Os fabricantes de automóveis foram pegos na crise da escassez de componentes eletrônicos, embora a tendência de carros inteligentes seja irresistível. Como a evidência mais instantânea e impressionante de inteligência para os usuários, o sistema PEPS (Passive Entry and Passive Start) não é mais um recurso de alto perfil apenas para carros de última geração. Foi introduzido em modelos intermediários ou mesmo econômicos por muitos fabricantes de automóveis, em particular marcas emergentes. No mercado da China, onde as vendas de veículos elétricos testemunham um crescimento de mais de 100% no primeiro semestre de 2022, grandes fabricantes de carros elétricos, como BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng e Li Auto, basicamente equiparam todos os modelos com PEPS .

Enquanto essa ECU silenciosamente atordoa nós motoristas, já pensamos em sondar o rastro de sua criação e a perspectiva de seu futuro? Vamos pegar a estrada.

O PEPS oferece aos motoristas a experiência de entrar com segurança no carro sem a atividade de desbloqueio manual. O motor e o sistema HVAC do carro podem ser iniciados remotamente antes que o motorista ou os passageiros entrem no carro. Enquanto todos os passageiros saem do carro, o PEPS trava automaticamente o carro. Desta forma, os usuários de automóveis desfrutam da conveniência da entrada passiva com segurança garantida. Deve ser por isso que o nomeamos com a palavra “passivo”.

Ontem: RKE e PKE

Atualmente, as principais soluções de PEPS integram tecnologias sem fio como Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, RFID (Alta Frequência e Baixa Frequência) etc. Bem, como elas funcionam? Seria difícil digerir se contarmos a história a partir de hoje. Então, por que não voltamos para ontem?

No final da década de 1990, alguns modelos de carros de última geração introduziram um sistema de entrada remota sem chave (RKE) uma evolução em relação à solução anterior IMMO (imobilizador) baseada em RFID de baixa frequência (125 KHz). Como antecessor do PEPS, o RKE possui o chaveiro para transmitir sinais UHF (ultra-alta frequência) para um receptor RF conectado ao BCM (módulo de controle da carroceria) do carro para verificar a identidade do usuário. Assim que o ID for verificado, o sistema executará uma ação de abrir/fechar a porta acionada pelo BCM. Tal mecanismo de verificação unidirecional, como mostrado na Figura 1, pode ser interpretado como uma cifra avançada em um filme de espionagem. Quando um agente secreto visitante chega a um local de reunião, ele ou ela precisa falar ou mostrar tal cifra. Se a cifra estiver correta, ele poderá entrar. A desvantagem desse mecanismo é que, uma vez que o inimigo se infiltrou e obteve a cifra,

Figura 1. Mecanismo de Trabalho do RKE

A solução RKE adota bandas de frequência de 315 MHz (nos EUA, China e Japão etc.), 433,92 MHz (na Europa, China) e 868 MHz (na Europa). ), enquanto o Japão adota o modo FSK (frequency shift keying) Fornecedores de IC como Silicon Labs, Maxim, Microchip e NXP etc.

No início do século 21, as pessoas atualizaram o mecanismo de verificação unidirecional do RKE para um mecanismo bidirecional chamado sistema PKE (passive keyless entry), onde a verificação não é mais iniciada pelo porta-chaves, ou seja, o motorista, em vez disso, é iniciado por um transmissor de baixa frequência conectado ao BCM. Uma vez que as portas de um carro são fechadas e travadas, um módulo sem fio embutido no carro transmitirá continuamente sinais de baixa frequência (125KHz) em busca de um respondedor (construído em um chaveiro) dentro de um determinado alcance. Quando o módulo encontra um respondedor, seu código o desperta. Se a parte LF do módulo não receber sinais de feedback por um longo tempo, ele entrará no modo de suspensão para reduzir o consumo de energia. Sempre que o socorrista no chaveiro receber um sinal de despertar, ele enviará um datagrama codificado em movimento sobre sinais de alta frequência (ou seja, 433MHz). Após o módulo embutido decodificar e compreender o datagrama, ele instruirá o carro a acionar determinada operação. Assim, podemos ver, em comparação com o RKE, o mecanismo de verificação adotado pelo PKE é um mecanismo de duas vias, veja a Figura 2.

Figura 2. Mecanismo de Trabalho do PKE

Vamos continuar tomando como exemplo a reunião de agentes secretos em filmes de espionagem. Em um mecanismo de verificação bidirecional, um agente secreto do host não espera que seu camarada a visite, em vez disso, ele coloca alguma cifra nas proximidades (por exemplo, marcando uma coluna com um símbolo especial ou colocando uma determinada planta na varanda) , quando seu companheiro visitará o agente secreto anfitrião depois de perceber essa cifra. Quando o camarada bater na porta, eles usarão outra cifra predefinida para verificar as identidades um do outro. Para pontos de encontro de mobilidade, tal mecanismo é proativo e mais seguro.

Enquanto o mecanismo de entrada sem chave passiva da geração PKE se integra ao IMMO mencionado acima, percebemos a experiência de entrada passiva e partida passiva. Assim, em 2003, uma modalidade inicial do PEPS entrou em cena.

Hoje: Bluetooth PEPS é mainstream

No entanto, o ritmo da digitalização nunca cessou. Na década após o advento do modo inicial do PEPS, os telefones inteligentes tornaram-se amplamente adotados. Hoje em dia, eles se tornaram a ferramenta mais útil para verificação de identidade em nossa vida diária. Assim, os fabricantes de automóveis introduziram telefones inteligentes no cenário PEPS. Assim, surgiu o PEPS que vemos hoje.

Quais recursos foram integrados na solução PEPS contemporânea? Basicamente, o PEPS mainstream agora incorporou NFC e Bluetooth. O motorista pode colocar um telefone NFC próximo à coluna B do carro para entrar. Ele removeu o incômodo de colocar um chaveiro e um smartphone no bolso. Mas introduzir o Bluetooth no PEPS é mais revolucionário. Em primeiro lugar, o Bluetooth tem uma taxa de penetração de 100% em telefones inteligentes, para que os usuários não precisem se preocupar em qual modelo selecionar para compatibilidade do PEPS. Em segundo lugar, o mecanismo de salto de frequência de alta frequência e o mecanismo de segurança reforçado do Bluetooth fornecem mais segurança e garantia em comparação com o mecanismo de garantia UHF/LF. Além disso, o recurso de alcance e posicionamento do Bluetooth ajuda muito no momento de abrir/fechar a porta, reduzindo drasticamente a possibilidade de seqüestro do carro seguindo o motorista. O Bluetooth também torna conveniente para o proprietário usar um aplicativo para autorizar outras pessoas a acessar ou usar o carro, possibilitando o compartilhamento remoto do carro entre familiares e amigos. Esse mecanismo também ajuda os serviços de aluguel de carros e serviços de compartilhamento de carros autônomos em massa.

O nível de precisão do alcance e posicionamento do Bluetooth pode atingir meio metro ou um metro. Compreende o método RSSI e o método AoA. O primeiro, que é menos preciso, oferece um nível de precisão de 1 a 5 metros. Este último, mais preciso, oferece um nível de precisão de meio metro.

A tecnologia RSSI ajuda a perceber o nível de entrada Bluetooth PEPS
RSSI (Indicação de intensidade do sinal recebido) é uma tecnologia que pode calcular a distância que o sinal de rádio percorre de acordo com seu grau de atenuação no alcance. O sistema, portanto, pode calcular a localização com cálculo trigonométrico.

Enquanto o sinal de rádio viaja, sua intensidade será atenuada após certa distância ou ao encontrar várias barreiras. Tal atenuação ocorre em diferentes graus em diferentes situações. Ele indiretamente corroeu o nível de precisão do algoritmo. Por esse motivo, o RSSI só funciona bem em curto alcance. Como ainda possui implantação barata e baixo consumo de energia, o RSSI é adotado para o Bluetooth PEPS de nível básico. Uma solução mais barata implanta apenas uma estação base Bluetooth dentro da coluna A do carro. A solução calcula a distância entre o smartphone do usuário e a coluna A para julgar se abre ou fecha a porta. Veja a figura 3.

Figura 3. Esquema Bluetooth PEPS de nível de entrada (Estação Única RSSI)

Tecnologia AOA para realizar PEPS mainstream

Um recurso chamado AoA (Angle of Arrival) introduzido na versão Bluetooth 5.1 melhorou o nível de precisão do serviço de posicionamento Bluetooth. Na solução AoA (veja a figura 4), o transmissor, como um smartphone, envia periodicamente um sinal especial. Um conjunto de antenas no carro é implantado para receber o sinal para análise de fase, de modo a calcular o ângulo em que o transmissor envia o sinal. Com suporte de outros métodos e equipamentos de levantamento, a solução pode avaliar melhor a localização (distância e direção) de um dispositivo transmissor com um nível de precisão em torno de 0,5 metro.

Figura 4. Posicionamento Bluetooth AOA

Obviamente, para melhorar o nível de precisão do posicionamento, precisamos de suporte a várias estações base Bluetooth com algoritmo AoA. Assim, em modelos de nível intermediário, os fabricantes de automóveis optam por implantar o Bluetooth PEPS multiponto, conforme ilustrado na Figura 5, embora o número exato de estações base e o padrão de layout variem até certo ponto para diferentes modelos de carros.

Figura 5．Solução Mainstream Bluetooth PEPS (Posicionamento AoA)

Os SoCs mais adotados na arena Bluetooth PEPS incluem TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 e NXP KW36 etc.

Amanhã: UWB é Promissor O

tempo nunca para, nem a inovação do PEPS. Com sua maior segurança, velocidade de resposta mais rápida e precisão de posicionamento em nível de centímetros, a tecnologia UWB tem atraído cada vez mais a atenção das equipes de inovação de produtos das montadoras. Em 2019, o Car Connectivity Consortium (CCC) listou o UWB como a tecnologia de acesso de segurança veicular de última geração, e o UWB começou a ser aplicado em carros.

Em junho de 2020, o IEEE atualizou os padrões relacionados ao UWB (802.15.4z) para aprimorar as funções de segurança do UWB (no nível PHY/RF), abrindo ainda mais o caminho para o UWB entrar no mercado de aplicativos convencional. Em julho de 2021, a CCC Alliance lançou oficialmente a especificação CCC Digital Key 3.0, que propõe claramente a combinação da tecnologia sem fio UWB e BLE (Bluetooth) para permitir a entrada passiva sem chave e a partida do motor por meio de dispositivos móveis compatíveis.

Tabela 1. Comparação das Tecnologias de Posicionamento PEPS

Algoritmos de Posicionamento para UWB

Existem três algoritmos de posicionamento relativamente maduros adotados para soluções UWB: TOA (Hora de Chegada, hora de chegada), TDOA (Diferença de Hora de Chegada, diferença de hora de chegada) e AOA (Anjo de Chegada, ângulo de chegada) . No processo de implementação específico, geralmente é usado um esquema de posicionamento híbrido que integra três métodos de posicionamento para obter um desempenho de posicionamento ideal.

O TOA usa um método de posicionamento circular (consulte a Figura 6) para obter o posicionamento medindo a distância entre um terminal móvel e três ou mais estações base UWB. A localização do terminal móvel pode ser determinada pela intersecção dos três círculos em um ponto. No entanto, devido à existência de multipath, ruído e outros fenômenos, o multi-círculo não pode se cruzar ou a interseção não é um ponto, mas uma área, então, de fato, o posicionamento TOA raramente é usado sozinho.

Figura 6. Algoritmo de Posicionamento TOA (Método de Posicionamento Circular)

Uma melhoria em relação ao TOA, o TDOA realiza sincronização precisa entre estações base, o que é fácil de realizar. Não há sincronização de tempo entre o terminal móvel e as estações base, conforme mostrado na Figura 7. Primeiro calcule a diferença de distância entre o terminal móvel e a estação base A e uma entre ele e a estação base B. O terminal móvel deve estar em uma hipérbole com a estação base A e a estação base B como focos. Outro conjunto de hipérboles pode ser obtido pelas diferenças de distância entre o terminal móvel e a estação base A e a estação base C, e a interseção das hipérboles é a posição do terminal móvel. No alcance do espaço do veículo, a influência do multipercurso, ruído, etc. também pode ser reduzida por meio da diferença de distância.

Figura 7 Algoritmo de Posicionamento TDOA

O posicionamento AOA calcula o ângulo de chegada com base no princípio da diferença de fase e precisa apenas de duas estações base para obter o posicionamento. Devido à questão da resolução angular, a precisão de posicionamento diminui com o aumento da distância da estação base, sendo mais utilizada para posicionamento em distâncias curtas e médias.

Cenário UWB PEPS
Quando o proprietário do carro aproxima a chave inteligente do veículo, o nó BLE do veículo pode detectar o sinal BLE da chave inteligente a uma distância de até 80 metros. O nó BLE do veículo acorda o controlador de domínio do corpo e o controlador de domínio do corpo controla a luz de boas-vindas para acender lentamente, entrando assim no estado de boas-vindas. Ao mesmo tempo, o nó UWB do veículo é ativado. Quando a distância entre a chave inteligente transportada pelo proprietário do carro e o carro é inferior a 10m, o nó UWB do veículo pode perceber com precisão a posição do proprietário em tempo real com algoritmos de posicionamento. Neste momento, o proprietário pode destravar automaticamente a porta e abri-la simplesmente por uma operação de puxar. Além disso, o carro também será equipado com a função de NFC (near field communication). Em casos especiais, como a chave inteligente está sem energia, NFC pode ser usado para destravar e dar partida no veículo. Sua arquitetura de implementação é mostrada na Figura 8.

Figura 8. Arquitetura de Implementação do UWB PEPS Especificado pelo CCC 3.0

No campo de chips UWB, os fabricantes maduros atualmente reconhecidos são Apple, NXP Trimension e QORVO Decawave. Entre seus ICs lançados, apenas o NXP Trimension NCJ29D5 atende aos requisitos dos regulamentos do veículo.

Extensão: Bio-Radar

A experiência do UWB PEPS para motoristas é íntima e segura. No entanto, os passageiros no carro sentem o mesmo? Geralmente sim, mas não em alguns casos especiais. Às vezes é duro para eles. Por exemplo, se o motorista sair do carro, as portas travam automaticamente. Um bebê ou um animal de estimação doce foi deixado acidentalmente no carro. O carro deve enviar alarme para o motorista? Absolutamente necessário! Felizmente, isso pode ser bem abordado pelo UWB.

Como uma tecnologia de comunicação de operadora sem fio de banda ultralarga, a UWB utiliza pulsos estreitos não senoidais de nanossegundos para transmitir dados. Essa tecnologia permite que o UWB alcance funções de radar extraordinárias. Comparado com o radar comum, o radar UWB tem muitas vantagens, como baixo consumo de energia, resolução de nível milimétrico, forte penetração, forte capacidade anti-interferência e ser adequado para detecção de curto alcance, etc. O UWB é especialmente adequado para detecção de vida, pois um bio-radar.

O bio-radar UWB pode detectar remotamente sinais vitais, como respiração e batimentos cardíacos de humanos ou animais, sem o incômodo de eletrodos ou sensores em contato com o corpo vivo. Ele pode não apenas ajudar o sistema PEPS a evitar acidentes de trancamento de pessoas ou animais no carro, mas também detectar o estado fisiológico do motorista e emitir lembretes ou até mesmo intervir em tempo hábil quando o motorista não estiver bem ao dirigir.

Figura 9. Detecção de vida com UWB Bio-Radar

Tronco: Kick-to-Open

Além da detecção de vida no veículo, com base no recurso de percepção de movimento do radar UWB, o UWB também possui uma aplicação inteligente de pisar para abrir o porta-malas. Quando a identidade do motorista atinge a parte traseira do veículo, o radar UWB pode detectar com precisão a ação de pisar, abrindo automaticamente o porta-malas do veículo.

Figura 10. UWB permite solução Kick-to-Open

As duas funções de radar UWB descritas acima, incluindo o bio-radar UWB e o radar de chute UWB, não requerem hardware adicional, mas são implementadas apenas pela reutilização do hardware UWB do lado do veículo sem adicionar custos adicionais de hardware. Também podemos considerá-los como parte da futura funcionalidade UWB PEPS.

Estacionamento automatizado com manobrista habilitado para UWB

AVP (Automated Valet Parking) é a função de estacionamento autônomo com manobrista. É conhecida como a tecnologia de condução autônoma de nível L4 que fornece aos usuários "liberdade na última milha". Atualmente, é o cenário de aplicação de direção autônoma mais promissor para comercialização, conforme mostrado na Figura 11. Outro grande benefício da implementação de uma experiência PEPS com UWB é que ela fornece as condições necessárias e suficientes para implementar o AVP na lateral do carro.

Figura 11 Sistema de estacionamento automatizado com manobrista

A Figura 12 mostra um esquema de layout de nó UWB de extremidade de veículo viável. Um total de quatro nós UWB PEPS são colocados nos faróis e lanternas traseiras, e um quinto nó UWB PEPS+AVP é colocado no teto. O quinto nó pode receber o sinal UWB no carro e o sinal UWB fora do carro, e também é o nó chave para realizar a função AVP.

Figura 12 Arquitetura do PEPS + AVP

No modo PEPS, o quinto nó UWB coopera com os outros quatro nós UWB para concluir a medição da posição da chave inteligente e envia as informações de alcance ao controlador de domínio do corpo (BCM) para concluir o cálculo da posição da chave inteligente. chave, para decidir o desbloqueio de acompanhamento e iniciar as operações.

Ao entrar no modo AVP, o quinto nó começa a receber continuamente mensagens de posicionamento UWB anunciadas pelos nós UWB dispostos no estacionamento. O nó UWB final do veículo envia a mensagem de posicionamento recebida para o controlador de domínio de direção inteligente, de modo a realizar o cálculo de coordenadas do veículo na garagem e, em seguida, transferi-lo para o módulo de controle de planejamento para a realização das operações AVP.

Conclusão

Nos últimos vinte anos, o PEPS percorreu um caminho de sólido crescimento. Uma vez que é cada vez mais popular entre os fabricantes de automóveis, continuará a inaugurar mais inovação para melhorar a experiência dos pilotos e o padrão de segurança, enquanto a humanidade está se preparando para uma direção cada vez mais inteligente.