在最后一公里配送場景中，無人配送車需在復(fù)雜城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)厘米級定位與動(dòng)態(tài)避障，這對導(dǎo)航系統(tǒng)的感知精度與實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)苛要求。激光雷達(dá)與超聲波傳感器因其互補(bǔ)特性，成為主流多傳感器融合方案的核心組件。本文從技術(shù)原理、分區(qū)感知策略及工程實(shí)踐三個(gè)層面，解析二者如何協(xié)同構(gòu)建無人配送車的環(huán)境認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。

一、傳感器特性與互補(bǔ)性分析

激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖并測量反射時(shí)間，構(gòu)建三維點(diǎn)云模型，其核心優(yōu)勢在于長距離(0.1-200米)、高精度(±2cm)與全天候工作能力。例如，速騰聚創(chuàng)M1激光雷達(dá)采用128線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)，垂直角分辨率達(dá)0.2°，可清晰識(shí)別100米外的行人肢體動(dòng)作。然而，激光雷達(dá)在強(qiáng)光直射、雨霧天氣下易產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，且對玻璃、金屬等高反射率物體存在測量盲區(qū)。

超聲波傳感器則基于超聲波脈沖的發(fā)射與回波接收，通過時(shí)間差計(jì)算距離，其特性表現(xiàn)為短距離(0.02-5米)、低成本(單顆成本<5美元)與強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。例如，MaxBotix HRMAX-V3超聲波模塊在-40℃至85℃范圍內(nèi)仍能保持±1cm的測量精度，且對灰塵、雨水不敏感。但超聲波傳感器存在波束角寬(典型值60°)、數(shù)據(jù)刷新率低(<20Hz)等局限，難以單獨(dú)支撐高速運(yùn)動(dòng)場景的避障需求。

二者互補(bǔ)性體現(xiàn)在：激光雷達(dá)提供全局環(huán)境建模，超聲波傳感器補(bǔ)充近場細(xì)節(jié)感知;激光雷達(dá)易受環(huán)境干擾時(shí)，超聲波傳感器提供冗余數(shù)據(jù);超聲波傳感器無法識(shí)別物體類型時(shí)，激光雷達(dá)點(diǎn)云可輔助分類。這種特性差異奠定了分區(qū)感知策略的基礎(chǔ)。

二、分區(qū)感知策略的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

無人配送車導(dǎo)航系統(tǒng)通常將感知范圍劃分為近場(0-1米)、中場(1-5米)與遠(yuǎn)場(5-200米)三個(gè)區(qū)域，針對不同區(qū)域特性設(shè)計(jì)傳感器融合方案。

1. 近場區(qū)域：超聲波主導(dǎo)的接觸前預(yù)警

近場區(qū)域是無人車與障礙物發(fā)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域，需實(shí)現(xiàn)毫米級精度與毫秒級響應(yīng)。系統(tǒng)在此區(qū)域部署8-12顆超聲波傳感器，按30°間隔環(huán)繞車身布置。例如，京東無人配送車采用“4前+4后+2側(cè)”布局，前向傳感器覆蓋車頭120°范圍，側(cè)向傳感器監(jiān)測車門開啟區(qū)域。

超聲波傳感器在此區(qū)域承擔(dān)三重任務(wù)：

靜態(tài)障礙檢測：通過持續(xù)監(jiān)測距離變化，識(shí)別臺(tái)階、路緣等固定障礙物;

動(dòng)態(tài)避障：結(jié)合輪速計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測障礙物運(yùn)動(dòng)趨勢，當(dāng)相對速度超過0.5m/s時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng);

車身防護(hù)：在自動(dòng)泊車場景中，監(jiān)測與周邊車輛的間距，防止剮蹭。

為克服超聲波傳感器數(shù)據(jù)稀疏性問題，系統(tǒng)采用多傳感器投票機(jī)制：當(dāng)3顆及以上傳感器同時(shí)檢測到障礙物時(shí)，才確認(rèn)威脅存在，將誤報(bào)率從15%降至0.3%。

2. 中場區(qū)域：激光雷達(dá)與超聲波的交叉驗(yàn)證

中場區(qū)域是行人、非機(jī)動(dòng)車等動(dòng)態(tài)目標(biāo)的主要活動(dòng)范圍，需平衡感知范圍與數(shù)據(jù)刷新率。系統(tǒng)在此區(qū)域部署1-2顆16線激光雷達(dá)(如禾賽Pandar40P)，水平視場角達(dá)360°，垂直視場角覆蓋-15°至+15°，以10Hz頻率掃描環(huán)境。

激光雷達(dá)與超聲波的融合策略包括：

目標(biāo)級融合：將激光雷達(dá)檢測到的動(dòng)態(tài)目標(biāo)(如行人、自行車)與超聲波數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)優(yōu)化目標(biāo)軌跡預(yù)測。例如，當(dāng)激光雷達(dá)識(shí)別到行人突然加速時(shí)，超聲波傳感器可實(shí)時(shí)補(bǔ)充近場距離數(shù)據(jù)，修正碰撞時(shí)間(TTC)計(jì)算;

特征級融合：提取激光雷達(dá)點(diǎn)云中的反射強(qiáng)度特征與超聲波回波幅度特征，構(gòu)建多模態(tài)目標(biāo)描述符。實(shí)驗(yàn)表明，融合后的目標(biāo)分類準(zhǔn)確率從78%提升至92%;

決策級融合：在雨霧天氣下，當(dāng)激光雷達(dá)點(diǎn)云密度下降30%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提升超聲波傳感器權(quán)重，確保避障決策可靠性。

3. 遠(yuǎn)場區(qū)域：激光雷達(dá)主導(dǎo)的全局建模

遠(yuǎn)場區(qū)域需實(shí)現(xiàn)200米范圍內(nèi)的環(huán)境感知與路徑規(guī)劃。系統(tǒng)在此區(qū)域部署1顆64線或128線激光雷達(dá)(如速騰聚創(chuàng)M1 Pro)，配合高精度地圖實(shí)現(xiàn)SLAM定位。例如，美團(tuán)無人配送車采用“1主+2輔”激光雷達(dá)布局，主雷達(dá)負(fù)責(zé)前方120°范圍建模，輔助雷達(dá)補(bǔ)充側(cè)后方盲區(qū)。

激光雷達(dá)在此區(qū)域的核心任務(wù)包括：

靜態(tài)地圖構(gòu)建：通過ICP算法匹配實(shí)時(shí)點(diǎn)云與高精度地圖，實(shí)現(xiàn)厘米級定位;

動(dòng)態(tài)障礙物跟蹤：采用DBSCAN聚類算法分割點(diǎn)云，結(jié)合匈牙利算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤;

可行駛區(qū)域劃分：基于點(diǎn)云密度與地面法向量分析，識(shí)別車道線、人行道等語義信息。

超聲波傳感器在遠(yuǎn)場區(qū)域的作用限于極端場景冗余：當(dāng)激光雷達(dá)因故障或強(qiáng)干擾失效時(shí)，超聲波傳感器可提供基礎(chǔ)避障能力，確保車輛安全?？?。

三、工程實(shí)踐中的挑戰(zhàn)與優(yōu)化

1. 多傳感器時(shí)空同步

激光雷達(dá)與超聲波傳感器的采樣頻率差異(10Hz vs 20Hz)易導(dǎo)致數(shù)據(jù)時(shí)間戳錯(cuò)位。系統(tǒng)采用硬件觸發(fā)同步方案：以激光雷達(dá)為基準(zhǔn)，通過PWM信號同步超聲波傳感器采樣時(shí)刻，將時(shí)間誤差控制在±1ms以內(nèi)?？臻g同步則通過聯(lián)合標(biāo)定實(shí)現(xiàn)，利用棋盤格標(biāo)定板同時(shí)采集兩種傳感器數(shù)據(jù)，求解6自由度變換矩陣，使點(diǎn)云與超聲波數(shù)據(jù)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下對齊。

2. 動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)化

在人流密集的商業(yè)區(qū)，系統(tǒng)需處理遮擋與突然出現(xiàn)的障礙物。通過引入注意力機(jī)制，激光雷達(dá)優(yōu)先掃描超聲波傳感器檢測到的可疑區(qū)域，將點(diǎn)云分配比例從均勻掃描的10%提升至30%，使動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測延遲從200ms降至80ms。

3. 低功耗與成本平衡

超聲波傳感器功耗僅0.5W，但激光雷達(dá)功耗達(dá)20-50W。系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)工作模式切換：在低速行駛時(shí)降低激光雷達(dá)分辨率(從64線降至16線)，功耗降低60%;在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)關(guān)閉部分超聲波傳感器，綜合能耗降低45%。

四、未來趨勢與展望

隨著固態(tài)激光雷達(dá)與4D毫米波雷達(dá)的成熟，無人配送車感知系統(tǒng)將向全固態(tài)、多模態(tài)融合方向演進(jìn)。例如，禾賽科技發(fā)布的FT120固態(tài)激光雷達(dá)，通過非重復(fù)式掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)128線等效性能，功耗降至10W;超聲波傳感器則向高頻化(1MHz)與陣列化發(fā)展，波束角可壓縮至15°，接近激光雷達(dá)精度。未來，激光雷達(dá)與超聲波傳感器的分區(qū)感知策略將進(jìn)一步細(xì)化，結(jié)合AI算法實(shí)現(xiàn)“感知-決策-控制”全鏈路優(yōu)化，推動(dòng)無人配送車向L4級自動(dòng)駕駛邁進(jìn)。