車輛藍牙鑰匙定位優(yōu)化解決方案

夏寶華

（1.北京福田汽車股份有限公司工程研究總院 北京市 102206 2.智博汽車科技(上海)有限公司 上海市 201101）

車聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，不斷地涌現(xiàn)出各種新技術(shù)與新產(chǎn)品，智能藍牙鑰匙便是其中一種新興的嵌入式產(chǎn)品。智能藍牙鑰匙的出現(xiàn)，正在顛覆傳統(tǒng)射頻鑰匙和機械鑰匙。而準確迅速地判斷車輛藍牙鑰匙在車內(nèi)還是在車外，是藍牙鑰匙實現(xiàn)智能場景的必要門檻技術(shù)。

1 現(xiàn)狀與目的

現(xiàn)在配備藍牙鑰匙的互聯(lián)網(wǎng)車輛越來越普遍，智能藍牙鑰匙便是其中一種新興的嵌入式[1]產(chǎn)品，該產(chǎn)品的形態(tài)包括：部署有藍牙鑰匙的手機及系統(tǒng)，部署有執(zhí)行藍牙鑰匙指令的車載T-Box 及嵌入式Linux 系統(tǒng)[2]。其實現(xiàn)方式是：車輛內(nèi)T-Box 或車身控制模塊（Body Control Module，BCM）網(wǎng)關(guān)裝有低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）模塊，用戶手機部署有車輛藍牙鑰匙的應(yīng)用程序（Application，APP）；當用戶手持部署有車輛藍牙鑰匙APP 的手機靠近車輛時，用戶手持部署有車輛藍牙鑰匙的APP 透過藍牙完成與車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)的BLE 完成鑒權(quán)校驗，鑒權(quán)校驗成功后用戶就可以進一步使用藍牙鑰匙APP 提供的功能對車輛進行近場控制：如發(fā)送開鎖／閉鎖車輛命令到車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)，車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)發(fā)送開鎖／閉鎖can 命令到BCM，完成車輛中控鎖開鎖／閉鎖操作。通過這樣裝置與行為，就實現(xiàn)了車輛藍牙鑰匙功能。

現(xiàn)在的問題是：裝有藍牙鑰匙裝置的T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)不能有效的判斷部署有車輛藍牙鑰匙APP 的手機是否在車輛座艙內(nèi)還是座艙外，對于藍牙鑰匙APP提供的近場操作功能就無法精準實現(xiàn)，比如：若T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)能判定部署有車輛藍牙鑰匙APP 的手機在座艙內(nèi)，則T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)可以自動完成無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)（Passive Entry Passive Start，PEPS）的握手，那么駕駛員就可以使用車內(nèi)一鍵點火按鈕啟動發(fā)送機等；若T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)能判定部署有車輛藍牙鑰匙APP 的手機在座艙外，則T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)不實現(xiàn)與PEPS 的握手，這時即使車內(nèi)有人且按下一鍵點火按鈕，車輛不會啟動發(fā)動機并可以聲光告警用戶鑰匙不在車內(nèi)。

因此本案試圖建立一種有效的藍牙定位[2，3]解決方案，通過該方案載T-Box 直接能精確地識別出來部署有藍牙鑰匙的手機目前是在車輛內(nèi)還是車輛外。這樣T-Box 就可以配合部署有藍牙鑰匙的手機設(shè)置精準使用場景，譬如：

（1）如果T-Box 判定手機處于車輛外，那么該手機使用藍牙鑰匙只能對車輛進行開鎖／閉鎖等車外操作命令，而不能使用一鍵點火等車內(nèi)操作命令；

（2）如果T-Box 判定手機處于車輛內(nèi)，那么T-Box 會對該手機使用藍牙鑰匙與BCM 建立PEPS 認證，那么用戶使用該手機藍牙鑰匙可以使用一鍵點火等車內(nèi)操作命令。

圖2

當前實現(xiàn)判斷部署有藍牙鑰匙的手機目前是在車輛內(nèi)還是車輛外，通常都是在T-Box 上使用GPS 來判斷部署有藍牙鑰匙的手機是否在車輛內(nèi)部。

其實現(xiàn)原理如下：

如圖1 所示，該方案首先建立T-Box 使用GPS 定位藍牙鑰匙坐標系O-xy：其中Po(x,y)表示藍牙鑰匙手機在車輛外，Pi(x,y)表示藍牙鑰匙手機在車輛內(nèi)。

（1）以T-Box 為中心建立T-Box 坐標系。

（2）確定T-Box 在車輛內(nèi)實際安裝位置后，根據(jù)車輛設(shè)計的實際尺寸確定在T-Box 坐標系內(nèi)確定P0,P1,P2,P3 四個點位置，這4 個點組成的長方形區(qū)域定義為車輛駕駛座艙，方便描述定義為Rec(P0,P1,P2,P3)。

（3）當藍牙鑰匙手機成功鑒權(quán)T-Box 后，T-Box 透過BT BLE實時請求藍牙鑰匙手機的GPS。T-Box 將藍牙鑰匙手機的GPS 與T-Box 本身的GPS 相減就可以計算出藍牙鑰匙手機在T-Box 坐標系內(nèi)的位置，定義為Pm(x,y)。

通過以上方法，在T-Box上使用GPS使用式（1）式（2）進行計算，就可以判斷出部署藍牙鑰匙的手機是否在駕駛座艙內(nèi)。進而T-Box就能跟PEPS 握手通知PEPS 鑰匙在駕駛座艙內(nèi)，車輛安防完成撤防且允許一鍵啟動車輛等操作。

這樣的實現(xiàn)方法通常需要GPS 模組定位精度能達到分米級別，T-Box 是可以精準判斷藍牙鑰匙手機所在是否是在車內(nèi)還是車外。如果T-Box 與手機的GPS 定位精度不能達到分米級，那誤差就很大了。另外如果車輛處于室內(nèi)停車場，T-Box 和手機的GPS 基本上沒有信號也是不能獲取到有效的定位信息，那么基本上這樣的方法就是失效了。

本案在分析了上述方案的缺點后，提出了另外一種解決方案來實現(xiàn)本案的目的。

2 藍牙鑰匙定位優(yōu)化解決方案

本案中針對這一現(xiàn)狀，在T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)內(nèi)安裝BLE 模塊及天線。BLE 模塊連接車內(nèi)特定位置的藍牙發(fā)射接收天線，通過一定算法，可以精準地標定手機藍牙鑰匙在車輛座艙內(nèi)部外部。

2.1 計算藍牙節(jié)點距離公式

引入在T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)內(nèi)測距BLE 模塊與BLE 主控模使用RSSI 計算車輛藍牙鑰匙應(yīng)用程序的手機距離的公式[5]：

其中d 為距離，單位是m。RSSI 為rssi 信號強度，為負數(shù)。A為距離探測設(shè)備1m 時的rssi 值的絕對值，最佳范圍在45-49 之間。n 為環(huán)境衰減因子，需要測試矯正，最佳范圍在3.25-4.5 之間。

說明：使用該式（3）可以精確計算出T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)上BLE 模塊與車輛藍牙鑰匙應(yīng)用程序的手機距離。

2.2 建立座艙模型與標定座艙模型內(nèi)部外部算法

座艙模型模實際就是車輛內(nèi)部空間幾何化，可以把座艙模型化為一個封閉的長方體。把座艙模型置入O-xyz 坐標系內(nèi)，如圖2。

說明：

（1）在O-xyz 坐標系內(nèi)綠色的長方體為座艙；

（2）O 為原點，坐標為O(0,0,0)；

（3）A 為座艙左前下角落在x 軸上的點，A 點到原點O 在x軸上距離記為x,坐標為A(x,0,0)；

（4）B 為座艙右后下角落在y 軸上的點，B 點到原點O 在y軸上距離記為y,坐標為B(0,y,0)；

（5）C 為座艙左后上角落在z 軸上的點，C 點到原點O 在z軸上距離記為z,坐標為C(0,0,z)；

（6）M 為手機在O-xyz 坐標系內(nèi)的點，坐標為M(x1,y1,z1)；

（7）M 點到O/A/B/C 點的距離，分別記為：

a）|MO|M 點到O 點距離

b）|MA|M 點到A 距離

c）|MB|M 點到B 點距離

d）|MC|M 點到C 點距離

（8）假設(shè)已知A 點B 點C 點坐標，已知M 點到O 點、A 點、B 點、C 點距離，可以推算出M 點坐標M(x1,y1,z1)，如下：

M 點到O 點、A 點、B 點、C 點在O-xyz 坐標系內(nèi)距離與坐標等式關(guān)系：

化去括號后為：

把M 點到A 點／B 點／C 點距離等式關(guān)系里x1^2+y1^2+z1^2用|MO|^2 替換后為：

然后推算出M 點坐標M(x1,y1,z1)值為：

進而通過判斷M(x1,y1,z1)與原點O 坐標(0,0,0)以及坐標(x,y,z)就可以知道M 點是否在座艙長方體內(nèi)還是在長方體外。判斷關(guān)系c語言偽代碼計算公式如下：

綜上述算法可以標定手機藍牙鑰匙在車輛座艙內(nèi)部外部。

3 車內(nèi)T-Box或BCM網(wǎng)關(guān)裝置設(shè)置與實現(xiàn)

對于車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)裝置，需按照以下步驟設(shè)置與實現(xiàn)：

（1）車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)要部署兩顆BLE 模塊，其中一顆作為藍牙鑰匙主控制BLE，另一顆為藍牙鑰匙測距BLE。

（2）藍牙鑰匙主控制BLE，負責完成與手機藍牙鑰匙APP 進行鑒權(quán)操作，并能接受手機藍牙鑰匙APP 發(fā)來的近場控制命令，發(fā)送到BCM 執(zhí)行完畢后將執(zhí)行結(jié)果回送到手機藍牙鑰匙APP 呈現(xiàn)給用戶。根據(jù)以上《2 藍牙鑰匙定位優(yōu)化解決方案》藍牙鑰匙主控制BLE 的天線需要部署到O-xyz 坐標系內(nèi)原點O 位置，實際要安裝到座艙左后下角位置。

（3）藍牙鑰匙測距BLE，輔助車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)完成O-xyz 坐標系建立，輔助車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)完成與藍牙鑰匙主控制BLE 測距，助車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)完成與部署有藍牙鑰匙APP 的手機的測距。藍牙鑰匙測距BLE 需要在座艙內(nèi)安裝三跟測距天線，并通過三選一控制器接入藍牙鑰匙測距BLE 模塊，安裝位置分別在O-xyz 坐標系內(nèi)A 點、B 點、C 點，實際要安裝到座艙左前下角、右后下角、右后上角。T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)使用測距BLE 時，先發(fā)送控制命令到三選一控制器選擇使用A 點、B 點、C點哪一根天線對測距對象進行測距。選擇點完成本次測距后，切換下一個點再進行測試，一直到A 點、B 點、C 點測距完成。

（4）車內(nèi)T-Box或BCM網(wǎng)關(guān)上電后，首先要建立O-xyz坐標系，這里需要使用藍牙鑰匙測距BLE 把藍牙鑰匙主控BLE 設(shè)置為測距目標，分別使用A 點、B 點、C 點天線完成對O 點天線RSSI 進行采集，然后使用式（3）計算得A 點、B 點、C 點相對于O 點的距離，完成座艙在藍牙鑰匙O-xyz 坐標系建立，即：

（5）若車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)待機時，發(fā)現(xiàn)有用戶手持裝有車輛藍牙鑰匙的APP 靠近并鑒權(quán)通過后：車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)使用藍牙鑰匙測距BLE把手機做為測距對象，分別使用使用A點、B 點、C 點天線完成對手機天線RSSI 采集，然后使用式（3）計算得出|MA|,|MB|,|MC|。

然后車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)使用藍牙鑰匙主控BLE 把手機做為測距對象，使用O 點天線完成對手機天線RSSI 采集，然后使用式（3）計算得出|MO|。

（6）然后使用式（4）（5）（6）計算出手機在藍牙鑰匙O-xyz坐標系內(nèi)坐標點M(x1,y1,z1)，然后使用計算式（7）進而標定手機藍牙鑰匙在車輛座艙內(nèi)部還是外部。

（7）車內(nèi)T-Box 或BCM 網(wǎng)關(guān)與手機藍牙鑰匙APP 根據(jù)手機藍牙鑰匙在車輛座艙內(nèi)部外部，設(shè)置對應(yīng)操作模式，精準實現(xiàn)藍牙鑰匙的近場操作。

4 優(yōu)化方案的優(yōu)勢

通過以上詳細地闡述車輛藍牙鑰匙定位優(yōu)化解決方案，該方案與使用T-Box 上使用GPS 定位藍牙鑰匙在車內(nèi)方案相比有如下優(yōu)勢：

（1）定位精度高，且能覆蓋3D 駕駛座艙。

（2）車輛無論處于室內(nèi)還是室外，不受GPS 信號影響，都可以精準計算藍牙鑰匙手機是否在駕駛座艙內(nèi)。

（3）軟件實現(xiàn)方法可靠，硬件成本底，產(chǎn)品使用生命周期長，易于推廣。