矿用无轨胶轮车井下巷道零膨胀非对称约束路径规划方法

本发明属于移动机器人路径规划，尤其涉及一种矿用无轨胶轮车井下巷道零膨胀非对称约束路径规划方法。

背景技术：

1、矿用无轨胶轮车是矿山井下辅助运输的核心装备，其无人驾驶化是智慧矿山建设的战略目标。矿井巷道的典型特征为：断面净宽通常低于1.5m、拱形或马蹄形非规则断面、岩壁表面粗糙。现有自主导航技术在上述场景中存在以下相互关联的技术缺陷：

2、现有方法对esdf地图进行全局均匀c-space膨胀以保障车辆安全，但在矿井狭窄巷道中双侧岩壁同时膨胀导致通道在地图中虚假闭合，使规划算法产生无路可走的误报，严重限制车辆机动能力。

3、若取消地图膨胀，传统a*算法将车辆视为无体积质点，导致规划轨迹允许车辆中心点贴近障碍物，但车身实际半宽使车体必然与岩壁发生剐蹭。

4、在前端a*搜索与后端b样条优化两阶段框架中，后端优化器以最大化平滑度为目标，具有向障碍物切内角的内在趋势。当后端碰撞惩罚阈值dist0小于等于前端安全边距margin时，优化过程系统性地将前端安全成果压缩至临界碰撞状态，形成前后端安全退化的内耗现象。

5、现有所有路径规划方法均隐含假设车辆转向机构左右对称，因此对车辆左右两侧施加相同的安全边距。然而矿用无轨胶轮车的舵机在长期工况下，由于机械磨损、装配误差或液压系统不均衡，其左右偏转的机械零位存在显著偏置。现有技术对此的处理方式是在底层驱动层注入一个静态角度补偿量，仅纠正了控制指令与实际执行之间的偏差，但规划层对此硬件状态一无所知，依然用对称的安全边距生成轨迹。这导致一个根本性的架构缺陷：在舵机偏置的方向上，车辆存在的漂移趋势既没有被规划层预判，也没有在安全余量中得到额外补偿，形成真正的安全盲区。

6、上述缺陷在矿井巷道场景中以相互嵌套的方式共同作用，形成环形技术缺陷链：膨胀造成死路→取消膨胀则质点撞墙→增加边距则通道更窄→前后端冲突边距被切削→转向不对称使一侧余量被系统性低估。任何单点修补均不能断开此链路。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于硬件感知非对称安全边距与零膨胀分级物理约束的受限空间自主车辆路径规划方法及系统，通过构建“环形嵌套物理约束传导架构”，将底盘硬件转向机构的物理不对称特性从控制层向上传导至规划层，与零膨胀建图、分级安全约束等技术手段有机融合，解决上述技术缺陷。

2、技术方案：本发明的一种矿用无轨胶轮车井下巷道零膨胀非对称约束路径规划方法，包括如下步骤：

3、步骤s1：车辆通过激光雷达采集环境点云，构建欧几里得符号距离场esdf地图；设定障碍物膨胀系数为零，使地图距离值等同于真实物理空间中至障碍物表面的欧氏距离；

4、步骤s2：对车辆底盘转向舵机施加对称控制指令，通过测量左、右满舵实际偏转角度差异，得到机械零位偏置量angle_bias；在底层驱动中注入angle_bias作为控制补偿，同时将angle_bias作为非对称规划参数的计算源头，向上传导至路径规划层；

5、步骤s3：以车辆物理半宽、控制系统物理执行延时冗余以及由angle_bias映射的非对称横向漂移补偿量为输入，分别计算车辆左侧和右侧的前端刚性安全边距；

6、步骤s4：在以esdf地图为代价场的路径搜索中，对每个候选扩展节点分别查询左侧和右侧至最近障碍物的距离，若距离小于前端刚性安全边距，则剪枝该节点，得到所有路径点；

7、步骤s5：以步骤s4所得路径点为初始控制点，执行轨迹优化；

8、步骤s6：将优化后的轨迹输出至底层跟踪控制器，驱动车辆执行。

9、进一步的，步骤s3中，执行延时冗余的确定方法为：记录控制器下发非零速度指令时刻t1与车辆里程计反馈实际速度超过预设阈值时刻t2，得到系统物理延时 =t2 - t1；令；标定过程与angle_bias标定过程同步进行，合并为一次底盘联合标定流程；为整个过程的平均速度：

10、

11、其中，表示路径点处的瞬时速度，表示从路径点到下一个路径点之间所用的时间；

12、所述非对称横向漂移补偿量考虑路径曲率影响：在直线路段，因转向机构静态补偿已生效，δasym 趋近于零；在曲率路段，δasym随路径曲率角增大而增大，体现为sinθ项随曲率角增大。

13、进一步的，所述方法还包括在线重标定步骤：以预设时间周期或触发条件重新执行步骤s2的标定流程，更新angle_bias、，并自动同步更新前端刚性安全边距与后端碰撞惩罚阈值；实现从硬件层物理状态变化到规划层安全参数的自适应闭环更新，其中触发条件包括底盘维护后、温度变化超阈值后或检测到持续性单侧跟踪误差偏大。

14、进一步的，步骤s3具体为：以车辆物理半宽、控制系统物理执行延时冗余以及由angle_bias映射的非对称横向漂移补偿量为输入，分别计算车辆左侧和右侧的前端刚性安全边距：

15、

16、其中由下式确定：

17、

18、式中，为舵机额定最大偏转角，为车辆平均速度，为转向响应时间差；偏置侧i对应的取正值，另一侧取零或对称负值；

19、对于后端碰撞惩罚阈值，从物理本质出发，与之间的缓冲带：

20、-

21、当轨迹点进入这个缓冲区时，b样条优化器把轨迹点推回以上，缓冲带宽的下界取决于车辆在一个规划周期内向侧方漂移的最大距离：

22、

23、其中，代表车辆最大速度；代表规划周期，即优化器重新输出一次轨迹的时间间隔；表示车辆在一个规划周期内前进的最大距离；代表横向分量系数，是当前轨迹段与障碍物切线方向的夹角；直线贴墙行驶时，横向漂移速度最小；弯道切内角时增大，缓冲带需求随之增大；

24、偏置侧缓冲带同样仅由几何漂移决定：

25、。

26、进一步的，步骤s4中，所述路径搜索采用二维运动学约束a*算法包括hybrid a*或 kinodynamic a*；碰撞检测调用esdf地图的距离梯度场，时间复杂度为o(1)；路径节点在通道中的横向位置由非对称边距与共同约束，使最终路径中心线自然向偏置侧的对立方向偏移，形成对硬件漂移趋势的预补偿。

27、进一步的，步骤s5中，所述轨迹优化具体为：左右两侧分别设定柔性排斥激活阈值和，满足约束关系：

28、

29、其中，表示半车宽；当轨迹点一侧距离d满足时，按施加指向通道中心方向的排斥力梯度；由于左右存在差值，排斥力在横向呈现非对称分布，使轨迹自然向安全余量较大的一侧偏移。

30、进一步的，所述方法还包括局部重规划触发机制：当跟踪控制器反馈的横向偏差超过时，触发步骤s4重新搜索路径，并在步骤s5中以车辆当前位姿为起始控制点重新生成b样条轨迹，从而对运行过程中的硬件状态变化实现动态响应。

31、进一步的，所述esdf地图采用局部滑动窗口更新机制，以车辆当前位姿为中心进行局部体素的增量式更新；局部地图沿行驶方向的尺寸不小于的四倍，以保证规划算法有足够的前视障碍物信息；超出局部窗口的历史建图结果冻结保留，供全局路径参考。

32、一种矿用无轨胶轮车井下巷道零膨胀非对称约束路径规划系统，包括：

33、硬件偏置标定模块：配置为周期性测量底盘转向舵机的机械零位偏置量angle_bias，并向下注入控制补偿、向上传导规划参数；

34、零膨胀esdf建图模块：以零膨胀模式构建并维护局部滑动窗口esdf地图，输出精确物理距离场；

35、非对称边距计算模块：以、及angle_bias为输入，计算左右差异化的与；

36、前端刚性约束搜索模块：在esdf地图上执行运动学约束路径搜索，以非对称执行左右分侧节点剪枝；

37、后端非对称优化模块：以非对称为排斥阈值执行b样条轨迹优化，输出满足> 约束的平滑轨迹；

38、状态监测与触发模块：监控横向跟踪误差与标定条件，在满足触发条件时调用重标定或重规划流程。

39、进一步的，所述硬件偏置标定模块与非对称边距计算模块通过参数总线相连，angle_bias的每次更新将自动触发margin_i和dist0_i的同步计算，实现硬件物理状态与规划安全参数的实时绑定；所述参数总线的更新延迟不超过一个规划周期tplan=100ms。

40、进一步的，还包括诊断模块，所述诊断模块配置为：在车辆运行过程中持续统计左右两侧的横向偏差分布；若检测到单侧偏差均值持续超过的20%，则自动触发在线重标定流程，并向操作终端上报底盘转向机构磨损预警。

41、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

42、（1）本发明首次实现硬件物理不对称特性的规划层传导：打破了路径规划领域长期存在的转向对称性假设，构建了angle_bias到margin_i的量化映射关系，消除了现有技术在转向偏置侧的安全盲区。

43、（2）四项缺陷的一体化闭合：环形嵌套架构在不引入额外硬件的前提下，通过软件参数的层间传导，同步消除了伪拓扑闭合、质点模型陷阱、前后端目标冲突和转向对称假设失效四项缺陷。

44、（3）自适应在线维护：通过周期性重标定机制，angle_bias随底盘磨损状态的变化得到实时更新，规划安全参数自动跟随，实现了全生命周期的安全保障自适应。