智能座艙專利技術分析

潘麗娜

易建瓊國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心 四川 成都 600010

引言

越來越多的駕駛者已經將汽車作為他們的第三生活空間，而不僅僅局限于作為傳統的交通或通勤工具。作為實現生活空間塑造的核心載體的智能座艙，吸引了越來越多的關注。智能座艙技術主要涵蓋座艙內飾和座艙電子領域的創新與聯動，是擁抱汽車行業發展新興技術趨勢，從消費者應用場景角度出發而構建的人機交互（HMI）體系[1]；通過對智能座艙相關專利總體（包括發明專利﹑實用新型專利）年代趨勢進行分析得出：2017 年以前有關智能座艙的專利申請量一直較低，2017年以后專利的申請量逐年增長，并呈持續穩步上升的狀態。另外，根據數據統計分析我國在智能座艙領域的專利最早出現在2016年。而縱觀汽車座艙的發展歷史，而縱觀汽車座艙的發展階段，由2000年以前使用單一的機器儀表以及簡單音頻播放設備為代表的機械時代，到2015年以小尺寸娛樂顯示并出現少量觸屏以及液晶儀表的初具智能化雛形的電子時代，從2015年至今，市面上也涌現了大量的大尺寸屏幕甚至多聯屏，信息娛樂系統功能逐漸豐富，智能化程度逐漸提高[2]。可見，專利發展趨勢與市面汽車座艙的發展趨勢基本一致。

智能座艙不僅包括座艙內的各個零件﹑部件，同時也涵蓋將這些零部件集合到一起的系統和控制器，促使用戶能夠在使用過程中獲取更多有用的信息。通過梳理智能座艙關鍵技術，可以劃分為以下幾個方面：座艙基礎功能設施技術，汽車智能座椅技術。

1 座艙基礎功能設施關鍵技術

1.1 多元化控制

雖然在2017年才將智能座艙作為一個整體概念提出，專利（CN106814666A，2017）首次提出一種一機多屏的智能座艙系統，該系統主要由車載娛樂信息系統﹑虛擬數字化儀表盤﹑左右后座設置的供乘客使用的娛樂系統﹑車載導航儀﹑SOC芯片以及MCU芯片組成。使用一顆SOC芯片將五個子系統相互統一連接，其中的SOC芯片實現了對各子系統發送信息接收以及各子系統控制。該專利首次提出以一機多屏的控制模式，通過SOC芯片以及MCU芯片，將多套車載電子系統進行整合統一，實現智能座艙的基本框架搭建。而對于智能座艙的研究早在2011-2012年間就已經開始，申請號為201110056383.0，發明名稱為《一種多屏獨立操控的新型架構車載信息系統》的中國專利已經公開一種通過創新的嵌入式軟硬件架構在車載系統中實現多屏互動的車載多媒體互動終端。申請號為201210336069.2﹑發明名稱為《一種智能汽車虛擬儀表系統及其實現方法》的中國專利則公開了一種汽車智能虛擬儀表系統，該系統由主機模塊﹑從機模塊﹑車載總線﹑人機交互模塊﹑虛擬儀表顯示屏和傳感器組成，其中傳感器負責在車輛行駛過程中獲取車輛行駛信息；其中主機模塊將從機模塊﹑傳感器﹑車載總線以及用于人機交互的人機交互模塊以有線連接的方式連接，主機模塊作為主要控制模塊，其上不僅連接有虛擬儀表顯示屏，還與視頻接口和音頻接口有線連接以實現對視頻顯示模塊﹑聲音播放功能的控制。由此可以窺見，早期的汽車座艙已經初具智能座艙的雛形。

正如IHS Markit汽車技術高級分析師Chen Dexin在接受采訪時指出的那樣，將“一機多屏”等同于“智能座艙”的看法并不準確[3]，智能座艙應該是一個有著便捷和多樣化的人機交互/人人交互手段，更多艙內傳感器，更為貼合汽車運用場景APP的一個系統，因此人們致力于研究各種解放用戶雙手提高用戶體驗的人機交互方法。例如通過面部表情適配或人臉識別實現汽車控制（參見CN108334871A，2018；CN110562271A，2018），將指紋識別應用于汽車實現指紋啟動﹑指紋防盜﹑身份識別等功能，大大提高汽車的安全性﹑舒適性和便捷性，進一步利用智能座艙組件獲取指紋圖像并完成指紋識別的計算處理以實現指紋識別功能，獲得處理速度快﹑交互效率高﹑配件成本低的座艙配置（參見CN110562198A，2018）；將手勢識別應用于座艙控制，能夠使得用戶在不接觸按鍵或屏幕情況下實現與座艙系統的交互（參見CN111332234A與CN111338465A，2018）；由于車載環境嘈雜，傳統的語音識別依賴于對聲音信號的采集，而所采集的信號受噪聲污染嚴重，導致語音的識別率非常低，在這樣的背景下，提出通過對駕駛人員說話時的唇形進行識別，具體地通過大量唇形圖像數據與對應詞語數據訓練學習，以建立對應的唇形識別模型，當采集到唇部視頻圖像數據以后，分析視頻圖像數據并提取其中的圖像特征值，將圖像特征值輸入唇形識別模型中從而根據唇形推測出對應的語音指令，根據對應的語音指令實現車載控制（參見CN111724786A，2019）。

如果說通過手勢﹑語音﹑指紋等信息進行控制，并未將解放用戶發揮到極致，那么使用意念控制汽車座艙將使汽車與用戶完全融合，北京汽車股份有限公司在2019年提出使用意念機對駕駛員的腦電波信號進行采集和處理，解讀腦電波信號獲得駕駛員的情緒信息，然后使用駕駛員的情緒信息與相應的氛圍燈顏色進行匹配，根據匹配結果控制氛圍燈發出對應的顏色，達到意念控制汽車的內部氛圍環境的目的（參見CN210116438U，2019）。既然汽車作為用戶第三生活空間，其中不僅包括了各類車載娛樂系統﹑實現汽車行駛輔助功能的車載導航系統，還包括駕駛相關的控制系統，僅僅對氛圍燈進行控制當然遠遠不夠，因此人們致力于研究利用所采集的腦電信號進行所有非駕駛任務的控制，從而實現在不需要汽車用戶產生任何肢體運動或語言，僅僅通過腦-機接口采集腦電信號，通過分析所采集得到的腦電信號根據分析結果實施非駕駛任務，從而實現用戶與汽車的交互（參見CN 211001203 U，2019）；同時，意念控制方向的發明還能夠惠及運動障礙者，例如通過設置可穿戴式的腦電信息采集裝置，對穿戴者在開車過程中對車輛運動的想象進行腦電信息采集以及分析，從而使得殘疾人在不使用肢體操作的情況下實現智能駕駛（參見CN113002558A，2021）。

1.2 聲光技術

在車載顯示領域，早在2011年以前，平視顯示器技術已經超越了笨重的控制臺內導航裝置；抬頭顯示裝置不僅作為車內顯示裝置，讓汽車用戶駕駛過程中，抬頭就可以看到行車車速﹑油耗﹑續航油量﹑溫度﹑警告等汽車基本信息，還能夠在抬頭顯示裝置中顯示通話信息﹑導航信息以及音視頻信息等行車擴展信息（參見CN102608760A，2011）。

人們在智能化顯示的道路上一直探索前進，不僅將飛行器上的平視顯示器（HUD）應用到車輛中，為駕駛員提供更廣闊的視野范圍，還引入了增強現實的功能，將增強現實功能結合到平視顯示器中，即增強現實平視顯示器（AR-HUD），通過輔助攝像頭以及傳感器獲取汽車前方物體信息或者道路信息，基于獲取的信息利用聲音或其他報警裝置輔助駕駛員提前感知危險提高駕駛安全（參見CN206031079U，CN206649210U，2017）。

而對于智能座艙中更常用的車載娛樂系統，豐富娛樂功能，實現人機交互的多維控制則是人們研究的熱點。如果說主駕和副駕人員分別操作和控制各自正前方的屏幕，已經實現了主駕駛與副駕駛的解耦（參加CN110356334A，2019）。利用多屏互動方式實現主駕﹑副駕和后排乘客相互獨立無干擾的空間，則將汽車后排乘客的乘車體驗也納入了考慮范圍（參見CN111182078A，2020），進一步對座艙不同位置的播放音箱進行分別控制，使得不同音箱播放不同的音樂，各音箱播放音量實現獨立調節，在提升了座艙音箱資源利用率的同時，更加有效地提高了車內各用戶的引用收聽體驗（參見CN113436656A，2020）。人們還尋求以更智能的方式控制智能座艙的音頻輸出，例如針對坐在不同位置的用戶，通過識別音頻輸出請求找出對應的用戶，使用該用戶收聽效果最佳的音箱播放對應的音頻，通過指向性地輸出聲音，避免了對車內其他用戶造成明顯干擾，進一步提升了智能座艙中的用戶音頻收聽體驗（參見CN112078498A，2020）。

1.3 主動安全技術

汽車行駛過程中的安全始終是重點關注的問題，如今，汽車座艙已經可以通過汽車行駛時長﹑車內的攝像頭進行情緒識別，以判斷駕駛人員是否為疲勞駕駛，在駕駛員疲勞駕駛時，對車內氛圍模式進行動態調節，同時通過自動導航技術引導駕駛員就近到安全的停靠點進行休息（參見CN111391858A，2020）；也可以通過檢測駕駛員在駕駛工程中的眼睛聚焦程度﹑視線方向﹑是否存在打電話和抽煙等危險駕駛動作，在存在這些危險動作時，實時提供駕乘人員注意對自己的駕駛行為進行規范，保障駕駛安全（參見CN112712043A，2021）；還能夠通過設置駕駛員健康監測系統，獲取駕駛員的生理特征信號；基于所述生理特征信號判斷駕駛員的健康狀態；基于駕駛員的健康狀態對車輛進行控制。通過對駕駛員的健康狀態進行實時監測并根據不同的健康狀態對車輛進行相應的控制，有效化解駕駛過程中駕駛員突發健康問題的危機，提升汽車的安全性（參見CN113576436A，2021）。

2 汽車智能座椅關鍵技術

2.1 基于記憶數據恢復實現智能調節

針對首次使用座艙的用戶，手動調節座椅并對相關信息進行存儲記錄，在用戶再次進入座艙后，通過對用戶指紋﹑面部等身份識別特征進行識別，調取存儲庫中的歷史記錄信息進行自動調整，從而提高用戶體驗（參見CN103507730A，2014；CN205601755U，2016；CN112124230A，2020；CN112714720A，2021）。

2.2 基于實時測量實現智能調節

記憶式座椅調整方式往往還不能滿足用戶的實時要求，這就需要通過對駕駛用戶身體條件進行實時檢測，基于檢測結果實現智能調整。例如通過預先存儲定位駕駛員位置的特征信息﹑駕駛員身體信息以及標準座椅位置信息的對應關系，當駕駛員進入駕駛艙后，駕駛員端坐于駕駛位，該系統就能根據定位用戶位置的信息如瞳孔位置信息以及駕駛員體重信息查找所存儲的對應關系，從而確定該駕駛員的標準座椅位置，并根據查找結果對座椅進行智能調節（參見CN103879313A，2014）；僅僅依靠用戶定位信息以及用戶身體信息所調整的座椅位置不一定能夠符合用戶的需求，例如身高體重一致的兩個人的坐姿習慣不一樣，處于駕駛狀態與乘坐狀態的同一個人對于座椅的狀態要求也不一樣，將導致標準座椅并不能滿足該用戶舒適性的要求。此時人們提供了一種更智能化的座椅調節方式，將乘坐者的體型﹑重量﹑年齡以及所處于的狀態（例如處于駕駛狀態﹑游戲狀態或閱讀狀態）作為座椅調整的考慮因素，從而提高各類汽車用戶的使用體驗（參見CN106183901A，2016）。人類總是在追求更智能的道路上奮斗不止，近期更是將人體工程學考慮到汽車智能座椅調節過程中，該方法根據車內用戶身體各個部位的測量數據以及該用戶處于一定坐姿狀態下的各個關節之間的夾角，確定座椅位置﹑高度以及角度的最佳數據，根據確定的數據對座椅進行調節；實現汽車座椅的智能適應性調節（參見CN111267681A，2020）。

3 結束語

近幾年新技術層出不窮，各種技術的融合程度也越來越高，各種新技術與汽車座艙相互融合，使得汽座艙向越來越人性化﹑智能化的方向發展，而未來與汽車座艙融合技術的廣度與深度研究仍具有重要的意義，如何推動未來座艙更加智能化﹑人性化﹑可定制化﹑高度集成化值得人們繼續研究和思考。