智能汽車避障技術(shù)研究

◆武守秋 萬(wàn)青睿 孔令宇

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心 北京 100000；2.吉林大學(xué) 吉林 130012；3.中國(guó)工商銀行北京分行 北京 100000）

智能汽車是指搭載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并結(jié)合通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與車、路、人、云端等智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，替代人工駕駛操作的新一代汽車。智能汽車主要包括：環(huán)境感知、無(wú)線通信技術(shù)、智能決策、駕駛決策和車輛控制、數(shù)據(jù)平臺(tái)等。

我國(guó)智能汽車預(yù)計(jì)2026年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到5859億元，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委預(yù)測(cè)，2025年中國(guó)智能汽車數(shù)量將達(dá)到2800萬(wàn)輛，可以看出，國(guó)內(nèi)智能汽車規(guī)模不斷增大、增速迅猛。

智能汽車的主要技術(shù)包括：環(huán)境感知、無(wú)線通信技術(shù)、智能決策、駕駛決策和車輛控制、數(shù)據(jù)平臺(tái)等，通過(guò)智能汽車的電子化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和信息共享化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線通信技術(shù)主要包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車之間信息共享與協(xié)同控制所必需的通信保障技術(shù)、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及高精度定位技術(shù)，高精地圖及局部場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)等。智能決策并做出控制執(zhí)行是核心，包括路徑軌跡規(guī)劃技術(shù)、行為決策技術(shù)、危險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)等。

1 主要申請(qǐng)人和分類號(hào)

在Incopat的中文庫(kù)中，以關(guān)鍵詞“智能駕駛、自動(dòng)駕駛、輔助駕駛、智能汽車、無(wú)人汽車、無(wú)人駕駛、無(wú)人車”等進(jìn)行檢索，查詢到文獻(xiàn)十萬(wàn)多篇，可知智能汽車領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)在非?；钴S的領(lǐng)域。這些文獻(xiàn)中主要涉及的技術(shù)包括：定位導(dǎo)航、環(huán)境感知、數(shù)據(jù)融合、高精地圖、路徑規(guī)劃等。申請(qǐng)人主要包括華為技術(shù)有限公司、百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司等高科技企業(yè)、高?？蒲性核?、汽車企業(yè)和汽車零部件企業(yè)。

IPC分類號(hào)主要有G05D、B60W、H04W等，G05D分類號(hào)含義是水上、空中或太空中的運(yùn)載工具的位置、航道、高度或姿態(tài)，其次是分類號(hào)B60W，分類號(hào)含義是與某一特定子系統(tǒng)的控制，例如，使用車輛子系統(tǒng)聯(lián)合控制的系統(tǒng)，即發(fā)明主要集中在姿態(tài)和控制兩方面以保證駕駛安全，目標(biāo)是安全、效率、自動(dòng)化、便利性、準(zhǔn)確性、可控性提高，成本、復(fù)雜性降低。H04W含義是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，主要利用位置信息進(jìn)行無(wú)線通信。

從國(guó)際范圍來(lái)看，專利申請(qǐng)的國(guó)家分別是中國(guó)，美國(guó)，日本，德國(guó)和韓國(guó)。雖然日本在前些年占所有申請(qǐng)的一半以上，但在近年來(lái)其主導(dǎo)地位下降，到2018年以后，中國(guó)專利申請(qǐng)的數(shù)量不斷增加，已經(jīng)占了主導(dǎo)地位，中國(guó)在智能駕駛技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。

從國(guó)內(nèi)范圍來(lái)看，通過(guò)對(duì)智能汽車領(lǐng)域的申請(qǐng)人分析發(fā)現(xiàn)，百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司、華為技術(shù)有限公司等高新技術(shù)企業(yè)專利申請(qǐng)量越來(lái)越多，近年來(lái)不斷增加，在2021這一年達(dá)到近年來(lái)申請(qǐng)量的高峰，主要是因?yàn)榧夹g(shù)儲(chǔ)備、資金和人才充裕，在汽車相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域不斷深耕，使得他們?cè)谥悄芷嚰夹g(shù)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

華為技術(shù)有限公司發(fā)布的《智能世界2030》中，描述了未來(lái)智能汽車實(shí)現(xiàn)安全的技術(shù)路徑：多傳感器融合感知，全波段光技術(shù)結(jié)合圖像識(shí)別和處理，全天候、全方位給車加上一雙“慧眼”；持續(xù)的算法訓(xùn)練與積累，強(qiáng)勁性能的計(jì)算平臺(tái)、高精地圖等，把“未知危害”場(chǎng)景變?yōu)椤耙阎俏：Α眻?chǎng)景等。

下面對(duì)華為技術(shù)有限公司和百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司、國(guó)外重點(diǎn)避障技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司重點(diǎn)避障技術(shù)介紹

從2015年開(kāi)始，百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司的專利申請(qǐng)隨著時(shí)間的推移而增加，近三年急劇增加可能是與人才、資金不斷增加、研發(fā)水平不斷提高有關(guān)。在智能駕駛中，最大限度保證駕駛安全是各個(gè)申請(qǐng)人重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)。下面對(duì)B60W分類號(hào)下的提高無(wú)人駕駛汽車安全性方面的重點(diǎn)專利技術(shù)手段和技術(shù)效果進(jìn)行介紹。

傳統(tǒng)的汽車駕駛，在整個(gè)駕駛過(guò)程中，駕駛員的人為因素占了很大的比重，一旦出現(xiàn)駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕車、疲勞駕車、判斷失誤的情況，很容易造成交通事故?；蛘撸嚨闹車袝r(shí)出現(xiàn)被障礙物遮擋的區(qū)域，障礙物遮擋會(huì)造成自動(dòng)駕駛行車安全風(fēng)險(xiǎn)。為了避免上述風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)智能汽車模擬駕駛行為，利用汽車上的傳感器感測(cè)周圍的駕駛環(huán)境，感測(cè)結(jié)果交給控制模塊進(jìn)行避障處理，采取駕駛安全措施以避免出現(xiàn)安全事故。

（1）根據(jù)現(xiàn)有環(huán)境或者人員信息確定駕駛方案：在自動(dòng)駕駛模式時(shí)，獲取周圍的環(huán)境信息；根據(jù)環(huán)境信息判斷無(wú)人駕駛車輛是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)；如果是，退出自動(dòng)駕駛模式，提升了無(wú)人駕駛車輛的安全性?；蛘呤占{駛員對(duì)異常干預(yù)時(shí)所采用的駕駛方案以及駕駛場(chǎng)景信息；確定風(fēng)險(xiǎn)對(duì)象的對(duì)象信息、車輛行駛狀態(tài)信息、駕駛環(huán)境信息的組合與駕駛方案之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以作為駕駛策略,確定候選駕駛方案，根據(jù)駕駛?cè)藛T的行為優(yōu)化候選駕駛方案。

當(dāng)車輛行駛時(shí)，前方某些車輛，例如貨車、公交車遮擋住了紅綠燈等重要信息，或者前車發(fā)現(xiàn)前方突發(fā)道路問(wèn)題而緊急剎車變道的情況下，后車可能會(huì)來(lái)不及反應(yīng)而發(fā)生事故，這時(shí)需要進(jìn)行移動(dòng)規(guī)劃和控制。在規(guī)劃和控制期間，需要準(zhǔn)確確定車道和預(yù)測(cè)在道路上檢測(cè)到的障礙物的移動(dòng)。根據(jù)上述遮擋方面的技術(shù)問(wèn)題，采用了如下的技術(shù)手段，獲得了提高障礙物準(zhǔn)確定位的技術(shù)效果。

（2）預(yù)測(cè)障礙物位置避免碰撞：采用傳感器獲取在無(wú)人駕駛車輛行進(jìn)途中包含了障礙物和被障礙物遮擋的區(qū)域；預(yù)設(shè)虛擬移動(dòng)物體，并假定虛擬移動(dòng)物體以特定速度從被障礙物遮擋的區(qū)域中穿出；規(guī)劃無(wú)人駕駛車輛的行進(jìn)路徑和速度，以降低自動(dòng)駕駛車輛行車安全風(fēng)險(xiǎn)?；蛘撸@取當(dāng)前拍攝的行車環(huán)境圖像；確定行車環(huán)境圖像中目標(biāo)障礙物的被遮擋部位，確定目標(biāo)障礙物的未被遮擋部位的初始坐標(biāo)；利用預(yù)設(shè)位置預(yù)測(cè)算法確定被遮擋部位的預(yù)測(cè)坐標(biāo)；基于預(yù)測(cè)坐標(biāo)和初始坐標(biāo)，確定目標(biāo)障礙物在行車環(huán)境圖像中的當(dāng)前位置，以提高行車環(huán)境圖像中障礙物定位的準(zhǔn)確性?；蛘?，感知周圍的駕駛環(huán)境，包括檢測(cè)移動(dòng)障礙物；為移動(dòng)障礙物中分配一個(gè)障礙物狀態(tài)緩沖器，以對(duì)預(yù)定時(shí)間段，存儲(chǔ)在不同時(shí)間點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的移動(dòng)障礙物的障礙物狀態(tài)?；蛘?，根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)段內(nèi)障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輛的行駛軌跡，預(yù)測(cè)出未來(lái)的預(yù)設(shè)時(shí)段內(nèi)障礙物是否會(huì)進(jìn)入車輛的非安全區(qū)域內(nèi)，如果在預(yù)設(shè)時(shí)段內(nèi)障礙物會(huì)進(jìn)入車輛的非安全區(qū)域內(nèi)，則對(duì)車輛進(jìn)行安全控制，以上措施均可提高自動(dòng)駕駛的安全性。

3 華為技術(shù)有限公司重點(diǎn)避障技術(shù)介紹

從2015年開(kāi)始，華為技術(shù)有限公司的專利申請(qǐng)也不斷增加,但并沒(méi)有出現(xiàn)急劇增加，近幾年專利申請(qǐng)數(shù)量一直處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)，并逐漸提高。華為技術(shù)有限公司的專利申請(qǐng)主要集中于H04W分類號(hào)，這與華為技術(shù)有限公司在通信技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位有關(guān)。為了分析華為技術(shù)有限公司和百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司在駕駛安全技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)路線不同，下面同樣都對(duì)華為技術(shù)有限公司在B60W分類號(hào)的無(wú)人駕駛汽車安全方面的重點(diǎn)專利技術(shù)手段和技術(shù)效果進(jìn)行介紹。

（1）利用人工智能技術(shù)預(yù)測(cè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)：現(xiàn)有技術(shù)通常利用車上的傳感器收集前方環(huán)境的信息，由車載控制器基于剎車距離、最小剎車時(shí)間判斷碰撞是否發(fā)生，控制器判斷會(huì)發(fā)生碰撞，控制智能汽車的操作。上述防碰撞方法中是根據(jù)距離和剎車時(shí)間決定是否制動(dòng)，容易引起誤判或漏判，造成人員受傷或車輛受損。為了解決上述問(wèn)題，華為技術(shù)有限公司在避障安全方面做了比較大的投入，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于智能汽車領(lǐng)域，利用人工智能實(shí)現(xiàn)智能汽車的自動(dòng)駕駛，建立起完善的智能汽車安全體系。并提出了一種車輛控制方法，獲取在第一區(qū)域規(guī)劃智能汽車行駛的第一速度；獲取在該第一區(qū)域規(guī)劃智能汽車行駛的第二速度；第二速度是根據(jù)碰撞勢(shì)能獲得；第一速度和第二速度分別包括方向和大?。坏谝凰俣?、第二速度和智能汽車與周圍障礙物的碰撞風(fēng)險(xiǎn)用于確定智能汽車的最優(yōu)速度，以此實(shí)現(xiàn)智能汽車有效躲避障礙物，提升智能汽車行駛的安全性。

（2）利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)劃路徑：為避免車輛與障礙物碰撞，并進(jìn)一步提高停車安全性，提出了一種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的方法，獲取駕駛環(huán)境信息，駕駛環(huán)境信息包括動(dòng)態(tài)障礙物的位置信息；將駕駛環(huán)境信息的狀態(tài)表征輸入訓(xùn)練后的強(qiáng)化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，獲取強(qiáng)化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型輸出的預(yù)測(cè)時(shí)域，預(yù)測(cè)時(shí)域表示對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)的時(shí)長(zhǎng)或者步數(shù)；利用預(yù)測(cè)時(shí)域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。該專利中，預(yù)測(cè)時(shí)域是通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)得到的，從而可以隨駕駛環(huán)境的改變而動(dòng)態(tài)改變，可以實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)駕駛車輛與動(dòng)態(tài)障礙物交互過(guò)程中使得自動(dòng)駕駛車輛可以靈活應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物。

4 國(guó)外避障重點(diǎn)技術(shù)

（1）應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立3D模型以安全導(dǎo)航：為了智能導(dǎo)航車輛，從多個(gè)車輛中的攝像機(jī)接收路段的圖像，通過(guò)智能車輛上的激光傳感器接收道路圖像數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)，生成路段的人群來(lái)源的高清晰度地圖以及組合圖像和基于每個(gè)車輛的距離數(shù)據(jù)以創(chuàng)建路段的3D模型；將來(lái)自車輛的道路圖像和距離數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)應(yīng)用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)道路標(biāo)志，用檢測(cè)到的街道標(biāo)志、人行橫道、障礙物或自行車車道更新人群來(lái)源的地圖；如果檢測(cè)到新的障礙物，則將新的障礙物添加到人群來(lái)源的地圖中；以及基于3D模型，多個(gè)附近車輛的地圖以及所檢測(cè)的道路標(biāo)志、人行橫道、障礙物或自行車道，對(duì)智能車輛執(zhí)行車道保持輔助；并基于車道保持輔助來(lái)安全地導(dǎo)航智能車輛。

（2）車輛之間進(jìn)行信息交互以防止碰撞：交通事故和道路擁堵是車輛行駛中的重大問(wèn)題，在高速公路上高速行駛會(huì)產(chǎn)生很大的危險(xiǎn)，突然出現(xiàn)的道路危險(xiǎn)會(huì)造成車輛的損壞，以及傷亡風(fēng)險(xiǎn)。通常情況下，碰撞一般是由于駕駛員錯(cuò)誤判斷產(chǎn)生。為了保證行駛過(guò)程中安全，另一重點(diǎn)技術(shù)包括：檢測(cè)至少一個(gè)前排車輛的障礙物，在車輛之間協(xié)調(diào)，從前排中的一個(gè)車輛向后排中的其他車輛廣播，發(fā)送將發(fā)生協(xié)同制動(dòng)和轉(zhuǎn)向操作以防止與障礙物碰撞的消息，然后，使每一行中的車輛在一個(gè)方向上轉(zhuǎn)向，到它們所在的行駛車道的一側(cè)，簡(jiǎn)要地說(shuō)，該方法是一種用于響應(yīng)于檢測(cè)到一排車輛前面的障礙物而提供該排車輛的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的系統(tǒng)和方法，其中在前排中的車輛識(shí)別障礙物，并且車輛在交替且相反的方向上轉(zhuǎn)向，以形成車輛的缺口位置，從而提供附加的制動(dòng)空間。

（3）評(píng)估幻影障礙物確定碰撞風(fēng)險(xiǎn)：智能汽車依賴于各種傳感器來(lái)檢測(cè)其附近的物體，智能汽車可以使用相機(jī)、光檢測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)、聲學(xué)傳感器和/或其他傳感器來(lái)收集該信息，然而，無(wú)論車輛使用多少傳感器，都不能收集關(guān)于環(huán)境的全部信息。例如，在現(xiàn)實(shí)世界中導(dǎo)航時(shí)，特別是在密集的城市區(qū)域中，尤其是在交叉點(diǎn)中，經(jīng)常遇到障礙，建筑物，停放的汽車和其他障礙物可以遮擋其他運(yùn)動(dòng)物體，從而限制智能汽車檢測(cè)其附近所有物體。通過(guò)在遮擋物后面產(chǎn)生幻影障礙物，車輛預(yù)測(cè)幻影障礙物的速度，并使用預(yù)測(cè)的速度來(lái)評(píng)估幻影障礙物是否可能與車輛碰撞。如果發(fā)生碰撞，車輛將會(huì)減速或停止，直到它確認(rèn)幻影障礙物不是真正的障礙物或者車輛能夠以避免碰撞的速度前進(jìn)。

5 技術(shù)路線比較

智能汽車主要的發(fā)展方向是提高行車安全、減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司和華為技術(shù)有限公司都是在智能汽車行車安全技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。從上面百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司和華為技術(shù)有限公司的重點(diǎn)技術(shù)可知，為了保證駕駛安全，二者在智能決策支持等技術(shù)領(lǐng)域均研究深入。華為技術(shù)有限公司主要利用人工智能技術(shù)提前預(yù)測(cè)障礙物，預(yù)測(cè)是通過(guò)人工智能等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，從而可以隨駕駛環(huán)境的改變而動(dòng)態(tài)改變的，可以實(shí)現(xiàn)靈活應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物。百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司主要根據(jù)周邊環(huán)境以及駕駛員是否存在風(fēng)險(xiǎn)因素采取不同的安全措施，基于移動(dòng)障礙物的預(yù)測(cè)的移動(dòng)，規(guī)劃駕駛的跡線以避免碰撞，提高自動(dòng)駕駛的安全性。雖然研究方向有部分重合，但是技術(shù)路線又不太相同，各有側(cè)重點(diǎn)。

6 展望

百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司、華為技術(shù)有限公司與國(guó)外申請(qǐng)人相比，智能感知、決策規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)處于世界領(lǐng)先，同時(shí)，在高精度地圖、車載計(jì)算平臺(tái)、云平臺(tái)、環(huán)境感知、傳感器等技術(shù)領(lǐng)域也具備超強(qiáng)的研究能力。綜上所述，在我國(guó)以百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司、華為技術(shù)有限公司為首的智能汽車產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展趨勢(shì)良好，建議國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人不斷將技術(shù)做深做細(xì)，加強(qiáng)自動(dòng)駕駛等技術(shù)的積累，為自動(dòng)駕駛安全保駕護(hù)航。由于目前國(guó)內(nèi)的汽車區(qū)塊鏈主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享、駕駛體驗(yàn)等方面，未來(lái)需加大區(qū)塊鏈技術(shù)在智能汽車應(yīng)用水平，利用區(qū)塊鏈技術(shù)提高智能駕駛安全性以及網(wǎng)絡(luò)安全。