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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und ein System zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere manipulationssichere Keyless-Entry-Systeme und Keyless-Go-Systeme für Kraftfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Mobile Identifikationsgeber (ID-Geber) können eingesetzt werden, um Fahrzeuge kontaktlos zu Entriegeln und dem Benutzer des Identifikationsgebers damit Zugang zum Fahrzeug zu verschaffen. Im Allgemeinen werden Funksysteme eingesetzt, bei denen Authentifizierungsdaten drahtlos übertragen werden. Im Falle einer positiven Authentifizierung durch das Fahrzeug erfolgt die automatische Entriegelung der Türen und/oder des Kofferraums. Zudem kann ein Motorstart autorisiert bzw. ermöglicht werden.
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Derartige Keyless-Systeme umfassen zum Beispiel Active-Keyless-Entry-Systeme, Passive-Keyless-Entry-Systeme und Keyless-Go-Systeme. Bei Active-Keyless-Entry-Systemen erfolgt eine Authentifizierung mittels eines Knopfdrucks am Identifikationsgeber durch einen Benutzer. Bei Passive-Keyless-Entry-Systemen ist keine aktive Bedienung des Identifikationsgebers durch den Benutzer erforderlich. Stattdessen erfolgt die Initiierung über eine Annäherung des Benutzers oder eine Betätigung eines Türgriffs. Im Falle von Keyless-Go-Systemen kann der Motor zum Beispiel durch einen Knopfdruck am Armaturenbrett des Fahrzeugs gestartet werden, ohne dass der Identifikationsgeber bedient bzw. aktiv eingesetzt werden muss.
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Herkömmliche Keyless-Systeme können manipulationsanfällig sein. Durch ein Relay kann dem Fahrzeug zum Beispiel suggeriert werden, dass der mobile Identifikationsgeber an einer anderen als seiner tatsächlichen Position ist (sogenannte „Relay-Station-Attacken“). Damit kann das Fahrzeug durch Unbefugte entriegelt, gestartet und dem Besitzer unrechtmäßig entwendet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren und ein System zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges anzugeben, die sicherere und/oder zuverlässige Keyless-Funktionen ermöglichen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, Keyless-Funktionen von Fahrzeugen manipulationssicher zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges, und insbesondere eines Kraftfahrzeugs, angegeben. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Laufzeit wenigstens eines Lokalisierungssignals aus einer Vielzahl von Lokalisierungssignalen, ein Bestimmen einer Signalstärke wenigstens eines Lokalisierungssignals aus der Vielzahl von Lokalisierungssignalen, und ein Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers in Bezug auf das Fahrzeug unter Verwendung der bestimmten Laufzeit und der bestimmten Signalstärke. Das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers umfasst ein Klassifizieren einer Position des mobilen Identifikationsgebers in einen oder mehrere Außenraumbereiche und einen oder mehrere Innenraumbereiche des Fahrzeugs mittels maschinellen Lernens.
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Erfindungsgemäß wird eine Kombination aus der Laufzeit der Signale und der Signalstärke verwendet, um den Identifikationsgeber zuverlässig und manipulationssicher zu lokalisieren. Zudem erfolgt die Lokalisierung unter Verwendung einer Methode des maschinellen Lernens („Machine Learning“, ML), mit dem zuverlässig bestimmt werden kann, ob sich der Identifikationsgeber im Außenraum oder Innenraum des Fahrzeugs befindet. Die Keyless-Funktion ist damit manipulationssicher und Relay-Station-Attacken können verhindert werden.
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Vorzugsweise sendet das Fahrzeug die Vielzahl von Lokalisierungssignalen zur Lokalisierung des mobilen Identifikationsgebers zum Beispiel mittels einer Kommunikationsvorrichtung aus. Die Lokalisierungssignale können auch zur Informationsübertragung genutzt werden, wie zum Beispiel zur Übertragung von Berechtigungsinformationen. Der mobile Identifikationsgeber kann eines oder mehrere der Lokalisierungssignale empfangen und kann Lokalisierungssignale an das Fahrzeug senden. Hierzu kann der mobile Identifikationsgeber geeignete elektronische Mittel umfassen, wie zum Beispiel Antennen und/oder Spulen zum Empfangen und Abstrahlen der Lokalisierungssignale. Die Lokalisierungssignale können am Fahrzeug oder am Identifikationsgeber empfangen werden und daraus die Signalstärke und die Signallaufzeit ermittelt werden.
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Die Laufzeit und die Signalstärke können aus demselben wenigstens einen Lokalisierungssignal bestimmt werden. Alternativ können die Laufzeit und die Signalstärke aus verschiedenen Lokalisierungssignalen bestimmt werden, wie zum Beispiel aus zeitlich aufeinanderfolgenden Lokalisierungssignalen. Beispielsweise kann die Laufzeit aus wenigstens einem ersten Lokalisierungssignal und die Signalstärke aus wenigstens einem zweiten Lokalisierungssignal bestimmt werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen der Signalstärke ohne konstruktive und/oder destruktive Signalüberlagerungen. Beispielsweise können die Lokalisierungssignale als kurze UWB-Impulse ausgesendet und (samt aller) Reflexion empfangen werden. Aufgrund der kurzen Impulse findet keine oder nur sehr wenig konstruktive oder destruktive Interferenz zwischen den verschiedenen Empfangspfaden statt. Damit finden keine Überlagerungen statt, die zu phasenlagenabhängigen Signaländerungen führen könnten. Anders gesagt können immer die gleichen Signaleigenschaften erhalten werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Lokalisierung erhöht werden kann.
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Vorzugsweise wird als Methode des maschinellen Lernens ein künstliches neuronales Netz verwendet. Zum Beispiel kann als neuronales Netz ein mehrlagiges Perzeptron („multilayer perceptron“) verwendet werden.
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Typischerweise wird die Laufzeit des wenigstens einen Lokalisierungssignals für eine Abstandsbestimmung zwischen dem mobilen Identifikationsgeber und dem Fahrzeug bzw. einem oder mehreren Ankerpunkten des Fahrzeugs verwendet. Vorzugsweise werden für das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers die Abstandswerte auf einen Maximalwert begrenzt und größere Werte durch einen Maximalwert ersetzt. Der Maximalwert kann zum Beispiel 4m.
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Ergänzend oder alternativ werden für das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers die Signalstärken auf einen Minimalwert begrenzt und kleinere Werte durch einen Minimalwert ersetzt. Der Minimalwert kann zum Beispiel -110dBm sein. Durch dieses sogenannte „Capping“ kann die Zuverlässigkeit der Lokalisierung weiter erhöht werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren, wenn die Position des mobilen Identifikationsgebers in den Außenraumbereich klassifiziert wird, ein Bestimmen einer Position des mobilen Identifikationsgebers im Außenraumbereich unter Verwendung eines Lokalisierungsalgorithmus. Der Lokalisierungsalgorithmus kann ein Bayesscher Filter oder Kalman-Filter sein. Wenn sich der mobile Identifikationsgeber außerhalb des Fahrzeugs befindet, kann der Lokalisierungsalgorithmus zum Beispiel eine genaue Position des mobilen Identifikationsgebers im Außenraum in Bezug auf das Fahrzeugs bestimmen. Typischerweise ist der Lokalisierungsalgorithmus dem Machine-Learning-Algorithmus der Klassifizierung nachgelagert.
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Vorzugsweise umfasst das Fahrzeug eine Vielzahl von Ankern oder Ankerpunkten, die voneinander beabstandet sind. An jedem Ankerpunkt der Vielzahl von Ankerpunkten kann wenigsten ein Sensor zum Empfangen der Signale angeordnet sein. Basierend auf den an den Ankerpunkten empfangenen Signalen können die Laufzeiten und Signalstärken ermittelt werden. Die Anker können Außenraum-Anker und/oder Innenraum-Anker umfassen. Die Außenraum-Anker können zum Beispiel vorne am Fahrzeug und/oder am Heck angeordnet sein. Die Innenraum-Anker können am Innenraum des Fahrzeugs angeordnet sein. Das Bereitstellen mehrerer Ankerpunkte an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs erlaubt eine präzisere Bestimmung der Position des mobilen Identifikationsgebers bezüglich des Fahrzeugs.
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Vorzugsweise wird die Laufzeit des wenigstens einen Lokalisierungssignals für eine Abstandsbestimmung bzw. Entfernungsmessung zwischen dem mobilen Identifikationsgeber und dem Fahrzeug, und insbesondere den Ankerpunkten verwendet. In einigen Ausführungsformen wird wenigstens ein erster gemessener Abstandswert, der größer als eine Summe eines zweiten gemessenen Abstandswerts, einer Distanz zwischen zwei Ankerpunkten und eines Schwellwert ist, verworfen. Damit können unplausibel große Entfernungswerte verworfen werden. Anders gesagt kann eine Plausibilitätsprüfung der ToF-Messungen durchgeführt werden.
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Zum Beispiel kann der wenigsten eine erste Abstandwert an einem ersten Ankerpunkt gemessen werden, und der zweite Abstandswert kann an einem zweiten Ankerpunkt gemessen werden. Die Distanz kann ein Ankerabstand zwischen dem ersten Ankerpunkt und dem zweiten Ankerpunkt sein. Der Schwellwert kann ein fester Wert sein, der zur Distanz zwischen den Ankerpunkten und dem zweiten Abstandswert addiert wird. Der Schwellwert kann geeignet gewählt werden, um sicherzustellen, dass unplausible Abstandswerte verworfen und plausible Abstandswerte nicht verworfen werden.
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Vorzugsweise werden für ein initiale Positionsbestimmung des mobilen Identifikationsgebers im Außenraumbereich zwei reale Entfernungsmesswerte und ein synthetischer Wert verwendet. Insbesondere sind für eine eindeutige initiale Positionsbestimmung im Allgemeinen drei Messwerte notwendig. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können jedoch nur zwei Messwerte verwendet werden, wobei der dritte Wert durch einen fiktiven Messwert zum Beispiel für einen Innenraum-Anker des Fahrzeugs ersetzt wird. Der fiktive Messwert kann ein vergleichsweise großer Wert sein, wie zum Beispiel wenigstens 3m oder wenigstens 4m. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich der Nutzer bzw. der mobile Identifikationsgeber dem Fahrzeug von großer Entfernung aus nähert.
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Vorzugsweise werden für das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers im Außenraum mittels der Laufzeit (d.h. zur Abstandsmessung) nur zwei Freiheitsgrade x und y verwendet bzw. offengelassen, die eine Ebene im Wesentlichen parallel zu einer Standfläche des Fahrzeugs aufspannen. Der dritte Freiheitsgrad z, der senkrecht zur Standfläche des Fahrzeugs ist, kann fix sein (z.B. 1m). Durch das Beschränken der Freiheitsgrade des Lokalisierungsalgorithmus auf nur zwei Dimensionen, die zum Beispiel eine Ebene in Hüfthöhe des Fahrzeugs definieren, kann die Lokalisierungsgenauigkeit erhöht werden, insbesondere da der Nutzer den mobilen Identifikationsgeber typischerweise in dieser Höhe hält.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Speichermedium angegeben, umfassend ein Softwareprogramm, das eingerichtet ist, um auf wenigstens einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges auszuführen.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein System angegeben, umfassend wenigstens einen Prozessor, der zum Ausführen des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges eingerichtet ist.
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Vorzugsweise ist das System ein Keyless-System des Fahrzeugs, wie zum Beispiel ein Active-Keyless-Entry-System und/oder ein Passive-Keyless-Entry-System und/oder ein Keyless-Go-System.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeug angegeben, umfassend das Keyless-System. Der Begriff Fahrzeug umfasst PKW, LKW, Busse, Wohnmobile, Krafträder, etc., die der Beförderung von Personen, Gütern, etc. dienen. Insbesondere umfasst der Begriff Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Fahrzeug und einen mobilen Identifikationsgeber gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 2 ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 3A und B eine Verarbeitung der Lokalisierungssignale mittels maschinellen Lernens,
- 4 ein System zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 5 eine Plausibilisierung von Abstandswerten, die aus den Laufzeiten der Lokalisierungssignale erhalten werden,
- 6 eine Bestimmung eines initialen Positionswertes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
- 7 schematisch eine beispielhafte Funktionsweise eines Sicherheitsalgorithmus gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Ausführungsformen der Offenbarung
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Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein Fahrzeug 100 und einen mobilen Identifikationsgeber 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Der mobile Identifikationsgeber 10 kommuniziert mit einem Keyless-System 110 des Fahrzeugs 100 über eine Kommunikationsverbindung 20. Das Keyless-System 110 ist eingerichtet, um eine Position des mobilen Identifikationsgebers 10 zu bestimmen und basierend auf der bestimmten Position Keyless-Funktionalitäten anzusteuern. Das Keyless-System 110 umfasst zum Beispiel ein Active-Keyless-Entry-System und/oder ein Passive-Keyless-Entry-System und/oder ein Keyless-Go-System.
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Das Keyless-System 110 kann ein Schließsystem des Fahrzeugs, und insbesondere eine Zentralverriegelung umfassen. Ergänzend oder alternativ kann das Keyless-System 110 eingerichtet sein, um einen Motorstart zum Beispiel durch Betätigen eines Bedienelements im Innenraum des Fahrzeugs 100 zu ermöglichen. Wenn das Keyless-System 110 basierend auf der bestimmten Position des mobilen Identifikationsgebers 10 eine positive Authentifizierung bzw. eine Autorisierung feststellt, kann das Fahrzeug 100 durch Ansteuern der Zentralverriegelung entriegelt werden. Zudem kann zum Beispiel ein Motorstart-Knopf am Armaturenbrett freigeschaltet werden, so dass der Fahrer den Motor durch ein Betätigen des Motorstart-Knopfes starten kann.
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Das Fahrzeug 100 kann eine Kommunikationsvorrichtung 120 umfassen, die eingerichtet ist, um die Kommunikationsverbindung 20 mit dem mobilen Identifikationsgeber 10 bereitzustellen. Zur Kommunikation mit dem mobilen Identifikationsgeber 10 können Signale von der Kommunikationsvorrichtung 120 empfangen und/oder gesendet werden. Ähnlich können Signale vom mobilen Identifikationsgeber 10 empfangen und/oder gesendet werden. Die Signale können zur Lokalisierung des Identifikationsgebers 10 in Bezug auf das Fahrzeug 100 verwendet werden. Die Signale können daher auch als „Lokalisierungssignale“ bezeichnet werden. Die Signale können zudem zur Übertragung von Informationen verwendet werden, wie zum Beispiel zur Übertragung von Identifizierungsinformationen und/oder Berechtigungsinformationen vom mobilen Identifikationsgeber 10 an das Fahrzeug 100.
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Die Kommunikationsverbindung 20 ist gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Ultrabreitband (UWB)-Kommunikationsverbindung. Dementsprechend können die Lokalisierungssignale Ultrabreitbandsignale sein. Die UWB-Kommunikationsverbindung kann zum Beispiel einen Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 500 MHz oder mehr verwenden.
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Unter dem Begriff „mobiler Identifikationsgeber“, wie er in der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, ist die im Allgemeinen als „Funkschlüssel“ bezeichnete Vorrichtung zu verstehen. Anders gesagt handelt es sich beim mobilen Identifikationsgeber nicht um eine in das Fahrzeug integrierte Vorrichtung, sondern um den Schlüssel, den der Fahrer im Allgemeinen bei sich trägt.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Das Verfahren 200 umfasst im Block 210 ein Bestimmen einer Laufzeit wenigstens eines ersten Lokalisierungssignals aus einer Vielzahl von Lokalisierungssignalen, im Block 220 ein Bestimmen einer Signalstärke des wenigstens eines ersten Lokalisierungssignals oder eines anderen (zweiten) Lokalisierungssignals aus der Vielzahl von Lokalisierungssignalen, und im Block 230 ein Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers in Bezug auf das Fahrzeug unter Verwendung der bestimmten Laufzeit und der bestimmten Signalstärke. Das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers umfasst insbesondere ein Klassifizieren einer Position des mobilen Identifikationsgebers in einen Außenraum(bereich) und einen Innenraum(bereich) des Fahrzeugs mittels maschinellen Lernens.
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Das Verfahren 200 verwendet eine Kombination aus der Laufzeit („Time-of-Flight“, ToF) und der Signalstärke, um den Identifikationsgeber zuverlässig und manipulationssicher zu lokalisieren. Zudem erfolgt die Lokalisierung unter Verwendung maschinellen Lernens („Machine Learning“, ML), mit dem zuverlässig bestimmt werden kann, ob sich der Identifikationsgeber im Außenraum oder Innenraum des Fahrzeugs befindet. Insbesondere können durch das maschinelle Lernen negative Effekte durch äußere Störeinflüsse reduziert und sogar verhindert werden. Die Keyless-Funktion ist damit manipulationssicher und Relay-Station-Attacken können verhindert werden.
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In einigen Ausführungsformen sind die Lokalisierungssignale Breitbandsignale, und insbesondere Ultrabreitbandsignale. Bei Relay-Station-Attacken können dem Fahrzeug durch Signalverstärkung suggeriert werden, dass sich der mobile Identifikationsgeber (Schlüssel) sehr nah am Fahrzeug aufhält, obwohl er sich tatsächlich sehr weit weg befindet. Die Verwendung des hochfrequenten ToF-basierten Lokalisierungsverfahrens kann dieses Problem lösen. Durch die Kombination aus Zeitstempeln und Signalstärken kann zudem verhindert werden, dass das Lokalisierungsverfahren wegen der Verwendung von hohen Frequenzen ungenau und störanfällig ist.
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Das Keyless-System des Fahrzeugs kann die Vielzahl von Lokalisierungssignalen zur Lokalisierung des mobilen Identifikationsgebers zum Beispiel mittels der Kommunikationsvorrichtung aussenden. Der mobile Identifikationsgeber kann eines oder mehrere der Lokalisierungssignale empfangen und Lokalisierungssignale an das Fahrzeug zurücksenden. Hierzu kann der mobile Identifikationsgeber geeignete elektronische Mittel umfassen, wie zum Beispiel Spulen oder Antennen zum Empfangen und Abstrahlen der Lokalisierungssignale. Die vom mobilen Identifikationsgeber zurückgesendeten Lokalisierungssignale können am Fahrzeug empfangen und daraus die Signalstärke und die Signallaufzeit ermittelt werden.
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In der vorliegenden Offenbarung kann sich die Laufzeit des wenigstens einen Lokalisierungssignals auf eine Zeitspanne zwischen dem Absenden des wenigstens einen Lokalisierungssignals vom Fahrzeug und den Empfang eines entsprechenden Lokalisierungssignals am Fahrzeug beziehen. Die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang des Lokalisierungssignals am Identifikationsgeber und dem Absenden eines entsprechenden Lokalisierungssignals kann beispielsweise an das Fahrzeug übermittelt werden. Alternativ kann die Laufzeit am mobilen Identifikationsgeber zum Beispiel durch Zeitstempel bestimmt und die entsprechende Information an das Fahrzeug übermittelt werden.
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Ähnlich kann sich die Signalstärke des wenigstens einen Lokalisierungssignals in der vorliegenden Offenbarung auf eine Signalstärke des am Fahrzeug empfangenen entsprechenden Lokalisierungssignals beziehen. Alternativ kann die Signalstärke am mobilen Identifikationsgeber gemessen und die entsprechende Information an das Fahrzeug übermittelt werden.
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In einigen Ausführungsformen werden für das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers, und insbesondere für eine Abstandsmessung zwischen dem mobilen Identifikationsgeber und dem Fahrzeug mittels der ToF-Messung, nur zwei Freiheitsgrade x und y verwendet bzw. offengelassen, die eine Ebene parallel zu einer Standfläche des Fahrzeugs aufspannen. Der dritte Freiheitsgrad z, der senkrecht zur Standfläche des Fahrzeugs ist, kann fix sein.
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In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug wenigstens einen Sensor zum Empfangen der Signale umfassen. Insbesondere kann das Fahrzeug einen oder mehrere Ankerpunkte (auch als „Anker“ bezeichnet) aufweisen, wobei an jedem Ankerpunkt wenigstens ein Sensor angeordnet ist. Die Ankerpunkte können beabstandet voneinander angeordnet sein. Insbesondere können die Ankerpunkte Außenraum-Anker und Innenraum-Anker umfassen. Die Außenraum-Anker können zum Beispiel vorne am Fahrzeug und/oder am Heck angeordnet sein. Die Innenraum-Anker können am (oder oben am) Innenraum des Fahrzeugs angeordnet sein. Das Bereitstellen mehrerer Ankerpunkte an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs erlaubt eine präzisere Bestimmung der Position des mobilen Identifikationsgebers bezüglich des Fahrzeugs.
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3A und B zeigen eine Verarbeitung der Lokalisierungssignale mittels maschinellen Lernens zur Klassifizierung der Position des mobilen Identifikationsgebers in „innerhalb“ und „außerhalb“ des Fahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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In der vorliegenden Offenbarung wird maschinelles Lernen bzw. ein ML-Algorithmus verwendet, um durch die Laufzeit und die Signalstärke die Position des mobilen Identifikationsgebers in einen Außenraumbereich und einen Innenraumbereich des Fahrzeugs zu klassifizieren. Das maschinelle Lernen kann hierzu zum Beispiel ein künstliches neuronales Netz verwenden, wie zum Beispiel ein mehrlagiges Perzeptron („multilayer perceptron“).
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann der ML-Algorithmus mit
12 Eingangswerten umgesetzt werden. In der folgenden Tabelle 1 ist die Entfernungsmessung mittels ToF („Range“) und Signalstärkemessung („RXP“) mit
12 Eingangswerten dargestellt:
Tabelle 1
| 1 | Range TRX 1 |
| 2 | Range TRX 2 |
| 3 | Range TRX 3 |
| 4 | Range TRX 4 |
| 5 | Range TRX 5 |
| 6 | Range TRX 6 |
| 7 | RXP TRX 1 |
| 8 | RXP TRX 2 |
| 9 | RXP TRX 3 |
| 10 | RXP TRX 4 |
| 11 | RXP TRX 5 |
| 12 | RXP TRX 6 |
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Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und der ML-Algorithmus kann mit einer anderen Anzahl von Eingangswerten umgesetzt werden. Insbesondere kann der ML-Algorithmus mit weniger oder mehr als 12 Eingangswerten umgesetzt werden.
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In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Signalstärke mittels eines Verfahrens bestimmt bzw. gemessen, das konstruktive und/oder destruktive Überlagerungen der verschiedenen Empfangspfade vernachlässigt. Dies kann beispielsweise durch eine Summation der Signalenergien der rekonstruierten ungestörten Signalimpulsen der einzelnen Empfangspfaden erfolgen. Bezugnehmend auf die Tabelle 1 können die Signalstärkewerte RXP über eine Summation von Signalenergien der einzelnen empfangenen Lokalisierungssignale ermittelt werden.
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Insbesondere können mit einem geeigneten Verfahren der Empfangszeitpunkt und die Signalleistung jeder einzelnen empfangenen Reflexion ermittelt werden. Die Summation der einzelnen Leistungen wird mit einem Verfahren durchgeführt, das nicht durch die relative Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Reflexionen beeinflusst wird:
Damit ist f ausschließlich von der Signalleistung
Pi abhängig.
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Beispielsweise können die Lokalisierungssignale als kurze UWB-Impulse ausgesendet und samt aller Reflexionen empfangen werden. Aufgrund der kurzen Impulse ist keine konstruktive oder destruktive Interferenz der Lokalisierungssignale möglich. Damit finden keine Überlagerungen statt, die zu Signaländerungen führen könnten. Anders gesagt können unabhängig von der Signallaufzeit der Reflexionspfade immer die gleichen Signalpegel erhalten werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Lokalisierung erhöht werden kann.
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3A zeigt einen Verarbeitungsprozess 310 für die 12 Eingangswerte der Tabelle 1. Die Rohwerte werden in den Block 311 eingegeben, in dem eine Deckelung für die Laufzeit und/oder die Signalstärke stattfindet.
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Insbesondere wird die Laufzeit des wenigstens einen Lokalisierungssignals für eine Abstandsbestimmung zwischen dem mobilen Identifikationsgeber und dem Fahrzeug verwendet, wobei für das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers (z.B. alle) Abstandswerte, die kleiner oder gleich einem ersten Maximalwert sind auf einen zweiten Maximalwert begrenzt werden. Der erste Maximalwert und der zweite Maximalwert können gleich der verschieden sein. Der erste und/oder zweite Maximalwert kann zum Beispiel 4m sein.
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Ergänzend oder alternativ werden für das Lokalisieren des mobilen Identifikationsgebers alle Signalstärken, die kleiner oder gleich einem ersten Minimalwert sind, durch einen zweiten Minimalwert ersetzt. Der erste Minimalwert und der zweite Minimalwert können gleich oder verschieden sein. Der erste und/oder zweite Minimalwert kann zum Beispiel -110dBm sein. Bei einem derartigen „Capping“ werden die Sensoreingangswerte manipuliert, indem eine Limitierung der Entfernungsmesswerte bzw. der Feldstärkewerte auf einen Maximalwert oder Minimalwert durchgeführt wird.
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Im Block 312 erfolgt ein NaN-Handling. Hier können Eingangswerte, die NaN („Not a Number“) angeben, ersetzt werden, zum Beispiel mit dem zweiten Maximal- bzw. Minimalwert.
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Im Block 313 erfolgt eine Linearisierung für die RXP-Werte, nicht aber für die Range-Werte. Insbesondere können die RXP-Werte hier von dBm in mW (milli-Watt) umgerechnet werden.
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Im Block 314 erfolgt eine Standardisierung. Hier werden die Eingangswerte skaliert, damit sie dieselben Standardabweichungen aufweisen.
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3B zeigt ein beispielhaftes neuronales Netz 320, und insbesondere ein mehrlagiges Perzeptron, das als ML-Algorithmus verwendet werden kann. Das neuronale Netz ist mit 12 Neuronen pro Schicht („hidden layer“) dargestellt. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und das neuronale Netz kann weniger oder mehr Neuronen pro Schicht aufweisen.
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4 zeigt ein System 400 zum Lokalisieren eines mobilen Identifikationsgebers eines Fahrzeuges gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Im Beispiel der 4 ist im Block 410 eine Kombination aus drei Algorithmen dargestellt. Block 414 bezeichnet den ML-Algorithmus, der die Klassifikation der Position des mobilen Identifikationsgebers in den Innenbereich und den Außenbereich des Fahrzeugs ausführt. Anders gesagt wird im Block 414 entschieden, ob sich der mobile Identifikationsgeber innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs befindet.
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Im Block 412 ist ein Lokalisierungsalgorithmus für den Außenraum dargestellt. Wenn der ML-Algorithmus entschieden hat, dass sich der mobile Identifikationsgebers außerhalb des Fahrzeugs befindet, kann der Lokalisierungsalgorithmus eine genaue Position des mobilen Identifikationsgebers im Außenraum bestimmen. Typischerweise ist der Lokalisierungsalgorithmus der Außenraumklassifizierung bzw. dem ML-Algorithmus nachgelagert. Der Lokalisierungsalgorithmus kann zum Beispiel ein Bayesscher Filter oder Kalman-Filter sein.
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Im Block 420 kann der mobile Identifikationsgeber einer Zone des Außenraums zugeordnet werden. Beispielweise kann der Außenraum des Fahrzeugs in eine Vielzahl von Zonen unterteilt sein, wobei der mobile Identifikationsgeber mittels des Lokalisierungsalgorithmus einer bestimmten Zone zugeordnet wird. Hierdurch kann eine genaue Lokalisierung des mobilen Identifikationsgebers im Außenraum erfolgen.
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Im Block 416 ist ein Sicherheitsalgorithmus dargestellt. Der Sicherheitsalgorithmus kann im Vergleich zum ML-Algorithmus im Block 414 und dem Lokalisierungsalgorithmus im Block 412 ein ungenauerer aber manipulationssicherer Algorithmus sein. Der Sicherheitsalgorithmus kann zum Beispiel plausibilisieren, ob die Positionsbestimmung des ML-Algorithmus im Block 414 und die Positionsbestimmung des Lokalisierungsalgorithmus im Block 412 manipuliert wurden (Blöcke 430 und 432).
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Die Ergebnisse der Plausibilisierungs-Blöcke 430 und 432 werden im Block 440 kombiniert und im Block 450 als Endergebnis zur Position des mobilen Identifikationsgebers relativ zum Fahrzeug ausgegeben. Bei einem positiven Ergebnis kann wenigstens eine Keyless-Funktion, wie zum Beispiel eine Keyless-Entry-Funktion und/oder Keyless-Go-Funktion, freigegeben werden.
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In den nachfolgenden 5 bis 7 sind Aspekte des in der 2 gezeigten Verfahrens und des in der 4 gezeigten Systems im Detail erläutert. Insbesondere sind Aspekte der Abstandsmessung mittels der ToF-Messungen erläutert.
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5 zeigt eine Plausibilisierung von Abstandswerten, die aus den Laufzeiten der Lokalisierungssignale erhalten werden.
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In 5 sind beispielhaft drei Anker bzw. Ankerpunkte am Fahrzeug dargestellt. Die Anker umfassen einen ersten Anker A, der an einer vorderen Dachposition des Fahrzeugs angeordnet ist, einen zweiten Anker B, der rechts am Heck angeordnet ist, und einen dritten Anker C, der links am Heck angeordnet ist. Der erste Anker A ist ein Innenraum-Anker und der zweite Anker B sowie der dritte Anker C sind jeweils Außenraum-Anker. Jeder Anker weist einen oder mehrere Sensoren auf, die zum Empfangen der Lokalisierungssignale eingerichtet sind.
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Basierend auf den am ersten Anker A empfangenen Laufzeiten der Lokalisierungssignale wird ein erster Abstand a ermittelt („Ranging“). Die Signale werden nicht richtungsaufgelöst empfangen, wodurch sich der erste Abstand a als Kreis um den ersten Anker A herum darstellt. Ähnlich werden basierend auf den am zweiten und dritten Anker empfangenen Laufzeiten der Lokalisierungssignale ein zweiter Abstand b bzw. ein dritter Abstand c ermittelt („Ranging“).
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Zur Plausibilisierung der einzelnen Entfernungsmessungen kann eine Plausibilisierungsformel verwendet werden, die alle Entfernungsmessungen verwirft, die eine unplausibel große Entfernung angeben. Zum Beispiel können Abstandswerte, die größer als eine Summe von (i) einem anderen Abstandswert, (ii) einer Distanz zwischen zwei Ankerpunkten und (iii) einem Schwellwert sind, verworfen werden. Die Distanz kann ein Abstand zwischen zwei Ankerpunkten sein, von denen einer der Plausibilitätsprüfung unterzogen wird und von denen der andere den Abstandswert, zu dem der Ankerabstand addiert wird, gemessen hat.
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Im Beispiel der 5 ist die Distanz zwischen den dem ersten Ankerpunkt A und dem zweiten Ankerpunkt B mit d bezeichnet. Wenn ein gemessener (erster) Abstandwert größer ist als die Summe aus dem Ankerabstand d, dem zweiten Abstand b und einem Schwellwert, kann dieser Abstandswert als unplausibel verworfen werden. Im Beispiel der 5 trifft dies auf den ersten Abstand a zu, der größer als die Summe aus der Distanz d, dem zweiten Abstand b und einem Schwellwert (nicht gezeigt) ist.
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Der Schwellwert kann ein fester Wert sein, der zur Distanz zwischen den Ankerpunkten und dem anderen gemessenen Abstandswert addiert wird. Der Schwellwert kann geeignet gewählt werden, um sicherzustellen, dass unplausible Abstandswerte verworfen und plausible Abstandswerte nicht verworfen werden.
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6 zeigt eine Bestimmung einen initialen Positionswertes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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In einigen Ausführungsformen werden für ein initiale Positionsbestimmung des mobilen Identifikationsgebers im Außenraum zwei Entfernungsmesswerte b', c' und ein synthetischer Wert a' verwendet. Insbesondere sind für eine initiale Positionsbestimmung im Allgemeinen drei Messwerte notwendig. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können jedoch nur zwei reale Messwerte verwendet werden, wobei der dritte Wert durch einen fiktiven Messwert zum Beispiel für einen Innenraum-Anker ersetzt werden kann. Der fiktive Messwert kann ein vergleichsweise großer Wert sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich der Nutzer bzw. der mobile Identifikationsgeber dem Fahrzeug von großer Entfernung aus nähert.
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Beispielsweise wird eine erste Position basierend auf wenigstens zwei ToF-Entfernungsmessungen berechnet, von denen wenigstens eine von einem Außenraum-Anker kommt. Um eine Unsicherheit bei der Positionsbestimmung zu eliminieren, wird eine synthetische Entfernungsmessung, d.h. ein künstlich erzeugter Wert, berücksichtigt. Damit kann der Algorithmus eine Lösung für eine Position weiter weg vom Fahrzeug auswählen.
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Der synthetische Wert kann beispielswiese wie folgt berechnet werden. In einem ersten Fall erfolgen die beiden realen Entfernungsmessungen durch einen ersten Innenraum-Anker und einen Außenraum-Anker. Der kürzere der beiden Messwerte wird identifiziert und der dritte Wert wird für einen zweiten Innenraum-Anker berechnet als die Summe aus (i) dem kürzeren Messwert, (ii) der Distanz zwischen der Position des Ankers mit der kürzeren Messung und dem zweiten Innenraum-Anker und (iii) einem Festwert. Der Festwert kann zum Beispiel in etwa 0.5m sein. Der erste Innenraum-Anker und der zweite Innenraum-Anker sind verschiedene Anker und voneinander um die erwähnte Distanz beabstandet.
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In einem zweiten Fall erfolgen die beiden realen ToF-Entfernungsmessungen durch zwei Außenraum-Anker. Der kürzere der beiden Messwerte wird identifiziert. Wenn es ein vorderer Anker ist, wird der vordere Innenraum-Anker ausgewählt. Wenn es ein hinterer Anker ist, wird der hintere Innenraum-Anker ausgewählt. Der dritte Wert wird für den ausgewählten Innenraum-Anker berechnet als die Summe aus (i) dem kürzeren Messwert, (ii) der Distanz zwischen der Position des Ankers mit der kürzeren Messung und dem ausgewählten Innenraum-Anker und (iii) einem Festwert. Der Festwert kann zum Beispiel in etwa 0.5m sein.
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Die initiale Position des Identifikationsgebers im Außenraum kann beispielsweise bei einer bestimmten Höhe berechnet werden, wie zum Beispiel z=1m (nur x und y als freie Parameter), unter Verwendung der beiden realen Entfernungsmesswerte und dem synthetischen Wert.
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7 zeigt schematisch eine beispielhafte Funktionsweise des unter Bezugnahme auf die 4 erläuterten Sicherheitsalgorithmus.
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Das Fahrzeug umfasst vier Außenraum-Anker, nämlich zwei vordere Anker und zwei hintere Anker, sowie zwei Innenraum-Anker. Die Anker sind an den entsprechenden Stellen der 7 als Rechtecke dargestellt.
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Der Lokalisierungsalgorithmus, wie zum Beispiel der Bayesscher Filter oder Kalman-Filter, kann ein hochpräziser Lokalisierungsalgorithmus sein. Der Lokalisierungsalgorithmus kann jedoch eine geringe Manipulationssicherheit aufweisen. Um Sicherheitslücken zu vermeiden, kann der Sicherheitsalgorithmus zur sicheren Verortung des mobilen Identifikationsgebers ein weniger genauer Algorithmus sein, der dafür hochsicher ist. Die Kombination dieser beiden Algorithmen erlaubt eine hochpräzise und manipulationssichere Verortung des mobilen Identifikationsgebers.
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Der Sicherheitsalgorithmus kann zum Beispiel eine Schwellwertprüfung („Threshold Check“) mit einem Schwellwertalgorithmus durchführen. Hierzu können für jeden Anker Schwellwerte definiert werden:
- • Innenraum/Außenraum-Prüfung für die Innenraum-Anker: Thi1, Thi2 (Kreise 701 in der 7)
- • Entsperrprüfung für alle Anker: THo1 ... THo6 (alle Kreise in der 7 mit Ausnahme der Kreise 701)
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Als Eingangswerte können die ToF-Entfernungsmesswerte verwendet werden, zum Beispiel R1 .... R6.
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Eine Innenraum-Prüfung kann ausgeführt werden durch (R1<Thi1) oder (R2<Thi2). Eine Entsperrprüfung kann ausgeführt werden durch (R1<Tho1) oder (R2<Tho2) oder (R3<Tho3) oder (R4<Tho4) oder (R5<Tho5) oder (R6<Tho6). Liefert die Innenraum- oder EntsperrPrüfung ein negatives Resultat, kann die Plausibilisierung als nicht erfolgreich angenommen werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Kombination aus der Laufzeit der Signale und der Signalstärke verwendet, um den Identifikationsgeber zuverlässig und manipulationssicher zu lokalisieren. Zudem erfolgt die Lokalisierung unter Verwendung maschinellen Lernens („Machine Learning“, ML), mit dem zuverlässig bestimmt werden kann, ob sich der Identifikationsgeber im Außenraum oder Innenraum des Fahrzeugs befindet. Die Keyless-Funktion ist damit manipulationssicher und Relay-Station-Attacken können verhindert werden.
