智能座舱专利技术分析

潘丽娜

易建琼国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心 四川 成都 600010

引言

越来越多的驾驶者已经将汽车作为他们的第三生活空间，而不仅仅局限于作为传统的交通或通勤工具。作为实现生活空间塑造的核心载体的智能座舱，吸引了越来越多的关注。智能座舱技术主要涵盖座舱内饰和座舱电子领域的创新与联动，是拥抱汽车行业发展新兴技术趋势，从消费者应用场景角度出发而构建的人机交互（HMI）体系[1]；通过对智能座舱相关专利总体（包括发明专利﹑实用新型专利）年代趋势进行分析得出：2017 年以前有关智能座舱的专利申请量一直较低，2017年以后专利的申请量逐年增长，并呈持续稳步上升的状态。另外，根据数据统计分析我国在智能座舱领域的专利最早出现在2016年。而纵观汽车座舱的发展历史，而纵观汽车座舱的发展阶段，由2000年以前使用单一的机器仪表以及简单音频播放设备为代表的机械时代，到2015年以小尺寸娱乐显示并出现少量触屏以及液晶仪表的初具智能化雏形的电子时代，从2015年至今，市面上也涌现了大量的大尺寸屏幕甚至多联屏，信息娱乐系统功能逐渐丰富，智能化程度逐渐提高[2]。可见，专利发展趋势与市面汽车座舱的发展趋势基本一致。

智能座舱不仅包括座舱内的各个零件﹑部件，同时也涵盖将这些零部件集合到一起的系统和控制器，促使用户能够在使用过程中获取更多有用的信息。通过梳理智能座舱关键技术，可以划分为以下几个方面：座舱基础功能设施技术，汽车智能座椅技术。

1 座舱基础功能设施关键技术

1.1 多元化控制

虽然在2017年才将智能座舱作为一个整体概念提出，专利（CN106814666A，2017）首次提出一种一机多屏的智能座舱系统，该系统主要由车载娱乐信息系统﹑虚拟数字化仪表盘﹑左右后座设置的供乘客使用的娱乐系统﹑车载导航仪﹑SOC芯片以及MCU芯片组成。使用一颗SOC芯片将五个子系统相互统一连接，其中的SOC芯片实现了对各子系统发送信息接收以及各子系统控制。该专利首次提出以一机多屏的控制模式，通过SOC芯片以及MCU芯片，将多套车载电子系统进行整合统一，实现智能座舱的基本框架搭建。而对于智能座舱的研究早在2011-2012年间就已经开始，申请号为201110056383.0，发明名称为《一种多屏独立操控的新型架构车载信息系统》的中国专利已经公开一种通过创新的嵌入式软硬件架构在车载系统中实现多屏互动的车载多媒体互动终端。申请号为201210336069.2﹑发明名称为《一种智能汽车虚拟仪表系统及其实现方法》的中国专利则公开了一种汽车智能虚拟仪表系统，该系统由主机模块﹑从机模块﹑车载总线﹑人机交互模块﹑虚拟仪表显示屏和传感器组成，其中传感器负责在车辆行驶过程中获取车辆行驶信息；其中主机模块将从机模块﹑传感器﹑车载总线以及用于人机交互的人机交互模块以有线连接的方式连接，主机模块作为主要控制模块，其上不仅连接有虚拟仪表显示屏，还与视频接口和音频接口有线连接以实现对视频显示模块﹑声音播放功能的控制。由此可以窥见，早期的汽车座舱已经初具智能座舱的雏形。

正如IHS Markit汽车技术高级分析师Chen Dexin在接受采访时指出的那样，将“一机多屏”等同于“智能座舱”的看法并不准确[3]，智能座舱应该是一个有着便捷和多样化的人机交互/人人交互手段，更多舱内传感器，更为贴合汽车运用场景APP的一个系统，因此人们致力于研究各种解放用户双手提高用户体验的人机交互方法。例如通过面部表情适配或人脸识别实现汽车控制（参见CN108334871A，2018；CN110562271A，2018），将指纹识别应用于汽车实现指纹启动﹑指纹防盗﹑身份识别等功能，大大提高汽车的安全性﹑舒适性和便捷性，进一步利用智能座舱组件获取指纹图像并完成指纹识别的计算处理以实现指纹识别功能，获得处理速度快﹑交互效率高﹑配件成本低的座舱配置（参见CN110562198A，2018）；将手势识别应用于座舱控制，能够使得用户在不接触按键或屏幕情况下实现与座舱系统的交互（参见CN111332234A与CN111338465A，2018）；由于车载环境嘈杂，传统的语音识别依赖于对声音信号的采集，而所采集的信号受噪声污染严重，导致语音的识别率非常低，在这样的背景下，提出通过对驾驶人员说话时的唇形进行识别，具体地通过大量唇形图像数据与对应词语数据训练学习，以建立对应的唇形识别模型，当采集到唇部视频图像数据以后，分析视频图像数据并提取其中的图像特征值，将图像特征值输入唇形识别模型中从而根据唇形推测出对应的语音指令，根据对应的语音指令实现车载控制（参见CN111724786A，2019）。

如果说通过手势﹑语音﹑指纹等信息进行控制，并未将解放用户发挥到极致，那么使用意念控制汽车座舱将使汽车与用户完全融合，北京汽车股份有限公司在2019年提出使用意念机对驾驶员的脑电波信号进行采集和处理，解读脑电波信号获得驾驶员的情绪信息，然后使用驾驶员的情绪信息与相应的氛围灯颜色进行匹配，根据匹配结果控制氛围灯发出对应的颜色，达到意念控制汽车的内部氛围环境的目的（参见CN210116438U，2019）。既然汽车作为用户第三生活空间，其中不仅包括了各类车载娱乐系统﹑实现汽车行驶辅助功能的车载导航系统，还包括驾驶相关的控制系统，仅仅对氛围灯进行控制当然远远不够，因此人们致力于研究利用所采集的脑电信号进行所有非驾驶任务的控制，从而实现在不需要汽车用户产生任何肢体运动或语言，仅仅通过脑-机接口采集脑电信号，通过分析所采集得到的脑电信号根据分析结果实施非驾驶任务，从而实现用户与汽车的交互（参见CN 211001203 U，2019）；同时，意念控制方向的发明还能够惠及运动障碍者，例如通过设置可穿戴式的脑电信息采集装置，对穿戴者在开车过程中对车辆运动的想象进行脑电信息采集以及分析，从而使得残疾人在不使用肢体操作的情况下实现智能驾驶（参见CN113002558A，2021）。

1.2 声光技术

在车载显示领域，早在2011年以前，平视显示器技术已经超越了笨重的控制台内导航装置；抬头显示装置不仅作为车内显示装置，让汽车用户驾驶过程中，抬头就可以看到行车车速﹑油耗﹑续航油量﹑温度﹑警告等汽车基本信息，还能够在抬头显示装置中显示通话信息﹑导航信息以及音视频信息等行车扩展信息（参见CN102608760A，2011）。

人们在智能化显示的道路上一直探索前进，不仅将飞行器上的平视显示器（HUD）应用到车辆中，为驾驶员提供更广阔的视野范围，还引入了增强现实的功能，将增强现实功能结合到平视显示器中，即增强现实平视显示器（AR-HUD），通过辅助摄像头以及传感器获取汽车前方物体信息或者道路信息，基于获取的信息利用声音或其他报警装置辅助驾驶员提前感知危险提高驾驶安全（参见CN206031079U，CN206649210U，2017）。

而对于智能座舱中更常用的车载娱乐系统，丰富娱乐功能，实现人机交互的多维控制则是人们研究的热点。如果说主驾和副驾人员分别操作和控制各自正前方的屏幕，已经实现了主驾驶与副驾驶的解耦（参加CN110356334A，2019）。利用多屏互动方式实现主驾﹑副驾和后排乘客相互独立无干扰的空间，则将汽车后排乘客的乘车体验也纳入了考虑范围（参见CN111182078A，2020），进一步对座舱不同位置的播放音箱进行分别控制，使得不同音箱播放不同的音乐，各音箱播放音量实现独立调节，在提升了座舱音箱资源利用率的同时，更加有效地提高了车内各用户的引用收听体验（参见CN113436656A，2020）。人们还寻求以更智能的方式控制智能座舱的音频输出，例如针对坐在不同位置的用户，通过识别音频输出请求找出对应的用户，使用该用户收听效果最佳的音箱播放对应的音频，通过指向性地输出声音，避免了对车内其他用户造成明显干扰，进一步提升了智能座舱中的用户音频收听体验（参见CN112078498A，2020）。

1.3 主动安全技术

汽车行驶过程中的安全始终是重点关注的问题，如今，汽车座舱已经可以通过汽车行驶时长﹑车内的摄像头进行情绪识别，以判断驾驶人员是否为疲劳驾驶，在驾驶员疲劳驾驶时，对车内氛围模式进行动态调节，同时通过自动导航技术引导驾驶员就近到安全的停靠点进行休息（参见CN111391858A，2020）；也可以通过检测驾驶员在驾驶工程中的眼睛聚焦程度﹑视线方向﹑是否存在打电话和抽烟等危险驾驶动作，在存在这些危险动作时，实时提供驾乘人员注意对自己的驾驶行为进行规范，保障驾驶安全（参见CN112712043A，2021）；还能够通过设置驾驶员健康监测系统，获取驾驶员的生理特征信号；基于所述生理特征信号判断驾驶员的健康状态；基于驾驶员的健康状态对车辆进行控制。通过对驾驶员的健康状态进行实时监测并根据不同的健康状态对车辆进行相应的控制，有效化解驾驶过程中驾驶员突发健康问题的危机，提升汽车的安全性（参见CN113576436A，2021）。

2 汽车智能座椅关键技术

2.1 基于记忆数据恢复实现智能调节

针对首次使用座舱的用户，手动调节座椅并对相关信息进行存储记录，在用户再次进入座舱后，通过对用户指纹﹑面部等身份识别特征进行识别，调取存储库中的历史记录信息进行自动调整，从而提高用户体验（参见CN103507730A，2014；CN205601755U，2016；CN112124230A，2020；CN112714720A，2021）。

2.2 基于实时测量实现智能调节

记忆式座椅调整方式往往还不能满足用户的实时要求，这就需要通过对驾驶用户身体条件进行实时检测，基于检测结果实现智能调整。例如通过预先存储定位驾驶员位置的特征信息﹑驾驶员身体信息以及标准座椅位置信息的对应关系，当驾驶员进入驾驶舱后，驾驶员端坐于驾驶位，该系统就能根据定位用户位置的信息如瞳孔位置信息以及驾驶员体重信息查找所存储的对应关系，从而确定该驾驶员的标准座椅位置，并根据查找结果对座椅进行智能调节（参见CN103879313A，2014）；仅仅依靠用户定位信息以及用户身体信息所调整的座椅位置不一定能够符合用户的需求，例如身高体重一致的两个人的坐姿习惯不一样，处于驾驶状态与乘坐状态的同一个人对于座椅的状态要求也不一样，将导致标准座椅并不能满足该用户舒适性的要求。此时人们提供了一种更智能化的座椅调节方式，将乘坐者的体型﹑重量﹑年龄以及所处于的状态（例如处于驾驶状态﹑游戏状态或阅读状态）作为座椅调整的考虑因素，从而提高各类汽车用户的使用体验（参见CN106183901A，2016）。人类总是在追求更智能的道路上奋斗不止，近期更是将人体工程学考虑到汽车智能座椅调节过程中，该方法根据车内用户身体各个部位的测量数据以及该用户处于一定坐姿状态下的各个关节之间的夹角，确定座椅位置﹑高度以及角度的最佳数据，根据确定的数据对座椅进行调节；实现汽车座椅的智能适应性调节（参见CN111267681A，2020）。

3 结束语

近几年新技术层出不穷，各种技术的融合程度也越来越高，各种新技术与汽车座舱相互融合，使得汽座舱向越来越人性化﹑智能化的方向发展，而未来与汽车座舱融合技术的广度与深度研究仍具有重要的意义，如何推动未来座舱更加智能化﹑人性化﹑可定制化﹑高度集成化值得人们继续研究和思考。