Le case automobilistiche sono state catturate dalla scarsità di componenti elettronici, anche se la tendenza delle auto intelligenti è irresistibile. Come la prova più immediata e impressionante di intelligenza per gli utenti, il sistema PEPS （Passive Entry and Passive Start） non è più una caratteristica di alto profilo solo per le auto di fascia alta. È stato introdotto nei modelli di fascia media o addirittura economici da molte case automobilistiche, in particolare dai marchi emergenti. Nel mercato cinese, dove le vendite di veicoli elettrici hanno registrato una crescita di oltre il 100% nella prima metà del 2022, i principali produttori di auto elettriche come BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng e Li Auto hanno sostanzialmente dotato tutti i modelli di PEPS .

Mentre quella centralina stordisce silenziosamente noi automobilisti, abbiamo mai pensato di sondare le tracce della sua realizzazione e la prospettiva del suo futuro? Mettiamoci in viaggio.

PEPS offre agli automobilisti l'esperienza di entrare in sicurezza nell'auto senza sbloccare manualmente l'attività. Il motore e il sistema HVAC dell'auto possono essere avviati a distanza prima che il conducente o i passeggeri entrino nell'auto. Mentre tutti i passeggeri lasciano l'auto, il PEPS bloccherà automaticamente l'auto. In questo modo, gli utenti dell'auto godono della comodità dell'ingresso passivo con sicurezza rassicurata. Sarà per questo che lo chiamiamo con la parola “passivo”.

Ieri: RKE e PKE

Attualmente, le soluzioni PEPS tradizionali integrano tecnologie wireless come Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, RFID (alta frequenza e bassa frequenza) ecc. Ebbene, come funzionano? Sarebbe difficile da digerire se raccontassimo la storia fino ad oggi. Allora, perché non torniamo a ieri?

Alla fine degli anni '90, alcuni modelli di auto di fascia alta hanno introdotto gradualmente un sistema di accesso remoto senza chiave (RKE) un'evoluzione rispetto alla precedente soluzione IMMO (immobilizzatore) basata su RFID a bassa frequenza (125 KHz). Come predecessore del PEPS, l'RKE ha il telecomando per trasmettere segnali UHF (frequenza ultra alta) a un ricevitore RF collegato al BCM (modulo di controllo della carrozzeria) dell'auto per verificare l'identità dell'utente. Una volta verificato l'ID, il sistema eseguirà un'azione di apertura/chiusura porta guidata dal BCM. Tale meccanismo di verifica unidirezionale, come mostrato nella Figura 1, può essere interpretato come un cifrario anticipato in un film di spionaggio. Quando un agente segreto in visita arriva in un luogo di riunione, lui o lei deve parlare o mostrare una cifra del genere. Se la cifra è corretta, lui o lei potrà entrare. Lo svantaggio di questo meccanismo è che una volta che il nemico si è infiltrato e ha ottenuto la cifra,

Figura 1. Meccanismo di lavoro di RKE

La soluzione RKE adotta bande di frequenza di 315 MHz (in USA, Cina e Giappone ecc.), 433,92 MHz (in Europa, Cina) e 868 MHz (in Europa). In termini di modulazione del segnale, la maggior parte dei paesi adotta l'ASK (amplitude shift keying ), mentre il Giappone adotta la modalità FSK (frequency shift keying). I fornitori di IC come Silicon Labs, Maxim, Microchip e NXP ecc. hanno offerte in questo campo.

All'inizio del 21° secolo, le persone hanno aggiornato il meccanismo di verifica unidirezionale dell'RKE a un meccanismo bidirezionale chiamato sistema PKE (passive keyless entry), in cui la verifica non è più avviata dal titolare del portachiavi, ovvero il conducente, ma viene avviato da un trasmettitore a bassa frequenza collegato al BCM. Una volta che le portiere di un'auto vengono chiuse e bloccate, un modulo wireless integrato nell'auto trasmetterà continuamente segnali a bassa frequenza (125 KHz) alla ricerca di un risponditore (integrato in un portachiavi) entro un determinato raggio. Quando il modulo ha trovato un risponditore, il suo codice riattiverà quest'ultimo. Se la parte LF del modulo non riceve segnali di feedback da molto tempo, entrerà in modalità di sospensione per ridurre il consumo energetico. Ogni volta che il risponditore nel telecomando riceve un segnale di sveglia, invierà un datagramma codificato a rotazione su segnali ad alta frequenza (cioè 433 MHz). Dopo che il modulo integrato ha decodificato e compreso il datagramma, istruirà l'auto ad attuare determinate operazioni. Pertanto, possiamo vedere, rispetto a RKE, il meccanismo di verifica adottato dalla PKE è un meccanismo a due vie, vedere la Figura 2.

Figura 2. Meccanismo di lavoro di PKE

Continuiamo a prendere come esempio l'incontro degli agenti segreti nei film di spionaggio. In un meccanismo di verifica a due vie, un agente segreto ospite non aspetta la visita del suo compagno, invece, mette un codice nelle vicinanze (ad esempio contrassegnando una colonna con un simbolo speciale, o mettendo una certa pianta sul portico) , quando il suo compagno visiterà l'agente segreto ospite dopo aver notato quel codice. Quando il compagno bussa alla porta, useranno un altro codice preimpostato per verificare l'identità l'uno dell'altro. Per i punti di incontro di mobilità, tale meccanismo è proattivo e più sicuro.

Sebbene il meccanismo di accesso senza chiave passivo della generazione PKE si integri con l'IMMO sopra menzionato, ci rendiamo conto dell'esperienza dell'ingresso passivo e dell'avvio passivo. Così nel 2003 è entrata in scena una prima modalità di PEPS.

Oggi: Bluetooth PEPS è mainstream

Tuttavia, il ritmo della digitalizzazione non è mai cessato. Nel decennio successivo all'avvento della modalità iniziale di PEPS, gli smartphone sono stati ampiamente adottati. Al giorno d'oggi, sono diventati uno strumento molto utile per la verifica dell'identità nella nostra vita quotidiana. Quindi, i produttori di automobili hanno introdotto gli smartphone nello scenario PEPS. Così è nato il PEPS che vediamo oggi.

Quali funzionalità sono state integrate nella soluzione PEPS contemporanea? Fondamentalmente, i PEPS tradizionali hanno ora incorporato NFC e Bluetooth. L'autista può mettere un telefono NFC vicino alla colonna B dell'auto per entrare. Ha rimosso il fastidio di incastrare sia un portachiavi che uno smartphone nella tasca. Ma l'introduzione del Bluetooth in PEPS è più rivoluzionario. Innanzitutto, il Bluetooth ha un rapporto di penetrazione del 100% negli smartphone, quindi gli utenti non devono preoccuparsi di quale modello selezionare per la compatibilità del PEPS. In secondo luogo, il meccanismo di salto di frequenza ad alta frequenza e il meccanismo di sicurezza rinforzato del Bluetooth forniscono maggiore sicurezza e sicurezza rispetto al meccanismo di rassicurazione UHF/LF. Inoltre, la funzione di rilevamento e posizionamento del Bluetooth aiuta molto per i tempi di apertura/chiusura della porta, riducendo drasticamente la possibilità di dirottare l'auto seguendo l'autista. Il Bluetooth rende inoltre conveniente per il proprietario utilizzare un'app per autorizzare altri ad accedere o utilizzare l'auto, rendendo possibile il car sharing remoto tra familiari e amici. Tale meccanismo aiuta anche i servizi di autonoleggio e i servizi di car sharing a guida autonoma di massa.

Il livello di precisione della portata e del posizionamento Bluetooth può raggiungere mezzo metro o un metro. Comprende il metodo RSSI e il metodo AoA. Il primo, meno accurato, offre un livello di precisione di 1~5 metri. Quest'ultimo, più preciso, offre un livello di precisione di mezzo metro.

La tecnologia RSSI aiuta a realizzare PEPS Bluetooth entry level
RSSI (Received Signal Strength Indication) è una tecnologia in grado di calcolare la distanza percorsa dal segnale radio in base al suo grado di attenuazione nell'intervallo. Il sistema quindi può calcolare la posizione con calcolo trigonometrico.

Mentre il segnale radio viaggia, la sua potenza si attenuerà dopo una certa distanza o incontrando varie barriere. Tale attenuazione si verifica in misura diversa nelle diverse situazioni. Ha eroso indirettamente il livello di precisione dell'algoritmo. Per questo motivo, l'RSSI funziona bene solo a corto raggio. Poiché presenta ancora un'implementazione economica e un basso consumo energetico, l'RSSI viene adottato per PEPS Bluetooth entry level. Una soluzione molto economica implementa solo una stazione base Bluetooth all'interno della colonna A dell'auto. La soluzione calcola la distanza tra lo smartphone dell'utente e la colonna A in modo da giudicare se aprire o chiudere la porta. Vedi figura 3.

Figura 3. Schema PEPS Bluetooth entry level (stazione singola RSSI)

Tecnologia AOA per realizzare PEPS mainstream

Una funzionalità chiamata AoA (Angle of Arrival) introdotta nella versione Bluetooth 5.1 ha migliorato il livello di precisione del servizio di posizionamento Bluetooth. Nella soluzione AoA (vedi figura 4), il trasmettitore, ad esempio uno smartphone, invia periodicamente un segnale speciale. Un array di antenne nell'auto viene distribuito per ricevere il segnale per l'analisi di fase in modo da calcolare l'angolo con cui il trasmettitore invia il segnale. Con il supporto di altri metodi e apparecchiature di rilevamento, la soluzione può valutare meglio la posizione (distanza e direzione) di un dispositivo trasmettitore con un livello di precisione di circa 0,5 metri.

Figura 4. Posizionamento Bluetooth AOA

Ovviamente, per migliorare il livello di precisione del posizionamento è necessario il supporto di più stazioni base Bluetooth dotate di algoritmo AoA. Pertanto, nei modelli di fascia media, le case automobilistiche scelgono di implementare Bluetooth PEPS multipunto come illustrato nella Figura 5, tuttavia il numero esatto di stazioni base e il modello di layout variano in una certa misura per i diversi modelli di auto.

Figura 5．Soluzione PEPS Bluetooth mainstream (posizionamento AoA)

I SoC più adottati nell'arena Bluetooth PEPS includono TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 e NXP KW36 ecc.

Domani: UWB is Promising

Time non cessa mai il suo ritmo, né l'innovazione di PEPS. Con la sua maggiore sicurezza, maggiore velocità di risposta e precisione di posizionamento a livello centimetrico, la tecnologia UWB ha attirato sempre più l'attenzione dei team di innovazione dei prodotti dei produttori di automobili. Nel 2019, il Car Connectivity Consortium (CCC) ha elencato l'UWB come la tecnologia di accesso per la sicurezza dei veicoli di prossima generazione e l'UWB ha iniziato ad essere applicato nelle auto.

Nel giugno 2020, IEEE ha aggiornato gli standard relativi all'UWB (802.15.4z) per migliorare le funzioni di sicurezza dell'UWB (a livello PHY/RF), aprendo ulteriormente la strada all'ingresso di UWB nel mercato delle applicazioni tradizionali. Nel luglio 2021, la CCC Alliance ha rilasciato ufficialmente la specifica CCC Digital Key 3.0, che propone chiaramente la combinazione della tecnologia wireless UWB e BLE (Bluetooth) per consentire l'ingresso passivo senza chiave e l'avvio del motore tramite dispositivi mobili compatibili.

Tabella 1. Confronto delle tecnologie di posizionamento PEPS

Algoritmi di posizionamento per UWB

Esistono tre algoritmi di posizionamento relativamente maturi adottati per le soluzioni UWB: TOA (Time of Arrival, time of arrival), TDOA (Time Difference of Arrival, time Difference of arrival) e AOA (Angel of Arrival, angle of arrival) . Nel processo di implementazione specifico, viene generalmente utilizzato uno schema di posizionamento ibrido che integra tre metodi di posizionamento per ottenere prestazioni di posizionamento ottimali.

TOA utilizza un metodo di posizionamento circolare (vedere la Figura 6) per ottenere il posizionamento misurando la distanza tra un terminale mobile e tre o più stazioni base UWB. La posizione del terminale mobile può essere determinata intersecando i tre cerchi in un punto. Tuttavia, a causa dell'esistenza di multipath, rumore e altri fenomeni, il multi-circolo non può intersecare o l'intersezione non è un punto ma un'area, quindi in effetti, il posizionamento TOA è usato raramente da solo.

Figura 6. Algoritmo di posizionamento TOA (metodo di posizionamento circolare)

Un miglioramento rispetto a TOA, TDOA conduce una sincronizzazione precisa tra le stazioni base, che è facile da realizzare. Nessuna sincronizzazione temporale tra il terminale mobile e le stazioni base, come mostrato in Figura 7. Calcolare innanzitutto la differenza di distanza tra il terminale mobile e la stazione base A e quella tra questo e la stazione base B. Il terminale mobile deve trovarsi su un'iperbole con la stazione base A e la stazione base B come focus. Un altro insieme di iperboli può essere ottenuto dalle differenze di distanza tra il terminale mobile e la stazione base A e la stazione base C, e l'intersezione delle iperboli è la posizione del terminale mobile. Nell'area del veicolo, l'influenza del multipath, del rumore, ecc. può essere ridotta anche mediante la differenza di distanza.

Figura 7 Algoritmo di posizionamento TDOA

Il posizionamento AOA calcola l'angolo di arrivo in base al principio della differenza di fase e necessita solo di due stazioni base per ottenere il posizionamento. A causa del problema della risoluzione angolare, la precisione di posizionamento diminuisce all'aumentare della distanza dalla stazione base e viene utilizzata principalmente per il posizionamento a brevi e medie distanze.

Scenario PEPS UWB
Quando il proprietario dell'auto avvicina la chiave intelligente al veicolo, il nodo BLE del veicolo può rilevare il segnale BLE della chiave intelligente a una distanza massima di 80 metri. Il nodo BLE del veicolo riattiva il controller di dominio del corpo e il controller di dominio del corpo controlla che la spia di benvenuto si accenda lentamente, entrando così nello stato di benvenuto. Allo stesso tempo, il nodo UWB del veicolo viene attivato. Quando la distanza tra la chiave intelligente portata dal proprietario dell'auto e l'auto è inferiore a 10 m, il nodo UWB del veicolo è in grado di percepire con precisione la posizione del proprietario in tempo reale con algoritmi di posizionamento. In questo momento, il proprietario può sbloccare automaticamente la porta e aprirla semplicemente con un'operazione di trazione. Inoltre, l'auto sarà dotata anche della funzione di NFC (Near Field Communication). In casi speciali come la chiave intelligente è scarica, NFC può essere utilizzato per sbloccare e avviare il veicolo. La sua architettura di implementazione è mostrata nella Figura 8.

Figura 8. Architettura di implementazione di UWB PEPS specificata da CCC 3.0

Nel campo dei chip UWB, i produttori maturi attualmente riconosciuti sono Apple, NXP Trimension e QORVO Decawave. Tra i circuiti integrati rilasciati, solo NXP Trimension NCJ29D5 soddisfa i requisiti delle normative sui veicoli.

Estensione: Bio-Radar

L'esperienza di UWB PEPS per i conducenti è intima e sicura. Tuttavia, i passeggeri in macchina si sentono allo stesso modo? Di solito sì, ma no in alcuni casi speciali. A volte è duro per loro. Ad esempio, se il conducente esce dall'auto, le porte si bloccano automaticamente. Un bambino o un tenero animaletto è stato accidentalmente lasciato in macchina. L'auto deve inviare l'allarme al conducente? Assolutamente necessario! Fortunatamente, può essere ben affrontato da UWB.

In quanto tecnologia di comunicazione portante wireless a banda ultra larga, UWB utilizza impulsi stretti non sinusoidali di nanosecondi per trasmettere i dati. Questa tecnologia consente all'UWB di ottenere straordinarie funzioni radar. Rispetto al radar ordinario, il radar UWB presenta molti vantaggi, come basso consumo energetico, risoluzione di livello millimetrico, forte penetrazione, forte capacità anti-interferenza ed essere adatto per il rilevamento a corto raggio, ecc. UWB è particolarmente adatto per il rilevamento della vita in quanto un bio-radar.

Il bio-radar UWB può rilevare a distanza i segni vitali come la respirazione e il battito cardiaco di esseri umani o animali senza il fastidio di elettrodi o sensori che entrano in contatto con il corpo vivente. Non solo può aiutare il sistema PEPS a prevenire incidenti che coinvolgono persone o animali all'interno dell'auto, ma può anche rilevare lo stato fisiologico del guidatore ed emettere promemoria o addirittura intervenire in modo tempestivo quando il guidatore non sta bene durante la guida.

Figura 9. Rilevamento della vita con UWB Bio-Radar

Tronco: Kick-to-Open

Oltre al rilevamento della vita all'interno del veicolo, basato sulla funzione di percezione del movimento del radar UWB, l'UWB ha anche un'intelligente applicazione di stomping per aprire il bagagliaio. Quando l'identità del conducente raggiunge la parte posteriore del veicolo, il radar UWB è in grado di rilevare con precisione l'azione di calpestio, aprendo così automaticamente il bagagliaio del veicolo.

Figura 10. UWB abilita la soluzione kick-to-open

Le due funzioni radar UWB descritte sopra, inclusi il bio-radar UWB e il radar kicking UWB, non richiedono hardware aggiuntivo, ma sono implementate solo riutilizzando l'hardware UWB lato veicolo senza aggiungere costi hardware aggiuntivi. Possiamo anche considerarli come parti della futura funzionalità PEPS UWB.

Parcheggio con servizio di ritiro e riconsegna auto automatizzato abilitato UWB

AVP (Automated Valet Parking) è la funzione di parcheggio con parcheggiatore autonomo. È conosciuta come la tecnologia di guida autonoma di livello L4 che offre agli utenti "libertà dell'ultimo miglio". Attualmente è lo scenario applicativo di guida autonoma più promettente per la commercializzazione, come mostrato nella Figura 11. Un altro enorme vantaggio dell'implementazione di un'esperienza PEPS con UWB è che fornisce le condizioni necessarie e sufficienti per implementare l'AVP sul lato dell'auto.

Figura 11 Sistema di parcheggio custodito automatizzato

La Figura 12 mostra uno schema fattibile di layout del nodo UWB all'estremità del veicolo. Un totale di quattro nodi UWB PEPS sono posizionati sui fari e sui fanali posteriori e un quinto nodo UWB PEPS+AVP è posizionato sul tetto. Il quinto nodo può ricevere sia il segnale UWB nell'auto che il segnale UWB all'esterno dell'auto ed è anche il nodo chiave per realizzare la funzione AVP.

Figura 12 Architettura di PEPS + AVP

In modalità PEPS, il quinto nodo UWB collabora con gli altri quattro nodi UWB per completare la misurazione della posizione della smart key e invia le informazioni di range al body domain controller (BCM) per completare il calcolo della posizione della smart key chiave, in modo da decidere il successivo sblocco e avviare le operazioni.

Quando si entra in modalità AVP, il quinto nodo inizia a ricevere continuamente messaggi di posizionamento UWB pubblicizzati dai nodi UWB disposti nel parcheggio. Il nodo UWB veicolo-fine invia il messaggio di posizionamento ricevuto al controller di dominio di guida intelligente, in modo da realizzare il calcolo delle coordinate del veicolo in garage, per poi trasferirlo al modulo di controllo della pianificazione per la realizzazione delle operazioni AVP.

Conclusione

Negli ultimi vent'anni, il PEPS ha battuto un percorso di solida crescita. Dal momento che è sempre più popolare tra i produttori di automobili, continuerà a introdurre più innovazione per migliorare l'esperienza degli automobilisti e gli standard di sicurezza mentre l'umanità si sta preparando a una guida sempre più intelligente.