基于專利分析的異常狀態(tài)車道保持控制策略研究

郭少杰 王軍雷 夏天 李健明 季南

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽信息科技（天津）有限公司，天津 300300；3.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

主題詞：專利分析 車道保持 異常狀態(tài) 控制策略

1 引言

交通事故已經(jīng)成為當(dāng)前影響人身安全的主要原因之一，而人為失誤是造成交通事故的主要因素[1]。據(jù)我國交通部統(tǒng)計(jì)，約有50%的汽車交通事故是由于偏離車道造成，主要誘因是駕駛員注意力不集中、疲勞駕駛、使用手機(jī)等。據(jù)美國國家公路交通安全管理局2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，約44%的交通事故是由車輛偏離本車道造成的[2]。車輛高級(jí)駕駛輔助中的車道保持系統(tǒng)可以有效避免或減輕由于偏離車道所造成的交通事故[3]。

車道偏離輔助系統(tǒng)按照不同的應(yīng)用功能分為車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、車道偏離防止系統(tǒng)和車道保持輔助系統(tǒng)[4]，其中車道偏離防止系統(tǒng)即車道保持系統(tǒng)。本文重點(diǎn)研究的車道保持控制策略是指基于車道線檢測結(jié)果、車輛姿態(tài)、駕駛員操作等感知信息控制車輛在正確車道線內(nèi)行駛的相關(guān)策略。

隨著車道保持技術(shù)的成熟，車道保持系統(tǒng)裝機(jī)量逐年提升，國內(nèi)外研究者對于車道保持控制策略已經(jīng)取得豐富的成果，例如PID算法[5]、人工勢場法[6]、模型預(yù)測控制算法[7]、結(jié)合駕駛員模型的橫向控制算法[8]等。但是，目前對車道保持控制策略的研究主要考慮理想狀態(tài)下控制，需要道路平坦彎曲度低、光線充足、風(fēng)力不強(qiáng)、車道線清晰等環(huán)境下才可以取得較好的控制效果。而在車道保持系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，受限于道路維護(hù)情況和天氣因素，往往存在車道線不清晰、道路變化、側(cè)向風(fēng)等異常狀況，對車道保持系統(tǒng)的可靠性帶來嚴(yán)重影響。因此，異常狀態(tài)車道保持控制策略是車道保持系統(tǒng)的重要組成部分和實(shí)現(xiàn)前提之一，其研究十分重要。

本文采用專利分析方法，分析目前各大企業(yè)對于異常狀態(tài)車道保持控制策略的技術(shù)發(fā)展趨勢及解決方案進(jìn)行研究。

2 異常狀態(tài)車道保持控制策略專利分析

2.1 數(shù)據(jù)采集范圍及相關(guān)說明

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球104個(gè)國家1.4億余條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利，對全球汽車領(lǐng)域重要企業(yè)的專利按照技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)效果、技術(shù)手段3個(gè)維度進(jìn)行人工標(biāo)引。本文異常狀態(tài)車道保持控制策略相關(guān)專利選取范圍以申請日為入口，時(shí)間截至2021年6月30日。

2.2 專利申請趨勢分析

截止至2021年6月30日，異常狀態(tài)車道保持控制策略相關(guān)專利全球申請723 件，其中在中國申請123件，異常狀態(tài)車道保持控制策略在全球和中國范圍專利申請量趨勢如圖1所示。

圖1 異常狀態(tài)車道保持控制策略全球和中國專利申請趨勢

從全球?qū)＠暾埛植紒砜矗惓顟B(tài)車道保持控制策略相關(guān)專利申請自2010年至2017年期間迅速發(fā)展，并在2017年達(dá)到頂峰。在2018年以后專利申請量波動(dòng)下滑，表明該技術(shù)發(fā)展已相對成熟，各大企業(yè)對異常車道保持控制策略的研究有所放緩。結(jié)合目前L2級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)在量產(chǎn)車型上大量應(yīng)用，車道保持系統(tǒng)作為L2級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的重要組成部分，目前各大企業(yè)均已有成熟技術(shù)方案（受專利18個(gè)月公開期的影響，2020—2021年部分專利數(shù)據(jù)并未公開）。

中國異常狀態(tài)車道保持控制策略的研究起步較晚，自2011年起專利申請量逐漸增加，自2016年起專利申請量在15～20件之間波動(dòng)，申請量較為穩(wěn)定。當(dāng)前中國專利申請趨勢與全球保持一致，且技術(shù)均處于成熟階段。

2.3 專利申請地域分布

以專利的目標(biāo)申請國為入口，進(jìn)行異常狀態(tài)車道保持控制策略地域分布分析，異常狀態(tài)車道保持控制策略專利進(jìn)入國家主要集中在日本、中國、美國、德國和歐專局，如表1所示。具體來看，日本異常狀態(tài)車道保持控制策略專利申請占比最高，達(dá)到23%，專利申請量169 件。日本道路情況及天氣因素相對復(fù)雜，在日本異常狀態(tài)下車道保持控制策略的研究在全球占比最多。

表1 異常狀態(tài)車道保持控制策略國家分布情況

受益于中國日益完善的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系以及復(fù)雜道路環(huán)境和對車輛智能化的政策支持，中國成為異常狀態(tài)車道保持控制策略的第2目標(biāo)申請國，各大主機(jī)廠均在中國有相關(guān)專利申請。此外，美國、歐專局和德國作為專利制度完善的區(qū)域，同樣也是異常狀態(tài)車道保持控制策略專利的主要目標(biāo)申請國，不過分析發(fā)現(xiàn)專利申請以本國企業(yè)在本國申請的情況居多。

2.4 申請人分析

異常狀態(tài)車道保持控制策略全球范圍主要申請人排名如圖2所示，申請量排名前10的企業(yè)依次是日產(chǎn)、豐田、博世、德爾福、日立、摩比斯、本田、馬自達(dá)、電裝和百度；排名前10 的申請人專利申請總量相加達(dá)到450 件，占全球申請總量的62.2%，異常狀態(tài)車道保持控制策略的專利申請更多集中在頭部企業(yè)手中。排名前10的申請人中有4家為主機(jī)廠、6家零部件供應(yīng)商，說明更多主機(jī)廠不采取自研異常狀態(tài)車道保持控制策略，而采用供應(yīng)商的解決方案。專利申請量位居首位的是日產(chǎn)，其專利申請量達(dá)到163件，是第2名豐田的2.3倍，日產(chǎn)在該技術(shù)領(lǐng)域投入了大量研發(fā)力量，并且成果較為領(lǐng)先。值得關(guān)注的是，國內(nèi)企業(yè)百度以17件專利排名第10位，對于研究無人駕駛技術(shù)，勢必需要對異常狀態(tài)車道保持控制策略進(jìn)行研究，提高控制車輛在車道內(nèi)行駛的可靠性，減少駕駛員接管次數(shù)。

圖2 異常狀態(tài)車道保持控制策略全球企業(yè)專利申請量排名

對各大主機(jī)廠主流中型且售價(jià)在15 萬元以上轎車的車道保持系統(tǒng)配置情況進(jìn)行調(diào)研，如表2 所示。值得關(guān)注的是，雖然日產(chǎn)在專利申請量上排名第1位，但是受限于成本因素，其2021款天籟車型中僅在頂配領(lǐng)航版中配置車道保持系統(tǒng)。而馬自達(dá)雖然技術(shù)儲(chǔ)備領(lǐng)先，但是21款全系未配置車道保持系統(tǒng)。技術(shù)儲(chǔ)備領(lǐng)先的豐田和本田則分別在其21 款亞洲龍和雅閣車型中全系配置車道保持系統(tǒng)。大眾邁騰、別克君越、雪佛蘭邁銳寶和奔馳C級(jí)均采用根據(jù)不同車型分別配置車道保持系統(tǒng)的策略，鑒于其技術(shù)儲(chǔ)備排名不領(lǐng)先，更多采用供應(yīng)商方案。值得注意的是，紅旗H5和寶馬3系均全系未配置車道保持系統(tǒng)。

表2 車道保持系統(tǒng)配置情況

2.5 發(fā)明人分析

對異常狀態(tài)車道保持控制策略全球?qū)＠暾埌l(fā)明人分布情況進(jìn)行分析，如表3所示。全球排名第1～6、8的發(fā)明人均來自日產(chǎn)公司，排名前4的發(fā)明人KO?BAYASHI MASAHIRO、TAIRA YASUHISA、FUKATA OSAMU、FUKATA OSAMU 為同一車道保持系統(tǒng)核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，相互之間存在大量合作專利申請。排名第7、9～10 的發(fā)明人APP THOMAS、TANGE SATOSHI、CHIA MICHAEL I 來自博世，博世的研發(fā)團(tuán)隊(duì)較為集中；而豐田則發(fā)明人分布相對分散。

表3 異常狀態(tài)車道保持控制策略全球?qū)＠l(fā)明人分布

2.6 技術(shù)構(gòu)成分析

異常狀態(tài)車道保持控制策略主要針對不同異常狀態(tài)進(jìn)行分類，異常狀態(tài)可分為車道線異常、彎曲道路和道路傾斜/側(cè)風(fēng)這3大類。

車道線異常是最主要的異常狀態(tài)。道路年久失修后車道線會(huì)存在斷續(xù)缺失、不清晰等異常狀態(tài)，道路上的塵土、石塊、雨雪等遮擋也會(huì)導(dǎo)致車道線異常異常，鑒于車道保持的基礎(chǔ)原理是基于檢測到的左右車道線控制車輛在車道中央行駛，車道線異常會(huì)導(dǎo)致車道保持系統(tǒng)無法使用，影響可靠性。其次，過于彎曲的道路例如拐彎或環(huán)橋等狀態(tài)，需要車輛大幅度控制車輛轉(zhuǎn)彎，其車身姿態(tài)控制與在直線或微曲道路上的控制策略截然不同，需要進(jìn)一步考慮車輛過彎的安全性和過彎時(shí)駕駛員的舒適性。最后，道路傾斜、坑洼以及側(cè)向風(fēng)過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車輛無法正常直線行駛，在車道保持系統(tǒng)中需要克服該類側(cè)向力的影響，保證車輛在車道中央的行駛。

根據(jù)異常狀態(tài)分類情況，綜合考慮檢索可行性、行業(yè)分類習(xí)慣因素，剔除研發(fā)關(guān)注較低的部分，最終確定異常狀態(tài)車道保持控制策略的技術(shù)構(gòu)成，并對技術(shù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示。其中，關(guān)于車道線異常的研究占比最高達(dá)到64%，車道線異常也是最主要的異常狀態(tài)；對彎曲道路的研究占比達(dá)到30%，彎曲道路也是第2主要的異常狀態(tài)；而傾斜道路和側(cè)風(fēng)相對出現(xiàn)概率較低，其研究也是最少?？梢姡惓顟B(tài)的出現(xiàn)概率影響相應(yīng)控制策略的研究。

表4 異常狀態(tài)車道保持控制策略技術(shù)構(gòu)成

2.7 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)分析

異常狀態(tài)車道保持控制策略包括車道線異常、彎曲道路和道路傾斜/側(cè)風(fēng)這3大技術(shù)分支，選擇各技術(shù)分支中具有代表性的核心專利進(jìn)行解讀，梳理關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展路線。

2.7.1 車道線異常

對于車道線異常時(shí)的車道保持控制策略，主要分為檢測裝置改進(jìn)、識(shí)別策略改進(jìn)和控制策略改進(jìn)3大類。

（1）對于檢測裝置改進(jìn)，主要包括在攝像頭的基礎(chǔ)上，增加雷達(dá)、增設(shè)衛(wèi)星定位和增加側(cè)向/后向傳感器這3類，通過多傳感器融合解決車道線異常問題。

增加雷達(dá)、增設(shè)衛(wèi)星定位的核心原理是通過增加傳感器類型以彌補(bǔ)單一傳感器檢測性能的不足，以提高車道線異常時(shí)的系統(tǒng)兼容性。例如，德爾福專利CN108162962A[9]中提出，通過激光傳感器檢測前方道路情況，并將掃描到的前方道路情況結(jié)合攝像頭的視覺數(shù)據(jù)，結(jié)合判斷出正確的車道線。德國航天航空中心專利US20180208197A1[10]中提出，通過雷達(dá)掃描車輛距離左右2側(cè)物體的距離，同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)車道保持控制。

增加側(cè)向/后向傳感器的核心原理是通過多個(gè)位置傳感器檢測多位置的車道線，避免某一位置車道線異常所導(dǎo)致車道保持系統(tǒng)無法工作。例如，德爾福專利CN107499309A[11]中提出，參照圖3，面臨車道線異常問題時(shí)，可以在前向傳感器18、25之外，增設(shè)側(cè)向傳感器20、22和后向傳感器24，檢測多方向車道線以確保車道線檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 增設(shè)側(cè)向/后向多傳感器結(jié)構(gòu)[11]

（2）對于識(shí)別策略改進(jìn)，主要指在常規(guī)的通過相機(jī)檢測本車道的車道線之外，通過其他輔助手段來幫助確定車道線。

例如，博世專利CN109866779A[12]中提出，通過相機(jī)判斷路面是否存在積雪，若存在積雪則通過相機(jī)獲取雪上車轍，根據(jù)雪上車轍執(zhí)行車道保持控制。豐田專利JP2015217737A[13]中提出，在系統(tǒng)檢測到車道線異常時(shí)，在相機(jī)檢測車道線的基礎(chǔ)上結(jié)合駕駛員轉(zhuǎn)向力矩重新進(jìn)行準(zhǔn)確車道線判定。博世專利DE102013217860A1[14]中提出，參照圖4，除檢測車輛行駛車道105 的車道線110、115 外，同時(shí)檢測相鄰車道125的車道線140，在行駛車道的車道線120出現(xiàn)異常時(shí)，通過相鄰車道的車道線140 執(zhí)行車道保持控制。此方法應(yīng)用避免了僅檢測車輛通行車道的車道線，通過檢測相鄰車道的車道線，提高了識(shí)別策略的容錯(cuò)性。

圖4 車道線識(shí)別策略改進(jìn)[14]

博世專利DE102006047636A1[15]中提出，如圖5所示，當(dāng)單車道31 突然加寬至雙車道32、33 時(shí)，車道保持系統(tǒng)建立假想車道線路31.c，車輛可以通過假想車道線路31.c平穩(wěn)進(jìn)入目標(biāo)車道32中。

圖5 假想車道線[15]

對于類似分叉道路，福特專利CN110001773A[16]中提出可以通過傳感器檢測右側(cè)車道標(biāo)志、左側(cè)車道標(biāo)志、在道路上移動(dòng)的主要對象中的一種來綜合判斷目標(biāo)車道線。

（3）對于控制策略改進(jìn)，主要指在車道線出現(xiàn)異常時(shí)，車道保持系統(tǒng)控制策略要保證安全、可靠，可以通過退出車道保持系統(tǒng)、降低車輛速度以減輕損失、拒絕過激控制策略等方式實(shí)現(xiàn)。

例如，日產(chǎn)專利US20050125153A1[17]中提出，若系統(tǒng)檢測到車道線缺失即退出車道保持系統(tǒng)，遇到車道線缺失頻率較高的路段，則會(huì)導(dǎo)致車道保持系統(tǒng)頻繁退出，因此在檢測到車道線不準(zhǔn)確時(shí)，使車輛減速并保持車道保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。日產(chǎn)專利JP2001039327A[18]中提出設(shè)置車道線檢測周期，根據(jù)在檢測周期內(nèi)的車道線平均檢測率與閾值之間的關(guān)系，當(dāng)平均檢測率低于閾值時(shí)，則停止車道保持控制的決策。

日產(chǎn)專利JP2007076508A[19]中提出，若車道線突然變化，車道保持系統(tǒng)控制車道跟隨突然變化的車道線進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此通過車輛相對于車道的橫向位移來確定是否存在突然的車道線偏移，若存在突然車道線偏移，則禁止相應(yīng)的轉(zhuǎn)向控制。通用專利CN103085810A[20]中提出，當(dāng)存在車道線未被識(shí)別的異常情況時(shí)，檢測前車是否存在，當(dāng)前車存在時(shí)，跟蹤前車進(jìn)行車道保持控制；當(dāng)前車不存在時(shí)，車道保持系統(tǒng)在預(yù)設(shè)時(shí)間后退出。

2.7.2 彎曲道路

車道保持系統(tǒng)在筆直或微曲的車道上行駛易于實(shí)現(xiàn)，只需要根據(jù)車道線微調(diào)車輛即可；但是對于彎曲道路上的車道保持控制策略，容易出現(xiàn)車道保持控制過于機(jī)械化，影響系統(tǒng)可靠性和舒適性，因此需要有針對性的在彎曲道路上采用與筆直或微曲道路不同的控制策略。

例如，本田專利CN112046475A[21]中提出，參照圖6，在行進(jìn)方向的所述道路的形狀不是彎道形狀的情況下，基于車輛行進(jìn)方向上的P2、P4實(shí)現(xiàn)車道保持控制；在行進(jìn)方向的所述道路的形狀是彎道形狀的情況下，基于車輛行進(jìn)方向上的P1、P3 實(shí)現(xiàn)車道保持控制；基于適于道路的形狀調(diào)整控制策略，得到符合駕駛員預(yù)期的車道保持控制。

圖6 彎曲/非彎曲車道的控制[21]

本田專利CN112046478A[22]中提出，在彎道行駛中若對向有來車，處于安全考慮，車道保持系統(tǒng)在對向來車情況下向彎道內(nèi)側(cè)增加車道保持的控制量，以保證安全。博世專利CN107428341A[23]中提出，正常車道保持系統(tǒng)的力矩為3 N·m，當(dāng)在過于彎曲道路上3 N·m 力矩不足以保證車道保持系統(tǒng)控制車輛在車道中央行駛，因此可以在檢測到彎曲道路時(shí)增加車道保持系統(tǒng)的力矩上限。豐田專利CN104870293A[24]中提出，車道保持系統(tǒng)可以根據(jù)道路彎曲度適應(yīng)性執(zhí)行車輛加速/減速操作，以調(diào)整車道保持系統(tǒng)的控制精度，提高舒適性。

2.7.3 道路傾斜/側(cè)風(fēng)

道路傾斜/側(cè)風(fēng)情況則主要是考慮道路傾斜或者側(cè)向風(fēng)對車輛帶來的側(cè)向力矩的影響，需要檢測對應(yīng)的道路傾斜或側(cè)風(fēng)，并針對性提出對應(yīng)控制策略。

例如，電裝專利US10640110B2[25]中提出，通過外傾角檢測裝置檢測路面外傾角，漂移檢測裝置檢測自身車輛的漂移，根據(jù)路面外傾角、車輛漂移針對性調(diào)整車輛在車道保持控制時(shí)的力矩。德爾福專利CN107415944A[26]中提出，在車輛兩側(cè)的車門上安裝絕對壓力傳感器，通過絕對壓力傳感器來判定橫向風(fēng)力的大小，車道保持系統(tǒng)根據(jù)橫向風(fēng)力的大小來調(diào)整控制策略。

3 結(jié)論

目前，異常狀態(tài)車道保持控制策略已經(jīng)入技術(shù)發(fā)展的成熟期；異常狀態(tài)車道保持控制策略專利進(jìn)入國家主要集中在日本、中國、美國、德國和歐專局，并且日本是第一目標(biāo)申請國。從技術(shù)掌握情況來看，排名前10申請人掌握全球62.2%的申請量，技術(shù)較為集中；并且前10中有4家主機(jī)廠和6家零部件供應(yīng)商，技術(shù)在主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商共同掌握。值得關(guān)注的是，受限于市場、成本等因素，車道保持系統(tǒng)的配置情況與技術(shù)掌握情況一致性并不高，以B級(jí)轎車為例，技術(shù)掌握較為領(lǐng)先的豐田和本田全系配置車道保持系統(tǒng)，而技術(shù)掌握同樣領(lǐng)先的馬自達(dá)全系未配置，技術(shù)掌握排名第一的日產(chǎn)也僅在高配車型中配置了車道保持系統(tǒng)。

異常狀態(tài)車道保持控制策略可以按照異常狀態(tài)分為車道線異常、彎曲道路和道路傾斜/側(cè)風(fēng)這3 大類。其中，最主要的就是車道線異常，占比64%；彎曲道路占比30%，道路傾斜/側(cè)風(fēng)的研究僅占6%。具體來看，車道線異常時(shí)車道保持控制策略從檢測裝置改進(jìn)、識(shí)別策略改進(jìn)和控制策略改進(jìn)3大方向進(jìn)行改進(jìn)，檢測裝置改進(jìn)需要增加傳感器硬件成本，識(shí)別策略改進(jìn)成本增加較少，而控制策略改進(jìn)主要目標(biāo)在于克服車道線異常時(shí)的不適控制。彎曲道路上車道保持控制策略則重點(diǎn)考慮彎曲道路與非彎曲道路的區(qū)別，對不同類型道路采用不同控制策略。道路傾斜/側(cè)風(fēng)則重點(diǎn)考慮針對性解決路傾斜或者側(cè)向風(fēng)對車輛帶來的側(cè)向力矩的影響。