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清研智行带来UWB技术应用分享

技术趋势1年前 (2023)发布 管理员
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清研智行带来UWB技术应用分享

▲演讲嘉宾:刘继达

各位领导,各位嘉宾,大家下午好,我是来自清研智行的刘继达,非常荣幸今天有机会和各位共同探讨UWB在数字钥匙和智能汽车方向的发展潜力。

01 UWB突出技术特点

随着主机厂和手机厂的推广落地,UWB受到了越来越多的关注。UWB有几十年的发展历程,2003年美国和欧洲标准的发布,宣告UWB技术走进了民用的领域。此后10年的时间,UWB技术凭借高精度的定位能力,在工业领域上取得众多的发展。近几年,众多科技公司也关注到UWB技术的价值,苹果、三星、小米等纷纷推出了搭载UWB的新机型。汽车行业,比如宝马、蔚来、比亚迪这些主机厂开始落地基于UWB的技术钥匙。由于UWB非常好的技术特性,很多公司纷纷看好UWB。UWB技术有三个鲜明的技术特点,一是UWB是脉冲信号,短脉冲的形式使UWB有非常高的信噪比,可以有效抵抗空间的干扰,抗干扰能力非常强。二是UWB有非常宽的宽带,大于等于500MHz,这么宽的带宽给UWB提供非常精准的飞行时间,使它在测距和定位领域可以做到很高的精度,可以达到0.1级别的定位精度。三是UWB的功率密度低,可以使UWB和周边的无线信号很好的共存和兼容性,综合来看,UWB具有抗干扰能力强、定位精度高、和其他信号共存性强的技术特点,这些技术特点奠定了UWB技术在汽车厂商和手机领域的基础。

02 UWB技术市场发展趋势

从整体的市场发展趋势来看,今年UWB终端的出货量超过5亿个,在2027年会超过12亿,发展趋势非常明显。从具体应用的领域来看,手机和汽车将会成为UWB技术应用的两大领域,所以整体UWB的发展潜力非常大,在手机端和汽车端成为非常重要的通信技术。在汽车行业,UWB技术主要应用三个方面,一是UWB技术的数字钥匙,二是面向智能座舱UWB的座舱雷达,三是为自动驾驶提供辅助位置信息的场端导航。

03 数字钥匙的演进

首先是数字钥匙方面的应用,这是目前最受主机厂关注的应用点。汽车钥匙作为车很重要的配件已经经历了实体化到数字化的转型,作为重要的沟通桥梁,已经成为智能汽车非常重要的数字化功能,基于手机的数字钥匙也成为未来的发展趋势。目前为止,数字钥匙的发展经历了三代的演进,第一代是实体钥匙,受限于NFC通信的局限,在使用过程中,要拿出手机近距离接触汽车进行启动和进入,所以整体的体验上并没有特别明显的提升。第二代的数据钥匙基于蓝牙技术,通过蓝牙强度的感知,我们可以实现基本的位置感知能力和基础的无钥匙接入功能,在体验上有了比较明显的提升。但是蓝牙的数字钥匙有两方面的不足,一是对位置的感知不够精准,二是蓝牙在安全程度上也有一定的不足,容易受到攻击的风险。2021年7月,CCC发布了第三代数字钥匙解决了蓝牙钥匙遇到的痛点问题,并且提升了用户的体验,获得了越来越多汽车和手机厂商的认可。

04 UWB的数字钥匙应用

数字钥匙的优势

UWB的数字钥匙相比蓝牙钥匙有三个方面的优势,一是无感进出更便捷,可以实现0.1米的定位,相比蓝牙数字钥匙的定位提升了10倍。二是测距技术更安全,当钥匙离车距离不同的时候,底层得到的时间差是不同的,利用这种时间差可以有效地杜绝一些攻击的发生。三是UWB整体的智能交互体验有明显的提升,UWB在车外的范围非常大,可在车外20米的范围内进行准确的位置感知,基于大范围的感应区域和定位性能,这就可以和用户进行更加准确的互动和操作。

UWB的数字钥匙也融合了蓝牙和NFC技术,蓝牙主要用于车辆和钥匙的之间的连接,因为蓝牙的功耗比较低,所以默认是常开的状态。UWB的功耗比蓝牙高一些,所以一般是蓝牙连接之后开启UWB进行位置的探测和感知,NFC主要起到备份的作用,手机没有电的时候,可以通过NFC启动汽车。UWB数字钥匙在车端主要分成两类的硬件,一类是UWB的锚点,主要作用实现和钥匙之间距离的感知。一类是数字钥匙的中控,里面有蓝牙,可以实现钥匙之间的通讯,另外中控会收集数字钥匙,然后把数据输出到给车辆其他的控制器,比如说DCU之内进行更加上层的应用功能。整体的硬件架构可以根据主机厂进行一定程度的灵活调整。

数字钥匙落地的难点和挑战

UWB数字钥匙推动了用户体验的升级,比如说我们可以在车外根据精准的位置感应能力划分不同的跟感应区,并且对区域的范围进行实时的灵活调整。可以借助车端的声光电的效果,和用户进行更加智能的交互,包括根据用户的位置和ID的不同属性,提前启动车机进行个性化的交互和配置。UWB技术具有比较好的技术特性,但是落地到车端场景会遇到性能的难点和挑战。一是面对车身周围的环境,UWB测距的精度会发生比较明显的下降或者波动,数字钥匙上车之后,车身金属及周边复杂环境会对信号造成干扰和反射。UWB基于时间差测距,每判断错1纳秒就会导致30厘米的误差,所以我们对时间差的判断必须要做到纳秒级别。二是车端安装天线的形式,从定位的理论来说并不是最佳的方式,最佳的方式是我们想对一个空间进行定位最好在空间的外围安装天线。但是由于车端的安装场景是反过来的,我们把天线安装在车上,多数要对车外进行定位,这种定位的情况下,结果不容易做到收敛,容易造成定位的失准和漂移。另外底层芯片的数据是我们测距的依据,芯片的数据并不是理想和干净的,也充满了噪声,这会增加位置判断的干扰和识别难度。这些挑战要通过UWB数字钥匙后台的算法进行优化和解决。

清研智行在算法上投入了大量的精力,目前在复杂环境下的算法可以提升底层数据的精度,我们也构建多元信息的框架,在这个框架之下准确地进行车的位置判断和输出,整体算法经过了8年的积累和迭代,可以实现非常精准、稳定的定位性能。这个性能可以从三个方面来看,一是在定位精度上实现一般环境下10厘米级的定位精度,特别复杂的环境下可以保持20厘米左右的定位精度。二是识别的延迟和实效上,基于我们的快速算法可以在30ms内完成位置解算。三是整体识别的灵敏度,车内车外识别的灵敏度和准确性可以达到100%的准确,信号的溢出也非常小。这些指标都是业内非常领先的,我们希望通过优质的算法给业内的数字钥匙带来极致的体验。

05 UWB的雷达应用

UWB另外一个重要的应用就是雷达,主要是基于多普勒的效应,在雷达覆盖的区域内,运动的物体会反射电磁波。我们判断雷达收发信号的差异就可以区分出这个覆盖区域内是否存在一些运动或者微运动,以及动作的类型,从而可以实现活体检测、脚踢等一系列的功能。

雷达的特征

UWB雷达有两个特征,一是稳健性好,UWB整体工作频段比较低在6-8G赫兹左右,较低的频段可以使它更容易穿透汽车内部的固体,比如衣物,这种穿透物体更强的能力,意味着雷达的覆盖范围更好,稳定性更高。二是识别的精度非常高,可以检测非常小幅度的运动,比如儿童睡眠情况下呼吸的波动都可以识别到,特别适合做生命特征的探测,比如搜救领域和医疗领域都有用UWB进行非接触式生命检测的产品和应用的案例。

车端的场景,UWB雷达在活体检测上的需求越来越强,这是从两方面驱动,一是从实际层面,过去10年的时间里,国内报道出来的儿童被遗留在车内的事故有百余起,业内希望借助生命体征探测的技术杜绝类似事故的发生。二是法规层面,欧洲开始引入了新车的安全评级规范,儿童性的检测是加分项,最高可以获得4分的安全加分。美国在推进热车的提案形成法规,强制汽车安装儿童在车内的预警系统,防止儿童固留在车内。中国新车评价规范也在研究2025年左右加入儿童性检测的项目,给安装的车辆提供加分。无论是从世界的背景还是政策的导向看,车内的生命体征检测成为越来越重要的发展趋势。

雷达的优势

UWB雷达具有四个明显的优势,一是可以有效的保护隐私,UWB雷达探测生命体征过程中不采集信息,可以有效的保护个人隐私,欧美市场非常看重这一点。二是整体的成本非常低,清研智行独家研发了可以跟数字钥匙硬件复用的技术,如果汽车上已经安装了UWB数字钥匙的模块,不需要安装额外的雷达硬件,我们可以借助数字钥匙的硬件实现雷达的功能,几乎零成本实现这个功能的上车。三是覆盖范围更大,UWB雷达把整个区域进行覆盖。四是识别灵敏度非常高,可以识别车内人员的运动,人员只有呼吸的状态下也可以稳定检测。

UWB雷达也可以实现脚踢功能,有几方面的优点。一是识别灵敏度很高,基于后台UWB算法,对脚踢的动作都是可以有效地识别出来,兼容不同用户脚踢的习惯。二是非常低的上车成本,基于清研独家硬件复用的技术降低脚踢上车的成本。三是抗干扰能力比较强,误触发的概率更低。四是整体的功耗非常低。

06 UWB提供的定位服务

除了数字钥匙和雷达,UWB技术也可以为整车提供位置服务,为整车的导航提供位置的支撑。自动驾驶场景中,位置数据是非常重要的基础信息,室外的场景下可以通过卫星获取高精度的位置,但是在地下停车场、隧道等封闭场景,很难获取准确的卫星信号,我们可以通过UWB给整车提供位置的辅助信息。我们安装UWB模组就可以给整车提供0.1米级别高精度的位置感知能力,在封闭场景下为自动驾驶功能进行有效的位置补盲。

07 探索UWB更多可能性

业内也在探索UWB在智慧交通的更多应用的可能性,比如借助UWB安全通讯的机制,我们可以实现汽车的支付功能,未来可以见到基于UWB技术的ETC。再比如和场端的IOT进行交互,可以车库的门和智能地锁进行非常准确的感知和更加便捷的互动。新能源车的充电场景以及充电桩和整车充电的场景,都可以用UWB技术实现位置的感知。相信随着UWB功能的不断落地,会有越来越丰富和惊喜的功能呈现给用户,提升进一步的驾乘体验。

08 清研智行介绍

最后介绍一下清研智行的情况,清研智行源自于清华大学测试技术与仪器国家重点实验室,我们也是国内首家车载UWB技术和产品的提供商和解决方案商。目前我们主要的业务包括数字钥匙、UWB的雷达和UWB的导航。除了UWB领域的技术积累以外,我们也是CCC、ICCE、ICCOA的会员单位,国际UWB标准组织Fira联盟的投票权会员之一。目前除了跟主机厂有项目落地,我们的产品和解决方案获得比较多的业内认可。在行业和标准化推进上,我们是ICCE中国UWB数字钥匙标准的起草主稿单位之一,ICCOA数字钥匙标准的参编单位,在这些组织中我们积极进行标准的提案和标准化的推进工作,共同推进UWB技术的发展、成熟和落地的应用。

清研智行也愿意和大家一起在整体智能汽车和智慧座舱发展的浪潮中为业内带来更加丰富和更加优质的解决方案,谢谢大家!

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