар.

Биорадар UWB может дистанционно обнаруживать жизненно важные признаки, такие как дыхание и сердцебиение человека или животных, без хлопот с любыми электродами или датчиками, контактирующими с живым телом. Он может не только помочь системе PEPS предотвратить несчастные случаи с запиранием людей или животных в автомобиле, но и определить физиологическое состояние водителя, выдать напоминания или даже своевременно вмешаться, когда водитель плохо себя чувствует во время езды.

Рис. 9. Обнаружение жизни с помощью сверхширокополосного биорадара

Багажник: открывающийся пинком

В дополнение к обнаружению жизни в транспортном средстве, основанному на функции восприятия движения радаром UWB, UWB также имеет умное приложение, позволяющее открыть багажник. Когда личность водителя достигает задней части транспортного средства, радар UWB может точно обнаружить действие топания, тем самым автоматически открывая багажник транспортного средства.

Рис. 10. UWB обеспечивает решение Kick-to-Open

Две функции СШП-радара, описанные выше, в том числе биорадар СШП и радар отбрасывания СШП, не требуют дополнительного оборудования, а реализуются только за счет повторного использования оборудования СШП на стороне транспортного средства без дополнительных затрат на оборудование. Мы также можем рассматривать их как часть будущей функциональности UWB PEPS.

Автоматизированная парковка с использованием UWB

AVP (Automated Valet Parking) — это функция автономной парковки. Она известна как технология автономного вождения уровня L4, которая предоставляет пользователям «свободу последней мили». В настоящее время это наиболее многообещающий сценарий приложения для автономного вождения для коммерциализации, как показано на рис. 11. Еще одним огромным преимуществом реализации опыта PEPS с UWB является то, что он обеспечивает необходимые и достаточные условия для реализации AVP сбоку от автомобиля.

Рис. 11 Автоматизированная система парковки автомобилей

На рисунке 12 показана возможная схема компоновки узла UWB на стороне транспортного средства. Всего четыре узла СШП PEPS размещаются в фарах и задних фонарях, а пятый узел СШП PEPS+AVP размещается на крыше. Пятый узел может принимать как сигнал СШП в автомобиле, так и сигнал СШП вне автомобиля, а также является ключевым узлом для реализации функции AVP.

Рисунок 12 Архитектура PEPS + AVP

В режиме PEPS пятый узел UWB взаимодействует с другими четырьмя узлами UWB для завершения измерения положения смарт-ключа и отправляет информацию о дальности на контроллер домена тела (BCM) для завершения расчета положения смарт-ключа. ключ, чтобы решить последующую разблокировку и запуск операций.

При входе в режим AVP пятый узел начинает непрерывно получать сообщения позиционирования СШП, рекламируемые узлами СШП, разложенными на стоянке. Узел UWB на стороне транспортного средства отправляет полученное сообщение о местоположении в контроллер домена интеллектуального вождения, чтобы реализовать расчет координат транспортного средства в гараже, а затем передает его в модуль управления планированием для реализации операций AVP.

Заключение

За последние двадцать лет PEPS уверенно росла. Поскольку он становится все более и более популярным среди автопроизводителей, он будет по-прежнему предлагать новые инновации для улучшения опыта водителей автомобилей и стандартов безопасности, в то время как человечество готовится к более разумному вождению.