车辆蓝牙钥匙定位优化解决方案

2020-02-03夏宝华

电子技术与软件工程 2020年11期

夏宝华

（1.北京福田汽车股份有限公司工程研究总院北京市 102206 2.智博汽车科技(上海)有限公司上海市 201101）

车联网的迅猛发展，不断地涌现出各种新技术与新产品，智能蓝牙钥匙便是其中一种新兴的嵌入式产品。智能蓝牙钥匙的出现，正在颠覆传统射频钥匙和机械钥匙。而准确迅速地判断车辆蓝牙钥匙在车内还是在车外，是蓝牙钥匙实现智能场景的必要门槛技术。

1 现状与目的

现在配备蓝牙钥匙的互联网车辆越来越普遍，智能蓝牙钥匙便是其中一种新兴的嵌入式[1]产品，该产品的形态包括：部署有蓝牙钥匙的手机及系统，部署有执行蓝牙钥匙指令的车载T-Box 及嵌入式Linux 系统[2]。其实现方式是：车辆内T-Box 或车身控制模块（Body Control Module，BCM）网关装有低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）模块，用户手机部署有车辆蓝牙钥匙的应用程序（Application，APP）；当用户手持部署有车辆蓝牙钥匙APP 的手机靠近车辆时，用户手持部署有车辆蓝牙钥匙的APP 透过蓝牙完成与车内T-Box 或BCM 网关的BLE 完成鉴权校验，鉴权校验成功后用户就可以进一步使用蓝牙钥匙APP 提供的功能对车辆进行近场控制：如发送开锁／闭锁车辆命令到车内T-Box 或BCM 网关，车内T-Box 或BCM 网关发送开锁／闭锁can 命令到BCM，完成车辆中控锁开锁／闭锁操作。通过这样装置与行为，就实现了车辆蓝牙钥匙功能。

现在的问题是：装有蓝牙钥匙装置的T-Box 或BCM 网关不能有效的判断部署有车辆蓝牙钥匙APP 的手机是否在车辆座舱内还是座舱外，对于蓝牙钥匙APP提供的近场操作功能就无法精准实现，比如：若T-Box 或BCM 网关能判定部署有车辆蓝牙钥匙APP 的手机在座舱内，则T-Box 或BCM 网关可以自动完成无钥匙进入及启动系统（Passive Entry Passive Start，PEPS）的握手，那么驾驶员就可以使用车内一键点火按钮启动发送机等；若T-Box 或BCM 网关能判定部署有车辆蓝牙钥匙APP 的手机在座舱外，则T-Box 或BCM 网关不实现与PEPS 的握手，这时即使车内有人且按下一键点火按钮，车辆不会启动发动机并可以声光告警用户钥匙不在车内。

因此本案试图建立一种有效的蓝牙定位[2，3]解决方案，通过该方案载T-Box 直接能精确地识别出来部署有蓝牙钥匙的手机目前是在车辆内还是车辆外。这样T-Box 就可以配合部署有蓝牙钥匙的手机设置精准使用场景，譬如：

（1）如果T-Box 判定手机处于车辆外，那么该手机使用蓝牙钥匙只能对车辆进行开锁／闭锁等车外操作命令，而不能使用一键点火等车内操作命令；

（2）如果T-Box 判定手机处于车辆内，那么T-Box 会对该手机使用蓝牙钥匙与BCM 建立PEPS 认证，那么用户使用该手机蓝牙钥匙可以使用一键点火等车内操作命令。

图2

当前实现判断部署有蓝牙钥匙的手机目前是在车辆内还是车辆外，通常都是在T-Box 上使用GPS 来判断部署有蓝牙钥匙的手机是否在车辆内部。

其实现原理如下：

如图1 所示，该方案首先建立T-Box 使用GPS 定位蓝牙钥匙坐标系O-xy：其中Po(x,y)表示蓝牙钥匙手机在车辆外，Pi(x,y)表示蓝牙钥匙手机在车辆内。

（1）以T-Box 为中心建立T-Box 坐标系。

（2）确定T-Box 在车辆内实际安装位置后，根据车辆设计的实际尺寸确定在T-Box 坐标系内确定P0,P1,P2,P3 四个点位置，这4 个点组成的长方形区域定义为车辆驾驶座舱，方便描述定义为Rec(P0,P1,P2,P3)。

（3）当蓝牙钥匙手机成功鉴权T-Box 后，T-Box 透过BT BLE实时请求蓝牙钥匙手机的GPS。T-Box 将蓝牙钥匙手机的GPS 与T-Box 本身的GPS 相减就可以计算出蓝牙钥匙手机在T-Box 坐标系内的位置，定义为Pm(x,y)。

通过以上方法，在T-Box上使用GPS使用式（1）式（2）进行计算，就可以判断出部署蓝牙钥匙的手机是否在驾驶座舱内。进而T-Box就能跟PEPS 握手通知PEPS 钥匙在驾驶座舱内，车辆安防完成撤防且允许一键启动车辆等操作。

这样的实现方法通常需要GPS 模组定位精度能达到分米级别，T-Box 是可以精准判断蓝牙钥匙手机所在是否是在车内还是车外。如果T-Box 与手机的GPS 定位精度不能达到分米级，那误差就很大了。另外如果车辆处于室内停车场，T-Box 和手机的GPS 基本上没有信号也是不能获取到有效的定位信息，那么基本上这样的方法就是失效了。

本案在分析了上述方案的缺点后，提出了另外一种解决方案来实现本案的目的。

2 蓝牙钥匙定位优化解决方案

本案中针对这一现状，在T-Box 或BCM 网关内安装BLE 模块及天线。BLE 模块连接车内特定位置的蓝牙发射接收天线，通过一定算法，可以精准地标定手机蓝牙钥匙在车辆座舱内部外部。

2.1 计算蓝牙节点距离公式

引入在T-Box 或BCM 网关内测距BLE 模块与BLE 主控模使用RSSI 计算车辆蓝牙钥匙应用程序的手机距离的公式[5]：

其中d 为距离，单位是m。RSSI 为rssi 信号强度，为负数。A为距离探测设备1m 时的rssi 值的绝对值，最佳范围在45-49 之间。n 为环境衰减因子，需要测试矫正，最佳范围在3.25-4.5 之间。

说明：使用该式（3）可以精确计算出T-Box 或BCM 网关上BLE 模块与车辆蓝牙钥匙应用程序的手机距离。

2.2 建立座舱模型与标定座舱模型内部外部算法

座舱模型模实际就是车辆内部空间几何化，可以把座舱模型化为一个封闭的长方体。把座舱模型置入O-xyz 坐标系内，如图2。

说明：

（1）在O-xyz 坐标系内绿色的长方体为座舱；

（2）O 为原点，坐标为O(0,0,0)；

（3）A 为座舱左前下角落在x 轴上的点，A 点到原点O 在x轴上距离记为x,坐标为A(x,0,0)；

（4）B 为座舱右后下角落在y 轴上的点，B 点到原点O 在y轴上距离记为y,坐标为B(0,y,0)；

（5）C 为座舱左后上角落在z 轴上的点，C 点到原点O 在z轴上距离记为z,坐标为C(0,0,z)；

（6）M 为手机在O-xyz 坐标系内的点，坐标为M(x1,y1,z1)；

（7）M 点到O/A/B/C 点的距离，分别记为：

a）|MO|M 点到O 点距离

b）|MA|M 点到A 距离

c）|MB|M 点到B 点距离

d）|MC|M 点到C 点距离

（8）假设已知A 点B 点C 点坐标，已知M 点到O 点、A 点、B 点、C 点距离，可以推算出M 点坐标M(x1,y1,z1)，如下：

M 点到O 点、A 点、B 点、C 点在O-xyz 坐标系内距离与坐标等式关系：

化去括号后为：

把M 点到A 点／B 点／C 点距离等式关系里x1^2+y1^2+z1^2用|MO|^2 替换后为：

然后推算出M 点坐标M(x1,y1,z1)值为：

进而通过判断M(x1,y1,z1)与原点O 坐标(0,0,0)以及坐标(x,y,z)就可以知道M 点是否在座舱长方体内还是在长方体外。判断关系c语言伪代码计算公式如下：

综上述算法可以标定手机蓝牙钥匙在车辆座舱内部外部。

3 车内T-Box或BCM网关装置设置与实现

对于车内T-Box 或BCM 网关装置，需按照以下步骤设置与实现：

（1）车内T-Box 或BCM 网关要部署两颗BLE 模块，其中一颗作为蓝牙钥匙主控制BLE，另一颗为蓝牙钥匙测距BLE。

（2）蓝牙钥匙主控制BLE，负责完成与手机蓝牙钥匙APP 进行鉴权操作，并能接受手机蓝牙钥匙APP 发来的近场控制命令，发送到BCM 执行完毕后将执行结果回送到手机蓝牙钥匙APP 呈现给用户。根据以上《2 蓝牙钥匙定位优化解决方案》蓝牙钥匙主控制BLE 的天线需要部署到O-xyz 坐标系内原点O 位置，实际要安装到座舱左后下角位置。

（3）蓝牙钥匙测距BLE，辅助车内T-Box 或BCM 网关完成O-xyz 坐标系建立，辅助车内T-Box 或BCM 网关完成与蓝牙钥匙主控制BLE 测距，助车内T-Box 或BCM 网关完成与部署有蓝牙钥匙APP 的手机的测距。蓝牙钥匙测距BLE 需要在座舱内安装三跟测距天线，并通过三选一控制器接入蓝牙钥匙测距BLE 模块，安装位置分别在O-xyz 坐标系内A 点、B 点、C 点，实际要安装到座舱左前下角、右后下角、右后上角。T-Box 或BCM 网关使用测距BLE 时，先发送控制命令到三选一控制器选择使用A 点、B 点、C点哪一根天线对测距对象进行测距。选择点完成本次测距后，切换下一个点再进行测试，一直到A 点、B 点、C 点测距完成。

（4）车内T-Box或BCM网关上电后，首先要建立O-xyz坐标系，这里需要使用蓝牙钥匙测距BLE 把蓝牙钥匙主控BLE 设置为测距目标，分别使用A 点、B 点、C 点天线完成对O 点天线RSSI 进行采集，然后使用式（3）计算得A 点、B 点、C 点相对于O 点的距离，完成座舱在蓝牙钥匙O-xyz 坐标系建立，即：