项目编号：????? 1718???

蓝牙PEPS关键技术研究

Research on Key Technology for BLE PEPS

 

项目研制单位：上海交通大学、上海汽车集团股份有限公司技术中心

主要研制人员：吉小军、杨剑、赵忠华、曹一文、刘凯、李达、庞晓锋

 

主题词：BLE (蓝牙)、PEPS（无钥匙进入与启动系统）、RSS（接收信号强度）

1、研究内容介绍

本项目旨在依托智能手机、基于蓝牙技术和高精度定位技术，取代现有高低频PEPS系统的新型技术方案，真正实现车辆无钥匙进入和无钥匙启动的功能。技术关键在于研究车载蓝牙天线的电磁传播特性和蓝牙天线布局方案，以及车内外识别技术。针对典型的蓝牙天线及其模块，采用理论分析与试验验证相结合，分析车内蓝牙信号的传播特性，结合上海汽车集团股份有限公司现有ZS11项目车型，分析车内外蓝牙天线电磁辐射特性，电磁波传播与衰减特性，以及影响蓝牙天线性能的因素和规律，提出车载蓝牙多天线布局的解决方案。图1所示为车内环境对蓝牙RSS传播影响的试验分析和多蓝牙信标布局方案。

图1(a).车辆金属外壳对蓝牙RSS衰减试验分析

图1(b).多蓝牙信标布局方案

研究车内外不同环境下各种干扰对蓝牙信号传播特性的影响，建立蓝牙信号传播的模型，提出有针对性的噪声消除方法，识别并抑制突变噪声的干扰，给出不同干扰下的RSS修正补偿因子。图2所示为采用最小二乘法拟合的不同传播距离上的蓝牙RSS的传播模型。

图2.蓝牙RSS与传播距离关系模型

针对ZS11项目车型内部布置的多天线蓝牙信号，采集RSSI的数据，建立离线阶段的RSS指纹数据库，分析RSSI的特性，完善并修正蓝牙信号的传播模型。研究蓝牙信号RSS与位置匹配的深度学习方法，建立卷积神经网络，对离线建立的RSS位置指纹图库进行训练、学习并提取特征。利用固定节点的位置约束条件，动态修正RSS指纹库。根据离线阶段建立的离散点的蓝牙RSS位置指纹数据库，拟合出连续的蓝牙RSS位置指纹数学模型，以及蓝牙RSS梯度模型，运用所训练的卷积神经网络，对在线测量的RSS数据进行特征提取，聚类和匹配，设计在线阶段的基于车载蓝牙RSS位置指纹的定位算法。图3所示为基于DS证据理论的融合定位算法试验验证结果。

图3. 基于DS证据理论的融合定位算法试验

图4.差分蓝牙信标布局下的基于DS证据理论的融合定位算法试验

针对蓝牙信标无线信号差异性，研究了差分蓝牙信标布局方案，以及差分加权K近邻算法，如图4所示为差分蓝牙信标布局方案下的基于DS证据理论的融合定位算法试验验证结果。提高了车内外溢距离的精度，车四门内外溢出距离在5cm范围内的辨识准率达到95%以上，前后车窗的溢出距离为15~20cm的辨识准率达到98%以上，前风窗玻璃内外溢距离30cm辨识准确率达到100%，后风窗玻璃内外溢距离10cm辨识准确率达到99%。

2、技术创新点

1）基于位置指纹理论，创建多组基分类器，融合DS证据理论，设计车辆内外辨识算法，提升了辨识的鲁棒性和准确性。

2）设计了IMM-EKF定位方案，建立了近、远距离蓝牙RSS测距模型，提高了定位的稳定性和精度。

3、专利/论文/获奖情况

1）赵忠华，曹一文，鲁兴龙，晏懿琳，吉小军，杨剑，庞晓锋，李达. 一种基于低功耗蓝牙RSS的无钥匙进入与无钥匙启动系统定位方法，中国，CN201810308013.3 实审

2）赵忠华，曹一文，鲁兴龙，晏懿琳，吉小军，杨剑，庞晓锋，李达. 一种无钥匙进入和无钥匙启动系统定位方法，中国，ZL201810959915.3. 实审

3）赵忠华，晏懿琳，曹一文，李冬阳，吉小军，杨剑，庞晓锋，李达.一种车用蓝牙智能钥匙的定位与内外部辨识方法，ZL201910275690.4. 授权

4）Yiwen Cao, Xinglong Lu, Zhonghua Zhao*, Xiaojun Ji,Jian Yang, Xiaofeng Pang“A Comparative Study of BLE-based Fingerprint Localization for Vehicular Application”, Ubiquitous Positioning, Indoor Navigation and Location-Based Services (UPINLBS2018), The International Conference and Exhibition 2018. Wuhan, China, March 22-23,2018.

5）Yiwen Cao,Xinglong Lu, Zhonghua Zhao*, Ji, Xiaojun,Yilin Yan.“Distance Estimation Methods in Vehicular Application: An Experimental Study”. International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2018), Gangnam-gu, Korea, October 17-20, 2018.

6）刘凯，吉小军，赵忠华，曹一文，杨剑，庞晓锋.用于轿车PEPS系统的双终端差分改进识别算法[J].《浙江大学学报》，2020年，Vol.54(10)：p1892-1898.

4、成果应用及经济效益预测

项目的研究成果将直接应用于上海汽车集团股份有限公司技术中心ZS11项目车型的蓝牙PEPS原型机的开发与验证，车载天线布置方案的制定；项目的研究成果也可为上汽其它车型的蓝牙PEPS系统的开发提供借鉴。结合手机与整车的远程通信能力，手机钥匙的应用拓展（例如，钥匙分享功能、快递到车、代驾等应用场景）得以进一步实现，形成以手机为钥匙的价值附加。目前在乘用车（例如AS32项目,已经量产）、智己（EP33L，已经量产）、R品牌项目（ES33，2022年量产）上均已经配置应用。

目前国内车型基本标配PEPS，采用基于智能手机的蓝牙PEPS取代现有高低频PEPS的技术方案，手机取代传统钥匙，单车可以节省至少一把钥匙（考虑有些客户对于传统钥匙的依赖，比如50岁以上的客户），甚至两把钥匙（产品的成熟度足够高时）。目前蓝牙PEPS钥匙主要用在高端车型上，按照每年20万辆汽车运用蓝牙PEPS技术实现一把高低频钥匙的取消，每把钥匙80元计，每年可节省1600万元车辆成本费用。随着蓝牙PEPS技术的推广至中低端汽车，甚至成为汽车的标准配置，其所带来的经济效益会更大。