智能网联汽车环境感知技术发展态势分析

总第193期,夏文广 张珺丽发表,[其他]文章

智能网联汽车环境感知技术发展态势分析

夏文广 路浩集团法律事务中心副总经理

张珺丽 路浩集团分析咨询师

技术背景

人工智能和新一代信息技术的快速发展,正推动汽车产品的智能化与网联化,推动人们交通出行的未来变革。当前,在技术发展和产业探索实践的综合推动下,汽车自动驾驶成为现阶段汽车技术领域研究的重点和热点。2020年,国家发改委、工信部先后正式颁发《智能汽车创新发展战略》和《新能源汽车产业发展规划(20212035年)》,将发展智能网联汽车作为国家发展战略的重要内容,明确发展目标:到2025年,实现高度自动驾驶智能网联汽车达到规模化生产和特定场景的商业化应用。

随着人工智能技术的发展以及国内外相关政策的开放,自动驾驶不断向商业化推进,现已成为目前发展最快的人工智能产业之一。自动驾驶涉及的四大核心技术分别是环境感知、精确定位、路径规划、线控执行。其中,环境感知是实现精准定位、决策控制等技术的前提,指的是通过摄像头、传感器、雷达对自动驾驶行为参与方的环境监控以及信息获取。

环境感知从专利技术的角度可以分为三个技术分支,包括基于视觉传感器的环境感知、基于雷达传感器的环境感知和基于多模态融合传感器的环境感知。为此,本文将从环境感知技术及其三个技术分支的专利发展态势开展相关分析,以了解相关技术的发展趋势和市场竞争情况。

检索说明

本文以环境感知的三个技术分支为基础构建检索要素,使用incoPat数据库进行全球数据检索,检索截止日期为2023129日,检索数据涉及全球和中国申请的相关专利

环境感知专利技术发展态势分析

本章将从环境感知全球专利申请趋势、环境感知全球创新实力、环境感知创新主体、环境感知法律状态四个方面,对环境感知专利技术发展态势进行分析。

环境感知全球专利申请趋势分析

从图1中可以看出,环境感知技术的全球专利申请总体呈现上升趋势。自2015年起,环境感知技术进入快速发展阶段,专利数量逐年大幅度增加,并在2020年达到峰值,说明近年来随着智能汽车和无人驾驶技术逐渐走入人们生活,全球各国对于环境感知技术越来越重视,该技术领域的申请人持续增加,更多的市场主体开始加入环境感知赛道进行竞争。

环境感知全球创新实力分析

由图2可知,环境感知技术的专利申请地域主要包括中国、美国、日本、德国、韩国等国家。其中,中国和美国的专利申请数量最多。环境感知技术在中国的专利申请量超一万件,在美国的专利申请量也有将近8000专利,数量远超第三名日本。这说明美国和中国是环境感知技术领域主要的技术研发国,并且拥有较好的市场前景。

专利申请的技术构成来看,各国均在雷达传感器技术分支申请了较多专利,在视觉传感器和多模态融合感知技术分支申请的专利数量相对较少,说明雷达传感器技术是目前环境感知技术领域的热门发展方向。

环境感知创新主体分析

1.环境感知全球创新主体实力分析

从图3中可以看出,环境感知技术全球专利申请量排名前十的创新主体中,有3家企业来自日本,3家企业来自德国,3家企业来自美国,1家企业来自中国。其中,来自日本的本田占据首位,来自德国的博世和来自美国的英伟达分别排名第二和第三位。专利数量进入世界前十的唯一的中国申请人是华为。

本田针对环境感知技术在车辆控制方面的应用进行了重点研发,提出了能够实现与环境相应的车辆控制装置,提高了车辆自动驾驶的安全性;博世在激光雷达设备上进行优化,从而实现光学“串扰”和错误探测的最小化;英伟达将环境感知技术用于优化自动驾驶车辆启动过程中的状态暂停,节省了车辆重新启动的时间。

中国企业也可以关注专利数量位于世界前列的企业目前关注的技术热点和专利布局思路,在加强研发的同时,也要重视创新技术在国际上的知识产权保护。

2.环境感知中国创新主体实力分析

从图4中可以看出,环境感知技术中国专利申请量排名前十的创新主体中,有6家为企业,4家为高校。排名前三的创新主体分别为华为、大疆科技和百度。

华为利用环境感知技术获取的信息,实现了在物体意图不确定的情况下,求解出自车最佳动作,减少不合理的点刹和误抢行,提高自车的乘车舒适性、安全性和通过性;大疆科技提出了基于本地感测的自主导航以及相关联的方法,增强了本地生成的导航地图和/或辅助移动平台的其它自主导航功能。

可见,当前我国在环境感知领域的技术创新实力水平较高的主体为企业。同时,一些高校也有不可忽视的创新成果。因此,可以通过促进校企间合作的方式,加强创新成果的产业化。

环境感知全球法律状态分析

由图5可知,从法律状态来看,在环境感知技术领域,视觉传感器与雷达传感器技术分支均是有效专利多于审中专利,审中专利多于失效专利,说明二者均起步较早,目前已有一定技术积累;多模态融合感知技术分支则是审中专利多于有效专利,有效专利多于失效专利,说明该技术分支目前正处于快速发展阶段,需要持续关注最新技术发展。

各技术分支专利布局分析

本章从环境感知的三个二级技术分支出发,分析视觉传感器、雷达传感器、多模态融合传感器在全球的专利申请趋势、各国技术分布情况及创新实力。

视觉传感器

1.视觉传感器全球专利申请趋势分析

由图6可知,视觉传感器在近十年的研发热度持续上升,在2019年达到顶峰(773件)。这与图像识别技术近年来的飞速发展密不可分。但是,由于视觉传感器在自动驾驶中存在一定技术瓶颈,2019-2020年间,其专利数量又略有下滑。

2.视觉传感器各国技术分布情况

视觉传感器主要有五个技术分支,分别是:图像读取、数据处理及相关算法;基于视觉的智能驾驶控制系统 ;视觉传感器部件及电路;图像通信;基于视觉的测距方法。由图7可知,视觉传感器的研发主要集中在图像读取、数据处理及相关算法,基于视觉的智能驾驶控制系统,视觉传感器部件及电路这三个方面。

在图像读取、数据处理及相关算法方面,专利数量排名前三的国家分别是中国、日本和美国。我国在这一领域的专利数量遥遥领先,主要涉及车道判断、障碍物判断、交通场景识别、动态物体识别以及行动轨迹预测等技术的创新和改进。

在基于视觉的智能驾驶控制系统方面,专利数量排名前三的国家分别是日本、中国和韩国,相关专利技术主要涉及风险预警、三维环境地图、盲区预警等方面。

在视觉传感器部件及电路方面,专利数量排名前三的国家分别是中国、日本和美国,主要涉及行为监视装置、图像捕获装置以及多种摄像头的改进等方面。

综上所述,图像处理、数据读取及相关算法是视觉传感器领域的创新热点,这与神经网络的发展密不可分。而基于视觉的测距方法和图像通信是视觉传感器研发的薄弱环节,这也是造成依靠视觉的自动驾驶容易出现安全问题的主要原因。我国在视觉传感器领域的技术创新具有极大的优势,特别是在图像读取、数据处理及相关算法方面的专利数量领先世界其他各国较多;而在基于视觉的测距方法和图像通信这两个薄弱环节,则需要加大研发投入,增强视觉传感器的安全性。

3.视觉传感器创新实力分析

由图8可知,在视觉传感器领域,专利数量排名前三的企业分别是现代、电装和丰田。在专利数量排名前十的企业中,来自德国和日本的企业均为3家,来自美国的企业有2家,来自韩国和加拿大的企业分别为1家。

现代在视觉传感器领域的技术研发重点涉及车道保持辅助系统、深度学习的自主车辆控制系统、复杂地形的自动驾驶路径规划等方面;电装的主要研发关注点涉及监视驾驶员注意力的驾驶监视系统以及相关的成像装置;丰田的研发方向涉及车载摄像头图像中人物的关联、车载图像处理装置、立体图像监测方法(道路障碍物)。技术方案中涉及大量深度学习、卷积神经网络(CNN)和图像处理相关技术。

由此可见,视觉传感器领域的技术创新与神经网络密切相关。虽然目前单独依赖图像处理技术还不能完全达到自动驾驶的安全要求,但这一方向依旧是研发热点。我国企业在此方向也可以持续研发,不断完善图像处理相关的自动驾驶技术。

雷达传感器

1.雷达传感器专利申请趋势分析

如图9所示雷达传感器的专利申请量在近十年——特别是2015年至2020年——呈现出平稳上升的趋势,并在2020年达到峰值(2845件),其专利数量总数也远超视觉传感器和多模态融合传感器。雷达传感器在自动驾驶中起到了重要的作用,在障碍物测距、碰撞预警、车辆路径规划以及辅助驾驶方面都有广泛的应用。因此,随着自动驾驶的功能需求的不断增多,雷达传感器的研发投入也不断增大,相关专利数量也呈现出持续上升的趋势。

2.雷达传感器各国技术分布情况

雷达传感器主要分为激光雷达传感器、超声波雷达传感器和毫米波雷达传感器。在雷达传感器方面,专利数量排名前五的国家分别是中国、美国、德国、日本和韩国,这些国家在涉及自动驾驶的各个相关技术领域均处于世界前列(见图10)。

激光雷达传感器方面,专利申请数量排名前五的国家分别是美国、中国、德国、日本和韩国,专利数量分别为4202件、3049件、1672件、766件和562件。中美两国在激光雷达传感器方面的创新优势较为明显。专利主要涉及的技术点有雷达测距、雷达防撞、雷达引导等方面。国内外的自动驾驶研究路线主要集中在激光雷达方面,因此其专利数量也是最多的。

毫米波雷达方面,专利申请数量排名前五的国家分别是中国、日本、美国、德国和韩国。我国在此技术分支的专利数量远超其他国家。毫米波雷达在环境感知中常作为辅助传感器使用,相关专利主要涉及环视探测、雷达点云数据识别、动态目标探测等方面。

超声波雷达方面,专利申请数量排名前三的国家分别是中国、德国和日本,专利数量分别是573件、84件和54件。超声波雷达主要应用于防碰撞预警,相较于激光雷达和毫米波雷达,超声波雷达的适用范围较小,因此相关技术的创新也较少。我国在超声波雷达技术领域的相关专利数量远高于世界其他各国,具有极大优势。

综上所述,我国在雷达传感器方面,特别是在毫米波雷达和超声波雷达方面具有较强的创新实力。在加强研发投入的同时,我国也应注重将科研成果产业化。在激光雷达方面,我国的专利数量与美国相比有一定差距,可以继续增强研发力度。激光雷达和毫米波雷达作为环境感知技术的研发热点,各个国家在这两个方面均有较多创新成果,我国在研发的同时也要注意其他国家的技术发展。

3.雷达传感器创新实力分析

由图11可知,雷达传感器全球创新主体中排名前三的分别为博世、英飞凌和慧摩,专利数量分别为631件、371件和342件。在排名前十的创新主体中,来自德国、中国和日本的分别有3家,来自美国的企业有1家。

博世的技术创新点涉及雷达传感器触发地理围栏、雷达探测物体移动轨迹、雷达探测潜在障碍物等方面;英飞凌在毫米波雷达探测潜在障碍物、雷达传感器盲点监控、雷达巡航系统等方面有技术创新;慧摩的技术创新则集中在激光雷达方面,主要涉及激光雷达控制车辆绕行障碍物、雷达测距、激光雷达相关部件等方面。

此外,值得一提的是,慧摩(Waymo LLC)是Alphbet在中国注册的全资子公司,公司基于Google实验室研发无人驾驶领域的软件及传感器,其专利数量排名世界第三,远超同为中国企业的华为和大疆科技,一定程度上反应了国外企业对于中国无人驾驶领域市场的重视。

多模态融合传感器

1.多模态融合传感器专利申请趋势分析

多模态融合传感器的专利申请数量相对较少,近十年的专利申请量整体呈现出上升趋势。如图12所示,2018-2020年间,多模态融合传感器的专利申请数量增长幅度较大,申请量在2020年达到峰值,为1399件。由于单一依靠视觉的传感器在安全性方面存在问题,但基于雷达的传感器成本较高,因此在自动驾驶技术趋于完善、由研发转向商用的大环境下,同时考虑技术效果和成本,多模态融合传感器在环境感知方面具有技术优势和良好的发展前景。

2.多模态融合传感器各国技术分布情况

由图13可知,美国、中国、日本、德国和韩国在多模态融合传感器的总体创新实力较强。而在多模态融合传感器的三个技术分支中,多模态智能驾驶控制系统、多模态数据处理算法及系统两个分支的技术创新较多,多模态传感器部件分支相关技术专利数量较少。

在多模态智能驾驶控制系统方面,专利数量排名前三的国家分别是美国、日本和中国,分别为1077件、816件和671件。多模态智能驾驶控制系统的研发主要涉及结合视觉传感器和雷达传感器两种模态的智能驾驶控制系统和辅助驾驶控制系统两个技术方向。

在多模态数据处理算法及系统方面,专利数量排名前三的国家分别为美国、中国和德国,分别为970件、611件和215件。相关专利主要涉及两种模态的数据获取和数据处理、传感器融合系统等方面。

在多模态传感器部件方面,专利申请量排名前三的国家分别是中国、美国和日本,分别为247件、233件和149件,主要涉及传感器系统部件、传感器信息获取部件以及信息结果展示部件等技术点。

综上所述,我国在多模态融合传感器技术分支的创新实力处于世界前列,但相较于美国还有较大的提升空间;在智能驾驶控制系统方面可以加强研发力度,通过政策支持、校企合作等方式增强创新成果的产出。

3.多模态融合传感器创新实力分析

如图14所示,多模态传感器全球专利数量排名前三的企业分别为本田、英伟达和通用汽车,专利数量分别为774件、534件和225件。排名前十的企业中,来自美国的有4家,来自日本和韩国的分别有2家,来自中国和德国的各有1家。

多模态传感器技术的发展与计算机技术以及神经网络密不可分。在上述排名前十的企业中,来自美国的英伟达、高通和辉达均为科技公司,这三家企业的研发创新都集中在环境感知的软件方面,模态主要涉及雷达信号和摄像头图像、点云和摄像头图像、多模态雷达等。辉达的专利集中在多模态神经网络在自动驾驶环境感知方向的创新和优化。而来自中国的华为也在多模态软件方面有一定的创新。

由此可见,多模态传感器技术越来越受到创新主体的重视,相关研究成果也不断产出。中国企业还需在此方面加强研发,在技术竞争中掌握话语权。

结语

近年来,智能网联汽车产业随着人工智能、大数据、云计算等技术的不断推动进入了高速发展的阶段。当前,自动驾驶进入规模化量产阶段,技术储备趋于完善,关注点转向如何实现技术的商业落地。环境感知是保证智能汽车联网安全的重要技术领域,各大汽车制造企业、科技公司及科研院所均在此方面进行了大量的研究。

在环境感知方面,我国专利数量进入世界前十的申请人只有华为一家科技公司,汽车制造企业在这一方面还有较大的提升空间。可以通过促进科技公司与汽车制造企业合作的方式,从多方面提高我国在该领域的创新实力,降低研发成本,尽快将创新成果产业化。同时,企业也可以选择与吉林大学、西安电子科技大学以及电子科技大学等具有较强科研实力的高校进行合作,以促进产学研转化。

在产业方面,需要关注我国企业在环境感知方向的发展,关注慧摩一类新进入中国市场且目标较为明确的企业的研发路径及投资动向,以帮助我国企业抢占市场先机。同时,我国企业也可以效仿慧摩,采用专利先行的方式进行市场保护。

在进行技术创新时,可以考虑在较为薄弱的技术分支或者空白点加大研发投入,例如计算机视觉方面的图像通信、基于视觉的测距方法,雷达传感器中的超声波雷达传感器以及传感器零部件等方面。此外,对于一些创新热度较高的技术点,在持续研发的同时,也要关注国外企业的研发动向,争取抢占创新优势,通过完善的专利布局保护相关知识产权,避免“卡脖子”技术的出现。



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