基于低频通信的汽车钥匙定位方法研究

李紫超、韦春霆、詹宏翔

0 引言

随着科学技术的发展，无钥匙进入及起动技术已广泛应用于汽车领域。得益于该技术，驾驶人员可以脱离汽车钥匙操作，只需要携带汽车钥匙靠近车辆，车辆即可自动完成钥匙识别并完成车辆解闭锁、解尾门、车辆起动操作[1]。同时，系统还可识别钥匙在车内的位置，当钥匙遗忘在车内时，可以快速定位并帮助用户找到钥匙。

汽车钥匙定位是无钥匙进入技术的难点和重点，同时也是行业的痛点。汽车钥匙定位技术具有复杂性以及影响因素的多样性，这些复杂性常常导致汽车钥匙定位不准。如钥匙在车外却被系统定位为车内，这不仅影响人们的用车体验，还造成一定的汽车安全隐患。

好的钥匙定位算法是无钥匙进入及起动技术的关键。为提高钥匙定位的准确性，各院校科研人员及汽车行业专家提出了很多提高钥匙定位准确性的方法。这些方法主要分为两大类：一种是集中式与分布式定位算法；另一种是基于测距的定位算法和非测距的定位算法[2]。集中式定位算法将所有节点信息传送到某个中心节点进行定位计算并确定，特点是全局统筹，定位相对准确，但运算量大且难做到实时响应且成本高昂，实际应用并不常见。而非测距方式对硬件要求较低，精度相对也低[3]，对于汽车钥匙定位领域应用同样不适用。因此，现实中多采用测距定位的方法，其中接收信号强度（RSSI）由于其成本较低且算法相对简单而得到广泛应用[4]。

对定位精确度的优化主要集中于两个方面：在定位方面，普遍采用质心定位算法、改良质心定位算法、神经网络定位方法及SPA 相对定位算法；在测距方面，基于RSSI 主要通过卡尔曼滤波、建立距离信号衰减模型、建立温度改正模型以及将测距问题转换为最大似然估计优化问题等方法降低测距的系统性误差[5-6]。但由于RSSI 易受到节点材质、硬件老化和观测环境的影响，这些方法难以很好地消除外部多变环境因素的影响，温度改正相关模型又很难正确拟合出温度对测距的线性关系，存在拟合模型计算误差。

本课题提出一种矫正RSSI 测距的场强补偿模型。该模型无需拟合温度关系曲线，测量简单，可以很好地消除外界环境对RSSI 测距的影响。

1 钥匙低频定位原理

当驾驶人员靠近主驾车门按门把手锁感应位置或踩制动踏板时，车内基站会通过电生磁产生一个低频磁场。钥匙内部的电子控制单元能够通过磁场耦合的方式，检测出车内天线所发出低频磁场的强度，这个磁场强度随着与发射天线的距离变远而不断衰减。钥匙定位的实现源于磁场的磁感应强度能够反映出测试点距发射天线的距离。

钥匙接收到发射天线发来的低频磁场后，会根据接收到的磁场强度进行校准，随后发送一个高频数据包反馈校准的接收磁场强度给车内微控制器。由于车内有多个摆放于不同位置的发射天线，当启动一次位置校验时，车内发射天线会依次发送低频场强，钥匙端检测到这些场强均回复对应场强，车内微控制器即可根据得到的场强确认钥匙位置（图1）。

图1 钥匙定位系统结构图

2 场强补偿模型建立

2.1 场强校准流程

汽车端触发钥匙定位流程后，由汽车端控制器发送低频磁场。钥匙收到汽车端的低频场强后，发送一个内部校准场强并测量，结合内外部X、Y、Z 轴测量场强以及钥匙出厂标定的初始数据，通过归一化、线性化等方法校准收到的外部场强，而后通过高频数据包将校准后的场强反馈给汽车端。汽车端收到并解析高频数据包，获取校准后的场强数据用于钥匙定位（图2）。

图2 场强校准过程图

2.2 场强校准模型

磁场强度受外部温度、发射器电压和老化等因素的影响，为纠正由于环境条件（温度和电源电压）变化和应用过程中老化而导致的最小可测量磁场的任何变化，需要建立一个补偿模型。接收信号强度大小与外部影响因素具有以下关系。

式中：rssiext为外部接收信号强度；rssiint为内部接收信号强度；rssiref为下产线测量的接收信号强度；w0为基准信道带宽；q0,%为天线质量因子Q0的公差；gain%为信道增益Gain的公差；Vref,%为信道中决策阈值Vref的容差；m%为互感耦合量M的公差；l0,%为自电感变化量L0的容差；i0,%为感应电刺激I0的容差；iT,%为发射机电流IT的公差。

天线共振失谐、增益和质量因子变化（如温度变化引起的）而产生偏移由如下公式决定。

式中：RSSIcompensated为补偿的接收信号强度；E_RSSImeasured为测量的外部接收信号强度；I_RSSImeasured为内部接收信号强度；RSSIreference为产线末端内部测量接收信号强度。

为了得到最终的接收信号强度值，测量值必须参考定义的接收信号强度，即归一化过程。由于各轴单位不同，归一化到各轴不能直接用于计算向量长度。为此，应将所有值归一化到一个轴（X轴、Y 轴或Z 轴）。此处将所有值归一化到Z 轴。

式中：rssicor_x、rssicor_y和rssicor_z分别为X、Y、Z 轴归一化到Z 轴后的正确接收信号强度，用rssicor_x,y,z表示；rssiext,x为外部X 轴接收信号强度；rssiint,x为内部X 轴接收信号强度；rssiref,x为X轴产线末端测量接收信号强度；rssinorm,z为产线末端外部测量归一化接收信号强度，Y、Z 轴同理。

校准后的X、Y、Z 轴磁场强度的合成数字向量长度。

式中：rssilog为接收信号强度的对数；Bcor_x表示X 轴的场强，Y、Z 轴同理。

将数字向量长度线性化并计算校准后的外部磁场强度。

式中：rssilin为线性化接收信号强度；Bin为校准后的外部场强；Bsens_calc为接收天线可探测的最小场强。

3 模型验证分析

使用ATA5702 芯片对模型进行验证。在理想试验环境下测量外部均匀磁场的响应，并存储在EEPROM 设备中，作为设备对已知磁场响应的归一化基线。在没有外部低频信号的情况下，测量钥匙各线圈对设备内部电流源的响应并存入EEPROM，此项测试数据作为基线，用以补偿设备对温度、老化或靠近应答器天线的金属的响应。用2 把钥匙进行校准测量验证，测试数据如表1 所示。

表1 XY 角度磁场测试数据

将钥匙放置在XY 平面逐渐旋转角度，测量计算出的X、Y、Z 轴校准后的场强数据以及三轴归一化后的场强数据。将表1 数据绘制成定点角度场强图可以明显地看出（图3），随着旋转角度的变化，X、Y、Z 轴三轴磁场强度发生改变，但三轴总体的磁场强度保持平衡，即旋转角度不会影响最终场强。

图3 定点角度场强图

对不同外部环境测试场强做归一化以及不归一化处理（图4）。图4 中横坐标为距离，纵坐标为外部测量结果；虚线代表无归一化和内部参考，实线代表做归一化使用内部参考。对3 组不同的测试进行数据分析。测试结果表明，对同一测试距离进行场强测量，若不做归一化，不同环境多次测量结果会出现较大偏差。

图4 归一化测试场强图

图5 所示为不同外部环境是否使用内部参考做校准的距离与外部测量结果的线性关系。可以看出，若不采用内部参考，同距离测量场强会出现严重偏差。而采用内部参考数据后，3 次不同的距离测试曲线差距缩小，使用内部参考并归一化之后，3 条曲线基本重叠。结果表明，使用内部参考可以有效减小测距误差，但仍受到金属影响。

图5 内部参考场强校准图

使用2 把钥匙对同一距离分别在3 个不同的时间段做测距测试，记录2 把钥匙场强校准与不校准的数据，各时间段测试获取几个测试点数据并取平均。测试结果表2 所示。

表2 线性化数据表

表2 中钥匙1 和钥匙2 代表2 把同型号的不同钥匙，时段1、时段2 和时段3 分别表示不同时间段的测量，值为各次测量校准与不校准的线性化结果。以3 个不同时间段为横坐标，线性化结果为纵坐标，对表2 绘制簇状柱形图（图6）。可以看出，不做场强校准的情况下，同一把钥匙在不同时间段（外界环境）下线性化测量结果存在较大偏差，2 把不同钥匙在相同时间段测量也存在明显差异。做了场强校准后，2 把钥匙的3 个时间线性化结果基本一致。结果表明，使用本课题模型对场强进行校准可以有效减小外部环境及内部因素导致的误差，且对同型号钥匙具有普遍性。

图6 一致性测试簇状柱形图

4 结束语

本课题针对基于RSSI 的钥匙定位测距技术，建立磁场强度补偿模型。使用此模型可以有效减小RSSI 因外界因素干扰而导致的误差，从而提高钥匙定位的准确性，为驾驶人员提供更舒适的用车体验。文中使用的校准模型建立于钥匙产前的标准化测量，因此，准确、完备的产线末端测试是模型提高定位精确度的关键。本课题所研究的测距方法仅针对场强传输方面，未涉及产线末端标定以及校准场强后的定位计算，结合标定、滤波和定位方面的研究可进一步完善钥匙定位方案。