李紫超 韋春霆 詹宏翔

摘要：得益于科技的發(fā)展，無鑰匙進入技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，但磁場信號由于易衰減、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)商以及汽車主機廠的問題。本課題的提出旨在分析和研究基于接收場強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，建立鑰匙場強補償模型，并通過測試驗證了鑰匙場強補償模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，采用本課題鑰匙場強補償算法，可以極大地減小場強測距誤差，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；信號場強；場強校準(zhǔn)；接收信號強度

中圖分類號：U463.67 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無鑰匙進入及起動技術(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，車輛即可自動完成鑰匙識別并完成車輛解閉鎖、解尾門、車輛起動操作[1]。同時，系統(tǒng)還可識別鑰匙在車內(nèi)的位置，當(dāng)鑰匙遺忘在車內(nèi)時，可以快速定位并幫助用戶找到鑰匙。

汽車鑰匙定位是無鑰匙進入技術(shù)的難點和重點，同時也是行業(yè)的痛點。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，還造成一定的汽車安全隱患。

好的鑰匙定位算法是無鑰匙進入及起動技術(shù)的關(guān)鍵。為提高鑰匙定位的準(zhǔn)確性，各院?？蒲腥藛T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；另一種是基于測距的定位算法和非測距的定位算法[2]。集中式定位算法將所有節(jié)點信息傳送到某個中心節(jié)點進行定位計算并確定，特點是全局統(tǒng)籌，定位相對準(zhǔn)確，但運算量大且難做到實時響應(yīng)且成本高昂，實際應(yīng)用并不常見。而非測距方式對硬件要求較低，精度相對也低[3]，對于汽車鑰匙定位領(lǐng)域應(yīng)用同樣不適用。因此，現(xiàn)實中多采用測距定位的方法，其中接收信號強度（RSSI）由于其成本較低且算法相對簡單而得到廣泛應(yīng)用[4]。

對定位精確度的優(yōu)化主要集中于兩個方面：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 相對定位算法；在測距方面，基于RSSI 主要通過卡爾曼濾波、建立距離信號衰減模型、建立溫度改正模型以及將測距問題轉(zhuǎn)換為最大似然估計優(yōu)化問題等方法降低測距的系統(tǒng)性誤差[5-6]。但由于RSSI 易受到節(jié)點材質(zhì)、硬件老化和觀測環(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測距的線性關(guān)系，存在擬合模型計算誤差。

本課題提出一種矯正RSSI 測距的場強補償模型。該模型無需擬合溫度關(guān)系曲線，測量簡單，可以很好地消除外界環(huán)境對RSSI 測距的影響。

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)位置或踩制動踏板時，車內(nèi)基站會通過電生磁產(chǎn)生一個低頻磁場。鑰匙內(nèi)部的電子控制單元能夠通過磁場耦合的方式，檢測出車內(nèi)天線所發(fā)出低頻磁場的強度，這個磁場強度隨著與發(fā)射天線的距離變遠而不斷衰減。鑰匙定位的實現(xiàn)源于磁場的磁感應(yīng)強度能夠反映出測試點距發(fā)射天線的距離。

鑰匙接收到發(fā)射天線發(fā)來的低頻磁場后，會根據(jù)接收到的磁場強度進行校準(zhǔn)，隨后發(fā)送一個高頻數(shù)據(jù)包反饋校準(zhǔn)的接收磁場強度給車內(nèi)微控制器。由于車內(nèi)有多個擺放于不同位置的發(fā)射天線，當(dāng)啟動一次位置校驗時，車內(nèi)發(fā)射天線會依次發(fā)送低頻場強，鑰匙端檢測到這些場強均回復(fù)對應(yīng)場強，車內(nèi)微控制器即可根據(jù)得到的場強確認鑰匙位置（圖1）。

3 模型驗證分析

使用ATA5702 芯片對模型進行驗證。在理想試驗環(huán)境下測量外部均勻磁場的響應(yīng)，并存儲在EEPROM 設(shè)備中，作為設(shè)備對已知磁場響應(yīng)的歸一化基線。在沒有外部低頻信號的情況下，測量鑰匙各線圈對設(shè)備內(nèi)部電流源的響應(yīng)并存入EEPROM，此項測試數(shù)據(jù)作為基線，用以補償設(shè)備對溫度、老化或靠近應(yīng)答器天線的金屬的響應(yīng)。用2 把鑰匙進行校準(zhǔn)測量驗證，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

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

對不同外部環(huán)境測試場強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)為外部測量結(jié)果；虛線代表無歸一化和內(nèi)部參考，實線代表做歸一化使用內(nèi)部參考。對3 組不同的測試進行數(shù)據(jù)分析。測試結(jié)果表明，對同一測試距離進行場強測量，若不做歸一化，不同環(huán)境多次測量結(jié)果會出現(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)的距離與外部測量結(jié)果的線性關(guān)系?？梢钥闯觯舨徊捎脙?nèi)部參考，同距離測量場強會出現(xiàn)嚴重偏差。而采用內(nèi)部參考數(shù)據(jù)后，3 次不同的距離測試曲線差距縮小，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距誤差，但仍受到金屬影響。

使用2 把鑰匙對同一距離分別在3 個不同的時間段做測距測試，記錄2 把鑰匙場強校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，各時間段測試獲取幾個測試點數(shù)據(jù)并取平均。測試結(jié)果表2 所示。

表2 中鑰匙1 和鑰匙2 代表2 把同型號的不同鑰匙，時段1、時段2 和時段3 分別表示不同時間段的測量，值為各次測量校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)的線性化結(jié)果。以3 個不同時間段為橫坐標(biāo)，線性化結(jié)果為縱坐標(biāo)，對表2 繪制簇狀柱形圖（圖6）?？梢钥闯?，不做場強校準(zhǔn)的情況下，同一把鑰匙在不同時間段（外界環(huán)境）下線性化測量結(jié)果存在較大偏差，2 把不同鑰匙在相同時間段測量也存在明顯差異。做了場強校準(zhǔn)后，2 把鑰匙的3 個時間線性化結(jié)果基本一致。結(jié)果表明，使用本課題模型對場強進行校準(zhǔn)可以有效減小外部環(huán)境及內(nèi)部因素導(dǎo)致的誤差，且對同型號鑰匙具有普遍性。

4 結(jié)束語

本課題針對基于RSSI 的鑰匙定位測距技術(shù)，建立磁場強度補償模型。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。文中使用的校準(zhǔn)模型建立于鑰匙產(chǎn)前的標(biāo)準(zhǔn)化測量，因此，準(zhǔn)確、完備的產(chǎn)線末端測試是模型提高定位精確度的關(guān)鍵。本課題所研究的測距方法僅針對場強傳輸方面，未涉及產(chǎn)線末端標(biāo)定以及校準(zhǔn)場強后的定位計算，結(jié)合標(biāo)定、濾波和定位方面的研究可進一步完善鑰匙定位方案。

【參考文獻】

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作者簡介：

李紫超，本科，研究方向為嵌入式車用控制器。