DE102014200159A1

DE102014200159A1 - Fahrzeugsystem zum Erfassen der dreidimensionalen Position eines drahtlosen Geräts

Info

Publication number: DE102014200159A1
Application number: DE102014200159.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas O'Brien; Hilton W. Girard; Jason Bauman; Jian Ye; Riad Ghabra
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-10-16
Also published as: GB201319358D0; US20140308971A1; GB2513206A; CN104111443A; GB2513206B

Abstract

Ein Fahrzeugsystem umfasst ein tragbares Gerät, das konfiguriert ist, um ein Funksignal vorzusehen. Das Fahrzeugsystem umfasst wenigstens drei Basisstationen für eine Positionierung an einem Fahrzeug in einer ersten Ebene und eine vierte Basisstation für eine Positionierung in dem Fahrzeug mit einem vertikalen Versatz von der ersten Ebene, um eine zweite Ebene mit zwei der wenigstens drei Basisstationen zu definieren. Jede Basisstation ist konfiguriert, um das Funksignal zu empfangen und eine Nachricht zu erzeugen, die eine Laufzeit des Funksignals angibt. Die vierte Basisstation ist weiterhin konfiguriert, um eine dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der durch jede Basisstation erzeugten Nachricht zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugsystem und ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines drahtlosen Geräts an einem Fahrzeug in drei Dimensionen.
Hintergrund
Viele moderne Fahrzeuge sind mit einem oder mehreren Sendeempfängern ausgestattet, um mit einem Schlüssel-Fob unter Verwendung von Hochfrequenzsignalen für das Steuern von Fahrzeugfunktionen wie etwa einem passiven, schlüssellosen Zugang und einem passiven Starten zu kommunizieren. Bei einem passiven Zugang bestimmt eine Fahrzeug-Steuereinrichtung auf der Basis der Position des Schlüssel-Fobs in Bezug auf das Fahrzeug, welche Tür zu entsperren ist. Derartige passive, schlüssellose Zugangssysteme umfassen häufig bis zu sechs Niederfrequenz(NF)-Antennen. Jede NF-Antenne ist in Nachbarschaft zu einer Fahrzeugtür (z. B. in dem Griff) montiert und kommuniziert mit dem Schlüssel-Fob, um dessen Position zu bestimmen. Bei einem passiven Starten bestimmt eine Fahrzeug-Steuereinrichtung auf der Basis der Fob-Position, ob sich der Fahrer innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs befindet. Derartige passive Startsysteme enthalten häufig wenigstens eine Antenne innerhalb des Fahrzeugs und eine weitere Antenne, die außerhalb des Fahrzeugs (z. B. an dem Dach) montiert ist. Ein mit einem Passivzugang-Passivstart(PEPS)-System ausgestattetes Fahrzeug kann also bis zu acht Antennen umfassen.
Zusammenfassung
In wenigstens einer Ausführungsform ist ein Fahrzeugsystem mit einem tragbaren Gerät versehen, das konfiguriert ist, um ein Funksignal vorzusehen. Das Fahrzeugsystem umfasst wenigstens drei Basisstationen für eine Positionierung an einem Fahrzeug innerhalb einer ersten Ebene und eine vierte Basisstation für eine Positionierung in dem Fahrzeug an einer Position mit einem vertikal Versatz zu der ersten Ebene, um mit zwei der wenigstens drei Basisstationen eine zweite Ebene zu definieren. Jede Basisstation ist konfiguriert, um das Funksignal zu empfangen und eine Nachricht zu erzeugen, die eine Laufzeit des Funksignals angibt. Die vierte Basisstation ist weiterhin konfiguriert, um eine dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der durch jede Basisstation erzeugten Nachricht zu bestimmen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Merkmale verschiedener Ausführungsformen werden durch die folgende ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugsystem zum Erfassen der dreidimensionalen Position eines drahtlosen Geräts gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
2 ist eine detaillierte schematische Ansicht des drahtlosen Geräts, einer Hauptbasisstation und einer Nebenbasisstation gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen Position des drahtlosen Geräts gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
4 ist eine schematische Draufsicht auf das Fahrzeugsystem von 1 und zeigt eine erste Knotenebene, die drei der Basisstationen kreuzt.
5 ist eine schematische Seitenansicht des Fahrzeugsystems von 1 und zeigt eine zweite Knotenebene, die drei der Basisstationen und die erste Knotenebene kreuzt.
6 zeigt eine erste Position des drahtlosen Geräts relativ zu der ersten Knotenebene.
7 zeigt eine zweite Position des drahtlosen Geräts relativ zu der zweiten Knotenebene.
Ausführliche Position
Gemäß den Anforderungen werden im Folgenden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben, wobei jedoch zu beachten ist, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die auch durch verschiedene alternative Ausführungsformen realisiert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei einige Merkmale vergrößert oder verkleinert dargestellt sein können, um die Details bestimmter Komponenten zu verdeutlichen. Die hier beschriebenen Details des Aufbaus und der Funktion sind nicht einschränkend, sondern lediglich als repräsentative Basis für den Fachmann, der die Erfindung umsetzen möchte, zu verstehen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen allgemein eine Vielzahl von Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen vor. Bezugnahmen auf die Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen sowie deren Funktionen sind nicht einschränkend aufzufassen. Wenn die verschiedenen Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen mit bestimmten Bezeichnungen versehen werden, soll dadurch nicht der Betriebsumfang dieser Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen eingeschränkt werden. Die Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen können je nach der gewünschten elektrischen Implementierung auf beliebige Weise miteinander kombiniert und/oder separat zueinander verwendet werden. Es ist zu beachten, dass jede hier beschriebene Schaltung oder andere elektrische Einrichtung eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. FLASH, RAM, ROM, EPROM, EEPROM oder andere geeignete Varianten) und Software umfassen kann, die miteinander zusammenwirken, um beliebige der hier beschriebenen Operationen auszuführen.
In 1 ist ein Fahrzeugsystem 10 zum Bestimmen der Position eines drahtlosen Geräts gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gezeigt. Das Fahrzeugsystem 10 umfasst ein tragbares, drahtloses Gerät 12 (z. B. einen Schlüssel-Fob) und wenigstens vier Knoten, die eine Hauptbasisstation 14 und wenigstens drei Nebenbasisstationen 16a, 16b, 16n („16”) umfassen. In der hier gezeigten Ausführungsform sind drei der Knoten 16 in einem oberen Teil des Fahrzeugs (z. B. in einem Dachhimmel) angeordnet. Die Hauptbasisstation 14 (der vierte Knoten) ist vertikal von den anderen Knoten 16 beabstandet und in einem mittleren Teil des Fahrzeugs (z. B. in einem Armaturenbrett) angeordnet. Der vertikale Abstand des vierten Knotens 14 relativ zu den anderen Knoten 16 ermöglicht, dass das Fahrzeugsystem 10 die Position des Fobs 12 in drei Dimensionen bestimmt.
Die Hauptbasisstation 14, die Nebenbasisstationen 16 und der Fob 12 tauschen Signale miteinander aus und nutzen eine Laufzeit(Time of Flight bzw. TOF)-Implementierung, um die Distanz des Fobs 12 von dem Fahrzeug 18 zu bestimmen. Danach verwenden die Knoten 14, 16 eine Trilateration, um die tatsächliche Zone 20 zu bestimmen, in der sich der Fob 12 aufhält. Die Verwendung einer Trilateration ermöglicht, dass die Hauptbasisstation 14 feststellt, wo der Fob 12 horizontal in Bezug auf das Fahrzeug positioniert ist. Der vertikale Versatz zwischen dem vierten Knoten 14 und den anderen Knoten (16a, 16b, 16n) ermöglicht, dass das Fahrzeugsystem 10 eine dreidimensionale (3-D) Position des Fobs 12 relativ zu mehreren Ebenen unter Verwendung einer Trilateration berechnet. Eine derartige 3-D-Analyse sieht eine genauere Positionsbestimmung vor als eine 2-D-Analyse in Bezug auf eine einzelne Ebene. Diese Informationen (z. B. in welcher Zone 20 sich der Fob 12 aufhält) in Verbindung mit den durch die TOF erfassten Distanzinformationen ermöglichen, dass die Hauptbasisstation 14 die Position des Fobs 12 in Bezug auf das Fahrzeug 18 mit einer größeren Genauigkeit feststellt.
Zum Beispiel kann die Hauptbasisstation 14 bestimmen, dass der Fob 12 mit einer Distanz von drei Metern von dem Fahrzeug 18 beabstandet ist und dass sich der Fob 12 in der Fahrerseite-Zone 20a aufhält. Während also die Position des Fobs 12 mittels der TOF und der Trilateration festgestellt werden kann, ist zu beachten, dass die hier mit Bezug auf die Lokalisierung des Fobs 12 genannten Aspekte auch auf andere Fahrzeugfunktionen wie etwa eine Reifendrucküberwachung angewendet werden können. Es wird hier eine TOF verwendet, wobei die Hauptbasisstation 14 und die Nebenbasisstationen 16 an vorbestimmten Positionen in dem Fahrzeug 18 positioniert sein können, um Signale an den Fob 12 zu senden und von diesem zu empfangen. In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die Knoten 14, 16 in einem Fahrzeugdachhimmel (wie in 1 gezeigt) in einer allgemein dreieckigen Konfiguration (wie in 3 gezeigt) angeordnet.
Die Hauptbasisstation 14 umfasst allgemein weiterhin einen Schaltungsaufbau, um das Fahrzeug 18 in Reaktion auf Befehlssignale von dem Fob 12 zu sperren und zu entsperren. Das Fahrzeugsystem 10 führt eine Passivzugang-Passivstart(PEPS)-Funktion durch, in der die Hauptbasisstation 14 das Fahrzeug 18 in Reaktion darauf durchführt, dass bestimmt wird, dass sich der Fob in einer entsprechenden Zone 20a–20n („20”) an dem Fahrzeug aufhält. In der hier beispielhaft gezeigten Ausführungsform sind eine vordere Fahrerseite-Zone 20a, eine Fahrzeugfrontzone 20b, eine vordere Beifahrerseite-Zone 20c, eine hintere Beifahrerseite-Zone 20d, eine Fahrzeugheckzone 20e und eine hintere Fahrerseite-Zone 20f vorgesehen. Die Zonen 20 entsprechen allgemein vorbestimmten autorisierten Positionen an dem Fahrzeug 18 (innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs 18). Wenn der Fob 12 in einer dieser Zonen 20 erfasst wird, kann die Hauptbasisstation 14 automatisch das Fahrzeug (eine Tür) in Nachbarschaft zu der Zone 20 entsperren, in welcher der Fob 12 erfasst wird, und dem Benutzer das Starten des Fahrzeugs gestatten.
Das Fahrzeugsystem 10 verwendet in einer oder mehreren Ausführungsformen eine schlüssellose Funkoperation zusätzlich zu der PEPS-Funktion. Zum Beispiel kann die Basisstation 14 eine gewünschte Operation (z. B. Sperren, Entsperren, Heckklappenfreigabe usw.) für das Fahrzeug 18 durchführen, wenn der Fob 12 einen die gewünschte Operation angebenden Befehl sendet, während er sich in der autorisierten Zone 20 aufhält.
2 ist eine detaillierte schematische Ansicht des Fobs 12, der Hauptbasisstation 14 und der Nebenbasisstation(en) 16 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Der Fob 12 enthält einen Mikrocontroller 30, einen Sender/Empfänger („Sendeempfänger”) 32 und wenigstens eine Antenne 34. Der Mikrocontroller 30 ist operativ mit dem Sendeempfänger 32 und der Antenne 34 gekoppelt, um Signale an die Hauptbasisstation 14 und die Nebenbasisstationen 16 zu senden und von diesen zu empfangen. Ein Hochfrequenz(HF)-Schalter 35 ist operativ mit den Antennen 34 gekoppelt um diese mit dem Sendeempfänger 32 zu koppeln. Eine Implementierung mit mehreren Antennen 34 kann eine Antennendiversität vorsehen, die für Hochfrequenz-Mehrfachpfade nützlich sein kann. Die Verwendung des HF-Schalters 35 und der mehreren Antennen ist optional. Zum Beispiel kann auch nur eine einzelne Antenne 34 verwendet werden, um Signale an den Fob 12 zu senden und von diesem zu empfangen.
Der Fob 12 umfasst eine wiederaufladbare Batterie 36, die den Mikrocontroller 30 und dem Sendeempfänger 32 in einer oder mehreren Ausführungsformen mit Strom versorgt. Eine Batterieladeschaltung 40 empfängt Strom von einem Ladestecker 42, der operativ mit einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Mikrocontroller 30 kann eine erste Leuchtanzeige 44 und/oder einen Vibrationsmotor 46 steuern, um eine Rückmeldung für den Benutzer vorzusehen, die den Ladezustand der Batterie 36 angeben kann. Der Fob 12 kann auch einen Beschleunigungsmesser 47 und ein Gyroskop 48 enthalten, um die Bewegung des drahtlosen Geräts 12 zu erfassen. Der Beschleunigungsmesser 47 kann Daten vorsehen, die die Beschleunigung des Fobs 12 in drei Achsen (A_x, A_y und A_z) angeben. Das Gyroskop 48 kann Ausrichtungsdaten vorsehen, die eine Giergeschwindigkeit (Y), eine Drehgeschwindigkeit (θ) und eine Rollgeschwindigkeit (ϕ) des Fobs 12 angeben. Weiterhin können ein Piezosummer 49 und eine zweite Leuchtanzeige operativ mit dem Mikrocontroller 30 verbunden sein, um eine zusätzliche Rückmeldung vorzusehen. Eine Vielzahl von Schaltern 52 ist an dem drahtlosen Gerät 12 vorgesehen, um Befehle an das Fahrzeug 18 zu senden, um verschiedene Fahrzeugoperationen (z. B. Sperren/Entsperren von Türen, Heckklappenfreigabe, Fernstart usw.) einzuleiten.
Der Sendeempfänger 32 ist allgemein konfiguriert, um mit einer Frequenz zwischen 3 und 10 GHz betrieben zu werden und mit einer Ultrabreitband(UWB)-Bandbreite von wenigstens 500 MHz zu kommunizieren. Eine derartige Hochfrequenzkommunikation in der UWB-Bandbreite ermöglicht, dass das Fahrzeugsystem 10 die Distanz des Fobs 12 in Bezug auf das Fahrzeug mit einem hohen Grad an Genauigkeit bestimmt. Der Sendeempfänger 32 enthält allgemein einen Oszillator 54 und einen Phasenregelkreis (PLL) 56, damit der Sendeempfänger 32 bei der Frequenz zwischen 3 und 10 GHz betrieben werden kann.
Der Mikrocontroller 30 ist operativ mit dem Sendeempfänger 32 und der Antenne 34 verbunden, um ein Funksignal 58 an die Hauptbasisstation 14 und jede Nebenbasisstation 16 zu senden. Das Funksignal 58 enthält in einer oder mehreren Ausführungsformen Daten wie etwa Verschlüsselungsdaten, die Beschleunigungsdaten (A_x, A_y und A_z) und die Gyroskopdaten (ψ, θ und φ).
Die Hauptbasisstation 14 enthält allgemein einen Mikrocontroller 60, einen Sendeempfänger 62 und wenigstens eine Antenne 64. Eine Stromquelle 65 in dem Fahrzeug 18 versorgt den Mikrocontroller 60 und den Sendeempfänger 62 mit Strom. Ein HF-Schalter 66 ist operativ mit dem Mikrocontroller 60 und der Antenne 64 gekoppelt. Der HF-Schalter 66 ist operativ mit den Antennen 64 gekoppelt, um diese mit dem Sendeempfänger 62 zu koppeln. Eine Implementierung mit mehreren Antennen 64 kann eine Antennendiversität vorsehen, die für Hochfrequenz-Mehrfachpfade nützlich sein kann. Es kann auch eine einzelne Antenne 64 verwendet werden, um Signale an den Fob 12 zu senden und von diesem zu empfangen, wobei in diesem Fall kein HF-Schalter 66 erforderlich ist. Der Mikrocontroller 60 ist operativ mit dem Sendeempfänger 62 und der Antenne 64 gekoppelt, um Signale (z. B. das Funksignal 58) an den Fob 12 und die Nebenbasisstation 16 zu senden und von diesen zu empfangen. Der Mikrocontroller 60 bestimmt die Position des Fobs 12 auf der Basis dieser Signale. Die Hauptbasisstation 14 umfasst weiterhin einen Schaltungsaufbau (nicht gezeigt) zum Durchführen eines Sperrens/Entsperrens von Fahrzeugtüren und/oder einer Heckklappe/eines Kofferraums sowie zum Durchführen einer Fernstartoperation.
Der Sendeempfänger 62 ist allgemein konfiguriert, um mit einer Frequenz zwischen 3 und 10 GHz betrieben zu werden und in einer Ultrabreitband(UWB)-Bandbreite von wenigstens 500 MHz betrieben zu werden. Der Betrieb des Sendeempfängers 62 mit einer Betriebsfrequenz zwischen 3 und 10 GHz in der UWB-Bandbreite ermöglicht, dass die Basisstation 14 die Distanz des Fobs 12 in Bezug auf das Fahrzeug mit einer großen Genauigkeit bestimmt, wenn sie in eine Kommunikation mit dem Fob 12 eintritt. Der Sendeempfänger 62 enthält allgemeinen einen Oszillator 74 und einen PLL 76, damit der Sendeempfänger 62 mit der Frequenz zwischen 3 und 10 GHz betrieben werden kann.
Die Nebenbasisstation 16 enthält allgemein einen Mikrocontroller 80, einen Sendeempfänger 82 und wenigstens eine Antenne 84. Ein HF-Schalter 86 ist operativ mit dem Mikrocontroller 60 und der Antenne 64 verbunden. Der HF-Schalter 86 und die Implementierung mit mehreren Antennen 84 sind aus den oben genannten Gründen optional. Der Mikrocontroller 80 ist operativ mit dem Sendeempfänger 82 und der Antenne 84 gekoppelt, um Signale (z. B. das Funksignal 58) an den Fob 12 und die Hauptbasisstation 14 zu senden und von diesen zu empfangen. Die Stromquelle 65 in dem Fahrzeug 18 versorgt den Mikrocontroller 80 und den Sendeempfänger 82 mit Strom.
Der Sendeempfänger 82 ist allgemein auch konfiguriert, um mit einer Frequenz zwischen 3 und 10 GHz betrieben zu werden und in einer Ultrabreitband(UWB)-Bandbreite von wenigstens 500 MHz zu kommunizieren. Der Betrieb des Sendeempfängers 82 mit einer Betriebsfrequenz zwischen 3 und 10 GHz ermöglicht, dass das Fahrzeugsystem 10 die Distanz des Fobs 12 in Bezug auf das Fahrzeug mit einer großen Genauigkeit bestimmt, wenn es in eine Kommunikation mit dem Fob 12 eintritt. Der Sendeempfänger 82 enthält allgemeinen einen Oszillator 94 und einen PLL 96, damit der Sendeempfänger 62 mit der Frequenz zwischen 3 und 10 GHz betrieben werden kann. Es ist zu beachten, dass die zweiten und dritten Nebenbasisstationen 16b, 16n (in 1 gezeigt) der Nebenbasisstation 16 wie oben beschrieben ähnlich sind und ähnliche Komponenten enthalten und ähnliche Funktionen vorsehen. In anderen Ausführungsformen enthält das Fahrzeugsystem 10 einfache Nebenbasisstationen 16, die nur die Antennen 84 enthalten, die durch den Mikrocontroller 60 der Hauptbasisstation 14 gesteuert werden.
Jede Nebenbasisstation 16 empfängt das Funksignal 58 von dem Fob 12 und sendet eine Nachricht 98 an die Hauptbasisstation 14, die Informationen enthält, die die Laufzeit des Funksignals angeben. Die Nachricht 98 kann auch die Beschleunigungsdaten (A_x, A_y und A_z) und die Gyroskopdaten (ψ, θ und φ) enthalten. Die Hauptbasisstation 14 empfängt das Funksignal 58 und erzeugt eine Nachricht (nicht gezeigt), die Informationen enthält, die die Laufzeit des Funksignals 58 zusammen mit den Beschleunigungs- und Gyroskopdaten angeben. Die Nebenbasisstationen 16 können drahtlos mit der Hauptbasisstation 14 oder über eine drahtgebundene Verbindung kommunizieren. In einer Ausführungsform kommunizieren die Nebenbasisstationen 16 mit der Hauptbasisstation 16 unter Verwendung eines lokalen Verbindungsnetzwerks (Local Interconnect Network bzw. LIN).
Der Fob 12, die Hauptbasisstation 14 und die Nebenbasisstationen 16 sind jeweils angeordnet, um Daten in der UWB-Bandbreite von wenigstens 500 MHz zu senden und zu empfangen, wobei dies jedoch einen großen Stromverbrauch dieser Komponenten verursachen kann. Der Betrieb in dem UWB-Bandbreitenbereich ermöglicht ein großes Frequenzspektrum (d. h. sowohl mit niedrigen Frequenzen als auch mit hohen Frequenzen) und eine hohe Zeitauflösung, wodurch die Bereichsgenauigkeit verbessert wird. Der Stromverbrauch stellt unter Umständen kein Problem für die Hauptbasisstation 14 und die Nebenbasisstation 16 dar, weil dieser Einrichtungen von der Stromquelle 65 in dem Fahrzeug mit Strom versorgt werden. Es kann jedoch ein Problem für den Fob 12 darstellen, weil es sich bei diesem um ein tragbares Gerät handelt. Allgemein sind tragbare Geräte mit einer unabhängigen Batterie ausgestattet.
Falls die unabhängige Batterie in Verbindung mit dem Fob 12 implementiert ist, der Daten in dem UWB-Bandbreitenbereich sendet/empfängt, kann die Batterie relativ schnell geleert werden. Deshalb enthält der Fob 12 eine wiederaufladbare Batterie 36 und die Batterieladeschaltung 40 zusammen mit dem Ladestecker 42 (oder einer drahtlosen Implementierung), sodass die Batterie 36 bei Bedarf wiederaufgeladen werden kann, um die Stromanforderungen für das Senden/Empfangen von Informationen in dem UWB-Bandbreitenbereich zu erfüllen.
Bestehende PEPS-Systeme (nicht gezeigt) umfassen häufig bis zu acht NF-Antennen, die an dem Fahrzeug angeordnet sind. Der Fahrzeugaufbau blockiert die NF-Signale, sodass die Antennen außen oder in der Nähe der Fenster montiert sind, um eine Sichtverbindung zu gewährleisten. Derartige Systeme bestimmen häufig die Position des Schlüssel-Fobs auf der Basis der empfangenen Signalstärke (RSS) eines Funksignals.
Das Fahrzeugsystem 10 kommuniziert mit einer hohen Frequenz (z. B. 3–10 GHz), sodass eine reduzierte Anzahl von Antennen im Vergleich zu bestehenden Systemen verwendet werden kann. Je höher allgemein die Betriebsfrequenz der Sendeempfänger 32, 62 und 82 ist, desto größer ist die Bandbreite, in der die Sendeempfänger 32, 62 und 82 Informationen senden und empfangen können. Durch eine derart große Bandbreite (d. h. in der UWB-Bandbreite) kann die Rauschimmunität und die Signalfortpflanzung verbessert werden. Dabei kann auch die Genauigkeit bei der Bestimmung der Distanz des Fobs 12 verbessert werden, weil die UWB-Bandbreite eine zuverlässigere Signalübertragung gewährleistet. Wie weiter oben genannt, ermöglicht eine Betriebsfrequenz von 3–10 GHz, dass die Sendeempfänger 32, 62 und 82 Daten in dem UWB-Bereich senden und empfangen. Die Nutzung der UWB-Bandbreite für den Fob 12, die Hauptbasisstation 14 und die Nebenbasisstationen 16 kann (i) eine Durchdringung der gesendeten Signale für einen Empfang durch Hindernisse hindurch (d. h. eine verbesserte Rauschimmunität), (ii) eine große Bereichsgenauigkeit (Positionsgenauigkeit), (iii) Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationen und (iv) eine kostengünstige Implementierung ermöglichen. Wegen der Vielzahl von Frequenzkomponenten in dem UWB-Spektrum können gesendete Daten an dem Fob 12, der Hauptbasisstation 14 und der Nebenbasisstation 16 zuverlässiger empfangen werden als wenn die Daten in Verbindung mit einer Schmalbandimplementierung (d. h. mit einer Trägerfrequenz-basierten Übertragung bei 315 MHz usw.) gesendet werden. Zum Beispiel können UWB-basierte Signale aufgrund der assoziierten Vielzahl von Frequenzkomponenten gute Reflexions- und Übertragungseigenschaften aufweisen. Einige der Frequenzkomponenten können durch verschiedene Objekte übertragen werden, während andere von Objekten reflektiert werden. Diese Bedingungen können die Zuverlässigkeit des gesamten Empfangs der Daten an dem Fob 12, der Hauptbasisstation 14 und den Nebenbasisstationen 16 erhöhen. Weiterhin kann die Übertragung in dem UWB-Spektrum eine robuste Funkleistung zur Verhinderung einer Störung vorsehen. Außerdem werden Gegenmaßnahmen zur Verhinderung von Relay-Attacks und eine Messung mit einer Auflösung von zum Beispiel einigen wenigen Zentimetern ermöglicht.
Die Implementierung des UWB in dem Fob 12, der Hauptbasisstation 14 und den Nebenbasisstationen 16 ist allgemein für TOF-Implementierungen geeignet. Die UWB-basierten Signale können gute Reflexionseigenschaften aufweisen, wobei die TOF-Berechnungen jedoch kompliziert werden können, wenn sie auf reflektierten Signalen basieren. Deshalb sind die Basisstationen 14, 16 in dem Insassenraum in der Nähe der Fenster oder der Windschutzscheibe (z. B. im Dachhimmel oder im Armaturenbrett) montiert, um allgemein eine Sichtverbindung mit dem Fob 12 zu ermöglichen.
Das Fahrzeugsystem 10 bestimmt die Distanz zwischen dem Fob 12 und jedem Knoten (Hauptbasisstation 14 und Nebenbasisstationen 16) unter Verwendung der TOF. Das Fahrzeugsystem 10 bestimmt dann eine 3-D-Position des Fobs 12 einschließlich der Zone 20 (siehe 1), in der sich der Fob 12 derzeit befindet, unter Verwendung einer Trilateration. Jeder Knoten 14, 16 empfängt das Funksignal 58 von dem Fob 12 und erzeugt eine Nachricht mit Informationen, die die Laufzeit des Funksignals 58 angeben. Die Hauptbasisstation 14 empfängt die Laufzeitinformationen von jedem Knoten 14, 16 und führt TOF-Messungen durch, um eine erste Distanz (D₁) zwischen dem Fob 12 und der Hauptbasisstation 14, eine zweite Distanz (D₂) zwischen dem Fob 12 und der ersten Nebenbasisstation 16a, eine dritte Distanz (D₃) zwischen dem Fob 12 und der zweiten Nebenbasisstation 16b und eine vierte Distanz (D₄) zwischen dem Fob 12 und der dritten Nebenbasisstation 16n zu bestimmen. Es sind mindestens drei Distanzlesungen für jede Trilaterationsberechnung erforderlich. Das Fahrzeugsystem 10 führt mehrere Trilaterationsberechnungen durch, um eine 3-D-Position des Fobs 12 zu bestimmen.
3 ist ein Flussdiagramm 100, das ein Verfahren zum Bestimmen einer 3-D-Position des Fobs 12 relativ zu dem Fahrzeug 18 (siehe 1) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt. In Schritt 110 berechnet das Fahrzeugsystem 10 Distanzen (D₁, D₂, D₃, D₄) zwischen dem Fob 12 und den vier Knoten 14, 16a, 16b und 16n jeweils unter Verwendung von TOF-Techniken. 4 ist eine Draufsicht auf das Fahrzeugsystem 10 und zeigt drei Knoten (16a, 16b und 16n), die in einer gemeinsamen horizontalen XY-Ebene („Knotenebene 1”) angeordnet sind. Der vierte Knoten (die Hauptbasisstation 14) ist vertikal von der Knotenebene 1 versetzt. Wie in 5 gezeigt, ist eine zweite Ebene („Knotenebene 2”) durch eine Ebene definiert, die die Knoten 14, 16a und 16b kreuzt. Die Knotenebene 2 kreuzt auch die Knotenebene 1. Andere Knotenebenen (nicht gezeigt) können durch Ebenen definiert werden, die die Hauptbasisstation 14 und andere Kombinationen aus den Nebenbasisstationen 16 kreuzen, wie etwa (14, 16a, 16n) und (14, 16b, 16n).
In Schritt 112 bestimmt das Fahrzeugsystem 10 die Position des Fobs 12 relativ zu der Knotenebene 1. Diese Fob-Position kann als „Position 1” bezeichnet werden. 6 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer TOF-Berechnung in Bezug auf die erste Nebenbasisstation 16a der Knotenebene 1. Wie in 6 gezeigt, bestimmt das Fahrzeugsystem 10 eine Distanz (D₂) zwischen dem Fob 12 und dem Knoten 16a unter Verwendung einer TOF. Die Distanz D₂ ist die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, das eine Basis (D_2X) in Entsprechung zu einer Längsverschiebung und eine Höhe (D_2Z) in Entsprechung zu einer Vertikalverschiebung aufweist. Entsprechend bestimmt das Fahrzeugsystem 10 die Distanz (D₃) zwischen der zweiten Nebenbasisstation 16b und dem Fob 12 und die Distanz (D₄) zwischen der dritten Nebenbasisstation 16n und dem Fob 12. Das Fahrzeugsystem 10 bestimmt die Position 1 des Fobs 12 relativ zu der Knotenebene 1 unter Verwendung einer Trilateration auf der Basis der Distanzen D₂, D₃ und D₄.
Wenn der Fob 12 auf derselben vertikalen Höhe wie die erste Knotenebene angeordnet ist, entsprechen die Distanzen D₂, D₃ und D₄ der tatsächlichen horizontalen Distanz des Fobs 12 von jedem Knoten 16. Je größer jedoch der vertikale Versatz zwischen dem Fob 12 und den Knoten 16 ist, desto größer ist die horizontale Differenz zwischen der berechneten Distanz (z. B. D₂) und der tatsächlichen horizontalen Distanz (z. B. D_2X). Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform die vertikale Verschiebung D_2Z gleich 24,00 Zoll und ist D_2X gleich 49,49 Zoll. Das Fahrzeugsystem 10 berechnet D₂ mit 55,00 Zoll. Die Differenz zwischen D₂ und D_2X ist 5,51 Zoll. Die Differenz wird als ein Hypotenusefehler bezeichnet. Wenn das Fahrzeugsystem 10 nur auf der 2-D-Bestimmung der Position 1 beruht, kann dieser Hypotenusefehler verhindern, dass das Fahrzeugsystem 10 das drahtlose Gerät 12 korrekt innerhalb der richtigen Zone oder innerhalb/außerhalb des Fahrzeugs lokalisiert. Wenn zum Beispiel ein Benutzer in dem Fahrersitz und damit allgemein unterhalb einer Basisstation sitzt, dann kann das Fahrzeugsystem unter Umständen fälschlicherweise annehmen, dass sich der Schlüssel-Fob außerhalb des Fahrzeugs befindet, und dementsprechend dem Benutzer kein passives Starten des Fahrzeugs gestatten.
In Schritt 114 bestimmt das Fahrzeugsystem 10 die Position des Fobs 12 relativ zu der Knotenebene 2. Diese Position des Fobs 12 kann als „Position 2” bezeichnet werden. 7 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer TOF-Berechnung in Bezug auf die Hauptbasisstation 14 in der Knotenebene 2. Wie in 5 gezeigt, ist die Knotenebene 2 eine Ebene, die die Knoten 14, 16a und 16b kreuzt. Das Fahrzeugsystem 10 berechnet eine Distanz (D₁) zwischen dem Fob 12 und dem Knoten 14. Die Distanz (D₁) ist die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, das eine Basis (D_1X) in Entsprechung zu einer Längsverschiebung und eine Höhe (D_1Y) in Entsprechung zu einer Lateralverschiebung aufweist. Das Fahrzeugsystem 10 bestimmt die Position 2 des Fobs 12 relativ zu der Knotenebene 2 unter Verwendung einer Trilateration auf der Basis der Distanzen D₁, D₂ und D₃.
In Schritt 116 bestimmt das Fahrzeugsystem 10 eine 3-D-Position des Fobs 12 auf der Basis der Position 1 und der Position 2.
Vorstehend wurden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die Beschreibung ist beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen, wobei verschiedene Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Außerdem können Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Fahrzeugsystem, das umfasst: ein tragbares Gerät, das konfiguriert ist, um ein Funksignal vorzusehen, wenigstens drei Basisstationen für eine Anordnung an einem Fahrzeug in einer ersten Ebene, und eine vierte Basisstation für eine Anordnung in dem Fahrzeug mit einem vertikalen Versatz von der ersten Ebene, um eine zweite Ebene mit zwei der wenigstens drei Basisstationen zu definieren, wobei jede Basisstation konfiguriert ist, um das Funksignal zu empfangen und eine Nachricht zu erzeugen, die einen Zeitversatz des Funksignals angibt, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um eine dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der durch jede Basisstation erzeugten Nachricht zu bestimmen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um eine Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation auf der Basis der durch jede Basisstation erzeugten Nachricht zu bestimmen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 2, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um eine erste Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der ersten Ebene zu bestimmen, eine zweite Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der zweiten Ebene zu bestimmen, und die dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der ersten Position und der zweiten Position zu bestimmen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 3, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um die erste Position und die zweite Position unter Verwendung einer Trilateration zu bestimmen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei das tragbare Gerät weiterhin konfiguriert ist, um das Funksignal mit einer Frequenz zwischen 3 GHz und 10 GHz zu senden.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die wenigstens drei Basisstationen konfiguriert sind, um in Nachbarschaft zu einem Dach des Fahrzeugs und in einem Dachhimmel angeordnet zu werden.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die vierte Basisstation konfiguriert ist, um in einem Armaturenbrett angeordnet zu werden.
Vorrichtung zum Bestimmen einer dreidimensionalen Position eines tragbaren Geräts in Bezug auf ein Fahrzeug, wobei die Vorrichtung umfasst: wenigstens drei Basisstationen für eine Positionierung an einem Fahrzeug, um eine erste Ebene zu definieren, und eine Hauptbasisstation für eine Positionierung an dem Fahrzeug, um eine zweite Ebene mit zwei der wenigstens drei Basisstationen zu definieren, sodass die zweite Ebene die erste Ebene kreuzt, wobei jede der wenigstens drei Basisstationen und die Hauptbasisstation konfiguriert sind, um ein Funksignal an ein tragbares Gerät zu senden und von diesem zu empfangen und um eine Nachricht zu erzeugen, die eine Distanz zu dem tragbaren Gerät auf der Basis des Funksignals angibt, wobei die Hauptbasisstation weiterhin konfiguriert ist, um: eine dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanzen zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der ersten Ebene und der Distanzen zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der zweiten Ebene zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede Nachricht Laufzeitinformationen des Funksignals zu einer entsprechenden Basisstation enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Hauptbasisstation weiterhin konfiguriert ist, um: eine erste Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der ersten Ebene zu bestimmen, eine zweite Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der zweiten Ebene zu bestimmen, und die dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der ersten Position und der zweiten Position zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Hauptbasisstation weiterhin konfiguriert ist, um die dreidimensionale Position des tragbaren Geräts unter Verwendung einer Trilateration zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede Basisstation und die Hauptbasisstation weiterhin konfiguriert sind, um das Funksignal in einer Ultrabreitband(UWB)-Bandbreite an das tragbare Gerät zu senden und von diesem zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die wenigstens drei Basisstationen konfiguriert sind, um in Nachbarschaft zu einem oder mehreren Fahrzeugfenstern angeordnet zu werden, um das Funksignal durch diese zu senden und zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Hauptbasisstation konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu einer Windschutzscheibe angeordnet zu werden, um das Funksignal durch diese zu senden und zu empfangen.
Fahrzeugsystem, das umfasst: ein tragbares Gerät, das konfiguriert ist, um ein Funksignal an eine erste Basisstation, eine zweite Basisstation und eine dritte Basisstation, die in einem Fahrzeug-Dachhimmel angeordnet sind, zu senden und ein Funksignal an eine vierte Basisstation, die in einem Insassenraum angeordnet ist, zu senden, wobei die erste Basisstation, die zweite Basisstation, die dritte Basisstation und die vierte Basisstation jeweils konfiguriert sind, um das Funksignal zu empfangen und eine Nachricht zu erzeugen, die die Laufzeit des Funksignals angibt, und wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um eine dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der durch jede Basisstation erzeugten Nachricht zu bestimmen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 15, wobei die erste Basisstation, die zweite Basisstation und die dritte Basisstation jeweils konfiguriert sind, um in einer ersten Ebene angeordnet zu werden, und wobei die vierte Basisstation konfiguriert ist, um mit einem vertikalen Versatz von der ersten Ebene angeordnet zu werden, um eine zweite Ebene mit der ersten Basisstation und der zweiten Basisstation zu definieren.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 16, wobei die zweite Ebene die erste Ebene kreuzt.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 16, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um: eine Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation auf der Basis der durch jede Basisstation erzeugten Nachricht zu bestimmen, eine erste Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der ersten Ebene zu bestimmen, eine zweite Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der zweiten Ebene zu bestimmen, und die dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der ersten Position und der zweiten Position zu bestimmen.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 18, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um eine dritte Ebene mit der zweiten Basisstation und der dritten Basisstation zu definieren.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 19, wobei die vierte Basisstation weiterhin konfiguriert ist, um: eine dritte Position des tragbaren Geräts auf der Basis der Distanz zwischen dem tragbaren Gerät und jeder Basisstation in der dritten Ebene zu bestimmen, und die dreidimensionale Position des tragbaren Geräts auf der Basis der ersten Position, der zweiten Position und der dritten Position zu bestimmen.