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基于专利分析的智能座舱系统技术研究

2022-08-03 17:21 浏览: 1019423 次 我要评论(0 条) 字号:

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本文来源汽车文摘


摘要 


通过检索智能座舱系统方面的专利,从全球专利申请态势、地域分布和申请人3个方面进行宏观分析。针对国内智能座舱系统相关专利总结技术热点,并从整体架构、系统测试、系统功能和系统安全性4个方面进行微观分析。提供每个技术特点的代表专利,以及代表专利的技术手段和技术效果。最后,针对宏观分析和微观分析结果,在信息安全和个性化功能方面提出合理化建议。


1 前言


随着智能化技术在汽车领域的应用日渐广泛,汽车座舱也逐渐由机械座舱过渡到智能座舱。智能座舱具有以下特点:具有大尺寸中控液晶屏,全液晶仪表替代传统仪表,中控屏与仪表盘一体化设计,新增HUD抬头显示、流媒体后视镜等,人机交互方式呈多样化趋势。


智能座舱系统面向的是座舱的系统级层面,包括车机、多个显示屏、摄像头、语音交互模块以及车内的座椅、踏板等部件。智能座舱系统是整个智能座舱领域的基础,主要关注整体架构和各部件协调实现的功能[2]。通过检索智能座舱系统方面的专利,深刻剖析专利背后的技术手段,从全球专利申请态势、地域分布和申请人3个方面进行宏观分析,从整体架构、系统测试、系统功能和系统安全性4个方面进行微观分析,最后基于分析结果对智能座舱技术的发展进行展望。


2 智能座舱系统专利分析


分析使用的专利检索数据库为中国汽车技术研究中心自主研发的全球汽车专利数据库,收录了全球104个国家/地区的1.4亿条专利数据。对智能座舱系统相关专利进行检索,时间范围为2010年1月1日至今。


检索主要采用分类号和关键词相结合的方式,关键词包括智能座舱、系统、人机交互、驾驶等。分类号包括B60和G06等。对检索到的初始专利文件进行去噪和标引,最终得到智能座舱系统技术相关的专利。其中,国内专利1 002件,国外专利249件。


2.1 智能座舱系统技术全球专利申请态势分析


智能座舱系统技术相关专利的申请量如图1所示,受专利申请满18个月才公开的影响,2020年和2021年的申请量应较图中数据更多。


从图1可以看出,国内外智能座舱系统技术年度专利申请量以2015年为分界点,2015年以前,国内外专利申请量在20件以内,属于刚刚起步的阶段。2015年以后,国内智能座舱技术年度专利申请量呈现逐年上升的趋势,迎来高度发展阶段,并在2020年达到顶峰;而国外的相关专利申请量在2018年达到顶峰,后逐年下降,智能座舱技术相对停滞。从图1中还可以看出,2017年至2021年,国内相关专利申请量增速较快,可在一定程度上说明我国的智能座舱系统技术正在加速赶超国外技术,未来将会有更多的新技术和新产品出现。


图1 国内外智能座舱系统技术年度专利申请量


2.2 智能座舱系统技术地域分布分析


智能座舱系统技术的全球专利布局情况如表1所示,专利布局国家较为集中,中国和美国的专利申请占全球相关专利申请的80%以上。


表1 智能座舱系统技术国家分布情况


从专利申请量地域分布情况来看,中国是智能座舱系统技术的最大输入国。这表明,中国的智能座舱系统技术发展迅猛。但是,国外的技术起步较早,已形成一定的技术壁垒,这导致中国虽然有较多的申请量,但是发明授权量只有6件,实用新型授权也只有38件。可见,智能座舱系统技术想要突破发展,还需要加大研发力度,差异化发展也许是一条可行之路。


2.3 智能座舱系统技术申请人分析


国内智能座舱系统技术专利的申请人分布如图2所示,排名前5位的申请人依次是华为技术有限公司、上海博泰悦臻电子设备制造有限公司、上海博泰悦臻网络技术服务有限公司、上海擎感智能科技有限公司和广州小鹏汽车科技有限公司。汇聚了主机企业、零部件企业和互联网企业。其中,华为技术有限公司的专利申请量比较领先,对于互联网企业来说,在车辆的智能化体验上发力也许是发展的新路径。


图2 国内智能座舱系统技术专利申请人


国外智能座舱系统技术专利的申请人分布如图3所示,排名第1位的申请人是LG ELECTRONICS INC公司。韩国LG电子与Luxoft公司宣布达成战略合作协议,将联合组建一家汽车软件合资企业。双方将基于LG的webOS Auto(汽车网络操作系统)汽车平台,推动可量产的数字座舱、车载信息娱乐、后座娱乐系统和打车服务的市场部署。我国企业对智能座舱系统的研发需要绕过韩国LG电子公司布局的技术点,与韩国LG电子公司进行差异化竞争。


图3 国外智能座舱系统技术专利申请人


3 智能座舱系统技术热点分析


通过对国内专利的技术手段、技术问题和技术效果进行深度剖析,得到近几年智能座舱系统的技术热点,如图4所示,从专利分析的角度,近几年国内智能座舱系统主要关注的技术热点包括:整体架构、系统测试、系统功能和系统安全性。图4还示出了每个技术热点的专利申请数量。


图4 智能座舱系统的技术热点分析


3.1 整体架构相关专利分析


整体架构及代表专利包括:一机多屏架构(CN113022305A)、硬隔离架构(CN111240751A)、一芯双系统(CN113163171A、CN112929343A)、人机工程架构(CN112918337A)、云端与域控制器架构(CN112837407A)、面向服务的架构(CN110955412A)和框架式架构(CN109271147A)等。


其中,一机多屏架构和人机工程架构的相关专利数量较多,是企业进行差异化竞争的关键所在。下面结合代表专利详细剖析一机多屏架构和人机工程架构的技术特点。


3.1.1 一机多屏架构


随着座舱的智能化程度逐渐深入,车载显示屏的数量、配置位置以及交互方式有很大的改进。专利CN113022305A公开了一种汽车3屏智能座舱主机系统。


在硬件层面,包括依次并排设置在汽车仪表台上的全贴合仪表显示屏(1)、全贴合中控触摸屏(2)和全贴合副驾触摸屏(3),3个屏幕通过连接线束(4)连接到智能座舱主机(5)。


在软件层面,智能座舱主机(5)设有仪表接插件、中控接插件和副驾接插件,仪表接插件与全贴合仪表显示屏(1)进行交互,中控接插件与全贴合中控触摸屏(2)进行交互,副驾接插件与全贴合副驾触摸屏(3)进行交互,从而通过插件之间的通讯,实现3个屏幕的交互。


专利CN212353623U还提出了安装在驾驶员座舱顶部及风挡玻璃的3D AR HUD显示装置,通过CAN总线以及HDMI总线与车载主机进行通讯连接,还通过LVDS总线与液晶仪表显示屏进行通讯连接。该3D AR HUD显示装置主要包括安装在座舱顶部的3D投影装置以及安装在座舱风挡玻璃上的透明3D显示屏。通过光学成像技术,可以在3D显示屏上实时显示当前相关的车辆信息、路况信息等。


目前成熟的智能座舱一般搭载的是固定的液晶屏幕,专利CN109334568A提出了1种翻转屏结构,显示系统包括对称的主显示设备和副显示设备,主显示设备用于显示汽车的仪表信息,副显示设备用于显示仪表信息或娱乐信息,翻转控制器通过CAN总线控制两翻转驱动电机同步驱动,从而使主、副显示设备同步翻转,便于向其他成员展示屏幕内容。


目前,市面上的智能座舱中多个显示屏的功能一般是分离的,现有专利开始关注屏幕之间的交互,以期给乘员带来更舒适、智能化的体验。专利CN111240626A提出了1种双屏互动方法,采用1个处理器,在Hypervisor虚拟化技术上实现在双系统2个屏上,不需要额外的硬件物理连接方式,同时开启独立应用显示图像信息的功能,并实现双屏交互方式,降低智能座舱操作系统的硬件成本。专利CN111114320A提出了1种车载智能座舱共享显示方法,中控端将要输出的图像绘制到虚拟显示屏上;将所述图像依次通过显示中间层和内核驱动层后将图像数据写入预设的共享内存区域中,从而通过芯片内部内存共享完成多设备间的信息交互,仅需1个物理主机实现多个设备功能,产品更加灵活、安全、稳定、可靠。设备主机单一,使得车身线束成倍递减,研发、制造,包装、运输、各环节的缩减使产品成本上得到较大的降低,产品整机单价优势更明显。


3.1.2 人机工程架构


广义而言,人机工程研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境3者间的协调。在智能座舱领域,同样也需要检测行驶环境,驾驶员状态,基于智能座舱的功能提供解决方案。基于此,将传感器、主机以及踏板、座椅、门窗等零部件综合构成的系统称为人机工程架构。通过对设计到人机工程架构的专利进行分析发现,人机工程架构的主要关注点包括:根据驾驶员位置调节车内座椅、外后视镜和内后视镜,根据驾驶员行为调节车机系统,根据驾驶员健康情况调整车内环境,例如温度、湿度和音量等。下面给出2篇代表专利。


专利CN112918337A提出了1种识别眼部位置的智能座舱调节系统,包括人体特征识别摄像头:安装于车辆外部,用于采集驾驶员全身图像;DMS摄像头:安装于车辆内部,用于采集驾驶员的人脸图像;图像处理模块:用于对驾驶员全身图像和人脸图像进行识别,输出驾驶员的人体结构模型数据和眼球位置数据;存储模块:用于存储人体特征识别摄像头和DMS摄像头采集的数据以及预先设置的人机工程模型数据;系统控制器:用于将驾驶员的人体结构模型数据和眼球位置数据分别输入人机工程模型,得到座椅控制指令、后视镜调节指令,并分别控制座椅和外后视镜、内后视镜根据指令自动调节。该专利确保驾驶员在驾驶过程中始终处于人机工程最优且视野最佳的位置。


专利CN111816199A提出了1种汽车智能座舱的环境音控制方法,通过智能座舱的麦克风阵列,采集车外环境音;通过模型判断所述娱乐节目音量是否遮蔽了所述外部环境音,若是则自动调小音量;当车内播放的娱乐节目,并不适合调小音量,则增强外部环境音,并通过车内音响进行播放。该专利通过对车内外的环境音进行算法设计,能够兼顾娱乐和安全,它加强了前后座之间的沟通安全性和有效性,具有很高的应用价值。


3.2 系统测试相关专利分析


系统测试及代表专利包括:智能座舱测试台架(CN113049272A)、远程通信自调试(CN113220516A)、集成化测试(CN112269080A)、触控屏测试(CN112882928A)、现场录制测试(CN112925712A)和云端测试(CN112380140A)等。


触控屏是座舱与用户之间交互的重要环节,触控屏出现问题后会极大地影响用户体验,甚至引发交通事故。基于此,本节重点分析触控屏测试方面的代表专利。


专利CN112882928A提出了1种汽车智能座舱触控屏幕自动化测试方法,包括:获取待测屏幕显示画面图像;建立虚拟坐标系;确定待测屏幕显示画面图像在虚拟坐标系下的屏幕基准位置;建立测试设备触控点与虚拟坐标系的联系;确定测试设备触控点在虚拟坐标系中的测试基准点;在虚拟坐标系中进行测试脚本开发;在世界坐标系中执行测试命令。该专利通过建立虚拟坐标系实现待测屏幕与测试设备的空间关联,可以便捷的进行智能座舱触控屏幕开发测试,提升屏幕测试效率与准确性。


3.3 系统功能相关专利分析


系统功能主要包括人机交互和各企业视需求而研发的个性化功能。人机交互功能及代表专利包括:多模态(CN113306491A)、零部件复用(CN113101672A)、人机交互模式与车辆行驶状态结合(CN111674335A)以及主副屏分离(CN110356334A)等。目前,车载人机交互系统与沉浸式体验就已经成为汽车行业的关注焦点,多模态交互方式包括语音、触摸、手势、视觉、表情等。


智能座舱系统的个性化功能及代表专利包括:手机车内定位(CN112258752A)、与智能穿戴设备交互(CN111591250A)以及游戏(CN113101672A)等。这些个性化功能与人们的生活和娱乐紧密相关,解决了车内用户的需求痛点,将作为智能汽车的特色卖点。


专利CN112258752A提出了1种基于智能座舱蓝牙的防手机遗忘车内报警方法,获取信息娱乐系统和手机之间的第1相对角度信息;获取BCM系统和手机之间的第2相对角度信息;获取ADAS系统和手机之间的第3相对角度信息;根据第一相对角度信息、第二相对角度信息和第3相对角度信息,判断手机是否在车辆的车舱空间范围内。其优点是:利用车内现有的蓝牙模块,无论用户将手机放置在车内任何地方,均能实现手机在车内的定位。驾乘人员锁车时,如定位到手机在车内,则信息娱乐系统发出提示音,提示驾乘人员手机遗忘汽车内。


3.4 系统安全性相关专利分析


系统安全是永不过时的1个话题,随着网联化的加剧与自动驾驶设备的使用率逐渐提高,智能座舱内部的信息安全和驾驶安全受到了严重的挑战。众多车企、零部件企业和互联网公司也在系统安全性方面布局多件专利。


其中,信息安全及代表专利包括:通信/登录安全保护(CN113162921A)。驾驶安全及代表专利包括:驾驶员安全检测(CN112998675A)、中控报警(CN112381100A)、疲劳应对(CN111391858A)和主动安全(CN110696768A)等。


专利CN112998675A提出了1种基于大数据的车载智能座舱安全驾驶系统,通过安装在方向盘的人体信息采集传感器对驾驶员信息进行采集,无需驾驶员额外佩戴健康手环等传统的穿戴检测设备,驾驶员只需进入驾驶舱内,正常驾驶车辆,手握方向盘即可把驾驶员的身体状况实时稳定的传输到中控台并显示,非常方便灵活;人体信息采集传感器可以采集驾驶员的血压,血脂,心率,血氧等信息实时了解驾驶员的健康状况,并传输到中控台,提供参考,必要时提供语音告警,数据传输稳定及时。


专利CN111391858A提出了1种智能座舱系统控制方法,实时获取驾驶员面部信息和姿势信息,当驾驶状态为极度疲劳状态时,开启导航系统引导驾驶员到最近的安全停靠点休息,并且开启环境调节装置且将其设定为提神模式;当驾驶状态为轻度疲劳状态时,开启环境调节装置且将其设定为提神模式。该专利通过对疲劳及停车休息时的动态调整驾舱的舒适性和睡眠模式,快速营造1个智能氛围舒适性的座舱,改善用户车生活的品质以及间接的安全考虑。


4 智能座舱系统的技术发展展望


我国在智能座舱系统的整体架构、系统测试、系统功能和系统安全性方向都有布局专利,体现了智能座舱系统全面发展的趋势,但是仍然存在一些薄弱环节。


(1)在信息安全方面,仅着眼于用户身份的核实,但对于用户的喜好、地址、路线等隐私数据并未提出相应的保密措施。随着国家对信息安全的愈加重视,如何保证网联互通的前提下对用户隐私数据进行较好的保护,是智能座舱需要研发的重点。


(2)在个性化功能方面的专利数量较少,大部分专利还是布局在与驾驶场景相关的功能上,例如导航、监测驾驶员状态。建议完善社会调研,扩展研发人员思路,在智能座舱中融入生活场景下所需的功能,比如有物品遗落在车内时,如何通过智能座舱查找;如何通过智能座舱与家庭设备交互,从而提高企业的核心竞争力。


(3)经过专利检索和分析可知,企业越来越追求沉浸式体验,在一机多屏架构、与行驶状态结合方面布局了大量的专利;而过度地沉浸对驾驶安全是不利的。如何在保证一定体验前提下维持驾驶员的警惕性,是目前专利布局和研发的空白。


(4)各企业在系统测试方面的专利数量较少,现有的测试大多是为了满足法规要求,测试目的和方法都比较明确。但是,随着智能座舱系统的竞争逐渐激烈,应着重从用户需求角度出发构建测试环境,测试结果用于指导系统的更新或升级,以满足用户的使用需求。


END


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