基于專利分析的異常狀態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.天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

主題詞：專利分析 車道保持 異常狀態 控制策略

1 引言

交通事故已經成為當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]。據我國交通部統計，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、使用手機等。據美國國家公路交通安全管理局2012年統計數據，約44%的交通事故是由車輛偏離本車道造成的[2]。車輛高級駕駛輔助中的車道保持系統可以有效避免或減輕由于偏離車道所造成的交通事故[3]。

車道偏離輔助系統按照不同的應用功能分為車道偏離預警系統、車道偏離防止系統和車道保持輔助系統[4]，其中車道偏離防止系統即車道保持系統。本文重點研究的車道保持控制策略是指基于車道線檢測結果、車輛姿態、駕駛員操作等感知信息控制車輛在正確車道線內行駛的相關策略。

隨著車道保持技術的成熟，車道保持系統裝機量逐年提升，國內外研究者對于車道保持控制策略已經取得豐富的成果，例如PID算法[5]、人工勢場法[6]、模型預測控制算法[7]、結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下控制，需要道路平坦彎曲度低、光線充足、風力不強、車道線清晰等環境下才可以取得較好的控制效果。而在車道保持系統的實際應用中，受限于道路維護情況和天氣因素，往往存在車道線不清晰、道路變化、側向風等異常狀況，對車道保持系統的可靠性帶來嚴重影響。因此，異常狀態車道保持控制策略是車道保持系統的重要組成部分和實現前提之一，其研究十分重要。

本文采用專利分析方法，分析目前各大企業對于異常狀態車道保持控制策略的技術發展趨勢及解決方案進行研究。

2 異常狀態車道保持控制策略專利分析

2.1 數據采集范圍及相關說明

本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心自主研發的全球汽車專利數據庫，收錄了全球104個國家1.4億余條汽車及相關領域的專利，對全球汽車領域重要企業的專利按照技術領域、技術效果、技術手段3個維度進行人工標引。本文異常狀態車道保持控制策略相關專利選取范圍以申請日為入口，時間截至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，異常狀態車道保持控制策略相關專利全球申請723 件，其中在中國申請123件，異常狀態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 異常狀態車道保持控制策略全球和中國專利申請趨勢

從全球專利申請分布來看，異常狀態車道保持控制策略相關專利申請自2010年至2017年期間迅速發展，并在2017年達到頂峰。在2018年以后專利申請量波動下滑，表明該技術發展已相對成熟，各大企業對異常車道保持控制策略的研究有所放緩。結合目前L2級自動駕駛技術已經在量產車型上大量應用，車道保持系統作為L2級自動駕駛技術的重要組成部分，目前各大企業均已有成熟技術方案（受專利18個月公開期的影響，2020—2021年部分專利數據并未公開）。

中國異常狀態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，申請量較為穩定。當前中國專利申請趨勢與全球保持一致，且技術均處于成熟階段。

2.3 專利申請地域分布

以專利的目標申請國為入口，進行異常狀態車道保持控制策略地域分布分析，異常狀態車道保持控制策略專利進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，日本異常狀態車道保持控制策略專利申請占比最高，達到23%，專利申請量169 件。日本道路情況及天氣因素相對復雜，在日本異常狀態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產權保護體系以及復雜道路環境和對車輛智能化的政策支持，中國成為異常狀態車道保持控制策略的第2目標申請國，各大主機廠均在中國有相關專利申請。此外，美國、歐專局和德國作為專利制度完善的區域，同樣也是異常狀態車道保持控制策略專利的主要目標申請國，不過分析發現專利申請以本國企業在本國申請的情況居多。

2.4 申請人分析

異常狀態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的企業依次是日產、豐田、博世、德爾福、日立、摩比斯、本田、馬自達、電裝和百度；排名前10 的申請人專利申請總量相加達到450 件，占全球申請總量的62.2%，異常狀態車道保持控制策略的專利申請更多集中在頭部企業手中。排名前10的申請人中有4家為主機廠、6家零部件供應商，說明更多主機廠不采取自研異常狀態車道保持控制策略，而采用供應商的解決方案。專利申請量位居首位的是日產，其專利申請量達到163件，是第2名豐田的2.3倍，日產在該技術領域投入了大量研發力量，并且成果較為領先。值得關注的是，國內企業百度以17件專利排名第10位，對于研究無人駕駛技術，勢必需要對異常狀態車道保持控制策略進行研究，提高控制車輛在車道內行駛的可靠性，減少駕駛員接管次數。

圖2 異常狀態車道保持控制策略全球企業專利申請量排名

對各大主機廠主流中型且售價在15 萬元以上轎車的車道保持系統配置情況進行調研，如表2 所示。值得關注的是，雖然日產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航版中配置車道保持系統。而馬自達雖然技術儲備領先，但是21款全系未配置車道保持系統。技術儲備領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。大眾邁騰、別克君越、雪佛蘭邁銳寶和奔馳C級均采用根據不同車型分別配置車道保持系統的策略，鑒于其技術儲備排名不領先，更多采用供應商方案。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。

表2 車道保持系統配置情況

2.5 發明人分析

對異常狀態車道保持控制策略全球專利申請發明人分布情況進行分析，如表3所示。全球排名第1～6、8的發明人均來自日產公司，排名前4的發明人KO?BAYASHI MASAHIRO、TAIRA YASUHISA、FUKATA OSAMU、FUKATA OSAMU 為同一車道保持系統核心研發團隊，相互之間存在大量合作專利申請。排名第7、9～10 的發明人APP THOMAS、TANGE SATOSHI、CHIA MICHAEL I 來自博世，博世的研發團隊較為集中；而豐田則發明人分布相對分散。

表3 異常狀態車道保持控制策略全球專利發明人分布

2.6 技術構成分析

異常狀態車道保持控制策略主要針對不同異常狀態進行分類，異常狀態可分為車道線異常、彎曲道路和道路傾斜/側風這3大類。

車道線異常是最主要的異常狀態。道路年久失修后車道線會存在斷續缺失、不清晰等異常狀態，道路上的塵土、石塊、雨雪等遮擋也會導致車道線異常異常，鑒于車道保持的基礎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，車道線異常會導致車道保持系統無法使用，影響可靠性。其次，過于彎曲的道路例如拐彎或環橋等狀態，需要車輛大幅度控制車輛轉彎，其車身姿態控制與在直線或微曲道路上的控制策略截然不同，需要進一步考慮車輛過彎的安全性和過彎時駕駛員的舒適性。最后，道路傾斜、坑洼以及側向風過大時，會導致車輛無法正常直線行駛，在車道保持系統中需要克服該類側向力的影響，保證車輛在車道中央的行駛。

根據異常狀態分類情況，綜合考慮檢索可行性、行業分類習慣因素，剔除研發關注較低的部分，最終確定異常狀態車道保持控制策略的技術構成，并對技術分布進行統計，如表4所示。其中，關于車道線異常的研究占比最高達到64%，車道線異常也是最主要的異常狀態；對彎曲道路的研究占比達到30%，彎曲道路也是第2主要的異常狀態；而傾斜道路和側風相對出現概率較低，其研究也是最少。可見，異常狀態的出現概率影響相應控制策略的研究。

表4 異常狀態車道保持控制策略技術構成

2.7 關鍵技術點分析

異常狀態車道保持控制策略包括車道線異常、彎曲道路和道路傾斜/側風這3大技術分支，選擇各技術分支中具有代表性的核心專利進行解讀，梳理關鍵技術點和技術發展路線。

2.7.1 車道線異常

對于車道線異常時的車道保持控制策略，主要分為檢測裝置改進、識別策略改進和控制策略改進3大類。

（1）對于檢測裝置改進，主要包括在攝像頭的基礎上，增加雷達、增設衛星定位和增加側向/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、增設衛星定位的核心原理是通過增加傳感器類型以彌補單一傳感器檢測性能的不足，以提高車道線異常時的系統兼容性。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合攝像頭的視覺數據，結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，通過雷達掃描車輛距離左右2側物體的距離，同時結合衛星定位系統來實現車道保持控制。

增加側向/后向傳感器的核心原理是通過多個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致車道保持系統無法工作。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，可以在前向傳感器18、25之外，增設側向傳感器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果的準確性。

圖3 增設側向/后向多傳感器結構[11]

（2）對于識別策略改進，主要指在常規的通過相機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，通過相機判斷路面是否存在積雪，若存在積雪則通過相機獲取雪上車轍，根據雪上車轍執行車道保持控制。豐田專利JP2015217737A[13]中提出，在系統檢測到車道線異常時，在相機檢測車道線的基礎上結合駕駛員轉向力矩重新進行準確車道線判定。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，同時檢測相鄰車道125的車道線140，在行駛車道的車道線120出現異常時，通過相鄰車道的車道線140 執行車道保持控制。此方法應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，提高了識別策略的容錯性。

圖4 車道線識別策略改進[14]

博世專利DE102006047636A1[15]中提出，如圖5所示，當單車道31 突然加寬至雙車道32、33 時，車道保持系統建立假想車道線路31.c，車輛可以通過假想車道線路31.c平穩進入目標車道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車道標志、左側車道標志、在道路上移動的主要對象中的一種來綜合判斷目標車道線。

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

例如，日產專利US20050125153A1[17]中提出，若系統檢測到車道線缺失即退出車道保持系統，遇到車道線缺失頻率較高的路段，則會導致車道保持系統頻繁退出，因此在檢測到車道線不準確時，使車輛減速并保持車道保持系統穩定運行。日產專利JP2001039327A[18]中提出設置車道線檢測周期，根據在檢測周期內的車道線平均檢測率與閾值之間的關系，當平均檢測率低于閾值時，則停止車道保持控制的決策。

日產專利JP2007076508A[19]中提出，若車道線突然變化，車道保持系統控制車道跟隨突然變化的車道線進行轉向控制，會存在安全風險，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，則禁止相應的轉向控制。通用專利CN103085810A[20]中提出，當存在車道線未被識別的異常情況時，檢測前車是否存在，當前車存在時，跟蹤前車進行車道保持控制；當前車不存在時，車道保持系統在預設時間后退出。

2.7.2 彎曲道路

車道保持系統在筆直或微曲的車道上行駛易于實現，只需要根據車道線微調車輛即可；但是對于彎曲道路上的車道保持控制策略，容易出現車道保持控制過于機械化，影響系統可靠性和舒適性，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，基于車輛行進方向上的P2、P4實現車道保持控制；在行進方向的所述道路的形狀是彎道形狀的情況下，基于車輛行進方向上的P1、P3 實現車道保持控制；基于適于道路的形狀調整控制策略，得到符合駕駛員預期的車道保持控制。

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，車道保持系統在對向來車情況下向彎道內側增加車道保持的控制量，以保證安全。博世專利CN107428341A[23]中提出，正常車道保持系統的力矩為3 N·m，當在過于彎曲道路上3 N·m 力矩不足以保證車道保持系統控制車輛在車道中央行駛，因此可以在檢測到彎曲道路時增加車道保持系統的力矩上限。豐田專利CN104870293A[24]中提出，車道保持系統可以根據道路彎曲度適應性執行車輛加速/減速操作，以調整車道保持系統的控制精度，提高舒適性。

2.7.3 道路傾斜/側風

道路傾斜/側風情況則主要是考慮道路傾斜或者側向風對車輛帶來的側向力矩的影響，需要檢測對應的道路傾斜或側風，并針對性提出對應控制策略。

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，根據路面外傾角、車輛漂移針對性調整車輛在車道保持控制時的力矩。德爾福專利CN107415944A[26]中提出，在車輛兩側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力的大小，車道保持系統根據橫向風力的大小來調整控制策略。

3 結論

目前，異常狀態車道保持控制策略已經入技術發展的成熟期；異常狀態車道保持控制策略專利進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申請國。從技術掌握情況來看，排名前10申請人掌握全球62.2%的申請量，技術較為集中；并且前10中有4家主機廠和6家零部件供應商，技術在主機廠和零部件供應商共同掌握。值得關注的是，受限于市場、成本等因素，車道保持系統的配置情況與技術掌握情況一致性并不高，以B級轎車為例，技術掌握較為領先的豐田和本田全系配置車道保持系統，而技術掌握同樣領先的馬自達全系未配置，技術掌握排名第一的日產也僅在高配車型中配置了車道保持系統。

異常狀態車道保持控制策略可以按照異常狀態分為車道線異常、彎曲道路和道路傾斜/側風這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/側風的研究僅占6%。具體來看，車道線異常時車道保持控制策略從檢測裝置改進、識別策略改進和控制策略改進3大方向進行改進，檢測裝置改進需要增加傳感器硬件成本，識別策略改進成本增加較少，而控制策略改進主要目標在于克服車道線異常時的不適控制。彎曲道路上車道保持控制策略則重點考慮彎曲道路與非彎曲道路的區別，對不同類型道路采用不同控制策略。道路傾斜/側風則重點考慮針對性解決路傾斜或者側向風對車輛帶來的側向力矩的影響。