基于低頻通信的汽車鑰匙定位方法研究

摘要：得益于科技的發(fā)展，無(wú)鑰匙進(jìn)入技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，但磁場(chǎng)信號(hào)由于易衰減、受外部環(huán)境因素影響大，致使鑰匙定位準(zhǔn)確性成為困擾鑰匙供應(yīng)商以及汽車主機(jī)廠的問題。本課題的提出旨在分析和研究基于接收?qǐng)鰪?qiáng)的汽車鑰匙定位精度問題。文中介紹了鑰匙定位的基本原理，建立鑰匙場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償模型，并通過測(cè)試驗(yàn)證了鑰匙場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，采用本課題鑰匙場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償算法，可以極大地減小場(chǎng)強(qiáng)測(cè)距誤差，在汽車周邊環(huán)境下有著很好的定位精度與極小的定位誤差率。

關(guān)鍵詞：汽車鑰匙定位；低頻通信；信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)；場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)；接收信號(hào)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U463.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)鑰匙進(jìn)入及起動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。得益于該技術(shù)，駕駛?cè)藛T可以脫離汽車鑰匙操作，只需要攜帶汽車鑰匙靠近車輛，車輛即可自動(dòng)完成鑰匙識(shí)別并完成車輛解閉鎖、解尾門、車輛起動(dòng)操作[1]。同時(shí)，系統(tǒng)還可識(shí)別鑰匙在車內(nèi)的位置，當(dāng)鑰匙遺忘在車內(nèi)時(shí)，可以快速定位并幫助用戶找到鑰匙。

汽車鑰匙定位是無(wú)鑰匙進(jìn)入技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，同時(shí)也是行業(yè)的痛點(diǎn)。汽車鑰匙定位技術(shù)具有復(fù)雜性以及影響因素的多樣性，這些復(fù)雜性常常導(dǎo)致汽車鑰匙定位不準(zhǔn)。如鑰匙在車外卻被系統(tǒng)定位為車內(nèi)，這不僅影響人們的用車體驗(yàn)，還造成一定的汽車安全隱患。

好的鑰匙定位算法是無(wú)鑰匙進(jìn)入及起動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵。為提高鑰匙定位的準(zhǔn)確性，各院校科研人員及汽車行業(yè)專家提出了很多提高鑰匙定位準(zhǔn)確性的方法。這些方法主要分為兩大類：一種是集中式與分布式定位算法；另一種是基于測(cè)距的定位算法和非測(cè)距的定位算法[2]。集中式定位算法將所有節(jié)點(diǎn)信息傳送到某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算并確定，特點(diǎn)是全局統(tǒng)籌，定位相對(duì)準(zhǔn)確，但運(yùn)算量大且難做到實(shí)時(shí)響應(yīng)且成本高昂，實(shí)際應(yīng)用并不常見。而非測(cè)距方式對(duì)硬件要求較低，精度相對(duì)也低[3]，對(duì)于汽車鑰匙定位領(lǐng)域應(yīng)用同樣不適用。因此，現(xiàn)實(shí)中多采用測(cè)距定位的方法，其中接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）由于其成本較低且算法相對(duì)簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用[4]。

對(duì)定位精確度的優(yōu)化主要集中于兩個(gè)方面：在定位方面，普遍采用質(zhì)心定位算法、改良質(zhì)心定位算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位方法及SPA 相對(duì)定位算法；在測(cè)距方面，基于RSSI 主要通過卡爾曼濾波、建立距離信號(hào)衰減模型、建立溫度改正模型以及將測(cè)距問題轉(zhuǎn)換為最大似然估計(jì)優(yōu)化問題等方法降低測(cè)距的系統(tǒng)性誤差[5-6]。但由于RSSI 易受到節(jié)點(diǎn)材質(zhì)、硬件老化和觀測(cè)環(huán)境的影響，這些方法難以很好地消除外部多變環(huán)境因素的影響，溫度改正相關(guān)模型又很難正確擬合出溫度對(duì)測(cè)距的線性關(guān)系，存在擬合模型計(jì)算誤差。

本課題提出一種矯正RSSI 測(cè)距的場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償模型。該模型無(wú)需擬合溫度關(guān)系曲線，測(cè)量簡(jiǎn)單，可以很好地消除外界環(huán)境對(duì)RSSI 測(cè)距的影響。

1 鑰匙低頻定位原理

當(dāng)駕駛?cè)藛T靠近主駕車門按門把手鎖感應(yīng)位置或踩制動(dòng)踏板時(shí)，車內(nèi)基站會(huì)通過電生磁產(chǎn)生一個(gè)低頻磁場(chǎng)。鑰匙內(nèi)部的電子控制單元能夠通過磁場(chǎng)耦合的方式，檢測(cè)出車內(nèi)天線所發(fā)出低頻磁場(chǎng)的強(qiáng)度，這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著與發(fā)射天線的距離變遠(yuǎn)而不斷衰減。鑰匙定位的實(shí)現(xiàn)源于磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠反映出測(cè)試點(diǎn)距發(fā)射天線的距離。

鑰匙接收到發(fā)射天線發(fā)來(lái)的低頻磁場(chǎng)后，會(huì)根據(jù)接收到的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)，隨后發(fā)送一個(gè)高頻數(shù)據(jù)包反饋校準(zhǔn)的接收磁場(chǎng)強(qiáng)度給車內(nèi)微控制器。由于車內(nèi)有多個(gè)擺放于不同位置的發(fā)射天線，當(dāng)啟動(dòng)一次位置校驗(yàn)時(shí)，車內(nèi)發(fā)射天線會(huì)依次發(fā)送低頻場(chǎng)強(qiáng)，鑰匙端檢測(cè)到這些場(chǎng)強(qiáng)均回復(fù)對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)，車內(nèi)微控制器即可根據(jù)得到的場(chǎng)強(qiáng)確認(rèn)鑰匙位置（圖1）。

3 模型驗(yàn)證分析

使用ATA5702 芯片對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在理想試驗(yàn)環(huán)境下測(cè)量外部均勻磁場(chǎng)的響應(yīng)，并存儲(chǔ)在EEPROM 設(shè)備中，作為設(shè)備對(duì)已知磁場(chǎng)響應(yīng)的歸一化基線。在沒有外部低頻信號(hào)的情況下，測(cè)量鑰匙各線圈對(duì)設(shè)備內(nèi)部電流源的響應(yīng)并存入EEPROM，此項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)作為基線，用以補(bǔ)償設(shè)備對(duì)溫度、老化或靠近應(yīng)答器天線的金屬的響應(yīng)。用2 把鑰匙進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

將鑰匙放置在XY 平面逐漸旋轉(zhuǎn)角度，測(cè)量計(jì)算出的X、Y、Z 軸校準(zhǔn)后的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)以及三軸歸一化后的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)。將表1 數(shù)據(jù)繪制成定點(diǎn)角度場(chǎng)強(qiáng)圖可以明顯地看出（圖3），隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化，X、Y、Z 軸三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，但三軸總體的磁場(chǎng)強(qiáng)度保持平衡，即旋轉(zhuǎn)角度不會(huì)影響最終場(chǎng)強(qiáng)。

對(duì)不同外部環(huán)境測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)做歸一化以及不歸一化處理（圖4）。圖4 中橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為外部測(cè)量結(jié)果；虛線代表無(wú)歸一化和內(nèi)部參考，實(shí)線代表做歸一化使用內(nèi)部參考。對(duì)3 組不同的測(cè)試進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)同一測(cè)試距離進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，若不做歸一化，不同環(huán)境多次測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

圖5 所示為不同外部環(huán)境是否使用內(nèi)部參考做校準(zhǔn)的距離與外部測(cè)量結(jié)果的線性關(guān)系。可以看出，若不采用內(nèi)部參考，同距離測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。而采用內(nèi)部參考數(shù)據(jù)后，3 次不同的距離測(cè)試曲線差距縮小，使用內(nèi)部參考并歸一化之后，3 條曲線基本重疊。結(jié)果表明，使用內(nèi)部參考可以有效減小測(cè)距誤差，但仍受到金屬影響。

使用2 把鑰匙對(duì)同一距離分別在3 個(gè)不同的時(shí)間段做測(cè)距測(cè)試，記錄2 把鑰匙場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，各時(shí)間段測(cè)試獲取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)并取平均。測(cè)試結(jié)果表2 所示。

表2 中鑰匙1 和鑰匙2 代表2 把同型號(hào)的不同鑰匙，時(shí)段1、時(shí)段2 和時(shí)段3 分別表示不同時(shí)間段的測(cè)量，值為各次測(cè)量校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)的線性化結(jié)果。以3 個(gè)不同時(shí)間段為橫坐標(biāo)，線性化結(jié)果為縱坐標(biāo)，對(duì)表2 繪制簇狀柱形圖（圖6）。可以看出，不做場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)的情況下，同一把鑰匙在不同時(shí)間段（外界環(huán)境）下線性化測(cè)量結(jié)果存在較大偏差，2 把不同鑰匙在相同時(shí)間段測(cè)量也存在明顯差異。做了場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)后，2 把鑰匙的3 個(gè)時(shí)間線性化結(jié)果基本一致。結(jié)果表明，使用本課題模型對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)可以有效減小外部環(huán)境及內(nèi)部因素導(dǎo)致的誤差，且對(duì)同型號(hào)鑰匙具有普遍性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本課題針對(duì)基于RSSI 的鑰匙定位測(cè)距技術(shù)，建立磁場(chǎng)強(qiáng)度補(bǔ)償模型。使用此模型可以有效減小RSSI 因外界因素干擾而導(dǎo)致的誤差，從而提高鑰匙定位的準(zhǔn)確性，為駕駛?cè)藛T提供更舒適的用車體驗(yàn)。文中使用的校準(zhǔn)模型建立于鑰匙產(chǎn)前的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量，因此，準(zhǔn)確、完備的產(chǎn)線末端測(cè)試是模型提高定位精確度的關(guān)鍵。本課題所研究的測(cè)距方法僅針對(duì)場(chǎng)強(qiáng)傳輸方面，未涉及產(chǎn)線末端標(biāo)定以及校準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)后的定位計(jì)算，結(jié)合標(biāo)定、濾波和定位方面的研究可進(jìn)一步完善鑰匙定位方案。

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作者簡(jiǎn)介：

李紫超，本科，研究方向?yàn)榍度胧杰囉每刂破鳌?/p>