CN117516550A - 路径规划方法及系统、可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种路径规划方法及系统、可读存储介质，涉及路径规划技术领域，路径规划方法包括：获取掘进机的当前位置和目标位置；根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向；根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；根据行进角度公式，得到行进角；根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。通过本申请的技术方案，实现了掘进机在受限空间的路径规划的高效性及可预测性。

Description

路径规划方法及系统、可读存储介质

技术领域

本申请涉及路径规划技术领域，具体而言，涉及一种路径规划方法及系统、可读存储介质。

背景技术

掘进机在巷道掘进过程中，需要沿着目标航向行进。在必要的工艺需求下，需要调整机身位置，移动到目标位置进行对应工艺的作业。掘进机左右可移动距离受巷道壁限制，可前行距离受截割面限制，可后退距离受掘进机与二运转载机距离限制。掘进机在受限制的空间内的路径规划效率低，可控性差。

发明内容

本申请旨在解决或改善掘进机在受限制的空间内的路径规划效率低，可控性差的问题。

为此，本申请的第一目的在于提供一种路径规划方法。

本申请的第二目的在于提供一种路径规划系统。

本申请的第三目的在于提供另一种路径规划系统。

本申请的第四目的在于提供一种可读存储介质。

为实现本申请的第一目的，本申请第一方面的技术方案提供了一种路径规划方法，包括：获取掘进机的当前位置和目标位置；根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向；根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；根据行进角度公式，得到行进角；根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。

根据本申请提供的路径规划方法，首先确定掘进机当前位置及目标位置，即掘进机在巷道中任意位置移动到有效目标位置。然后根据当前位置和目标位置判断移动方向。根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间。根据行进角度公式，得到行进角。最后根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。通过计算行进角和掘进机旋转中心的活动空间进行掘进机在巷道中的路径规划，能够确保整个路径规划的高效性及可预测性。

另外，本申请提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

在一些技术方案中，可选地，根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向，包括：根据目标位置相对于当前位置的位置，得到掘进机的横向移动方向；根据当前位置相对于掘进面及后方可移动的最大距离，得到掘进机的纵向移动方向。

在该技术方案中，根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向，具体为首先根据目标位置相对于当前位置的位置，得到掘进机的横向移动方向。然后根据当前位置相对于掘进面及后方可移动的最大距离，确定掘进机的纵向移动方向。根据横向移动方向和纵向移动方向，共同决定掘进机的第一步动作。第一步动作可以分成两种类型，准备前进，转向与目标一致。准备后退，转向与目标相反。

在一些技术方案中，可选地，根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间，包括：根据巷道宽度、横向移动方向的安全距离和铲板宽度得出横向移动方向的横向活动空间；根据纵向移动方向的安全距离、旋转中心距车尾距离和车尾可向后活动距离得出纵向移动方向的纵向活动空间；根据横向活动空间和纵向活动空间得出掘进机旋转中心的活动空间。

在该技术方案中，根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间，具体为首先根据巷道宽度、横向移动方向的安全距离和铲板宽度得出横向移动方向的横向活动空间。然后根据纵向移动方向的安全距离、旋转中心距车尾距离和车尾可向后活动距离得出纵向移动方向的纵向活动空间。最后根据横向活动空间和纵向活动空间得出掘进机旋转中心的活动空间。可以理解，掘进机在受限空间内，旋转中心可移动的范围是可以计算出来的，即可移动空间相对受限空间是固定的。这个可移动空间可以称为活动空间，可以用平移掘进机描述旋转中心的轨迹，结合掘进机在旋转过程中的边界限制，把这个空间展示出来。在实际的计算中，需要明确巷道与掘进机的特征参数，用数学式描述为：

X∈±(0.5巷道宽度–X安全距离–0.5铲板宽度)；

Y∈(Y安全距离+旋转中心距车尾距离，Y安全距离+旋转中心距车尾距离+车尾可向后活动距离)；

其中，X为横向活动空间的坐标集合，Y为纵向活动空间的坐标集合。

在一些技术方案中，可选地，行进角度公式为：

oB-safe-0.5Wcosθ-Hsinθ=xL|tanθ|；

其中，θ为行进角，oB为旋转中心距离巷道的距离，W为宽度，在向前进时，所述宽度为前铲板宽度的0.5倍，在向后退时，所述宽度为车尾宽度的0.5倍，H为长度，在向前进时，所述长度为掘进机旋转中心距离前铲板的长度，在向后退时，所述长度为掘进机旋转中心距离车尾的长度，xL为掘进机由起点移动到活动空间的边界的纵向距离，safe为掘进机距离巷道壁安全距离，|tanθ|为tanθ的绝对值。

在该技术方案中，通过行进角度公式，根据前进、后退、左旋转、右旋转，带入不同参数，即可求得在任意巷道位置，移动到目标点时，需要旋转的最佳角度。需要说明的是，最佳行进方向，只考虑行进方向上的最佳角度，而反方向的参数不考虑，反方向的限制由边界保护来保证掘进机不撞到边界。其中，safe为掘进机距离巷道壁安全距离，在向左前行，向左后退时，代表距离左侧巷道壁安全距离，在向右前行，向右后退时，代表距离右侧巷道壁安全距离。xL为掘进机行进距离的纵向分量，可理解为最大行进距离，受与二运转载机连接距离的限制。

在一些技术方案中，可选地，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，包括：控制掘进机旋转到行进角，判断旋转过程中是否触发边界保护；在旋转过程中触发边界保护时，停止转动；在旋转过程中没触发边界保护时，转到行进角。

在该技术方案中，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，具体为控制掘进机旋转到行进角，判断旋转过程中是否触发边界保护。在此过程中若触发边界保护，则停止，否则转到最佳行进方向。

在一些技术方案中，可选地，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，还包括：控制掘进机直线运动到活动空间的边界，判断直线运动过程中是否到达目标位置；在直线运动过程中到达目标位置时，停止行进；在直线运动过程中没到达目标位置时，重新判断掘进机的移动方向和计算行进角。

在该技术方案中，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，还包括控制掘进机直线运动到活动空间的边界，判断直线运动过程中是否到达目标位置。若直线运动过程中到达目标位置，则停止行进。若否，则判断当前位置与目标的位置关系，重新计算行进角，直到移动到目标位置。

在一些技术方案中，可选地，特征参数包括以下之一或其组合：巷道宽度、安全距离、铲板宽度、旋转中心距车尾距离、车尾可向后活动距离。

在该技术方案中，特征参数包括巷道宽度、安全距离、铲板宽度、旋转中心距车尾距离、车尾可向后活动距离。

为实现本申请的第二目的，本申请第二方面的技术方案提供了一种路径规划系统，包括：获取模块，用于获取掘进机的当前位置和目标位置；移动方向确定模块，用于根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向；活动空间确定模块，用于根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；行进角计算模块，用于根据行进角度公式，得到行进角；控制模块，用于根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。

根据本申请提供的路径规划系统，包括获取模块、移动方向确定模块、活动空间确定模块、行进角计算模块和控制模块。其中，获取模块用于获取掘进机的当前位置和目标位置。移动方向确定模块用于根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向。活动空间确定模块用于根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间。行进角计算模块用于根据行进角度公式，得到行进角。控制模块用于根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。通过计算行进角和掘进机旋转中心的活动空间进行掘进机在巷道中的路径规划，能够确保整个路径规划的高效性及可预测性。

为实现本申请的第三目的，本申请第三方面的技术方案提供了一种路径规划系统，包括：存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的程序或指令，处理器执行程序或指令时实现第一方面技术方案中任一项的路径规划方法，故而具有上述第一方面任一技术方案的技术效果，在此不再赘述。

为实现本申请的第四目的，本申请第四方面的技术方案提供了一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现第一方面技术方案中任一项的路径规划方法的步骤，故而具有上述第一方面任一技术方案的技术效果，在此不再赘述。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请一个实施例的路径规划方法的步骤流程示意图之一；

图2为本申请一个实施例的路径规划方法的步骤流程示意图之二；

图3为本申请一个实施例的路径规划方法的步骤流程示意图之三；

图4为本申请一个实施例的路径规划方法的步骤流程示意图之四；

图5为本申请一个实施例的路径规划方法的步骤流程示意图之五；

图6为本申请一个实施例的路径规划系统的结构示意框图；

图7为本申请另一个实施例的路径规划系统的结构示意框图；

图8为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机位置示意图之一；

图9为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机位置示意图之二；

图10为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机位置示意图之三；

图11为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机位置示意图之四；

图12为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机位置示意图之五；

图13为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机位置示意图之六；

图14（a）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（b）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（c）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（d）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（e）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（f）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（g）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（h）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（i）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（j）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（k）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（l）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图14（m）为本申请一个实施例的路径规划方法的掘进机移动过程示意图；

图15为本申请一个实施例的路径规划方法的旋转中心的实际移动轨迹。

其中，图6和图7中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10：路径规划系统；110：获取模块；120：移动方向确定模块；130：活动空间确定模块；140：行进角计算模块；150：控制模块；300：存储器；400：处理器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图15描述本申请一些实施例的路径规划方法及系统、可读存储介质。

如图1所示，本申请第一方面的实施例提供了一种路径规划方法之一，包括以下步骤：

步骤S102：获取掘进机的当前位置和目标位置；

步骤S104：根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向；

步骤S106：根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；

步骤S108：根据行进角度公式，得到行进角；

步骤S110：根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。

根据本实施例提供的路径规划方法，首先确定掘进机当前位置及目标位置，即掘进机在巷道中任意位置移动到有效目标位置。然后根据当前位置和目标位置判断移动方向。根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间。根据行进角度公式，得到行进角。最后根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。通过计算行进角和掘进机旋转中心的活动空间进行掘进机在巷道中的路径规划，能够确保整个路径规划的高效性及可预测性。

如图2所示，根据本申请提出的一个实施例的路径规划方法之二，根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向，具体包括以下步骤：

步骤S202：根据目标位置相对于当前位置的位置，得到掘进机的横向移动方向；

步骤S204：根据当前位置相对于掘进面及后方可移动的最大距离，得到掘进机的纵向移动方向。

在该实施例中，根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向，具体为首先根据目标位置相对于当前位置的位置，得到掘进机的横向移动方向。然后根据当前位置相对于掘进面及后方可移动的最大距离，确定掘进机的纵向移动方向。根据横向移动方向和纵向移动方向，共同决定掘进机的第一步动作。第一步动作可以分成两种类型，准备前进，转向与目标一致。准备后退，转向与目标相反。

如图3所示，根据本申请提出的一个实施例的路径规划方法之三，根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间，具体包括以下步骤：

步骤S302：根据巷道宽度、横向移动方向的安全距离和铲板宽度得出横向移动方向的横向活动空间；

步骤S304：根据纵向移动方向的安全距离、旋转中心距车尾距离和车尾可向后活动距离得出纵向移动方向的纵向活动空间；

步骤S306：根据横向活动空间和纵向活动空间得出掘进机旋转中心的活动空间。

在该实施例中，根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间，具体为首先根据巷道宽度、横向移动方向的安全距离和铲板宽度得出横向移动方向的横向活动空间。然后根据纵向移动方向的安全距离、旋转中心距车尾距离和车尾可向后活动距离得出纵向移动方向的纵向活动空间。最后根据横向活动空间和纵向活动空间得出掘进机旋转中心的活动空间。可以理解，掘进机在受限空间内，旋转中心可移动的范围是可以计算出来的，即可移动空间相对受限空间是固定的。这个可移动空间可以称为活动空间，可以用平移掘进机描述旋转中心的轨迹，结合掘进机在旋转过程中的边界限制，把这个空间展示出来。在实际的计算中，需要明确巷道与掘进机的特征参数，用数学式描述为：

X∈±(0.5巷道宽度–X安全距离–0.5铲板宽度)；

Y∈(Y安全距离+旋转中心距车尾距离，Y安全距离+旋转中心距车尾距离+车尾可向后活动距离)；

其中，X为横向活动空间的坐标集合，Y为纵向活动空间的坐标集合。

在一些实施例中，可选地，行进角度公式为：

oB-safe-0.5Wcosθ-Hsinθ=xL|tanθ|；

其中，θ为行进角，oB为旋转中心距离巷道的距离，W为宽度，在向前进时，所述宽度为前铲板宽度的0.5倍，在向后退时，所述宽度为车尾宽度的0.5倍，H为长度，在向前进时，所述长度为掘进机旋转中心距离前铲板的长度，在向后退时，所述长度为掘进机旋转中心距离车尾的长度，xL为掘进机由起点移动到活动空间的边界的纵向距离，safe为掘进机距离巷道壁安全距离，|tanθ|为tanθ的绝对值。通过行进角度公式，根据前进、后退、左旋转、右旋转，带入不同参数，即可求得在任意巷道位置，移动到目标点时，需要旋转的最佳角度。需要说明的是，最佳行进方向，只考虑行进方向上的最佳角度，而反方向的参数不考虑，反方向的限制由边界保护来保证掘进机不撞到边界。其中，safe为掘进机距离巷道壁安全距离，在向左前行，向左后退时，代表距离左侧巷道壁安全距离，在向右前行，向右后退时，代表距离右侧巷道壁安全距离。xL为掘进机行进距离的纵向分量，可理解为最大行进距离，受与二运转载机连接距离的限制。

如图4所示，根据本申请提出的一个实施例的路径规划方法之四，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，具体包括以下步骤：

步骤S402：控制掘进机旋转到行进角，判断旋转过程中是否触发边界保护；

步骤S404：在旋转过程中触发边界保护时，停止转动；

步骤S406：在旋转过程中没触发边界保护时，转到行进角。

在该实施例中，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，具体为控制掘进机旋转到行进角，判断旋转过程中是否触发边界保护。在此过程中若触发边界保护，则停止，否则转到最佳行进方向。

如图5所示，根据本申请提出的一个实施例的路径规划方法之五，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，还包括以下步骤：

步骤S502：控制掘进机直线运动到活动空间的边界，判断直线运动过程中是否到达目标位置；

步骤S504：在直线运动过程中到达目标位置时，停止行进；

步骤S506：在直线运动过程中没到达目标位置时，重新判断掘进机的移动方向和计算行进角。

在该实施例中，根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置，还包括控制掘进机直线运动到活动空间的边界，判断直线运动过程中是否到达目标位置。若直线运动过程中到达目标位置，则停止行进。若否，则判断当前位置与目标的位置关系，重新计算行进角，直到移动到目标位置。

在一些实施例中，可选地，特征参数包括巷道宽度、安全距离、铲板宽度、旋转中心距车尾距离、车尾可向后活动距离。

如图6所示，本申请第二方面的实施例提供了一种路径规划系统10，包括：获取模块110，用于获取掘进机的当前位置和目标位置；移动方向确定模块120，用于根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向；活动空间确定模块130，用于根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；行进角计算模块140，用于根据行进角度公式，得到行进角；控制模块150，用于根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。

根据本实施例提供的路径规划系统10，包括获取模块110、移动方向确定模块120、活动空间确定模块130、行进角计算模块140和控制模块150。其中，获取模块110用于获取掘进机的当前位置和目标位置。移动方向确定模块120用于根据当前位置和目标位置确定掘进机的移动方向。活动空间确定模块130用于根据巷道与掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间。行进角计算模块140用于根据行进角度公式，得到行进角。控制模块150用于根据行进角和活动空间控制掘进机旋转和运动到目标位置。通过计算行进角和掘进机旋转中心的活动空间进行掘进机在巷道中的路径规划，能够确保整个路径规划的高效性及可预测性。

如图7所示，本申请第三方面的实施例提供了另一种路径规划系统10，包括：存储器300和处理器400，其中，存储器300上存储有可在处理器400上运行的程序或指令，处理器400执行程序或指令时实现第一方面的实施例中任一项的路径规划方法的步骤，故而具有上述第一方面任一实施例的技术效果，在此不再赘述。

本申请第四方面的实施例提供了一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现第一方面的实施例中任一项的路径规划方法的步骤，故而具有上述第一方面任一实施例的技术效果，在此不再赘述。

如图8至图15所示，根据本申请提供的一个具体实施例的路径规划方法，以解决掘进机在受限空间的路径规划的高效性及可控性。

为构建此数学模型，需要根据一种型号的掘进机进行数据描述。本模型采用160i进行说明，其它机型用其具体的参数带入即可实现对应模型的具体实施方法。

通过作图分析，找出一种能够满足要求的数学模型，实施方式具体步骤如下：

S1：确定掘进机当前位置及目标位置，即掘进机在巷道中任意位置A，移动到有效目标位置B。

具体地：

条件1：横向移动方向：根据B相对于A的位置，可以获得横向的移动方向。

条件2：纵向移动方向：根据当前掘进机的位置A相对于掘进面及后方可移动的最大距离，确定初始纵向移动方向。

根据条件1，条件2，共同决定掘进机的第一步动作。第一步动作可以分成2种类型，准备前进，转向与目标一致。准备后退，转向与目标相反（转向以车头作为参照）。

S2：旋转一个恰当的角度：

旋转到一个恰当角度是基于一个恰当的方法。在这里，称为最佳行进方向的确定。

假定掘进机处于如图8所示位置，掘进机向右旋转了θ度，行进方向为OO’，则称方向OO’为行进方向。

其中，xL为掘进机将沿OO’方向行进距离的纵向分量，可理解为最大行进距离，受与二运转载机连接距离的限制。xD为掘进机将沿OO’方向行进距离的横向分量。由图易知θ与xL与xD的一般对应关系。

tanθ=xD/xL；

假如掘进机沿此方向行进，纵向方向上行进到它能行进的最大量，同时掘进机右侧突出部分与右侧巷道恰好处于安全距离的临界点上，此时称OO’为最佳行进方向。

假如解出最佳行进角度，即可控制掘进机旋转到此角度，在旋转过程中，如果掘进机触发边界保护，则停止旋转，掘进机达到最大旋转角度，此时受限于有限空间，掘进机以此停止的角度进行下一步行走。如果掘进机在旋转的过程中未触发边界保护，则掘进机以最佳行进角度进行下一步行走。即最佳行进角是旋转目标，但受限于边界保护。

S3：行进一个恰当的距离：

掘进机沿行进方向行走，必然会有它能移动到的最大距离，而每次行进都希望这个距离都是极限，这样可以让行进过程的效率最大，达成行进的最优解。目标就是找出这个最优路径，即为恰当的距离。

通过作图及适当的空间想象，可以发现，掘进机在这个受限的空间内，旋转中心可移动的范围是可以计算出来的，即可移动空间相对这个受限空间是固定的。在这里，把这个可移动空间称为活动空间。可以用平移掘进机描述旋转中心的轨迹，结合掘进机在旋转过程中的边界限制，把这个空间展示出来，如图9所示。

如图9所示，四个旋转中心围成的矩形区域为旋转中心的活动空间。在实际的计算中，需要明确巷道与掘进机的特征参数，用数学式描述为：

X∈±(0.5巷道宽度–X安全距离–0.5铲板宽度)；

Y∈(Y安全距离+旋转中心距车尾距离，Y安全距离+旋转中心距车尾距离+车尾可向后活动距离)；

其中，X为横向活动空间的坐标集合，Y为纵向活动空间的坐标集合。

S4：结合全部条件，可以计算出最佳行进角度。具体过程如下：

如图10、图11、图12所示，定义如下符号：

横向活动空间的距离为sW。

纵向活动空间的距离为sL。

掘进机铲板右端点距离巷道安全距离为bD。

掘进机铲板右端点距离巷道初始距离为bD0。

掘进机由起点移动到活动空间的边界的横向距离为xD。

掘进机由起点移动到活动空间的边界的纵向距离为xL。

从头开始整理已知条件：

第一步，向右旋转到最佳行进角θ；

第二步，前铲板右端点在旋转前相对旋转中心的坐标为(0.5W,H)；

前铲板右端点在旋转后相对旋转中心的坐标记作(x0,y0)；

此时可知x0=sin(α+θ)，其中α为前铲板右端点的固有角度；

带入坐标，解得x0=0.5Wcosθ+ Hsinθ；

此时约定：

右转前进：θ为负值（象限1）；

左转前进：θ为正值（象限2）；

右转后退：θ为负值（象限3）；

左转后退：θ为正值（象限4）；

以上公式的得出及约定为按4种情况分别计算并总结结论而得出，为必要约束条件。因θ此时已经开始约定正负，开始得出的结论需要同时添加约束，得出以下结论：

|tanθ|=xD/xL；

第三步，掘进机沿最佳行进角θ方向行进到活动空间的边界，同时，前铲板右端点恰好位于安全距离的临界点上。根据此条件，能够得出：

bD=移动前旋转中心距离右边的距离–x0；

又因为bD=xD；

可以得出以下结论：

移动前旋转中心距离右边的距离–0.5Wcosθ–Hsinθ=xL|tanθ|；

以上结论将作为寻找最佳行进角的理论依据。

同时，这个结论的前提条件时右转前行，可以分别按同样的过程描述左转前行，左转后退，右转后退。可以发现，这个结论是通用的，只不过一些变量的值的意义发生了变化，具体整合描述如下：

oB-0.5Wcosθ-Hsinθ=xL|tanθ|；

oB：心边距，即旋转中心距离巷道的距离，向右前行，向右后退，此值代表旋转中心距离右侧巷道的距离。向左前行，向左后退，此值代表旋转中心距离左侧巷道的距离。

W：宽度，向前进的宽度为前铲板宽度的0.5倍。向后退的宽度为车尾宽度的0.5倍。

H：长度，向前进的长度为旋转中心距离前铲板的长度，向后退的长度为旋转中心距离车尾的长度。

根据前进、后退、左旋转、右旋转，带入不同参数，即可求得在任意巷道位置，移动到目标点时，需要旋转的最佳角度。

S5：需要说明的是，最佳行进方向，只考虑行进方向上的最佳角度，而反方向的参数不考虑，反方向的限制由边界保护来保证掘进机不撞到边界。

S6：以固定掘进机模型，代入具体数据，分析发现：

心边距＞心头长+0.707活动长度，则掘进机旋转大于45度为最佳。其中，心头长为旋转中心距离铲板或车尾的距离。向前行，此值代表旋转中心距离铲板的距离。向后退，此值代表旋转中心距离车尾的距离。活动长度为掘进机由起点移动到活动空间的边界的纵向距离。此时的巷道宽度已超过10米以上，且机尾连接二运转载机，角度过大无实际意义，故为保证掘进机在旋转过程的安全性，可以设置最大旋转角度，以限制掘进机的最大旋转角度，保证掘进机的安全运行。可以建立θ与各参数的映射表，经过不同参数的反复带入，可以发现，大部分的最佳行进角小于45度，在这里，直接限制为±45°，这个角度可以根据不同的巷道进行单独设置，保证它的有效性。

S7：验证以上结论：假设掘进机在初始位置向目标位置移动，通过作图分析，如图13所示，可知掘进机在此刻位置旋转14度为最大行进角度。掘进机参数可建参数映射表。

表1

建立θ与各参数的映射表，如表1所示：通过查表，可得θ为14度的时候，掘进机在此刻位置处于最佳行进角。

结论得到反向验证。

S8：同时，可以观察到，求解最佳行进角的结论是比较复杂的，为此，可以在程序中设计快速求解法，左式求解0点，再往上取0.75倍的整角，判断是否需要再进行向上或向下验证。

S9：到此刻，已经很清晰的掌握了掘进机路径规划的最佳轨迹描述。具体的实现过程如下：

①：掘进机在巷道任意位置，给出目标位置，判断移动方向。

②：根据行进角度公式，控制掘进机旋转到最佳行进角，在此过程中若触发边界保护，则停止，否则转到最佳行进方向。

③：直线运动到旋转中心的活动边界。期间若旋转中心到达目标，则停止行进。

④：判断当前位置与目标的位置关系，反向执行S2。

⑤：直线运动到旋转中心的活动边界。期间若旋转中心到达目标，则停止行进。

即循环②，③，直到移动到目标位置。

S10：以160i系列掘进机机械尺寸举例，半铲板长1900mm，车位宽2600mm，旋转中心到铲板距离5500mm，旋转中心到车尾距离3000mm为例，掘进机由任意位置A移动到任意位置B，图14（a）、图14（b）、图14（c）、图14（d）、图14（e）、图14（f）、图14（g）、图14（h）、图14（i）、图14（j）、图14（k）、图14（l）、图14（m）为具体的移动过程，图15为旋转中心的实际移动轨迹。通过此轨迹，可以估算出整个移车过程所需要的时间。

S11：综上，掘进机的移车轨迹可按本实施例提供的方法高效地，可预测地完成。

S12：本方法的使用是基于掘进机在巷道中的路径规划做的阐述，但方法上可以延伸为所有小车在受限空间的路径规划。

综上，本申请实施例的有益效果为：

1、通过活动空间和最佳行进角的概念及其计算方法，确保整个路径规划的高效性及可预测性。

在本申请中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、 “前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或模块必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本申请的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种路径规划方法，其特征在于，包括：

获取掘进机的当前位置和目标位置；

根据所述当前位置和所述目标位置确定所述掘进机的移动方向；

根据巷道与所述掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；

根据行进角度公式，得到行进角；

根据所述行进角和所述活动空间控制所述掘进机旋转和运动到所述目标位置。

2.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述根据所述当前位置和所述目标位置确定所述掘进机的移动方向，包括：

根据所述目标位置相对于所述当前位置的位置，得到所述掘进机的横向移动方向；

根据所述当前位置相对于掘进面及后方可移动的最大距离，得到所述掘进机的纵向移动方向。

3.根据权利要求2所述的路径规划方法，其特征在于，所述根据巷道与所述掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间，包括：

根据巷道宽度、所述横向移动方向的安全距离和铲板宽度得出所述横向移动方向的横向活动空间；

根据所述纵向移动方向的安全距离、旋转中心距车尾距离和车尾可向后活动距离得出所述纵向移动方向的纵向活动空间；

根据所述横向活动空间和所述纵向活动空间得出所述掘进机旋转中心的活动空间。

4.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，

所述行进角度公式为：

oB-safe-0.5Wcosθ-Hsinθ=xL|tanθ|；

其中，θ为行进角，oB为旋转中心距离巷道的距离，W为宽度，在向前进时，所述宽度为前铲板宽度的0.5倍，在向后退时，所述宽度为车尾宽度的0.5倍，H为长度，在向前进时，所述长度为掘进机旋转中心距离前铲板的长度，在向后退时，所述长度为掘进机旋转中心距离车尾的长度，xL为掘进机由起点移动到活动空间的边界的纵向距离，safe为掘进机距离巷道壁安全距离，|tanθ|为tanθ的绝对值。

5.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述根据所述行进角和所述活动空间控制所述掘进机旋转和运动到所述目标位置，包括：

控制所述掘进机旋转到所述行进角，判断旋转过程中是否触发边界保护；

在旋转过程中触发边界保护时，停止转动；

在旋转过程中没触发边界保护时，转到行进角。

6.根据权利要求5所述的路径规划方法，其特征在于，所述根据所述行进角和所述活动空间控制所述掘进机旋转和运动到所述目标位置，还包括：

控制所述掘进机直线运动到所述活动空间的边界，判断直线运动过程中是否到达所述目标位置；

在直线运动过程中到达所述目标位置时，停止行进；

在直线运动过程中没到达所述目标位置时，重新判断掘进机的移动方向和计算行进角。

7.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，

所述特征参数包括以下之一或其组合：巷道宽度、安全距离、铲板宽度、旋转中心距车尾距离、车尾可向后活动距离。

8.一种路径规划系统，其特征在于，包括：

获取模块（110），用于获取掘进机的当前位置和目标位置；

移动方向确定模块（120），用于根据所述当前位置和所述目标位置确定所述掘进机的移动方向；

活动空间确定模块（130），用于根据巷道与所述掘进机的特征参数确定掘进机旋转中心的活动空间；

行进角计算模块（140），用于根据行进角度公式，得到行进角；

控制模块（150），用于根据所述行进角和所述活动空间控制所述掘进机旋转和运动到所述目标位置。

9.一种路径规划系统，其特征在于，包括：

存储器（300）和处理器（400），其中，所述存储器（300）上存储有可在所述处理器（400）上运行的程序或指令，所述处理器（400）执行所述程序或所述指令时实现如权利要求1至7中任一项所述的路径规划方法的步骤。

10.一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，其特征在于，所述程序或所述指令被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的路径规划方法的步骤。