超宽带技术UWB于汽车的应用

随着软件定义汽车的到来，汽车智能化的量产水平已经接近L3高级辅助驾驶水平，而无线通讯技术作为汽车智能化的重要技术之一，在汽车中应用的场景也越来越广，常见的无线通讯技术有蓝牙、Wi-Fi和NFC等通讯技术。随着自动驾驶技术对汽车的定位精度要求越来越高，一种新型的无线通信技术——超宽带技术UWB也被广泛的应用到汽车的定位技术当中。UWB对于汽车来说，之所以说是一种新型的无线通讯技术，在于UWB应用还是比较晚的，比如2021年宝马推出全新BMW iDrive系统，首次配备UWB技术，将移动车钥匙技术升级到数字钥匙Plus。因此，随着汽车智能化的高精度需求及UWB技术的发展和成熟，UWB才逐渐开始被应用到一些中高端车型当中。

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什么是超宽带

超宽带（UWB，Ultra Wide Band）技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带（UWB）在早期用于军用雷达，原理是利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通常利用TDoA（到达时间差）和ToF（时间到达）算法实现人员或物品位置的信息。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。通俗来讲就是能耗低（所以用了纽扣钥匙也不怕），以及定位精度高（目前部分产品技术能达到15cm）。在汽车、出行和智能交通系统中，UWB扮演着重要的角色，特别在自动驾驶、车内智能网络、中继攻击防御、无钥匙智能进入系统、自动泊车等方面可以带来更高性能、低成本的解决方案。

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超宽带技术在汽车上的应用场景

2.1、UWB数字钥匙

汽车钥匙经历了机械钥匙、遥控钥匙、NFC钥匙、蓝牙钥匙等发展历程。数字钥匙是指通过精准的蓝牙定位、NFC、UWB等不同近场通信技术和更加安全的钥匙管理，将智能手机、NFC、UWB等不同近场通信技术和更加安全的钥匙管理，将智能手机、NFC智能卡、智能手表和智能手环等可穿戴设备变成车钥匙，从而实现无钥匙进入和启动、为他人远程钥匙授权、个性化的车辆设置等舒适方便的用车体验。

UWB数字钥匙是全新的钥匙进入系统，融合了UWB、BLE蓝牙和NFC三种无线通信技术，利用ToF飞行时间来精准测量车身锚点与数字钥匙之间的距离，可以提供10厘米级的高精度位置感知能力,这也是该技术落地汽车场景的核心功能。UWB测距功耗很高，无法像蓝牙一样能进行不间断地广播和连接。因此UWB测距功能是建立在蓝牙连接的基础上。蓝牙的功耗较低，在较远的地方，可以先进行蓝牙连接，进行身份认证、数据交互，并进行粗略的定位。继续靠近车辆之后达到UWB测距的范围后（离车十几米左右），再开启各个锚点的UWB的测距功能，各个锚点进入工作状态，就可实现实时的定位。

BLE蓝牙的作用是唤醒和传输授权，最远可达80m通讯距离，用于唤醒UWB，然后UWB在唤醒以后精确定位，NFC可以作为手机没电的情况下备用的无线技术。在接近车辆时，根据距离车辆会自动首先开启迎宾灯，然后随着距离的接近，会自动调整座椅位置等，然后靠近车门时，则自动解锁；当远离车辆时，也能够自动根据位置变化来自动锁车。UWB测距序列可以支持8000个安全位，钥匙和车端需要滚码才能解锁，极大地提升了数字钥匙的安全性，解决车辆电子钥匙中继攻击的安全漏洞。

UWB数字钥匙在汽车上典型的应用有蔚来ET7车型，该车型全系支持UWB钥匙定位功能（采用UWB+蓝牙+NFC融合技术）。未来ET7配备了三种形式的钥匙，分别为手机UWB超宽带/BLE蓝牙钥匙、UWB超宽带实体智能钥匙和NFC卡片/手机NFC钥匙。ET7标配了一把UWB超宽带实体智能钥匙，可以实现近车解锁/离车落锁，按钥匙/按门把手解闭锁，无感启动车辆，开启电尾门，一脚踢电尾门等功能。这把钥匙有了很多比较有意思的玩法，比如说以后拿着钥匙在车内能识别你在主驾驶、副驾驶然后自动匹配场景和座椅模式之类。ET7的UWB超宽带实体智能钥匙也可以选白色或者黑色。

2.2、自动泊车AVP

依靠更精准的感知、更强大的算力、更先进的算法，自动泊车可实现智慧停车场内的低速自动驾驶、自主避障、智能搜索车位和自主车辆泊入泊出。车辆进入停车场，并自动寻找车位，是 AVP 功能的核心。在没有任何控制的情况下，车辆在停车场内自动且准确地寻找到可停的车位，是 AVP 的重点和难点。在地下停车场/隧道等环境中，GPS/北斗等卫星信号无法准确接收，且环境雷同、光线阴暗，如果仅靠激光/毫米波/视觉/惯导等定位方式存在潜在稳定性问题，如果有类似室内GPS的UWB定位信号做辅助，那么可以让系统工作更稳定。虽然目前市场主流成熟的定位技术有很多，比如UWB定位技术，蓝牙定位技术，Wi-Fi定位技术，GPS定位技术，RFID定位技术，地磁定位技术，超声波定位技术等，但唯一能满足的相关技术就是UWB定位技术，他的定位精度已然高达厘米级，毕竟自动泊车技术在车库定位，车辆定位上都是要求精度是非常高的，完全可以避免车库识别率差，避障率差这两种情况。

AVP 技术路线主要有两种，一是通过增加车辆传感器来提升车辆自身的感知能力；二是通过对停车环境的改造，来实现不同车型的自主泊车。赋能V2X为基础，借助停车场智能化改造，实现V2N（车对云端）、V2I（车对基础设施）、V2V（车对车）等技术以及车辆现有的感知设备，实现地下、室内停车场景下的自动代客泊车，打通AVP、自动驾驶的“前端一公里”。

而为了实现自动泊车，就要应用到UWB的定位算法技术，目前来看，UWB的定位算法有TOF、TOA以及TDOA三种，而TOF和TDOA是最常用的定位算法。在TOF测距算法基础上，精准计算出定位标签在室内的位置就有了可能，这就是TDOA算法的由来。TDOA，全称是Time Difference of Arrival，是一种利用到达时间差进行定位的方法，通过测量被测标签(B)与已知位置基站(P1,P2,P3)间的报文传输时间差，计算出距离差；计算出被测标签的位置，定位精度最高可达30cm。UWB定位基站三个一组，一个主基站挂载两个分基站，分基站向主基站同步时间，这样可做到三个基站的时钟同步，在房间内，三个主基站的坐标分别是bs1(x1,y1), bs2(x2,y2）和bs3(x3,y3)，通过TOF算法，可轻松计算出E点离每个基站的距离R1,R2和R3。把基站的坐标代入公式即可计算出定位标签(x0,y0)所在的位置。TDOA算法精准度较高，最高可达到30cm的定位精度。当然在真实的环境中，由于金属、玻璃的干扰对超宽带信号同样有影响，在通过TDOA算法得出真实的距离后还需要利用滤波信号过滤信号杂音，以确保定位点的稳定。

2.3、车内活体检测

车内活体检测通过UWB技术优秀的动态感知能力，运用多普勒原理探测到细微的动作变化，实时监测车内生命体征状态，包括动态人员动作和静态人体呼吸，提醒婴儿宠物遗留，实现智能化的活体检测。目前的车内生命感知更多是运用摄像头进行识别，在隐私越来越受重视的今天，运用UWB技术可以很好的规避这类风险。

车内活体检测则是通过复用车端UWB硬件，并匹配专门的UWB雷达算法来实现，实现UWB活体雷达和UWB脚踢雷达等更多酷炫的功能，而无需增加额外的成本。UWB的车内活体检测技术包括至少两组超宽带天线和信号处理器，其中，至少两组超宽带天线，设置于停车区域的至少两侧，用于面向车窗向车辆内部发射超宽带信号和或接收来源于车辆内部的超宽带信号；信号处理器，用于获取超宽带天线接收到的超宽带信号，并根据超宽带信号的波动状态检测出车辆内部是否存在活体。

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结语

超宽带UWB技术已陆续在一些高端车型上使用，而基于UWB技术能迅速而准确地检测出车辆内部是否存在活体也是车内安全的一项重要的技术，解决了因驾驶员的疏忽大意而将其他乘客、宠物等活体遗忘在车内所造成的人员伤亡的问题，笔者以为这项技术的发展对整个社会意义重大，若广泛应用可以避免更多的悲剧发生。因此，相信不久，随着成本的下降和UWB的适用性，未来会有越来越多的车型将应用超宽带UWB技术，市场前景广阔。