4. 矿区静态障碍物与可通行性分析

无人矿卡在矿区道路上行驶时，面对的并不是一张干净的地图，而是一张被挡墙、安全岛、边坡、堆料和固定设备反复切割的“破碎地形”。路径规划算法能否给出安全、平滑且高效的轨迹，很大程度上取决于我们如何把这些静态障碍物准确地“翻译”成地图上的几何与代价信息。本节围绕三个问题展开：静态障碍物如何建模、可通行区域与禁行区域如何划分、通行代价图层如何设计。

一、静态障碍物的分类与建模方式

矿区静态障碍物按几何形态大致可分为三类。第一类是面状障碍，如挡墙、边坡坡面、堆料场料堆，它们占据连续的大面积区域，通常用多边形或栅格占据表示。第二类是线状障碍，如道路边缘的护栏、电缆沟盖板边界、安全岛轮廓，适合用折线或窄带多边形描述。第三类是点状或块状障碍，如固定式电杆、水泵房、破碎站基座、加油机，用矩形或圆形包围盒即可。

建模时不能只画“看得见”的轮廓。以挡墙为例，墙体本身是实体，但车辆靠近时还需要保留侧向安全余量；边坡则要区分坡顶线与坡底线，坡面区域整体不可通行，坡顶外侧还需留出防滑坡安全距离。堆料场的料堆边界会随装卸作业变化，建模时应采用“当前实测轮廓 + 预留变化带”的方式，而不是一次建死。固定设备除了本体包围盒，还要考虑其检修通道和人员活动范围，这些区域在设备运行时同样应视为禁行。

二、膨胀处理：从几何边界到车辆可通行边界

障碍物轮廓只是几何边界，车辆是有尺寸的刚体，因此必须做膨胀处理。工程上常用的是闵可夫斯基和思想：将障碍物多边形与车辆外接轮廓（含安全余量）做膨胀，得到“配置空间障碍”。对无人矿卡而言，膨胀半径不是简单取车宽的一半，而应取：

膨胀半径 R = max(车宽/2, 车长/2 × sin(最大转向角)) + 定位误差 + 控制跟踪误差 + 安全余量

举例说明（示例参数，非实测）：某 90 吨级矿卡车宽 5.2 m、车长 10.8 m，最大转向角对应横向摆幅约 1.1 m，定位误差取 0.3 m，跟踪误差取 0.4 m，安全余量取 0.5 m，则膨胀半径约为 2.6 + 1.1 + 0.3 + 0.4 + 0.5 ≈ 4.9 m。这意味着挡墙的实际禁行边界要比墙体轮廓外扩近 5 m。若膨胀不足，规划出的轨迹虽然几何上不碰墙，但车辆转弯时后轮扫掠或跟踪偏差仍可能造成剐蹭；若膨胀过大，则会把本可通行的窄路段直接“堵死”，因此膨胀半径需要结合具体车型和定位精度标定。

膨胀后的地图还要做连通性检查：把膨胀后的禁行区叠加到路网上，检查是否存在被误封的通道。常见做法是对可通行栅格做连通域标记，若某段道路被切成孤立小块，说明膨胀参数或障碍物轮廓有误，需要回查。

三、可通行区域与禁行区域的划分

膨胀完成后，地图上的每个栅格或每个多边形区域需要被赋予通行属性。工程上通常划分为三级：自由通行区（道路中心带，无障碍且满足全部安全余量）、受限通行区（靠近障碍物膨胀边界、窄路会车段、坡道口，允许通行但代价升高）、绝对禁行区（障碍物本体、膨胀核心区、边坡坡面、人员活动区）。划分时要注意“受限通行区”不是简单的过渡带，它往往对应会车让行、限速通过等具体规则，需要在代价图层中体现，而不是只做二值化处理。

一个实用的做法是：先由障碍物膨胀结果生成禁行掩膜，再用道路中心线与路宽生成可通行走廊，两者求差得到实际可通行区域；对走廊内宽度小于“车宽 + 2×安全余量”的路段标记为受限区，并记录其最小宽度和长度，供规划器判断是否需要单向通行或会车调度。

四、通行代价图层设计

可通行性分析最终要落到一张或多张代价图层上。建议至少设计三层：静态障碍代价层（离障碍物越近代价越高，可用距离场或膨胀梯度生成）、道路结构代价层（道路中心线附近代价低，靠近路肩代价升高，坡道、弯道附加惩罚）、作业语义代价层（装卸区、加油点、检修区等区域按作业规则赋予不同代价或禁行时段）。三层按权重叠加：

总代价 = w1 × 障碍距离代价 + w2 × 道路结构代价 + w3 × 作业语义代价
示例权重：w1=0.5, w2=0.3, w3=0.2（需按矿区实际标定）

代价图层应保持与栅格分辨率一致，并随堆料变化、设备检修计划定期更新。更新后要重新做连通性检查与最短路径抽样验证，确认没有因代价调整而出现“绕远路”或“穿禁区”的异常结果。只有把障碍建模、膨胀处理、区域划分和代价设计串成一条闭环，后续的路径搜索与避障决策才有可靠的地图基础。