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自动驾驶技术专利分析简报

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一、背景技术

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图1 自动驾驶汽车涉及关键技术及组成


自动驾驶技术,是指让汽车拥有环境感知和路径规划能力并实现自主控制的技术,涉及传感器、计算机、人工智能、通信、导航定位、模式识别、机器视觉、智能控制等多门前沿学科。

根据自动化程度的不同,可以分为以下等级:

L1级-辅助驾驶:搭载车道偏离预警等辅助功能。

L2级-部分自动驾驶:可以在特定条件下自动控制方向或速度,但需要人全程监控。

L3级-有条件自动驾驶:系统可以在设定路段内全部控制,但需人工可随时接管。

L4级-高度自动驾驶:系统可以完全掌控,但仍限定在特定条件下使用。

L5级-完全自动驾驶:实现无限制条件的全自动驾驶。

近两年来,随着自动驾驶技术的突飞猛进,各大整车企业、自动驾驶系统解决方案提供商(如百度阿波罗、景驰等)也在不断探索,将自动驾驶技术向商业化应用推进。2022年我国在售新车L2和L3的渗透率分别为35%和9%,预计2023年将达到51%和20%,部分科技公司直接研发L4级自动驾驶,并在部分城市路段或特定场景下进行测试。显然,自动驾驶已经不再是遥不可及的“未来技术”,在未来的五至十年间必将掀起一场新的技术浪潮和市场变革。


技术构成

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图2 自动驾驶技术分级标准

自动驾驶技术主要由车辆环境感知与决策、行驶过程中精准定位、行驶路径规划和车辆线控执行四个部分组成。


01 车辆环境感知与决策

环境感知作为第一步,就是采集与处理环境信息和车内信息,它是实现智能车辆自主行驶的基础。车辆周围环境信息的获取需要用到道路边界检测、车辆检测、行人检测等技术,也即传感器技术,所用到的传感器一般有激光测距仪、视频摄像头、车载雷达、速度和加速度传感器等等。

自动驾驶的传感器系统收集汽车周围的信息,接下来就要充分利用这些信息进行理解分析,然后做出决策(例如转弯、变道、加减速),决策层就是决定下一步如何行驶的最强大脑。

决策层是自动驾驶技术的脑力担当,传感器会对周围环境进行充分感知,生成庞大的数据信息,而决策层需要在接受这些信息后,从安全性、舒适性、节能性等多个方面综合考虑,寻找最优、最合理的驾驶策略,然后将指令发送至执行层,最终实现车辆的自动驾驶。

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图3  基于信息融合的车辆环境感知技术

无论是提高车辆对环境的感知精度,还是提高底层执行系统的控制精度,都是优化自动驾驶技术的可行路径,但决策层才是决定自动驾驶能否实现的关键所在。即便一款车对环境的感知再精准,对驾驶动作的执行再迅速,如果决策不合理,最终也必然会存在风险,影响驾驶安全性。因此只有当决策合理时,驾驶性能的优越性才能够体现。


02 行驶过程中精准定位

高性能运算技术、车与外部设施通信的V2X技术使汽车能够与交通标志、行人、其他车辆、云端等参与交通的所有对象通信,让汽车不再是单一的个体,而是数字出行中一个有机组成部分。V2X通信技术不仅可以让车与车通信,还能实现云端的大数据平台与汽车进行通信,除了使汽车拥有各种丰富多彩的网联化服务外,还可以通过云端平台对所有的交通参与者进行统一的调度和整合,实现真正智慧化的无拥堵交通。

同样的,以北斗卫星等定位卫星为基础、以车辆传感器为辅助实现的VEPP高精度定位技术在实现自动驾驶中也是不可或缺。VEPP技术相比于传统的北斗、GPS卫星定位系统,可以实现车道线级别的定位精度,为自动驾驶提供坚实的技术后盾。


03 行驶路径规划

路径规划是指智能车辆收到行驶任务后,在进行环境信息感知并确定车辆在环境中位置的基础上,按照一定的搜索算法,找出一条可通行的路径,进而实现智能车辆自主导航。

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图4  采用五次多项式的路径规划曲线

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图5  基于四阶贝塞尔曲线的路径规划曲线


04 车辆线控执行

线控技术是指由“电线”或者电信号来传递控制,取代传统机械连接装置的“硬”连接来实现操控的一种技术。线控底盘由转向、制动、换挡、油门、悬架五大系统构成。线控系统取消了部分笨重且精度较低的气动、液压及机械连接,取而代之的是电信号驱动的传感器、控制单元及电磁执行机构,具有结构紧凑、可控性好、响应速度快的优势。传感器将驾驶员的操纵指令转换成电信号传送给控制器,控制器分析信号、并将指令发送给执行机构,最终由功能装置实现目标指令。


二、专利分析解读

(一)全球申请人排名

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从全球申请人排名来看,日本丰田公司在自动驾驶技术领域以5616件专利申请量位居全球第一,其次是美国的福特汽车,以5025件专利申请量位居第二;日本的本田公司,中国的百度公司分别以4076和3979件专利申请量位居全球三、四位;德国的博世公司、韩国的乐金集团、韩国的现代公司、中国的华为公司、美国的通用汽车、德国的大众公司,分别占领自动驾驶技术领域全球专利数量的五至十名。

丰田不仅在传统汽车领域属于头部企业,在自动驾驶领域的专利数量也位居全球第一。丰田的全新自动驾驶辅助系统Advanced Drive,该系统由毫米波雷达、3D摄像机、多机位摄像机、LiDAR(激光雷达)以及高精度地图组成,具有识别精度高,稳定性好等优点。

百度近些年致力于自动驾驶技术的研究,并依靠全栈AI技术研发出产品Apollo ANP。Apollo ANP 搭载了百度自研自采的高精地图,相比于其他自动驾驶系统拥有更强的感知冗余能力,目前已经迭代至3.0版本。2022年12月16日,在全球智能汽车产业峰会(GIV2022)上,百度Apollo公开了一段三域融通高阶智驾产品ANP3.0的多城市泛化路测视频,引起行业内广泛关注。在这段不到三分钟的视频中,搭载ANP3.0的车辆历经各种复杂路况,展现出超高的智驾能力,同时也体现出百度在智能驾驶领域的实力与持续深耕的决心。

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图6  Apollo ANP3.0 临时红绿灯识别应对

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图7  Apollo ANP3.0 无红绿灯保护路口左转

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图8  Apollo ANP3.0 自动通过ETC

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图9  Apollo ANP3.0大曲率魔鬼弯通行

自动驾驶技术领域专利申请量的排名中,中国、日本、韩国、美国、德国各有2家企业入围前十名,可见在自动驾驶技术领域中,各国竞争十分激烈,各个申请人也十分注重自动驾驶技术的研究,每个公司都掌握着一些核心技术,创新实力都较为强劲。自动驾驶技术研发动力依旧强劲,未来仍将继续高速发展。


(二)全球创新发展趋势

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1、技术萌芽期(2010年以前)

2010年之前,自动驾驶这一概念还较为新颖,专利申请量很少,相关产业还未形成雏形。不过这一时期,各高校、科研院所与高新技术企业正不断研发自动驾驶相关技术。例如,上世纪90年代末清华大学研发出自动驾驶实验平台和THMR系列无人车;2003年清华大学成功研制出THMR-V无人驾驶车,能够在标识清晰的结构化道路上以超过100公里每小时的速度行驶;上海交通大学在2005年研制出首辆城市无人驾驶汽车。


2、技术突破期(2011年~2015年)

这一时期自动驾驶技术有了进一步的发展,业内提出了感知、定位、规划、执行等自动驾驶技术的具体概念,谷歌的waymo在这一时期作为行业的技术标杆,引领着自动驾驶技术不断向前。2012年waymo展示了其配备自动驾驶技术的赛车,并且达到了L4级自动驾驶标准,即在特定路段可以完全不需要驾驶员进行自动驾驶。在这一时期,自动驾驶相关技术虽有了一定发展,但其技术发展路径还尚不明晰,所以相关专利申请数量增长速率有限。


3、快速发展期(2016年至今)

2016年之后,全球自动驾驶技术领域专利申请量进入了急速增长期,随着自动驾驶技术概念不断完善,相关产业趋于成熟,自动驾驶技术突破层出不穷,相关专利申请也持续走高。在此期间,大量中国企业的身影也开始在自动驾驶领域显现。百度、华为等传统互联网企业利用自身的AI技术、互联网资源优势,在自动驾驶领域发展迅猛,各企业飞快建设专利壁垒,专利申请数量呈爆发性增长。

可见,自动驾驶技术已经成为各国研究热点,未来也必将给人们的生活带来巨大的便利,并且自动驾驶技术能够有效减少交通事故的发生。在百度、特斯拉、华为等自动驾驶领域领头羊企业的推动下,自动驾驶技术专利数量依旧会保持较高的增长态势。


(三)全球主要专利申请地域

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上图展示了自动驾驶技术领域在全球主要的专利布局情况。如图所示,自动驾驶技术领域全球专利公开地域主要包括中国、美国、日本、德国、韩国、法国、英国、瑞典、以色列、荷兰等,同时说明这些国家也是自动驾驶技术产业应用的主要国家。

在中国(含港澳台)和美国的专利申请数量远高于其他国家,分别为51212件与50214件,说明自动驾驶技术领域的竞争主要在美国与中国之间,因此未来美国和中国之间的技术博弈以及技术路径的选择将会影响自动驾驶行业的发展。日本、德国、韩国、法国、英国、瑞典、以色列、荷兰等国家,自动驾驶领域的专利数量也相对较多,也是值得布局自动驾驶专利的地域,同样也是自动驾驶行业巨大的应用市场。


(四)小结

综上可知,自动驾驶技术经过三个发展时期,从产业的雏形出现,到行业内感知、定位、规划、执行等自动驾驶技术具体概念的提出,再到专利申请量的急速增长,自动驾驶技术概念不断完善,自动驾驶技术突破层出不穷。

展望未来,自动驾驶技术在某些封闭场景中的应用将会先行,比如在物流和货运领域的自动驾驶卡车、农业领域的自动驾驶拖拉机和收割机、公共交通领域的自动驾驶公交车和出租车等。这些封闭且结构化的环境有利于自动驾驶系统效果的提升并降低风险。随着技术的日臻成熟,自动驾驶才能真正成为我们的日常出行方式,这可能还需要五到十年甚至更长的时间。不过无人驾驶可以给我们带来诸多便利,也会对就业和城市规划产生深远影响,作为一项革命性的技术,一旦成熟,将会彻底改变人们的出行方式。




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