CN114827887B - 一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统，属于数字钥匙领域；通过一个蓝牙从模块即可定位一个角度，利用两个蓝牙从模块画出两个角度的交点即为数字钥匙的位置。通过3个蓝牙从模块监听到的都是同一包数据，并回传给蓝牙主模块，再由蓝牙主模块根据接收到的各蓝牙从模块发来的AoA数据包和时序相位关系来计算数字钥匙模块的位置。当车端的蓝牙主模块定位到数字钥匙的位置后即可实现PEPS功能。其优点是：生态成熟，成本低；通过蓝牙AoA技术，比蓝牙RSSI信号强度的定位，其定位精度可以提高到分米级别、定位稳定性更高；通过对蓝牙测距时序对同步，可以确保各节点得到对数据是同一时刻的数据，减少计算误差。

Description

一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统

技术领域

本发明涉及一种数字钥匙领域，尤其涉及一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统。

背景技术

近年来，PEPS（英文全称：Passive Entry Passive Start，中文全称：无钥匙进入及启动）系统已得到广泛的应用。其中，PEPS是指当智能钥匙与待解锁端（例如车辆、门锁等）满足预设距离时，待解锁端会自动解锁。例如当智能钥匙靠近车辆小于1.5米时，车辆会自动解锁。

随着科技的发展，智能钥匙已经从传统的实体钥匙慢慢转化为数字钥匙。数字钥匙的载体通常为手机、手环、手表等产品。用户无需再携带实体钥匙，仅需激活手机APP上的数字钥匙后，携带数字钥匙进入设定的PE区域内拉动门把手即可实现解锁、携带数字钥匙进入车内并触发Start即可启动车辆。数字钥匙具备比实体钥匙更加多的功能，如分享等功能。

智能钥匙一般采用蓝牙（Bluetooth，简称BLE）通讯技术或超宽带（Ultra WideBand，简称UWB）通讯技术，UWB是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据；UWB是一种定位精度达到厘米级的无线定位技术，可以取代蓝牙传感器；其缺点是成本较高，故智能钥匙一般采用蓝牙通讯技术的蓝牙数字钥匙。

目前蓝牙数字钥匙的定位均是依靠蓝牙信号强度RSSI进行三点定位或者指纹定位。如专利申请号为CN201910590847.2、公开（公告）号为CN110509890A、申请日为2019-07-02、发明名称为“用于被动进入被动启动基站的到达角天线组件”的专利申请涉及用于被动进入被动启动基站的到达角天线组件。车辆的基站包括到达角(AoA)天线组件和控制器。AoA天线组件位于车辆的已知位置处。AoA天线组件包括印刷电路板上的一对天线，用于检测由AoA天线组件从便携式遥控器接收的无线信号的到达角。无线信号可以是BluetoothTM、BluetoothTM低功耗(BLE)、WiFiTM或超宽带(UWB)无线信号。遥控器可以是电话或钥匙的形式。控制器使用检测到的角度和AoA天线组件的已知位置来相对于车辆定位便携式遥控器。控制器可以根据遥控器的位置来执行车辆的被动进入被动启动(PEPS)操作。由于该申请是依靠蓝牙信号强度RSSI进行定位，其定位精度较差，误差范围在3～5米，且数据抖动非常大。无法实现位置的精确识别，也无法提供优秀无感进入及离车落锁体验。

再例如专利申请号为CN201910710581.0、公开（公告）号为CN110676559B、申请日为2019-08-02、发明名称为“一种基于定位的主动式车辆解锁方法及系统”的专利申请提供一种基于定位的主动式车辆解锁方法及系统，该方法包括以下步骤：S1：远程控制器收集车辆实时位置给TSP平台；S2：TSP平台收集收集驾驶员位置信息；S3：TSP平台获取驾驶员与车辆间实时距离；S4：判断驾驶员是否在靠近车辆，若是，则执行步骤S5；反之则执行步骤S6；S5：判断驾驶员与车辆距离是否小于预定解锁距离，若是则控制门锁控制器解锁；反之继续S4；S6：判断驾驶员与车辆距离是否大于预定锁定距离，若是则控制门锁控制器锁定；反之则继续S4。本发明一种基于定位的主动式车辆解锁方法及系统主动式锁定及解锁，控制方便，通过大数据分析实现主动的车门锁定与解锁，便利性高，且可以同时控制多个驾驶人和车辆。由于该申请是基于TSP平台来实现远程控制，系统相对复杂、庞大，不易实现，运营受到制约，不如蓝牙信号强度RSSI进行三点定位方便。

发明内容

为解决现有依靠蓝牙信号强度RSSI进行三点定位的蓝牙数字钥匙存在的上述的技术问题，本发明提供一种误差范围小至分米级、数据抖动小、精确识别蓝牙数字钥匙位置的基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统，其特征是：包括硬件系统和监听系统，硬件系统包括可移动的数字钥匙模块、均设置在安装门锁的对象上的蓝牙主模块和若干蓝牙从模块；蓝牙从模块作为BLE传感器分布在安装门锁的对象的不同位置上，蓝牙主模块作为BLE控制器安装在门锁上；

监听系统包括安装在数字钥匙模块内的钥匙执行程序和安装在蓝牙主模块内的控制程序，监听系统的主要定位步骤如下：

步骤一、钥匙执行程序和控制程序之间通过数字钥匙模块与蓝牙主模块建立蓝牙通信，以蓝牙主模块作为蓝牙主节点，各蓝牙从模块作为蓝牙从节点；

步骤二、蓝牙主模块将通信连接参数发给各蓝牙从模块，作为时间同步的同步信号；由于各蓝牙从模块监听到的都是同一包数据，故可以做好时间同步；

步骤三、各蓝牙从模块监听数字钥匙模块发送的AoA数据包后，分别通过CAN/LIN总线将AoA数据包回传给蓝牙主模块，再由蓝牙主模块根据接收到的各蓝牙从模块发来的AoA数据包和时序相位关系来计算数字钥匙模块的位置；

步骤四、循环步骤二和步骤三。

其中，数字钥匙模块包括手机、手环、无线钥匙等移动终端。蓝牙主模块和蓝牙从模块在其安装门锁的对象可以是门或汽车等。

进一步地，在所述步骤一中，钥匙执行程序在数字钥匙模块启动后，不断发出数字钥匙广播作为通信连接参数，当发现匹配的蓝牙主模块信号后自动发起连接；蓝牙主模块的控制程序一直处于获取通信连接参数状态，蓝牙主模块接收到数字钥匙模块发来的通信连接参数并连接成功后，响应连接相应成功信号反馈回数字钥匙模块。

进一步地，在所述步骤二中，蓝牙主模块接收到数字钥匙模块发来的通信连接参数后，将通信连接参数通过CAN/LIN总线将通信连接参数发给各蓝牙从模块，通信连接参数包括接入地址、CRC初值、连接间隔、chM。

进一步地，在所述步骤三中，各蓝牙从模块工作步骤如下：1、在初始数据通道0抓取空中包；2、匹配接入地址；3、匹配通信连接参数的数据包CRC；4、BLE传感器获取数据包中的RSSI，并作为AoA数据包按步骤三回传给蓝牙主模块；5、根据连接间隔与chM跳至下一数据通道追踪数据，并从步骤1~步骤5循环。

进一步地，所述蓝牙主模块和各蓝牙从模块之间通过CAN/LIN总线连接。

chM指的是Chanel map跳频技术，是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做“伪随机码”，就是“假”的随机码）不断地从一个信道“跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。

应用技术背景说明，随着蓝牙5.1规范中加入了AoA及AoD功能，使得蓝牙AoA测距能够广泛应用于工业及车载、医疗等各领域。依托于蓝牙AoA测距，其定位精度能达到分米及定位，且经过定位算法后能得出稳定的数据。是作为数字车钥匙的有效载体。

参见图1~图2，以手机作为数字钥匙模块的载体、以汽车作为蓝牙主模块和蓝牙从模块的载体为例，对于汽车领域，AoA指的是当手机端支持蓝牙5.1并且硬件升级后，可以识别车端蓝牙节点发射端信号，从而得出车辆位于手机端位置。参见图1，此种模式阵列天线在手机端，车端仅需要一个蓝牙模块即可。车端蓝牙模块为单天线。参见图2，AoD是指手机端为单天线，车辆端布置多个阵列天线，手机端收到车端阵列天线信号后，在手机端计算自己相对车辆端位置。

在此系统中，由于信号的传输是极快的，而且蓝牙信号受多径衰落的影响很大，如何保证各个天线端时序的一致性至关重要。因此，本发明提供的时序同步方案用于确保位置计算的准确性。

由上可知，相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

1）依托于蓝牙技术，现有的手机/手环/手表均支持蓝牙4.2以上功能，目前生态成熟，均可以作为数字钥匙模块最终载体；

2）通过蓝牙AoA技术，其定位精度比基于蓝牙RSSI信号强度的定位更准确，精度可以提高到分米级别；

3）通过蓝牙AoA技术，其定位稳定性比蓝牙RSSI信号强度的定位更优，不会出现反复的波动导致定位不准；

4）通过对蓝牙测距时序的同步，可以确保各节点得到的数据是同一时刻的数据，减少计算误差；

5）不需要大幅度变更硬件，实施方案的成本比采用超宽带（UWB）技术路线的方案低，有利于降低整车的成本。

附图说明

图1为蓝牙AoA模式的系统结构示意图。

图2为蓝牙AoD模式的系统结构示意图。

图3为本发明一种实施方式的系统结构示意图。

图4为本发明的通讯流程图。

图5为多天线示意图。

图6为两个天线接收到的射频信号的相位差示意图。

图7为显示了来自两个天线的信号矢量的星座图。

图8为入射波与天线阵的夹角为Φ的示意图。

图9为利用两个蓝牙从模块即可画出两个角度的交点的示意图。

附图标号说明：1-汽车，2-手机，3-蓝牙主节点，4-蓝牙从节点，5-蓝牙主模块，6-蓝牙从模块。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式，对本发明的具体应用及其有益技术效果进行进一步详细说明。本实施方式和附图中，为了方便具体说明，以手机作为数字钥匙模块的载体，并在手机上安装驱动数字钥匙模块工作的APP；以汽车作为蓝牙主模块和蓝牙从模块的载体。

参见图3~图4，本发明优选实施的一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统，包括硬件系统和监听系统，硬件系统包括可移动的数字钥匙模块、均设置在安装门锁的对象上的蓝牙主模块和3个蓝牙从模块6；蓝牙从模块6作为BLE传感器分布在安装门锁的对象的不同位置上，蓝牙主模块5作为BLE控制器安装在门锁上；蓝牙主模块5和各蓝牙从模块6之间通过CAN/LIN总线连接；

监听系统包括安装在数字钥匙模块内的钥匙执行程序和安装在蓝牙主模块5内的控制程序，监听系统的主要定位步骤如下：

步骤一、钥匙执行程序和控制程序之间通过数字钥匙模块与蓝牙主模块5建立蓝牙通信，以蓝牙主模块5作为蓝牙主节点3，各蓝牙从模块6作为蓝牙从节点4；

步骤二、蓝牙主模块5通过CAN/LIN总线将通信连接参数发给各蓝牙从模块6，作为时间同步的同步信号；由于各蓝牙从模块6监听到的都是同一包数据，故可以做好时间同步；

步骤三、各蓝牙从模块6监听数字钥匙模块发送的AoA数据包后，分别通过CAN/LIN总线将AoA数据包回传给蓝牙主模块5，再由蓝牙主模块5根据接收到的各蓝牙从模块6发来的AoA数据包和时序相位关系来计算数字钥匙模块的位置；

步骤四、循环步骤二和步骤三。

其中，数字钥匙模块包括手机2、手环、无线钥匙等移动终端，一般优选为手机2。蓝牙主模块5和蓝牙从模块6在其安装门锁的对象可以是门或汽车1等，一般优选为汽车1。

进一步地，在所述步骤一中，钥匙执行程序在数字钥匙模块启动后，不断发出数字钥匙广播作为通信连接参数，当发现匹配的蓝牙主模块5信号后自动发起连接；蓝牙主模块5的控制程序一直处于获取通信连接参数状态，蓝牙主模块5接收到数字钥匙模块发来的通信连接参数并连接成功后，响应连接相应成功信号反馈回数字钥匙模块。

进一步地，在所述步骤二中，蓝牙主模块5接收到数字钥匙模块发来的通信连接参数后，将通信连接参数通过CAN/LIN总线将通信连接参数发给各蓝牙从模块6，通信连接参数包括接入地址、CRC初值、连接间隔、chM。

进一步地，在所述步骤三中，各蓝牙从模块6工作步骤如下：1、在初始数据通道0抓取空中包；2、匹配接入地址；3、匹配通信连接参数的数据包CRC；4、BLE传感器获取数据包中的RSSI，并作为AoA数据包按步骤三回传给蓝牙主模块5；5、根据连接间隔与chM跳至下一数据通道追踪数据，并从步骤1~步骤5循环。

使用时，可以将上述方案编写在数字钥匙模块和蓝牙主模块的相应程序中，按图4所示的流程编写定位程序，随系统运行即可。在本实施例中，编写程序时所涉及的AoA定位原理、算法如下：

参见图5，汽车1端的蓝牙模块（本实施例中，蓝牙模块为蓝牙主模块5和蓝牙从模块6）需要使用两根以上的多天线（本实施例中天线为BLE传感器所带的天线）或者阵列天线。当两个或多个（本实施例为3个）天线彼此相隔一定距离时，它们接收到的射频信号的相位差将与它们和发射器（手机2，也即数字钥匙模块）之间的距离差成正比。通常来自一个天线的信号将是来自另一个天线的信号的延迟版本。

参见图6，相位差（Φ）通过将至少两个天线依次连接到同一个接收机来测量（可以添加更多天线），本实施例为3个蓝牙从模块6，相当于3个天线。

参见图7，为了方便说明，图7是一个星座图，显示了来自2个天线的信号矢量。如果所有天线都成一条直线并以固定距离d放置，相邻天线之间的相位差Φ将是恒定的。

参见图8，入射波与天线阵的夹角为Φ。根据图8可知sin（Φ）=r/d，d是已知的天线A和天线B之间的距离。那么我们只需要找出r。r是入射波到达天线A后需要传播到天线B的距离。若天线A和天线B之间的相位差是Φ，因此距离r等于输入信号的波长×Φ/（2π）。r=λ×Φ/（2π）

参见图9，在本发明中，一个蓝牙从模块6对应一个BLE传感器即可定位一个角度，利用两个蓝牙从模块6即可画出两个角度的交点，即为手机2的位置。利用3个蓝牙从模块6则可进一步提高精度。

数字车钥匙的使用：当车端的蓝牙主模块5定位到手机2位置后即可实现PEPS功能，当数字钥匙进入到PE区域时可以主动解锁或者触发门把手开关解锁。进入PS区域后即可启动车辆。数字钥匙远离车辆到达阈值时可主动闭锁或者触发门把手开关闭锁。

上述说明内容中，硬件系统中的数字钥匙模块、蓝牙主模块5和蓝牙从模块6的具体型号、参数，可以选用现有技术中的硬件进行组合，并可根据实际使用情况互相匹配调整，属于现有技术中常用的技术，对属于现有技术中常规使用的内容，如结构和工艺，为了节省篇幅，不再赘述。未揭示的加工工艺和零件，按现有技术中的常规技术处理即可。

本发明的实施方案基本是在原来硬件的基础上，进行软件上的改进，不需要大幅度变更硬件，实施方案的成本比采用超宽带（UWB）技术路线的方案低，有利于降低整车的成本。

根据上述说明书及具体实施例并不对本发明构成任何限制，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变形，也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统，其特征是：包括硬件系统和监听系统，硬件系统包括可移动的数字钥匙模块、均设置在安装门锁的对象上的蓝牙主模块和若干蓝牙从模块；蓝牙从模块作为BLE传感器分布在安装门锁的对象的不同位置上，蓝牙主模块作为BLE控制器安装在门锁上；

监听系统包括安装在数字钥匙模块内的钥匙执行程序和安装在蓝牙主模块内的控制程序，监听系统的主要定位步骤如下：

步骤一、钥匙执行程序和控制程序之间通过数字钥匙模块与蓝牙主模块建立蓝牙通信，以蓝牙主模块作为蓝牙主节点，各蓝牙从模块作为蓝牙从节点；

步骤二、蓝牙主模块将通信连接参数发给各蓝牙从模块，作为时间同步的同步信号；

步骤三、各蓝牙从模块监听数字钥匙模块发送的AoA数据包后，分别通过CAN/LIN总线将AoA数据包回传给蓝牙主模块，再由蓝牙主模块根据接收到的各蓝牙从模块发来的AoA数据包和时序相位关系来计算数字钥匙模块的位置；

步骤四、循环步骤二和步骤三；

在所述步骤一中，钥匙执行程序在数字钥匙模块启动后，不断发出数字钥匙广播作为通信连接参数，当发现匹配的蓝牙主模块信号后自动发起连接；蓝牙主模块的控制程序一直处于获取通信连接参数状态，蓝牙主模块接收到数字钥匙模块发来的通信连接参数并连接成功后，响应连接相应成功信号反馈回数字钥匙模块；

在所述步骤二中，蓝牙主模块接收到数字钥匙模块发来的通信连接参数后，将通信连接参数通过CAN/LIN总线将通信连接参数发给各蓝牙从模块，通信连接参数包括接入地址、CRC初值、连接间隔、chM；

在所述步骤三中，各蓝牙从模块工作步骤如下：1、在初始数据通道0抓取空中包；2、匹配接入地址；3、匹配通信连接参数的数据包CRC；4、BLE传感器获取数据包中的RSSI，并作为AoA数据包按步骤三回传给蓝牙主模块；5、根据连接间隔与chM跳至下一数据通道追踪数据，并从步骤1~步骤5循环。

2.如权利要求1所述的基于蓝牙AoA定位测距时序同步数字钥匙定位系统，其特征是：所述蓝牙主模块和各蓝牙从模块之间通过CAN/LIN总线连接。

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