Los fabricantes de automóviles se han visto atrapados en la crisis de la escasez de componentes electrónicos, aunque la tendencia de los automóviles inteligentes es irresistible. Como la evidencia más instantánea e impresionante de inteligencia para los usuarios, el sistema PEPS (Passive Entry and Passive Start) ya no es una característica de alto perfil solo para autos de alta gama. Muchos fabricantes de automóviles, en particular marcas emergentes, lo han introducido en modelos de nivel medio o incluso económicos. En el mercado de China, donde las ventas de vehículos eléctricos registran un crecimiento de más del 100 por ciento en la primera mitad de 2022, los principales fabricantes de automóviles eléctricos como BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng y Li Auto básicamente han equipado todos los modelos con PEPS .

Si bien esa ECU nos aturde silenciosamente a los automovilistas, ¿alguna vez hemos pensado en investigar el rastro de su fabricación y la perspectiva de su futuro? Salgamos a la carretera.

PEPS brinda a los automovilistas la experiencia de ingresar al automóvil de manera segura sin desbloquear manualmente la actividad. El motor y el sistema HVAC del automóvil se pueden encender de forma remota antes de que el conductor o los pasajeros ingresen al automóvil. Mientras todos los pasajeros abandonan el automóvil, el PEPS bloqueará automáticamente el automóvil. De esta forma, los usuarios de automóviles disfrutan de la comodidad de la entrada pasiva con seguridad garantizada. Debe ser por eso que lo nombramos con la palabra “pasivo”.

Ayer: RKE y PKE

Actualmente, las principales soluciones PEPS integran tecnologías inalámbricas como Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, RFID (alta frecuencia y baja frecuencia), etc. Bueno, ¿cómo funcionan? Sería difícil de digerir si contamos la historia a partir de hoy. Entonces, ¿por qué no volvemos al pasado?

A fines de la década de 1990, algunos modelos de automóviles de alta gama incorporaron un sistema de entrada remota sin llave (RKE), una evolución con respecto a la solución anterior IMMO (inmovilizador) basada en RFID de baja frecuencia (125 KHz). Como predecesor del PEPS, el RKE tiene el llavero para transmitir señales UHF (frecuencia ultra alta) a un receptor de RF conectado con el BCM (módulo de control de la carrocería) del automóvil para verificar la identidad del usuario. Una vez que se verifique la ID, el sistema ejecutará una acción de apertura/cierre de puerta impulsada por el BCM. Tal mecanismo de verificación unidireccional, como se muestra en la Figura 1, puede interpretarse como un sistema de cifrado avanzado en una película de espías. Cuando un agente secreto visitante llega a un lugar de reunión, tiene que hablar o mostrar dicho código. Si el cifrado es correcto, se le permitirá entrar. El inconveniente de este mecanismo es que una vez que el enemigo se infiltró y obtuvo el cifrado,

Figura 1. Mecanismo de trabajo de RKE

La solución RKE adopta bandas de frecuencia de 315 MHz (en EE. UU., China y Japón, etc.), 433,92 MHz (en Europa, China) y 868 MHz (en Europa). En términos de modulación de señal, la mayoría de los países adoptan ASK (modulación por cambio de amplitud). ), mientras que Japón adopta el modo FSK (modulación por cambio de frecuencia). Los proveedores de circuitos integrados como Silicon Labs, Maxim, Microchip y NXP, etc. tienen ofertas en este campo.

A principios del siglo XXI, la gente actualizó el mecanismo de verificación unidireccional del RKE a un mecanismo bidireccional llamado sistema PKE (entrada pasiva sin llave), donde la verificación ya no la inicia el titular del llavero, es decir, el conductor, sino es iniciado por un transmisor de baja frecuencia conectado al BCM. Una vez que las puertas de un automóvil se cierran y bloquean, un módulo inalámbrico integrado en el automóvil transmitirá continuamente señales de baja frecuencia (125 KHz) en busca de un respondedor (integrado en un llavero) dentro de un cierto rango. Cuando el módulo encuentra un respondedor, su código despertará a este último. Si la parte LF del módulo no ha recibido señales de retroalimentación durante mucho tiempo, ingresará al modo de suspensión para reducir el consumo de energía. Cada vez que el respondedor en el llavero recibe una señal de despertador, enviará un datagrama codificado rodante sobre señales de alta frecuencia (es decir, 433 MHz). Después de que el módulo incorporado decodifique y comprenda el datagrama, le indicará al automóvil que realice cierta operación. Por lo tanto, podemos ver que, en comparación con RKE, el mecanismo de verificación adoptado por PKE es un mecanismo bidireccional, consulte la Figura 2.

Figura 2. Mecanismo de trabajo de PKE

Sigamos tomando como ejemplo la reunión de agentes secretos en las películas de espías. En un mecanismo de verificación bidireccional, un agente secreto anfitrión no espera a que su camarada lo visite, sino que coloca algún código cerca (por ejemplo, marca una columna con un símbolo especial o coloca una planta determinada en el porche) , cuando su camarada visitará al agente secreto anfitrión después de notar ese cifrado. Cuando el camarada toque la puerta, usarán otro cifrado preestablecido para verificar las identidades de cada uno. Para los puntos de encuentro de la movilidad, dicho mecanismo es proactivo y más seguro.

Si bien el mecanismo de entrada pasiva sin llave de la generación PKE se integra con el IMMO mencionado anteriormente, nos damos cuenta de la experiencia de entrada pasiva y arranque pasivo. Así, en 2003, una modalidad temprana de PEPS subió al escenario.

Hoy: Bluetooth PEPS es la corriente principal

Sin embargo, el ritmo de la digitalización nunca ha cesado. En la década posterior a la llegada del modo temprano de PEPS, los teléfonos inteligentes se adoptaron ampliamente. Hoy en día, se han convertido en una herramienta muy útil para la verificación de identidad en nuestra vida diaria. Entonces, los fabricantes de automóviles introdujeron los teléfonos inteligentes en el escenario PEPS. Así nació el PEPS que vemos hoy.

¿Qué características se han integrado en la solución PEPS contemporánea? Básicamente, los PEPS convencionales ahora han incorporado NFC y Bluetooth. El conductor puede colocar un teléfono NFC cerca de la columna B del automóvil para ingresar. Eliminó la molestia de meter un llavero y un teléfono inteligente en el bolsillo. Pero introducir Bluetooth en PEPS es más revolucionario. En primer lugar, Bluetooth tiene una tasa de penetración del 100 % en los teléfonos inteligentes, por lo que los usuarios no tienen que preocuparse por qué modelo seleccionar para la compatibilidad con PEPS. En segundo lugar, la alta frecuencia, el mecanismo de salto de frecuencia y el mecanismo de seguridad reforzado de Bluetooth brindan más seguridad y garantía en comparación con el mecanismo de tranquilidad UHF/LF. Además, la función de rango y posicionamiento de Bluetooth ayuda mucho a la hora de abrir/cerrar la puerta, reduciendo drásticamente la posibilidad de secuestrar el automóvil siguiendo al conductor. Bluetooth también facilita que el propietario use una aplicación para autorizar a otros a acceder o usar el automóvil, lo que hace posible compartir el automóvil de forma remota entre familiares y amigos. Dicho mecanismo también ayuda a los servicios de alquiler de automóviles y a los servicios masivos de uso compartido de automóviles autónomos.

El nivel de precisión del rango y posicionamiento de Bluetooth puede alcanzar medio metro o un metro. Comprende el método RSSI y el método AoA. El primero, que es menos exacto, ofrece un nivel de precisión de 1 a 5 metros. Este último, que es más preciso, ofrece un nivel de precisión de medio metro.

La tecnología RSSI ayuda a realizar PEPS de Bluetooth de nivel de entrada
RSSI (Indicación de intensidad de la señal recibida) es una tecnología que puede calcular la distancia que recorre la señal de radio según su grado de atenuación en el rango. Por lo tanto, el sistema puede calcular la ubicación con cálculo trigonométrico.

Mientras la señal de radio viaja, su fuerza se atenuará después de cierta distancia o al encontrar varias barreras. Tal atenuación se produce en diferente grado en diferentes situaciones. Erosionó indirectamente el nivel de precisión del algoritmo. Por esa razón, el RSSI solo funciona bien en distancias cortas. Como todavía presenta una implementación económica y un bajo consumo de energía, el RSSI se adopta para PEPS de Bluetooth de nivel de entrada. Una solución más económica solo despliega una estación base Bluetooth dentro de la columna A del automóvil. La solución calcula la distancia entre el teléfono inteligente del usuario y la columna A para juzgar si abrir o cerrar la puerta. Ver figura 3.

Figura 3. Esquema PEPS de Bluetooth de nivel de entrada (RSSI Single Station)

Tecnología AOA para realizar PEPS convencionales

Una característica llamada AoA (ángulo de llegada) introducida en la versión Bluetooth 5.1 mejoró el nivel de precisión del servicio de posicionamiento Bluetooth. En la solución AoA (ver figura 4), el transmisor, como un teléfono inteligente, envía periódicamente una señal especial. Se despliega un conjunto de antenas en el automóvil para recibir la señal para el análisis de fase a fin de calcular el ángulo en el que el transmisor envía la señal. Con el apoyo de otros métodos y equipos de inspección, la solución puede juzgar mejor la ubicación (distancia y dirección) de un dispositivo transmisor con un nivel de precisión de alrededor de 0,5 metros.

Figura 4. Posicionamiento de Bluetooth AOA

Obviamente, para mejorar el nivel de precisión del posicionamiento, necesitamos soporte de múltiples estaciones base Bluetooth con algoritmo AoA. Por lo tanto, en los modelos de nivel medio, los fabricantes de automóviles eligen implementar PEPS de Bluetooth multipunto, como se ilustra en la Figura 5, sin embargo, la cantidad exacta de estaciones base y el patrón de diseño varían en cierta medida para los diferentes modelos de automóviles.

Figura 5. Solución PEPS de Bluetooth estándar (posicionamiento AoA)

Los SoC más adoptados en el campo de Bluetooth PEPS incluyen TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 y NXP KW36, etc.

Tomorrow: UWB is Promising

Time nunca cesa su ritmo, ni la innovación de PEPS. Con su mayor seguridad, mayor velocidad de respuesta y precisión de posicionamiento de nivel centimétrico, la tecnología UWB ha atraído cada vez más la atención de los equipos de innovación de productos de los fabricantes de automóviles. En 2019, Car Connectivity Consortium (CCC) incluyó a UWB como la tecnología de acceso de seguridad para vehículos de próxima generación, y UWB comenzó a aplicarse en automóviles.

En junio de 2020, IEEE actualizó los estándares relacionados con UWB (802.15.4z) para mejorar las funciones de seguridad de UWB (en el nivel PHY/RF), allanando aún más el camino para que UWB ingrese al mercado de aplicaciones convencional. En julio de 2021, CCC Alliance lanzó oficialmente la especificación CCC Digital Key 3.0, que claramente propone la combinación de tecnología inalámbrica UWB y BLE (Bluetooth) para permitir la entrada pasiva sin llave y el arranque del motor a través de dispositivos móviles compatibles.

Tabla 1. Comparación de tecnologías de posicionamiento PEPS

Algoritmos de posicionamiento para UWB

Hay tres algoritmos de posicionamiento relativamente maduros adoptados para soluciones UWB: TOA (Hora de llegada, hora de llegada), TDOA (Diferencia horaria de llegada, diferencia horaria de llegada) y AOA (Ángel de llegada, ángulo de llegada) . En el proceso de implementación específico, generalmente se utiliza un esquema de posicionamiento híbrido que integra tres métodos de posicionamiento para lograr un rendimiento de posicionamiento óptimo.

TOA utiliza un método de posicionamiento circular (consulte la Figura 6) para lograr el posicionamiento midiendo la distancia entre un terminal móvil y tres o más estaciones base UWB. La ubicación del terminal móvil se puede determinar cruzando los tres círculos en un punto. Sin embargo, debido a la existencia de trayectos múltiples, ruido y otros fenómenos, el círculo múltiple no puede intersecarse o la intersección no es un punto sino un área, por lo que, de hecho, el posicionamiento TOA rara vez se usa solo.

Figura 6. Algoritmo de posicionamiento TOA (Método de posicionamiento circular)

Una mejora sobre TOA, TDOA realiza una sincronización precisa entre las estaciones base, lo cual es fácil de realizar. No se trata de sincronización de tiempo entre el terminal móvil y las estaciones base, como se muestra en la Figura 7. Primero calcule la diferencia de distancia entre el terminal móvil y la estación base A y entre este y la estación base B. El terminal móvil debe estar en una hipérbola con la estación base A y la estación base B como focos. Se puede obtener otro conjunto de hipérbolas mediante las diferencias de distancia entre el terminal móvil y la estación base A y la estación base C, y la intersección de las hipérbolas es la posición del terminal móvil. En el rango de espacio del vehículo, la influencia de trayectos múltiples, ruido, etc. también se puede reducir por medio de la diferencia de distancia.

Figura 7 Algoritmo de posicionamiento TDOA

El posicionamiento AOA calcula el ángulo de llegada según el principio de diferencia de fase y solo necesita dos estaciones base para lograr el posicionamiento. Debido a la cuestión de la resolución angular, la precisión de posicionamiento disminuye con el aumento de la distancia desde la estación base, y se utiliza principalmente para posicionamiento en distancias cortas y medias.

Escenario PEPS UWB
Cuando el propietario del automóvil acerca la llave inteligente al vehículo, el nodo BLE del vehículo puede detectar la señal BLE de la llave inteligente a una distancia de hasta 80 metros. El nodo BLE del vehículo activa el controlador de dominio del cuerpo, y el controlador de dominio del cuerpo controla la luz de bienvenida para que se encienda lentamente, ingresando así al estado de bienvenida. Al mismo tiempo, se despierta el nodo UWB del vehículo. Cuando la distancia entre la llave inteligente que lleva el propietario del automóvil y el automóvil es inferior a 10 m, el nodo UWB del vehículo puede percibir con precisión la posición del propietario en tiempo real con algoritmos de posicionamiento. En este momento, el propietario puede desbloquear automáticamente la puerta y abrirla simplemente con una operación de tracción. Además, el automóvil también estará equipado con la función de NFC (comunicación de campo cercano). En casos especiales, como la llave inteligente sin energía, NFC se puede utilizar para desbloquear y arrancar el vehículo. Su arquitectura de implementación se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Arquitectura de implementación de UWB PEPS especificada por CCC 3.0

En el campo de los chips UWB, los fabricantes maduros actualmente reconocidos son Apple, NXP Trimension y QORVO Decawave. Entre sus circuitos integrados lanzados, solo NXP Trimension NCJ29D5 cumple con los requisitos de las reglamentaciones de vehículos.

Extensión: Bio-Radar

La experiencia de UWB PEPS para conductores es íntima y segura. Sin embargo, ¿los pasajeros del coche sienten lo mismo? Normalmente sí, pero no en algunos casos especiales. A veces es duro para ellos. Por ejemplo, si el conductor sale del coche, las puertas se bloquean automáticamente. Un bebé o una mascota dulce se dejó accidentalmente en el automóvil. ¿Debe el automóvil enviar una alarma al conductor? ¡Absolutamente necesario! Afortunadamente, UWB puede abordarlo bien.

Como tecnología de comunicación de operador inalámbrico de banda ultraancha, UWB utiliza pulsos estrechos no sinusoidales de nanosegundos para transmitir datos. Esta tecnología permite que UWB logre funciones de radar extraordinarias. Comparado con el radar ordinario, el radar UWB tiene muchas ventajas, como bajo consumo de energía, resolución de nivel milimétrico, fuerte penetración, fuerte capacidad antiinterferente y adecuado para la detección de corto alcance, etc. El UWB es especialmente adecuado para la detección de vida como un bio-radar.

El bio-radar UWB puede detectar de forma remota signos vitales como la respiración y los latidos del corazón de humanos o animales sin la molestia de que ningún electrodo o sensor entre en contacto con el cuerpo vivo. No solo puede ayudar al sistema PEPS a prevenir accidentes por encerrar a personas o animales en el automóvil, sino también a detectar el estado fisiológico del conductor y emitir recordatorios o incluso intervenir de manera oportuna cuando el conductor no se siente bien al conducir.

Figura 9. Detección de vida con UWB Bio-Radar

Tronco: Kick-to-Open

Además de la detección de vida en el vehículo, basada en la función de percepción de movimiento del radar UWB, UWB también tiene una aplicación inteligente de pisotear para abrir el maletero. Cuando la identidad del conductor llega a la parte trasera del vehículo, el radar UWB puede detectar con precisión la acción de pisotear, abriendo así automáticamente la cajuela del vehículo.

Figura 10. UWB permite la solución Kick-to-Open

Las dos funciones de radar UWB descritas anteriormente, incluido el bio-radar UWB y el radar kicking UWB, no requieren hardware adicional, sino que solo se implementan mediante la reutilización del hardware UWB del lado del vehículo sin agregar costos de hardware adicionales. También podemos considerarlos como parte de la futura funcionalidad UWB PEPS.

Servicio de aparcacoches automatizado habilitado para UWB

AVP (Automated Valet Parking) es la función de valet parking autónomo. Se conoce como la tecnología de conducción autónoma de nivel L4 que brinda a los usuarios "libertad de última milla". Actualmente es el escenario de aplicación de conducción autónoma más prometedor para la comercialización, como se muestra en la Figura 11. Otro gran beneficio de implementar una experiencia PEPS con UWB es que proporciona las condiciones necesarias y suficientes para implementar AVP en el costado del automóvil.

Figura 11 Sistema de estacionamiento con valet automático

La figura 12 muestra un esquema de diseño de nodo UWB de extremo de vehículo factible. Se colocan un total de cuatro nodos UWB PEPS en los faros delanteros y traseros, y un quinto nodo UWB PEPS+AVP se coloca en el techo. El quinto nodo puede recibir tanto la señal UWB en el automóvil como la señal UWB fuera del automóvil, y también es el nodo clave para realizar la función AVP.

Figura 12 Arquitectura de PEPS + AVP

En el modo PEPS, el quinto nodo UWB coopera con los otros cuatro nodos UWB para completar la medición de la posición de la llave inteligente y envía la información de rango al controlador de dominio del cuerpo (BCM) para completar el cálculo de la posición de la llave inteligente. clave, para decidir el seguimiento de las operaciones de desbloqueo e inicio.

Al ingresar al modo AVP, el quinto nodo comienza a recibir continuamente mensajes de posicionamiento UWB anunciados por los nodos UWB dispuestos en el estacionamiento. El nodo UWB del extremo del vehículo envía el mensaje de posicionamiento recibido al controlador de dominio de conducción inteligente para realizar el cálculo de coordenadas del vehículo en el garaje y luego transferirlo al módulo de control de planificación para la realización de las operaciones AVP.

Conclusión

En los últimos veinte años, PEPS inició una trayectoria de sólido crecimiento. Dado que es cada vez más popular entre los fabricantes de automóviles, continuará marcando el comienzo de más innovación para mejorar la experiencia de los conductores de automóviles y el estándar de seguridad mientras la humanidad se prepara para una conducción cada vez más inteligente.