CN202703516U - 基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，所述装置包括车辆钥匙、主控制器、门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器和车身天线阵，门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器和车身天线阵均通过车身电路与主控制器连接；本实用新型采用UWB信号对车辆钥匙进行精确定位，并针对驾驶员的每一个触发动作同时检测车辆钥匙位置和车内人员位置信息，采用联合判决的方式控制车门锁、启动系统和报警系统工作。另外车辆钥匙还能记录和存储驾驶员感兴趣的信息和车辆动态信息。本实用新型可以更好地避免因主控制器误判或人员误操作而导致的意外情况的发生。

Description

基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置

技术领域

本实用新型涉及汽车安全与防盗电子技术和无线通信技术，具体是基于超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）定位的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置。 

背景技术

随着汽车的普及，人们对汽车安全及便利性提出了更高的要求。高可靠度防盗、智能进入、无钥匙启动、高集成度、实时通信等是汽车智能化发展的趋势。 

最初的汽车防盗只是通过简单的机械锁完成，这种锁极易被破坏，安全性低。1994年恩智浦半导体（当时的飞利浦半导体）首次把射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术成功应用在汽车电子引擎锁上，这种技术是通过车辆遥控钥匙与车身之间的433MHz的单向无线电通信实现钥匙身份识别，判断是否对车门锁和电子引擎锁进行解锁。即使盗贼打开车门后接通启动电路，也因没有身份认证而无法启动引擎。这种引擎电子防盗的方法，使汽车的防盗性能大大提升，使之很快就在欧洲和北美普及，并在短短的几年时间内大大降低了欧洲的汽车失窃率，因此很快成为了欧洲汽车的标准配置。 

虽然遥控钥匙提高了汽车的防盗性能，但其保密性较差，容易被人为干扰、破解和复制，制约了它的发展。随后，无钥匙进入系统（Passive Keyless Enter，PKE）的出现修补了遥控钥匙保密性差的缺点。无钥匙进入系统作为新一代汽车安全与防盗智能电子系统的核心技术，彻底改变了汽车安全与防盗应用领域的发展前景，给用户带来了崭新的舒适与便利体验。驾驶员从进入到离开车辆整个过程中都无需使用钥匙，只需将钥匙随身携带即可。高精度的无线定位技术是实现无钥匙进入的前提，因此定位精度也成为汽车无钥匙进入系统最重要的技术指标。 

现在的无钥匙进入系统基本能完成钥匙感应，钥匙合法性检测，在无需操作钥匙的情况下自动解锁车门。当前，被用于无钥匙进入系统实现车辆钥匙定位的主流技术是基于接收低频（125KHz）信号强度检测来实现定位。根据接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)，即根据接收低频信号的衰减程度来计算钥匙与车内低频天线的相对距离，通过多根低频天线交叉覆盖范围，定位钥匙相对车身的空间位置。但是经市场调查分析，发现上述基于RSSI的无钥匙进入系统存在以下缺点： 

（1）定位精度不高。该方法依赖信号传播的路径损耗模型，该模型在实际运用中受通信环境变化的影响较大。当遇到两车相距太近或者车辆钥匙紧贴车门等特殊情况时，因为汽车本身是电磁波的强散射体，会导致路径损耗模型畸变，使无钥匙进入系统出现误判。例如，奔驰E280型轿车出现过当驾驶员离开车辆时锁门功能失效，仪表显示“钥匙在车内”的故障。雪佛兰CRUZE型轿车也存在当与其它车辆太近时，无法开车门的故障现象。据统计分析现有主流车型基于RSSI测距的无钥匙进入系统定位精度在5—10cm，是造成上述故障的主因。  

（2）极窄频的低频信号易受人为干扰和破解，使得无钥匙进入系统的防盗性能与遥控钥匙相比没有本质的提升。现在有各种“汽车干扰器”、“信号拦截器”等在网上非法出售，不法分子利用这些设备干扰车门上锁，盗取汽车或车内重要物品。另外，同一系列车型无钥匙进入系统之间的互扰也时有发生。 

（3）驾驶员需要单独随身携带车辆钥匙，便捷性还有待进一步提高。 

（4）基于针对钥匙位置的单一判决方法，在遇到诸如车内乘员误操作等特殊情况时，有可能会导致事故。 

（5）功能单一，车辆钥匙除用于开关车门外，无其它任何扩展功能。 

UWB信号是一种无载波的基带冲激信号。首先，这种纳秒级的冲激信号具有很高的时间分辨率。如当冲激信号的持续时间设为τ=0.5ns，则根据距离分辨率方程Δr_c=(c/2)τ,将c=3×10₈m/s代入，则可以得到Δr_c=0.75cm。由此可见，UWB信号可实现厘米级的定位；其次，UWB信号把有限的信号能量弥散在极宽的频带范围内，对于其它的通信系统相当于白噪声，且功率谱密度低于自然电子噪声，几乎不可能被检测出来，所以用于车辆智能钥匙保密性非常好；再次，UWB信号采用间歇的基带脉冲，有很低的占空比，系统耗电可以做到很低，若用于车辆智能钥匙，可以几年甚至十几年不用更换电池。 

实用新型内容

本实用新型目的在于克服基于RSSI技术的无钥匙进入系统定位精度不高的缺陷，提供基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，采用UWB信号对车辆钥匙进行精确定位，即通过测量车辆钥匙发出的UWB信号辐射到多个车身天线的到达时间差（Time Difference Of Arrival TDOA），来计算钥匙相对车辆的空间位置。同时提出基于UWB共形天线技术，将车辆钥匙设计成驾驶员携带的手机的背板形状，用车辆钥匙取代手机背板，实现车辆钥匙与手机的集成。并针对驾驶员的每一个触发动作（开门、关门、启动、开行李箱、关行李箱）同时检测车辆钥匙位置和车内人员位置信息，采用联合判决的方法，控制车门锁、启动系统和报 警系统工作。另外对车辆钥匙的功能进行拓展，使其记录每次引擎启动和停止时间、对应的每次行驶里程、每次的燃油量及平均油耗等驾驶员感兴趣的信息；同时储存车辆的保养周期信息，并根据总行驶里程和总行驶时间提示驾驶员对车辆进行保养等。本实用新型通过如下技术方案实现。 

基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，包括车辆钥匙、主控制器、门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器和车身天线阵，门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器和车身天线阵均通过车身电路与主控制器连接；所述车身天线阵用于与所述车辆钥匙进行通信，所述车身天线阵中天线数量大于3，其中1个为主天线，其它为辅助天线，主天线用于辐射主控制器产生的UWB加密身份认证信号以及车辆动态信息信号，主天线和所有辅助天线均接收车辆钥匙发出的UWB定位信号；所述车辆钥匙主要用于接收主控器产生的UWB加密身份认证信号并进行身份认证和发出UWB定位信号；所述主控制器主要用于产生UWB加密身份认证信号和接收车辆钥匙发出的UWB定位信号，对车辆钥匙进行定位，还用于控制车辆自身具有的车辆门锁、引擎电子锁、报警器的工作；所述门锁传感器主要用于感应驾驶员触发的开/关门、开/关行李箱动作，并产生触发信号传至主控制器；所述启动/停止按钮用于感应驾驶员的启动引擎动作并产生触发信号传至主控制器；座椅传感器用于感应该座位是否有人。 

作为上述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置进一步优化的技术方案，所述车辆钥匙包括微型电池、有源晶振、钥匙端微处理器、钥匙端UWB信号收发单元和UWB共形天线，其中，微型电池与钥匙端微处理器、有源晶振、钥匙端UWB信号收发单元连接；有源晶振分别与微型电池、钥匙端微处理器、钥匙端UWB信号收发单元连接，用于产生一个时钟脉冲； 钥匙端微处理器还与钥匙端UWB信号收发单元连接，用于将接收到的数字加密身份认证信号进行解码，并与已保存的身份信息进行对比认证，认证通过后，发出车辆钥匙数字定位信号驱动钥匙端UWB信号收发单元产生UWB定位信号；钥匙端UWB信号收发单元用于按钥匙端微处理器传来的数字定位信号产生相应的UWB定位信号，并将接收的UWB加密身份认证信号进行处理后得到数字加密身份认证信号传到钥匙端微处理器，另外还接收车辆动态信息信号并传到钥匙端微处理器；UWB共形天线接收车身天线发出的UWB加密身份认证信号，并将钥匙端UWB信号收发单元传来的UWB定位信号辐射出去。 

作为上述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置进一步优化的技术方案辆钥匙还包括可拆卸的存储卡，存储卡与钥匙端微处理器连接，存储卡用于接收和保存车辆动态信息，所述车辆动态信息包括每次引擎启动和停止时间、对应的每次行驶里程、每次的燃油量及平均油耗和车辆的保养周期信息。 

作为上述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置进一步优化的技术方案还包括显示器接口，显示器接口一端与主控器连接，另一端与车载显示器连接，用于输出座椅传感器、门锁传感器、车门锁、引擎电子锁、报警器以及主控制器的工作状态。 

作为上述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置进一步优化的技术方案所述主天线布置在车内部中控台位置，辅助天线布置在车门和行李箱门处。 

作为上述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置进一步优化的技术方案所述车辆钥匙形状为手机的背板形状，门锁传感器与车门把手为一体式结构。 

本实用新型的基于超宽带的车辆无钥匙进入方法，包括如下步骤： 

（1）门锁传感器感应到驾驶员的开门动作后，产生一个解锁触发信号送至主控制器； 

（2）主控制器接收到解锁触发信号后产生数字身份认证信号，控制内部的UWB信号收发单元产生UWB加密身份认证信号并通过主天线辐射出去，同时控制座椅传感器检测车内人员位置信息； 

（3）当车辆钥匙处在设定通信范围内时，接收到UWB加密身份认证信号并解码，然后与已保存的身份信息对比，进行身份识别； 

（4）身份识别通过后，车辆钥匙发出UWB定位信号； 

（5）车身的主天线和辅助天线分别在不同的时刻接收到车辆钥匙发出的UWB定位信号，并将不同时刻接收到的UWB定位信号传到主控制器； 

（6）主控制器根据上述不同时刻接收到的UWB定位信号，采用基于信号到达时间差的方法计算车辆钥匙的空间坐标； 

（7）主控制器依据上述坐标判断车辆钥匙相对车身的空间位置，同时依据座椅传感器 

的检测信息判断车内是否有人，若有人还需判断车内人员位于驾驶位或非驾驶位； 

    （8）当主控制器判断车辆钥匙及人员都处于合法安全情况即异常情况时，发出解锁指令控制车门锁解锁，驾驶员即可打开车门进入。 

本实用新型的基于超宽带的车辆无钥匙启动方法，其特征在于包括如下步骤： 

A.引擎处于关闭状态，驾驶员按下启动/停止按钮，启动/停止按钮感应到驾驶员的启动触发动作，并产生启动触发信号传至主控制器，主控制器接收到启动触发信号后发出数字身份认证信号，控制内部的UWB信号收发单元产生UWB加密身份认证信号，并通过中控台位置的主天线辐射出去；同时主控制器发出座椅检测指令，控制座椅传感器检测车内是否有人及人的位置； 

B.车辆钥匙将接收到的UWB加密身份认证信号进行解码，并与保存的身份信息对比，进行身份识别；若车辆钥匙是合法钥匙，则识别通过并发出UWB定位信号；若车辆钥匙是非法钥匙，则无法对加密身份认证信号进行解码和识别； 

C.主控制器根据车身天线接收的UWB定位信号判断钥匙与车身的相对空间位置，同时主控制器根据座椅传感器检测的信号，判断主驾驶位置是否有人；当主控制器判断钥匙在车内而车外无钥匙，且同时检测到主驾驶位有人，则发出启动指令驱动电子引擎锁解锁，接通电源并着车；同时主控制器将本次引擎启动的时刻记录下来并转换为相应的UWB信号通过中控台位置的主天线辐射出去，车钥匙接收后储存到车辆钥匙内的存储卡。 

本实用新型的基于超宽带的车辆无钥匙闭锁方法，其特征在于包括如下步骤： 

1）驾驶员关闭引擎后下车关闭车门，并触动门把手上的闭锁键提示车门上锁；门把手内的门锁传感器感应到驾驶员的动作，产生闭锁触发信号并传到主控制器，主控制器接收到闭锁触发信号后发出数字身份认证信号，控制内部的UWB信号收发单元产生UWB加密身份认证信号，并通过中控台位置的主天线辐射出去；同时主控制器发出座椅检测指令，控制座椅传感器检测车内是否有人及人的位置；                              

2）车辆钥匙将接收到的UWB加密身份认证信号进行解码，并与保存的身份信息对比，进行身份识别；若车辆钥匙是合法钥匙，则识别通过并发出UWB定位信号；若车辆钥匙是非法钥匙，则无法对加密身份认证信号进行解码和识别； 

3）主控制器根据车身天线接收的UWB定位信号判断钥匙与车身的相对空间位置，同时主控制器接收座位传感器信号，判断车内任何位置是否有人；当主控制器判断钥匙在车外而车内无钥匙，且同时检测到车内任何座位无人，然后发出闭锁指令驱动电子引擎锁和车门锁上锁；同时主控制器将本次引擎停止时刻、本次行驶里程、本次燃油量及平均油耗的车辆动态信息转换为相应的UWB信号通过中控台位置的主天线辐射出去，车钥匙接收后储存到车辆钥匙内的存储卡。 

上述的基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁方法中，还包括报警过程：当主控制器检测到车内成员或钥匙两者中的任一者出现异常情况时，判定相应触发动作无效并立即发出报警指令启动报警；所述异常情况和其相应触发动作包括：车内无人但车内有钥匙，车外人员做开车门的触发动作；车内主驾驶位无人但其它位置有人，车内外均无钥匙，车内非主驾驶座人员做按下启动按钮的触发动作；车内主驾驶位无人但其它位置有人，车外无钥匙但车内有钥匙，车内非主驾驶座人员做按下启动按钮的触发动作；主驾驶位有人，但是车内外 均无钥匙，车内主驾驶座人员做按下启动按钮的触发动作；主驾驶位有人，车内无钥匙而车外有钥匙，车内主驾驶座人员做按下启动按钮的触发动作；主驾驶位有人，其它位也有人，但车内外均无钥匙，车内人员做按下启动按钮的触发动作；主驾驶位有人，其它位置也有人，车外有钥匙而车内无钥匙，车内人员做按下启动按钮的触发动作。 

本实用新型中车辆已有的报警器、门锁电机、引擎电子锁等设备通过车身电路与主控制器连接，并通过接收主控制器的驱动指令参与工作。 

本实用新型中车辆钥匙的功能可以进行拓展，除接收UWB加密身份认证信号并进行身份认证和发出UWB定位信号外,还可接收和保存每次引擎启动和停止时间、对应的每次行驶里程、每次的燃油量及平均油耗等驾驶员感兴趣的信息和车辆的保养周期信息，这些信息统称为车辆动态信息。 

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点： 

（1）本实用新型采用的纳秒级的UWB冲激信号，具有非常高的距离分辨率，基于信号到达时间差(TDOA)的检测方法精度可以达到2cm，即使两车紧靠或者钥匙紧贴车门，也不容易出现误判。 

（2）UWB冲激信号带宽非常宽，无功率峰值的频谱使其统计特性接近高斯白噪声，基于频域的人为干扰、破解或复制几乎不可能实现，保密性好。 

（3）采用基于UWB共形天线的方法，将钥匙集成到驾驶员的手机上，驾驶员无需另外携带钥匙，便利性得到极大的提高。 

（4）采用基于车辆钥匙位置和车内人员位置信息的联合判决方法，更好地避免诸如乘员误操作等意外情况的发生。 

（5）扩展了车辆钥匙的功能，将每次车辆行驶里程、燃油量、平均油耗等驾驶员感兴趣但是现有车辆仪表又无法显示的车辆动态信息保存下来，供驾驶员参考。 

附图说明

图1是实现车辆无钥匙进入、启动与闭锁的车身部分的结构框图。 

图2是实现车辆无钥匙进入、启动与闭锁的车辆钥匙内部结构框图。 

图3是车辆钥匙及主控制器内部UWB信号收发单元内部结构框图。 

图4a~图4c是车辆钥匙与手机背板共形的实例，其中图4a是车辆钥匙外侧的平面图，图4b是车辆钥匙内侧的平面图，图4c是车辆钥匙的立面图。 

图5是实现车辆无钥匙进入、启动与闭锁的各单元布置示意图。 

图6是实现车辆无钥匙进入、启动与闭锁的总体工作流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。 

如图1所示，是本实用新型实现无钥匙进入、启动与闭锁的车身部分的总体结构框图。由四部分组成：一是主控制器，包括主控MCU、时钟和主控端UWB信号收发单元。其中，主控MCU主要对门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器输入的触发信号及主控端UWB信号收发单元输入的数字定位信号进行处理，并发出驱动指令控制门锁电机、电子引擎锁、报警器等各外部设备工作，另外还产生或者记录引擎启动/停止时刻、每次行驶里程、油耗等车辆动态信息；时钟主要负责产生纳秒级的基准方波信号；主控端UWB信号收发单元主要负责产生UWB加密身份认证信号和对车身天线传来的UWB定位信号进行处理得到数字定位信号传至主控MCU。二是各传感器，包括座椅传感器、门锁传感器、启动/停止按钮，座椅传感器主要检测车内有无人员及其位置；门锁传感器和启动/停止按钮主要负责感应驾驶员触发动作并产生相应触发信号输入主控制器。三是各执行机构，包括报警器、门锁电机及电子引擎锁，主要执行主控制器的输出指令。四是其它外部设备，包括车身天线、电源、显示器接口等。电源只负责为主控制器供电，其余设备由车载12v蓄电池供电。显示器接口和车载显示器连接，显示整个无钥匙进入和启动装置的状态。 

所述主控制器、门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器、显示器接口及车身天线阵等均布置在车身。门锁传感器（与车门把手一体）、启动/停止按钮、座椅传感器、显示器接口和车身天线阵均通过车身电路与主控制器连接。其中主控制器的组成包括微处理器（主控MCU）、时钟和UWB信号收发单元（主控端UWB信号收发单元），这三者两两互相连接。主控制器的功能包括产生UWB加密身份认证信号和接收UWB定位信号，并驱动车辆门锁、引擎电子锁、报警系统等外部设备工作。其中，主控MCU主要对门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器输入的触发信号及主控端UWB信号收发单元输入的数字定位信号进行处理，计算车辆钥匙的空间位置，并发出驱动指令控制门锁电机、电子引擎锁、报警器等各外部设备工作；时钟负责产生纳秒级的脉冲重复频率（基准方波信号）；主控端UWB信号收发单元主要负责产生UWB加密身份认证信号和对车身天线传来的UWB定位信号进行处理得到数字定位信号，并传到主控MCU对车辆钥匙进行精确定位：设车身天线共n个，因为n个车身天线与车辆钥匙的空间距离不等，所以对于车辆钥匙发出UWB定位信号，n个车身天线记录了n个特定的到达时刻。而每两个到达时刻能够确定一个到达时间差（TDOA），这样,n个到达时刻总共能 够确定n(n-1)/2个TDOA。又因为每一个TDOA确定一个空间双曲面，理论上3个空间双曲面相互交汇就可以确定一个空间坐标点（车辆钥匙位置），所以,只要当n＞3,根据这n(n-1)/2个TDOA就可以非常精确地对车辆钥匙位置进行求解。门锁传感器主要是感应驾驶员触发的动作（开/关门、开/关行李箱）并产生触发信号传至主控制器。启动/停止按钮主要是感应驾驶员的启动引擎动作并产生触发信号传至主控制器（事实上，关闭引擎也是驾驶员的触发动作，但因无需涉及车辆钥匙定位，所以在此不做考虑）。座椅传感器分别布置在车内各座椅的下方，用于感应该座位是否有人。显示器接口与车载显示器通过数据线连接，输出传感器、车门锁、引擎电子锁、报警器以及主控制器等设备的状态。车身天线总数量大于3，其中1个为主天线，布置在内部中控台位置，其它为辅助天线，分别布置在车门和行李箱门附近，主控制器产生的UWB加密身份认证信号以及引擎启动时刻、停止时刻等车辆动态信息信号只通过主天线辐射出去，而所有主天线和辅助天线均接收车辆钥匙发出UWB定位信号。 

如图2所示，为车辆钥匙的内部结构框图，包括微型电池、钥匙端微处理器、有源晶振、钥匙端UWB信号收发单元、共形天线和microSD卡。微型电池主要完成供电；钥匙端微处理器主要对数字加密身份认证信号进行解码和认证并向钥匙端UWB信号收发单元发出数字定位信号；钥匙端UWB信号收发单元主要根据钥匙端微处理器传来的数字定位信号产生相应的UWB定位信号，并将车身传来的UWB加密身份认证信号进行处理得到数字加密身份认证信号；UWB共形天线主要接收UWB加密身份认证信号并将UWB定位信号辐射出去，另外还接收其它车辆动态信息信号传至钥匙端微处理器；microSD卡保存每次引擎启动和停止时间、对应的每次行驶里程、每次的燃油量及平均油耗等驾驶员感兴趣的车辆动态信息和车辆的保养周期信息。当车辆的总行驶里程或总驾驶时间达到了保养周期的规定数值，钥匙端微处理器发出提示信息并传到车身显示器，以便驾驶员及时对车辆进行保养。 

如图3所示，为UWB信号收发单元一个实施例的内部结构框图。UWB信号收发单元的组成包括脉冲发生器、脉冲位置调制器、功率放大器、低噪放大器、射频滤波器、乘法器、低通滤波器、采样/检测器。UWB信号的产生过程是：脉冲发生器接收外部基准方波信号产生基本UWB信号；基本UWB信号被输入脉冲位置调制器，同时脉冲位置调制器根据MCU的输入数字信号对基本UWB信号进行脉冲位置调制后产生调制UWB信号；调制UWB信号被输入功率放大器放大后经UWB天线辐射出去。UWB信号的接收过程是：信号被UWB天线接收，然后依次被输入低噪放大器、射频滤波器和乘法器。同时乘法器接收脉冲发生器输入的基本UWB信号，将两信号相乘后输入低通滤波器，滤波后的信号被输入采样/检测器进行采样和检波，得到可处理的数字信号输入 至MCU。 

如图4a-图4c所示，是本实用新型所述车辆钥匙与手机背板共形的一个实施例。图4a是车辆钥匙外侧的平面图，由辐射贴片401和一个相应的地402共同组成一个完整的UWB天线。其具体形状是：辐射贴片401由左右对称的两个四分之一圆形组成的半圆形中间留有一个矩形间隔。地402的形状是与辐射贴片401上下对称的半圆形外加延伸到辐射贴片401之间矩形间隔。地402与其对称的半圆形辐射贴片401之间形成一个渐变的槽，渐变槽的最小宽度gap大于0.1mm，实现UWB天线的阻抗和空气特征阻抗的变换，保证UWB天线满足FCC的频谱掩蔽标准。两个四分之一圆之间加入一段矩形以增加电流路径，拓展UWB天线的低频带宽。图4b是车辆钥匙内侧的平面图，微型电池403、有源晶振404、钥匙端微处理器405、钥匙端UWB信号收发单元406和microSD卡407嵌入基片408内部。图4c是车辆钥匙的立面图，基片408采用厚度不超过1mm的普通FR4基板。这样，车辆钥匙长度L为20mm，宽度W为20mm,厚度T为1mm，可以与绝大多数手机背板实现共形。 

如图5所示，是本实用新型实现车辆无钥匙进入、启动与闭锁的车身各单元布置的一个实施例示意图。门锁传感器501（与车门把手一体）、启动/停止按钮502、座椅传感器503、显示器接口和车身天线阵504均通过车身电路与主控制器505连接。其中主控制器布置在引擎盖下方，主天线布置在中控台位置，其余5个天线分别布置在靠近车门的位置。门锁传感器共5个，分别布置在各车门把手和行李箱门把手内。座椅传感器共5个，分别布置在车内五个座椅的下方，用于感应该座位是否有人。 

本实用新型采用基于信号到达时间差（Time Difference Of Arrival TDOA）的多点测距差空间定位原理。到两点距离差相等的点的集合构成一个双曲面，所以可以在车身标定4个以上天线（实际上为了精确定位，在车身布置是6个天线），通过多曲面交汇的方法对目标（车辆钥匙）进行精确定位。基本方程如下：设目标（车辆钥匙）位置（x,y,z）,n个天线位置为（x_i,y_i,z_i）(i=0,1,2,3,…,n-1),设其中一个为主天线，即定位坐标原点。由n个天线可以记录n个信号到达时刻t_i(i=0,1,2,3,...,n-1)。每两个到达时刻确定一个时间差，这样就确定了n(n-1)/2个时间差τ_jk(j=0,1,2,3,...,n-1;j＜k)。每一个时间差可以确定一个三元非线性方程： 

$\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2+{(z_j-z)}^2}-\sqrt{{(x_k-x)}^2+{(y_k-y)}^2+{(z_k-z)}^2}={\mathrm{c\τ}}_{\mathrm{jk}}$     （公式1） 

（j=0,1,2,3,...,n-1;k=1,2,3,...,n-1;j＜k,c为电磁波在空气中得传播速度）。所以理论 上三个上述方程方程组即可解出目标（车辆钥匙）位置（x,y,z）。实际中，非线性方程组的解析解是很难求出的。所以本实用新型采用两步法将上述方程组简化成线性方程组用迭代的方法求解，在满足精度的情况，提高求解速度，降低硬件成本。具体如下： 

步骤一：假设最先接收到信号的天线（x₀,y₀,z₀）至目标（车辆钥匙）的距离是已知量并设为r,将方程变成x,y,z关于r的线性函数： 

$(x_k-x_0)x+(y_k-y_0)y+(z_k-z_0)z=-{\mathrm{c\τ}}_{0k}r+\frac{1}{2}[(x_k^2+y_k^2+z_k^2)-(x_k^2+y_k^2+z_k^2)-c^2{\mathrm{\τ}}_{0k}^2]$ （公式2） 

(k=1,2,3,...,n-1)另外任意选择3个天线坐标（x₁,y₁,z₁）、（x₂,y ₂,z₂）、（x₃,y₃,z₃）并得到三个目标到达时间差τ₀₁、τ₀₂、τ₀₃，将得到的3个方程表示成矩阵的形式： 

（公式3） 

将上述方程简写成Ax=B，可以得到x的最小二乘解为：x=(A^TA)^-1A^TB。将x的解（即x,y,z的解）代入最初关于r的方程（公式2），得到r的一元二次方程，可解得r的两个值，依据时间差，去掉一个虚假值，再将r的值代入线性方程组（公式3），即可得到目标（车辆钥匙）坐标的估计值(x_v,y_v,z_v)。 

步骤二：采用泰勒级数法进行迭代求解，提高精度。依然设目标（车辆钥匙）的真实位置为（x,y,z）第k个天线检测到相对主天线（坐标原点）的时间差为τ_k，时间差的真值为μ_k,测量误差为e_k。假设测量误差服从期望为0，协方差矩阵为R的高斯分布。则目标坐标方程可表示为： 

$\sqrt{{(x_k-x)}^2+{(y_k-y)}^2+{(z_k-z)}^2}-\sqrt{{(x_0-x)}^2+{(y_0-y)}^2+{(z_0-z)}^2}={\mathrm{c\μ}}_k=c({\mathrm{\τ}}_k-e_k)$     （公式4） 

将上述方程表示成（x,y,z）的函数式f_k(x,y,z,x_k,y_k,z_k)： 

$f_k(x,y,z,x_k,y_k,z_k)=\frac{\sqrt{{(x_k-x)}^2+{(y_k-y)}^2+{(z_k-z)}^2}-\sqrt{{(x_0-x)}^2+{(y_0-y)}^2+{(z_0-z)}^2}}{c}={\mathrm{\τ}}_k-e_k$     （公式5） 

泰勒级数定位法的具体步骤如下： 

（1）根据第一步得出的估计值(x_v,y_v,z_v)，则可以得到误差的表达式为：δ_x=x-x_v，δ_y=y-y_v，δ_z=z-z_v。 

（2）将f_k(x,y,z,x_k,y_k,z_k)在初始估计位置(x_v,y_v,z_v)用泰勒级数展开，并忽略二次及高次项： 

$f_{\mathrm{kv}}(x_v,y_v,z_v,x_k,y_k,z_k)+\frac{{\∂f}_k}{\∂x}{|}_{x_v,y_v,z_v}{\mathrm{\δ}}_x+\frac{{\∂f}_k}{\∂y}{|}_{x_v,y_v,z_v}{\mathrm{\δ}}_y+\frac{{\∂f}_k}{\∂z}{|}_{x_v,y_v,z_v}{\mathrm{\δ}}_z\≈{\mathrm{\τ}}_k-e_k$     （公式6） 

其中（k=1,2…n），且f_kv(x_v,y_v,z_v,x_k,y_k,z_k)是常数项，可以移到等号的右边，将上述方程用矩阵的形式表示： 

          （公式7） 

可简写为：Aδ≈B。在本实用新型中，天线个数n=6>3,所以上述矩阵方程列满秩，所以 的最小二乘估计值为：δ＝(A^TR^-1A)^-1A^TR^-1B。 

（3）选择判据

 ,N表示迭代次数。开始进行迭代运算： 

x_v←x_v+δ_x；y_v←y_v+δ_y；z_v←z_v+δ_z

（4）将判据ε与给定的门限值ε₀比较，当ε＞ε₀时，重复步骤(2)(3)，直到ε＜ε₀,则停止迭代，最终的目标（车辆钥匙）位置为： 。 

如图6所示，是本实用新型实现车辆无钥匙进入、启动与闭锁的总体工作流程图；其基本工作程序是：对于驾驶员的每一个触发动作，主控制器都要发先出两条指令，并接受两个信号，然后依据表1所示逻辑表，然后对三个执行机构进行控制。驾驶员的触发动作可分为三类：开门（包括各个车门或行李箱门）、关门和启动。主控制器发出的两条指令分别是控制主控端UWB信号收发单元发出UWB加密身份认证信号和控制座椅传感器检测车内有无人员及其位置，主控制器接受的两个信号分别是车辆钥匙位置信息和车内人员位置信息。最后主控器根据这两个信息，依据逻辑表发出相应的驱动指令控制门锁电机、引擎电子锁和报警系统工作。下面我们就针对流程图结合表1中16种情况进行一一说明。 

情况1：车内无人，车内外均无钥匙。这是一种常见情况，即驾驶员锁好车后离开车辆，系统的输出就是车门上锁、电子引擎锁上锁、车辆不报警。 

情况2：车内无人，但车内有钥匙。这是一种非法情况，即驾驶员或其它乘员将钥匙遗留在车内，无钥匙系统的输出是车门无法上锁、电子引擎锁上锁、车辆报警。但是驾驶员可以人为解除报警，故意将一把钥匙留在车内。 

情况3：车内无人，车外有钥匙。这是一种正常情况，即驾驶员正常开车门动作，无钥匙系统的输出车门解锁、电子引擎锁上锁、车辆不报警。 

情况4：车内无人，车内外均有钥匙。这是一种比较少见的合法情况，即车内原来留有一把钥匙，驾驶员用另外一把钥匙正常开车门，无钥匙系统的输出车门解锁、电子引擎锁上锁、车辆不报警。 

情况5：车内主驾驶位无人，但是其它位置有人，车内外均无钥匙。通常，这是一种合法情况，即驾驶员离开车辆办事，将乘员留在车内。但是当乘员中没有大人只有儿童时，这又是一种极其危险地情况，若车辆自动上锁，而驾驶员长时间不回来，会导致车内缺少氧气等危险情况发生，这样的例子在现实中就有发现。若车辆不自动上锁，儿童有可能自己离开车辆导致其它危险。所以在本实用新型无钥匙进入与启动装置中，认为此是一种非法情况，输出车门解锁、电子引擎锁上锁、车辆报警，当然驾驶员经判定后人为解除报警，灵活处置。 

情况6：此时与情况5类似，所以输出结果相同。 

情况7：主驾驶位无人而它位有人，车外有钥匙。这种情况表明驾驶员在车辆附近，所以输出是车门解锁、电子引擎锁上锁、车辆不报警。 

情况8：此时与情况7类似，所以输出结果相同。 

情况9：主驾驶位有人，但是车内外均无钥匙。这时一种非法情况，表明有人在无身份认证的情况下进入车内，所以输出是车门上锁、电子引擎锁上锁、车辆报警。 

情况10：主驾驶位有人，车内有钥匙。这是正常的驾驶员启动前的情况，输出是车门解锁、电子引擎锁解锁、车辆不报警。 

情况11：主驾驶位有人，车内无钥匙而车外有钥匙。这是一种比较少见的非法情况，一般是驾驶员把车辆钥匙掉落在车外。所以输出是车门解锁、电子引擎锁上锁、车辆报警。当然，也有可能是驾驶员将自己的手机给车外人员使用，这时驾驶员可以手动解除报警。 

情况12：主驾驶位有人，其它位无人，车内外均有钥匙。表明携带另外一把钥匙的人员在车辆附近，是一种合法情况，输出是车门解锁、电子引擎锁解锁、车辆不报警。 

情况13：主驾驶位有人，其它位也有人，但车内外均无钥匙。这是一种非法情况，表明有人在无身份认证的情况下进入车内，输出是车门上锁、电子引擎锁上锁、车辆报警。 

情况14：主驾驶位有人，其它位也有人，车内有钥匙。这是最常见的一种合法情况，输出是车门解锁、电子引擎锁解锁、车辆不报警。 

情况15：主驾驶位有人，其它位置也有人，车外有钥匙而车内无钥匙。此时是一种与情况11类似的非法情况，所以输出结果与情况11相同。 

情况16：主驾驶位有人，其它位置也有人，车内外均有钥匙。此时是一种与情况12类似的合法情况，所以输出结果与情况12相同。 

表1：门禁、启动及报警系统工作逻辑关系表 

Claims (6)

1.基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，其特征在于包括车辆钥匙、主控制器、门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器和车身天线阵，门锁传感器、启动/停止按钮、座椅传感器和车身天线阵均通过车身电路与主控制器连接；所述车身天线阵用于与所述车辆钥匙进行通信，所述车身天线阵中天线数量大于3，其中1个为主天线，其它为辅助天线。

2.根据权利要求1所述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，其特征在于所述车辆钥匙包括微型电池、有源晶振、钥匙端微处理器、钥匙端UWB信号收发单元和UWB共形天线，其中，微型电池与钥匙端微处理器、有源晶振、钥匙端UWB信号收发单元连接；有源晶振分别与微型电池、钥匙端微处理器、钥匙端UWB信号收发单元连接； 钥匙端微处理器还与钥匙端UWB信号收发单元连接。

3.根据权利要求2所述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，其特征在于辆钥匙还包括可拆卸的存储卡，存储卡与钥匙端微处理器连接。

4.根据权利要求1所述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，其特征在于还包括显示器接口，显示器接口一端与主控器连接，另一端与车载显示器连接。

5.根据权利要求1~4任一项所述基于超宽带定位的车辆无钥匙进入和启动装置，其特征在于所述主天线布置在车内部中控台位置，辅助天线布置在车门和行李箱门处。

6.根据权利要求5所述基于超宽带的车辆无钥匙进入、启动与闭锁装置，其特征在于所述车辆钥匙形状为手机的背板形状，门锁传感器与车门把手为一体式结构。

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