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梁薄云
2026-08-09 22:13:18 +08:00
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@@ -0,0 +1,726 @@
# Hybrid A* 粗路径规划实施计划
> **For agentic workers:** REQUIRED SUB-SKILL: Use `superpowers:subagent-driven-development`(推荐)或 `superpowers:executing-plans`,按任务顺序实施,并使用 `- [ ]` 更新执行状态。
**目标:** 在 ClumsyPilot `netstandard2.0` 项目中交付可复用的静态规划地图和 Hybrid A* 粗路径规划模块,通过一次 `CoarsePathPlanningService.Plan(job)` 完成建图、快照复用、粗路径搜索和可选调试发布。
**架构:** `Map` 模块统一接收人工障碍、TwoLeg 及未来障碍来源,生成只含外部障碍物的不可变 `PlanningGridMap``HybridAStarPlanner` 只消费该快照并完成保守碰撞检查与搜索;`CoarsePathPlanningService` 负责编排。核心逻辑不读取传感器、UI 或系统时间,Clumsy `MovementTest` 和 PNG 导出只作为旁路适配器。
**技术栈:** C# 10、.NET Standard 2.0、PowerShell 反射契约测试、Clumsy `MovementTest`、StbImageWriteSharp 1.16.7。
**设计依据:** `docs/superpowers/specs/2026-07-26-hybrid-astar-coarse-path-design.md`
## 全局约束
- 所有命令均从仓库根目录执行;项目文件为 `ClumsyPilot/ClumsyPilot.csproj`
- 目标框架保持 `netstandard2.0`,不得直接使用 `PriorityQueue``Math.Clamp``double.IsFinite` 或依赖 `record/init` 的实现。
- 地图边界、人工障碍和 TwoLeg 快照使用世界坐标 mm;规划内部统一使用 m、rad、1/m。
- 地图只保存外部障碍物,不写入 AMR 自身足迹,不在地图侧添加车辆安全膨胀。
- 安全余量只在碰撞检查时扩大车体矩形,防止地图膨胀与车体膨胀重复计算。
- `ResolutionMm` 必须在 20200 mm;地图最多 4,000,000 格,分配前使用 `checked` 检查。
- 地图坐标采用 `[XMin, XMax) × [YMin, YMax)`;地图外始终按占据处理。
- `PrimitiveLengthMeters=0.50` 表示原语最大长度;`IntegrationStepMeters=0.05` 表示积分最大步长。
- 碰撞采样中心位移不得超过 `min(0.025 m, Map.ResolutionMeters / 2)`
- 默认终点容差为 0.15 m 和 5°。每个原语在内部积分点逐点检查目标,第一次满足条件即截断为终点候选。
- 生成终点候选时不能立即成功;候选必须进入 Open List,作为当前最佳有效条目出队时才成功。
- 第一版只支持恒曲率前进、倒车及原语边界换向;不支持蟹行、横移、原地旋转、Reeds-Shepp 精确连接、平滑、速度规划或底盘控制。
- PowerShell 脚本首行设置 `$ErrorActionPreference = 'Stop'`,统一加载 `bin/Debug/netstandard2.0/ClumsyPilot.dll`
- 用户已明确不需要 Git 自检。本计划不包含 `git diff``git add``git commit` 等步骤;版本管理由用户另行处理。
## P0 与 P1 完成定义
| 阶段 | 必须完成的结果 | 阶段出口 |
| --- | --- | --- |
| P0-MAP:当前首要工作 | Map 文件结构、统一障碍来源、TwoLeg 投影、栅格化、距离场、快照缓存、PNG 迁移、自动测试和 `MovementTest.MapTest` 实际调用 | Map 独立构建成功;3 个 Map 脚本通过;Clumsy MapTest 只通过 `PlanningMapFactory.Create` 完成建图与显示 |
| P0-PLANMap Gate 之后 | CoarsePath 契约、保守碰撞、原语截断、Open List、Hybrid A*、输出校验和一次调用门面 | 6 个非 UI P0 脚本全部通过;固定场景可由 `CoarsePathPlanningService` 返回经最终复核的粗路径 |
| P1:集成与优化 | CoarsePath MovementTest、性能基准、旧地图退役和 README | 7 个功能脚本及 Release 基准通过;UI 入口只做调试展示;旧地图类型不再成为规划运行时入口 |
执行顺序固定为“P0-MAP 独立闭环 → P0-PLAN → P1”。除了 Map 自己的 `MovementTest.MapTest` 和 PNG 调试辅助外,在 Map Gate 通过前不编写粗路径搜索或 CoarsePath UI,避免旧 `MovementTest.Trapmaptest.cs` 的传感器和渲染依赖进入核心模块。
## 当前首要里程碑:P0-MAP 独立闭环
当前阶段只处理 `Utils` 中被 Map 使用的无状态工具、完整 `Map` 目录、Map 自动化测试和 Map 实际调用。不得提前创建 `CoarsePath/Search``CoarsePath/Vehicle``CoarsePath/Output` 运行时代码。
### Map 实施顺序
1. 建立 `Map/Core``Map/Obstacles``Map/Sources``Map/Planning``Map/Test/Visualization` 目录和命名空间。
2. 完成 `MapBoundsMm`、连续行优先 `EnvironmentGridMap`、圆/矩形 DTO 和唯一栅格化器。
3. 完成统一 `IMapObstacleSource`、人工来源、TwoLeg 快照来源和事务式 `EnvironmentMapBuilder`
4. 完成 `PlanningGridMap`、精确 EDT、保守距离场和 mm→m 适配。
5. 完成 `PlanningMapFactory`、容量 4 的两级快照缓存和地图变化判断。
6. 将旧 `TrapMapImageExporter.cs` 能力拆到 `Map/Test/Visualization`,只消费只读快照。
7. 完成三个 Map PowerShell 脚本和 `MovementTest.MapTest`,用真实入口验证建图、复用和显示。
对应详细任务的执行次序为:`Task 1 → Task 3 → Task 4 → Task 5 → Task 6 → Task 13 → Task 14 的 MapTest 部分 → Map Gate``Task 2``Task 712` 在 Map Gate 之后执行。
### Map 实际调用契约
`PlanningMapFactory` 应由长期存在的服务或测试对象持有,不能每次调用都重新 `new`,否则容量 4 的快照缓存无法跨调用复用:
```csharp
private readonly PlanningMapFactory _mapFactory = new PlanningMapFactory();
public PlanningMapBuildResult CreateCurrentMap(
MapBoundsMm bounds,
long manualVersion,
IReadOnlyList<IMapObstacle> manualObstacles,
long twoLegVersion,
TwoLegProjectionInput twoLegSnapshot)
{
return _mapFactory.Create(new PlanningMapRequest
{
Bounds = bounds,
ResolutionMm = 50f,
ObstacleSources = new IMapObstacleSource[]
{
new ManualObstacleSource(
"manual", manualVersion, true, manualObstacles),
new TwoLegObstacleSource(
"two-leg", twoLegVersion, false, twoLegSnapshot),
},
AllowExplicitEmptyMap = false,
});
}
```
调用方只判断统一结果,不接触 builder、rasterizer、投影器或 adapter
```csharp
PlanningMapBuildResult result = CreateCurrentMap(
bounds, manualVersion, manualObstacles, twoLegVersion, twoLegSnapshot);
if (!result.Succeeded || result.Map == null || !result.Map.PlanningReady)
return;
PlanningGridMap map = result.Map;
bool worldOriginIsOccupied = map.IsOccupiedWorld(0d, 0d);
double worldOriginClearance =
map.GetConservativeObstacleDistanceMeters(0d, 0d);
```
### Map Gate
以下条件必须全部满足,才开始 CoarsePath 契约和搜索:
- [ ]`Map` 运行时代码不读取 `TwoLegDetect`、定位、Painter、Toast、UI 或系统时间。
- [ ] 人工、TwoLeg 以及未来来源全部经 `IMapObstacleSource.ProjectToWorld()` 输出世界 mm 几何,再由唯一 rasterizer 写图。
- [ ] 地图不写 AMR 自身,不使用旧默认 300 mm 膨胀。
- [ ] `PlanningMapFactory.Create` 对完整输入命中、占据命中和占据变化给出可区分结果。
- [ ] `MovementTest.MapTest` 只调用 `PlanningMapFactory` 和可选 PNG exporter,不复制地图构造逻辑。
- [ ] 下列命令全部通过:
```powershell
dotnet build .\ClumsyPilot\ClumsyPilot.csproj --no-restore
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_factory.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_adapter.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_image.ps1
```
### P0-MAP 执行状态(2026-07-27
- [x] 已完成 Task 1、Task 36、Task 13,以及 Task 14 的 `MovementTest.MapTest` 部分。
- [x] 已建立新的 `Map` 目录结构、统一障碍物来源与 TwoLeg 检测时位姿投影;Map 核心不读取传感器、UI 或系统时钟。
- [x] 已完成只读规划快照、保守 EDT 距离场、容量 4 的 LRU 缓存、PNG 可视化拆分和实际 MapTest 调用。
- [x] 已通过上述 Map Gate 命令;另外 `verify_planning_utils.ps1` 也已通过。
- [x] 未执行 Git 自检、暂存或提交。
## 最终目录与文件职责
```text
ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/
├── Initial_plan/ ------ 方案与实施文档,不放运行时代码
├── Utils/ ------ 通用、无状态、确定性数值工具
│ ├── AngleMath.cs ------ 角度归一化、最短角差和航向离散索引
│ ├── UnitConverter.cs ------ mm/m、deg/rad 和半径/曲率转换
│ ├── CoordinateTransform.cs ------ 车体坐标与世界坐标二维刚体变换
│ ├── NumericGuard.cs ------ 有限值、正值和参数范围校验
│ └── GridIndex.cs ------ 不可变行列索引值对象
├── Map/ ------ MultiWheelC.TrajectoryPlanning.Mapping
│ ├── Core/
│ │ ├── EnvironmentGridMap.cs ------ 只保存外部障碍物的 mm 占据栅格
│ │ ├── MapBoundsMm.cs ------ 有限、非退化的 mm 地图边界
│ │ ├── MapBuildRequest.cs ------ 内部环境图构建请求
│ │ ├── EnvironmentMapBuildResult.cs ------ 环境图、来源摘要和失败原因
│ │ └── EnvironmentMapBuilder.cs ------ 校验来源并事务式合并障碍图层
│ ├── Obstacles/
│ │ ├── IMapObstacle.cs ------ 世界坐标障碍物公共几何契约
│ │ ├── AxisAlignedRectangleObstacle.cs ------ 轴对齐矩形障碍 DTO
│ │ ├── CircleObstacle.cs ------ 圆形障碍 DTO
│ │ └── MapObstacleRasterizer.cs ------ 唯一占据栅格写入器
│ ├── Sources/
│ │ ├── IMapObstacleSource.cs ------ 纯快照障碍来源统一接口
│ │ ├── ObstacleSourceStatus.cs ------ Applied/Empty/Unavailable/Invalid
│ │ ├── ObstacleProjectionResult.cs ------ 来源版本、状态、诊断和障碍集合
│ │ ├── ManualObstacleSource.cs ------ 输出人工圆和矩形
│ │ ├── TwoLegProjectionInput.cs ------ 两腿端点、检测状态和检测位姿快照
│ │ ├── TwoLegObstacleSource.cs ------ TwoLeg 统一来源适配器
│ │ └── TwoLegObstacleProjector.cs ------ 车体系两腿端点投影到世界系
│ ├── Planning/
│ │ ├── PlanningGridMap.cs ------ 只读 m 占据图、距离场和快照元数据
│ │ ├── EuclideanDistanceTransform.cs ------ 线性时间精确二维欧氏距离变换
│ │ ├── ObstacleDistanceField.cs ------ 不高估真实净空的距离下界
│ │ ├── PlanningMapCache.cs ------ 容量 4 的线程安全两级快照缓存
│ │ └── PlanningMapAdapter.cs ------ 占据深拷贝、mm→m 和距离场生成
│ ├── PlanningMapRequest.cs ------ Map 模块统一输入
│ ├── PlanningMapBuildResult.cs ------ Map 模块统一输出和缓存命中类型
│ ├── PlanningMapFactory.cs ------ Map 模块唯一公共创建入口
│ └── Test/
│ ├── MovementTest.MapTest.cs ------ Clumsy UI 地图构建/显示入口
│ └── Visualization/
│ ├── PlanningMapImageExportRequest.cs ------ 快照、叠加层和输出选项
│ ├── PlanningMapImageExportResult.cs ------ PNG 状态、路径、尺寸和诊断
│ ├── PlanningMapImageExporter.cs ------ 校验、渲染编排和原子发布
│ ├── PlanningMapImageRenderer.cs ------ 地图/车辆/路径绘制到 RGBA
│ └── ValidatedPngWriter.cs ------ Stb 编码、PNG 结构和 CRC 校验
├── CoarsePath/ ------ MultiWheelC.TrajectoryPlanning.CoarsePath
│ ├── Contracts/
│ │ ├── Pose2D.cs ------ m/rad 不可变二维位姿
│ │ ├── TravelDirection.cs ------ Forward/Reverse
│ │ ├── GoalDirectionConstraint.cs ------ Any/Forward/Reverse
│ │ ├── VehicleParameters.cs ------ 尺寸、安全余量和最大曲率
│ │ ├── PlanningRequest.cs ------ 纯规划器输入
│ │ ├── HybridAStarConfiguration.cs ------ 原语、离散、代价、限额和容差
│ │ ├── PlanningResult.cs ------ 状态、诊断、稠密路径和分段
│ │ ├── PlanningStatus.cs ------ 输入、碰撞、搜索和验证状态
│ │ ├── PlanningDiagnostics.cs ------ 节点、堆、耗时、路径和终止统计
│ │ ├── CoarsePathPoint.cs ------ 位姿、弧长、方向、曲率和净空
│ │ ├── CoarsePathPointSource.cs ------ Start/MotionPrimitive/GoalTruncation
│ │ └── PathSegment.cs ------ 包含式方向分段索引
│ ├── Vehicle/
│ │ ├── VehicleKinematics.cs ------ 解析保守最大曲率
│ │ ├── VehicleFootprint.cs ------ 扩大矩形、AABB 和外接圆
│ │ ├── OrientedRectangleCellIntersection.cs ------ 旋转矩形与格矩形精确相交
│ │ └── FootprintCollisionChecker.cs ------ 边界、快速放行、精确和扫掠检查
│ ├── Search/
│ │ ├── MotionPrimitive.cs ------ 恒曲率原语和实际截断长度
│ │ ├── MotionPrimitiveGenerator.cs ------ 解析积分并保留内部采样点
│ │ ├── BinaryMinHeap.cs ------ netstandard2.0 确定性 Open List
│ │ ├── SearchCostCalculator.cs ------ 统一计算等效米搜索代价
│ │ ├── HybridAStarNode.cs ------ 连续状态、代价、父索引和原语
│ │ ├── HybridAStarNodeKey.cs ------ 位置/航向/方向/曲率离散键
│ │ ├── GoalToleranceChecker.cs ------ 位置、航向和进入方向判断
│ │ ├── GridDijkstraHeuristic.cs ------ 八邻域、禁止切角的二维启发
│ │ └── HybridAStarSearch.cs ------ 扩展、重开、限额和候选管理
│ ├── Output/
│ │ ├── PathBacktracker.cs ------ 根据父索引重建原语内部点
│ │ ├── CoarsePathAssembler.cs ------ 弧长、换向点和方向分段
│ │ └── CoarsePathValidator.cs ------ 数值、碰撞、曲率、终点和分段复核
│ ├── HybridAStarPlanner.cs ------ 只消费 PlanningGridMap 的下层门面
│ ├── Facade/
│ │ ├── CoarsePathPlanningJob.cs ------ 一次调用所需全部输入
│ │ ├── CoarsePathPlanningJobResult.cs ------ 地图结果与粗路径结果
│ │ ├── PlanningDebugOptions.cs ------ 地图、路径、碰撞调试开关
│ │ ├── IPlanningDebugSink.cs ------ 不改变规划状态的调试消费接口
│ │ └── CoarsePathPlanningService.cs ------ 建图、搜索和调试的一次调用入口
│ └── Test/
│ ├── CoarsePathScenarioFactory.cs ------ 固定、可复现的地图与规划场景
│ └── MovementTest.CoarsePathTest.cs ------ 后台规划并在 Clumsy UI 显示
│ └── README.md ------ 粗规划模块边界、调用示例和文档链接
ClumsyPilot/tests/
├── verify_planning_utils.ps1 ------ 工具与公共契约
├── verify_planning_map_factory.ps1 ------ 来源、事务、缓存与快照
├── verify_planning_map_adapter.ps1 ------ 栅格、适配和距离场
├── verify_planning_map_image.ps1 ------ PNG 渲染与原子发布
├── verify_coarse_path_collision.ps1 ------ 亚栅格、擦边和扫掠碰撞
├── verify_coarse_path_search.ps1 ------ 原语截断、堆、代价和搜索
├── verify_coarse_path_integration.ps1 ------ 一次调用端到端验证
└── benchmark_coarse_path.ps1 ------ Release 性能与内存门槛
```
## 固定公共调用方式
常规业务代码只保留一个长期存在的服务实例:
```csharp
var result = planningService.Plan(new CoarsePathPlanningJob
{
MapRequest = new PlanningMapRequest
{
Bounds = bounds,
ResolutionMm = 50f,
ObstacleSources = new IMapObstacleSource[]
{
new ManualObstacleSource(
"manual", manualVersion, true, manualObstacles),
new TwoLegObstacleSource("two-leg", twoLegVersion, false, twoLegSnapshot),
},
AllowExplicitEmptyMap = true,
},
Start = startPose,
Goal = goalPose,
Vehicle = vehicle,
Configuration = configuration,
StartVehicleCurvature = 0d,
StartDirection = null,
GoalDirection = GoalDirectionConstraint.Any,
Debug = new PlanningDebugOptions
{
VisualizeMap = true,
VisualizePath = true,
VisualizeCollisionChecks = false,
},
}, cancellationToken);
```
已有地图快照复用或纯搜索测试才直接调用 `HybridAStarPlanner.Plan(PlanningRequest, CancellationToken)`。业务调用方不得直接拼装 builder、rasterizer、碰撞器、运动原语或搜索节点。
## P0:正确可用
### Task 1:建立 Utils 与测试基座
**文件:**
- Create: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Utils/AngleMath.cs`
- Create: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Utils/UnitConverter.cs`
- Create: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Utils/CoordinateTransform.cs`
- Create: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Utils/NumericGuard.cs`
- Create: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Utils/GridIndex.cs`
- Create: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_utils.ps1`
**产出接口:**
```csharp
double AngleMath.NormalizeRadians(double radians);
double AngleMath.ShortestSignedDifference(double from, double to);
int AngleMath.ToHeadingIndex(double heading, double resolution, int binCount);
double UnitConverter.MillimetersToMeters(double value);
double UnitConverter.DegreesToRadians(double value);
bool NumericGuard.IsFinite(double value);
readonly struct GridIndex { int Row; int Col; }
```
- [ ] 写失败测试:断言 `2π→0``179°→-179°` 最短角差为 `2°``1250 mm→1.25 m`、车体系 `(1000,0)` 在世界位姿 `(2000,3000,90°)` 后得到 `(2,4) m`,并拒绝 NaN/Infinity。
- [ ] 执行以下命令,预期构建成功、脚本因新类型不存在返回非零。
```powershell
dotnet build .\ClumsyPilot\ClumsyPilot.csproj --no-restore
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_utils.ps1
```
- [ ] 实现:角度统一到 `[-π,π)`;航向索引先归一化再 `floor`;刚体变换使用 `world=origin+R(heading)×local``GridIndex` 实现值相等和稳定哈希。
- [ ] 重跑脚本,预期输出 `Planning utility checks passed.`
### Task 2:锁定 CoarsePath 公共契约与默认参数
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Contracts/` 下目录树列出的 12 个契约文件
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_utils.ps1`
**固定默认值:**
```csharp
PrimitiveLengthMeters = 0.50;
IntegrationStepMeters = 0.05;
MaximumCollisionCheckStepMeters = 0.025;
HeadingResolutionRadians = Math.PI / 36d;
CurvatureLevelCount = 5;
GoalPositionToleranceMeters = 0.15;
GoalHeadingToleranceRadians = Math.PI / 36d;
MaximumExpandedNodes = 200000;
SearchTimeout = TimeSpan.FromSeconds(5);
HeuristicWeight = 1.0;
ReverseCostMultiplier = 1.5;
GearSwitchPenaltyMeters = 1.0;
CurvatureMagnitudeWeight = 0.10;
CurvatureChangePenaltyMetersPerLevel = 0.05;
ClearanceCostWeight = 0.20;
ClearanceCostDistanceMeters = 0.50;
```
- [ ] 扩展失败测试:断言上述默认值,三个方向/来源枚举,以及 `PlanningRequest` 的起始曲率、起始方向、目标进入方向。
- [ ] 断言 `PlanningStatus` 包含:`Success``Cancelled``InvalidRequest``InvalidMap``MapNotReady``InvalidVehicleParameters``InvalidCurvatureConfiguration``StartOutsideMap``StartInCollision``GoalOutsideMap``GoalInCollision``SearchTimeout``SearchNodeLimitExceeded``NoFeasiblePath``BacktrackingFailed``FinalValidationFailed``InternalError`
- [ ] 实现不可变 `Pose2D`;结果工厂只允许成功结果携带路径,失败结果路径为空。
- [ ] `PlanningDiagnostics` 固定记录扩展节点数、生成节点数、重新打开节点数、陈旧堆条目数、Open List 峰值、总路径长度、最小保守净空、耗时和终止原因。
- [ ] `CoarsePathPoint` 固定包含 `X/Y``Heading/UnwrappedHeading``ArcLength``Direction``VehicleCurvature``BodyClearance``IsGearSwitchPoint``Source``PathSegment` 固定包含方向和包含式 `StartIndex/EndIndex`
- [ ] 重跑工具脚本,预期契约和默认值全部通过。
### Task 3:实现环境栅格、边界与统一栅格化
**文件:**
- Create: `Map/Core/MapBoundsMm.cs`
- Create: `Map/Core/EnvironmentGridMap.cs`
- Create: `Map/Obstacles/IMapObstacle.cs`
- Create: `Map/Obstacles/AxisAlignedRectangleObstacle.cs`
- Create: `Map/Obstacles/CircleObstacle.cs`
- Create: `Map/Obstacles/MapObstacleRasterizer.cs`
- Create: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_map_adapter.ps1`
上述 Map/CoarsePath 相对路径均位于 `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/`
- [ ] 写边界和栅格失败测试:20/200 mm 合法,范围外失败;4,000,001 格分配前失败;`XMax/YMax` 排他;非完整末格裁剪;地图外占据;圆/矩形与格边或格角接触时保守占据;完全在地图外的合法障碍不写格。
- [ ] 运行脚本,预期新 Map 类型不存在。
- [ ] 实现私有行优先 `byte[]`,索引固定为 `row*Cols+col`;世界转格使用 `floor((value-min)/resolution)`;不得返回内部缓冲区。
- [ ] 实现唯一栅格化器:圆使用“圆心到格矩形最近点距离”,轴对齐矩形使用闭区间相交,只遍历裁剪后的候选包围盒。
- [ ] 确认不存在 `MarkVehicleFootprint` 或安全距离参数,重跑脚本通过。
### Task 4:统一人工与 TwoLeg 障碍来源
**文件:**
- Create: `Map/Sources/` 下目录树列出的 7 个文件
- Create: `Map/Core/MapBuildRequest.cs`
- Create: `Map/Core/EnvironmentMapBuildResult.cs`
- Create: `Map/Core/EnvironmentMapBuilder.cs`
- Create: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_map_factory.ps1`
**固定接口:**
```csharp
public interface IMapObstacleSource
{
string SourceId { get; }
long SourceVersion { get; }
bool IsRequired { get; }
ObstacleProjectionResult ProjectToWorld();
}
```
- [ ] 构造函数统一为 `ManualObstacleSource(string sourceId, long sourceVersion, bool isRequired, IReadOnlyList<IMapObstacle> obstacles)``TwoLegObstacleSource(string sourceId, long sourceVersion, bool isRequired, TwoLegProjectionInput input)`;计划内所有实际调用均使用这两个签名。
- [ ] 写来源事务失败测试:人工 `Applied/Empty`、TwoLeg 两个圆、可选来源 `Unavailable/Invalid` 保留人工图层、必需来源失败导致整图失败、重复 `SourceId` 失败、输入顺序不同但结果相同。
- [ ] 校验 `SourceId` 非空且一次请求内唯一,`SourceVersion` 非负;来源快照内容发生变化时,上层必须递增版本。
- [ ] 写 TwoLeg 坐标测试:使用检测时车辆位姿完成车体系 mm 到世界系 mm 变换,不得使用规划开始时位姿。
- [ ] 实现纯快照投影:`ProjectToWorld()` 不能调用 `TwoLegDetect`、定位、UI 或系统时间;过期判断由上层采集适配器在构造 DTO 前完成。
- [ ] builder 按 `SourceId` 排序;可选失败只记诊断;必需失败不发布地图;全部成功几何交给唯一 rasterizer。
- [ ] 重跑工厂脚本,预期来源状态、投影和事务断言通过。
### Task 5:生成不可变 PlanningGridMap 和保守距离场
**文件:**
- Create: `Map/Planning/EuclideanDistanceTransform.cs`
- Create: `Map/Planning/ObstacleDistanceField.cs`
- Create: `Map/Planning/PlanningGridMap.cs`
- Create: `Map/Planning/PlanningMapAdapter.cs`
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_map_adapter.ps1`
- [ ] 扩展失败测试:mm→m、占据深拷贝、地图外距离为零、障碍格距离为零、空图距离正无穷、末格裁剪,以及所有样本距离不高于暴力几何距离。
- [ ] 实现两次一维平方距离变换,复杂度 `O(Rows×Cols)`;不得逐自由格遍历全部障碍格。
- [ ] 对精确栅格中心距离应用:
```csharp
Math.Max(0d, centerDistanceMeters - Math.Sqrt(2d) * resolutionMeters)
```
- [ ] 查询使用点所在格的保守值,不做可能抬高结果的插值;空图跳过 EDT;边界检查独立执行。
- [ ] `PlanningGridMap` 私有保存连续占据/距离数组,不提供写入口和缓冲区引用。
- [ ] 重跑地图适配脚本,预期栅格、深拷贝、空图和保守距离全部通过。
### Task 6:实现 PlanningMapFactory 与两级快照缓存
**文件:**
- Create: `Map/Planning/PlanningMapCache.cs`
- Create: `Map/PlanningMapRequest.cs`
- Create: `Map/PlanningMapBuildResult.cs`
- Create: `Map/PlanningMapFactory.cs`
- Modify: `Map/Planning/PlanningGridMap.cs`
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_map_factory.ps1`
```csharp
public sealed class PlanningMapFactory
{
public PlanningMapBuildResult Create(PlanningMapRequest request);
}
```
`PlanningMapRequest` 固定包含 `MapBoundsMm Bounds``float ResolutionMm``IReadOnlyList<IMapObstacleSource> ObstacleSources``bool AllowExplicitEmptyMap`
- [ ] 写缓存测试:完全相同请求返回同一 `PlanningGridMap`;来源版本变化但最终占据未变化时产生新 `SnapshotId` 并复用占据/距离缓冲;占据变化时重建距离场。
- [ ] 写规划可用性测试:至少一个成功来源提供有效障碍语义时 `PlanningReady=true`;所有来源均为空时仅 `AllowExplicitEmptyMap=true` 可用;必需来源失败或未明确空图语义时 `PlanningReady=false` 并填写 `PlanningBlockReason`,规划器随后返回 `MapNotReady`
- [ ] 验证失效边界:起终点、车辆、规划参数和可视化开关不进入地图指纹;边界、分辨率、空图策略、来源状态/版本或规范化几何变化必须进入。
- [ ] 实现确定性 `InputFingerprint`:来源先按 ID 排序,字段固定顺序,浮点按 IEEE 位模式;命中后仍比较规范化结构。
- [ ] 栅格化后计算 `OccupancyHash`;命中后仍比较地图几何、数组长度和逐字节内容,不能只信任哈希。
- [ ] 实现容量 4 的线程安全 LRU;完整命中返回同一快照,占据命中共享不可变缓冲但生成新元数据,只有占据变化才运行 EDT。
- [ ] `PlanningMapBuildResult` 固定返回 `Succeeded`、失败原因、来源摘要、缓存命中类型和成功时的 `PlanningGridMap`;快照固定保存 `PlanningReady``PlanningBlockReason`、来源版本摘要、`InputFingerprint``OccupancyHash`、单调 `SnapshotId`
- [ ] 增加 16 个并发相同请求测试和 LRU 淘汰测试,重跑脚本通过。
### Task 7:实现连续车体足迹和保守碰撞检查
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Vehicle/` 下目录树列出的 4 个文件
- Create: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_collision.ps1`
**固定接口:**
```csharp
bool IsPoseCollisionFree(
Pose2D pose, PlanningGridMap map, VehicleParameters vehicle,
double additionalMarginMeters, out double bodyClearanceMeters);
bool IsSweptMotionCollisionFree(
Pose2D from, Pose2D to, PlanningGridMap map, VehicleParameters vehicle,
double maximumCenterStepMeters, out double minimumBodyClearanceMeters);
```
- [ ] 写失败测试:正交、45°、任意航向、栅格中心/亚栅格中心、边角接触、薄障碍、地图边界、距离场快速放行,以及两个无碰撞端点之间有障碍的扫掠场景。
- [ ] 实现以几何中心为参考的扩大车体;安全余量加到长度和宽度两侧;最大曲率与最小转弯半径并存时取更保守限制。
- [ ] 使用分离轴定理精确判断连续旋转矩形与占据格矩形相交,接触视为碰撞;不得使用离散航向模板。
- [ ] 检查顺序:扩大车体边界 → 保守距离严格大于外接圆时快速放行 → AABB 内占据格 SAT。
- [ ] 扫掠采样中心步长不超过 `min(configuredStep,map.Resolution/2)`;每段临时附加余量为:
```text
0.5 × (centerDisplacement
+ circumscribedRadius × abs(headingDelta))
```
- [ ] 重跑碰撞脚本,预期所有亚栅格、擦边和扫掠案例通过。
### Task 8:实现解析恒曲率原语和内部终点截断
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Search/MotionPrimitive.cs`
- Create: `CoarsePath/Search/MotionPrimitiveGenerator.cs`
- Create: `CoarsePath/Search/GoalToleranceChecker.cs`
- Create/Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_search.ps1`
**解析积分:**
```csharp
double signedDistance = direction == TravelDirection.Forward ? step : -step;
double nextHeading = AngleMath.NormalizeRadians(
heading + curvature * signedDistance);
if (Math.Abs(curvature) < 1e-12)
{
nextX = x + signedDistance * Math.Cos(heading);
nextY = y + signedDistance * Math.Sin(heading);
}
else
{
nextX = x + (Math.Sin(nextHeading) - Math.Sin(heading)) / curvature;
nextY = y - (Math.Cos(nextHeading) - Math.Cos(heading)) / curvature;
}
```
- [ ] 写原语测试:直行、圆弧、倒车、五级曲率、相邻曲率最多变化一级、最大长度 0.50 m、实际采样步长不超过 `min(IntegrationStep,CollisionStep,MapResolution/2)`
- [ ] 写用户提出的案例:目标距起点 0.30 m、原语最大 0.50 m、收紧容差;断言第一个满足目标的内部点截断,后续点不生成,来源为 `GoalTruncation`
- [ ] 每个内部点严格按“有限值 → 扫掠碰撞 → 目标条件”检查;碰撞必须先于目标。
- [ ] 起点已满足目标时创建零长度候选,不生成原语。
- [ ] 重跑搜索脚本,预期几何、碰撞采样和 0.30 m 截断案例通过。
### Task 9:实现 Open List、统一代价和二维启发
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Search/BinaryMinHeap.cs`
- Create: `CoarsePath/Search/SearchCostCalculator.cs`
- Create: `CoarsePath/Search/GridDijkstraHeuristic.cs`
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_search.ps1`
**固定代价:**
```text
primitiveCost =
lengthMeters
× directionMultiplier
× (1
+ CurvatureMagnitudeWeight × abs(curvature / maximumCurvature)
+ ClearanceCostWeight × max(0, 1 - clearance / ClearanceCostDistanceMeters))
+ gearSwitchPenalty
+ CurvatureChangePenaltyMetersPerLevel × abs(curvatureLevelDelta)
```
- [ ] 写堆顺序测试:较小 `F`、较小 `H`、较大 `G`、较小插入序号;相同输入重复运行顺序一致。
- [ ] 写代价测试:前进、倒车、换向、曲率幅值、曲率变化和净空项;拒绝负数及非有限权重。
- [ ] 写 Dijkstra 测试:八邻域直/斜代价;两个正交邻格任一占据时禁止对角切角;二维不可达返回明确状态。
- [ ] 实现专用二叉最小堆,不依赖 `PriorityQueue`;允许旧条目由搜索层惰性丢弃。
- [ ] `HeuristicWeight=1` 使用 `F=G+H`;大于 1 时只承诺可行性。
- [ ] 重跑搜索脚本,预期顺序、公式和切角限制通过。
### Task 10:实现 Hybrid A* 节点、重开和终点候选管理
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Search/HybridAStarNode.cs`
- Create: `CoarsePath/Search/HybridAStarNodeKey.cs`
- Create: `CoarsePath/Search/HybridAStarSearch.cs`
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_search.ps1`
- [ ] 写搜索测试:空图前进、单矩形绕行、允许倒车的狭窄场景、起始曲率、目标进入方向、`±π` 容差、无解、取消、超时、节点上限、重开和确定性。
- [ ] 写候选排序测试:先生成较大 `F` 的终点候选时不得结束;较小 `F` 普通节点先出队;候选成为最佳有效条目后才成功。
- [ ] 离散键固定为位置格、航向格、方向和曲率等级;连续位姿保留在节点中。
- [ ] `Dictionary<HybridAStarNodeKey,double>` 保存普通状态最佳 `G`;更小 `G` 允许重开;旧普通堆条目惰性丢弃。
- [ ] 终点候选放入同一堆,但不能仅因另一个连续位姿落入相同离散键且 `G` 更低而被删除;候选出队时重新验证目标和末段碰撞。
- [ ] 搜索循环在每次扩展前按顺序检查取消、5 s 超时、200,000 节点上限,再弹出有效条目;Open List 为空返回 `NoFeasiblePath`
- [ ] 重跑搜索脚本,预期候选顺序、重开、限额和所有场景通过。
### Task 11:回溯、装配、最终复核和 HybridAStarPlanner
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Output/PathBacktracker.cs`
- Create: `CoarsePath/Output/CoarsePathAssembler.cs`
- Create: `CoarsePath/Output/CoarsePathValidator.cs`
- Create: `CoarsePath/HybridAStarPlanner.cs`
- Create: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_integration.ps1`
```csharp
public sealed class HybridAStarPlanner
{
public PlanningResult Plan(
PlanningRequest request,
CancellationToken cancellationToken = default(CancellationToken));
}
```
- [ ] 写失败状态测试:请求、地图就绪、车辆参数、曲率配置、起终点越界/碰撞,以及搜索失败到结果的无异常映射。
- [ ] 写输出测试:首点弧长零;弧长不递减;`UnwrappedHeading` 连续;终点截断来源正确;除换向对外无相邻重复点。
- [ ] 写换向分段测试:换向处保留两个坐标/航向/弧长相同而方向不同的点;新方向点标记 `IsGearSwitchPoint`;包含式分段完整覆盖路径。
- [ ] 搜索节点只存父索引、方向、曲率和实际原语长度;成功后使用相同解析积分和有效步长重建内部点。
- [ ] 最终复核有限数值、曲率、扫掠碰撞、目标容差/方向、弧长、换向对和分段;失败返回 `FinalValidationFailed` 且不发布部分路径。
- [ ] 重跑碰撞、搜索和集成脚本,预期全部通过。
### Task 12:实现一次调用 CoarsePathPlanningService
**文件:**
- Create: `CoarsePath/Facade/` 下目录树列出的 5 个文件
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_integration.ps1`
```csharp
public sealed class CoarsePathPlanningService
{
public CoarsePathPlanningJobResult Plan(
CoarsePathPlanningJob job,
CancellationToken cancellationToken = default(CancellationToken));
}
```
- [ ] 写一次调用测试:固定执行 `PlanningMapFactory.Create → HybridAStarPlanner.Plan → debug sink`;地图失败不启动搜索;结果同时保留地图和规划结果。
- [ ] 写旁路隔离测试:可视化开关不改变地图指纹、占据哈希、规划状态或路径;debug sink 异常只写调试诊断。
- [ ] 服务持有同一 `PlanningMapFactory`,多次调用共享容量 4 缓存;默认 debug sink 为空行为。
- [ ] 重跑以下 P0 验收,预期构建成功且 6 个脚本退出码为 0。
```powershell
dotnet build .\ClumsyPilot\ClumsyPilot.csproj --no-restore
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_utils.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_factory.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_adapter.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_coarse_path_collision.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_coarse_path_search.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_coarse_path_integration.ps1
```
## P0-MAP 收尾与 P1:集成、迁移和性能
### Task 13P0-MAP):拆分迁移 TrapMapImageExporter
**现有来源:**
- Read/Migrate: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Occupancygird_Map/Map_test/TrapMapImageExporter.cs`
**新文件:**
- Create: `Map/Test/Visualization/PlanningMapImageExportRequest.cs`
- Create: `Map/Test/Visualization/PlanningMapImageExportResult.cs`
- Create: `Map/Test/Visualization/PlanningMapImageExporter.cs`
- Create: `Map/Test/Visualization/PlanningMapImageRenderer.cs`
- Create: `Map/Test/Visualization/ValidatedPngWriter.cs`
- Create: `ClumsyPilot/tests/verify_planning_map_image.ps1`
- [ ] 写新图片测试:输入只允许 `PlanningGridMap`;覆盖关闭导出、非法尺寸、唯一命名、临时文件清理、PNG 签名/IHDR/IEND 和每个 chunk CRC。
- [ ] 保留现有有效限制:`PixelsPerCell=4``MaximumImageEdgePixels=4000``MaximumFileSizeBytes=50 MiB``OutputDpi=300`、最多 1024 次重名重试、StbImageWriteSharp 1.16.7。
- [ ] 按职责迁移:Request/Result 只放 DTORenderer 生成 RGBAWriter 负责编码/CRCExporter 校验、独占临时文件和原子发布。
- [ ] 新导出器不得依赖 `GridMapData``TrapMapVehiclePose`、TwoLeg 状态、传感器或地图构造器;车辆、起终点和路径只作可选叠加层。
- [ ] 运行图片脚本通过后先保留旧文件,Task 16 确认等价覆盖后再退役。
### Task 14:增加地图与粗路径 MovementTest
**文件:**
- Create: `Map/Test/MovementTest.MapTest.cs`
- Create: `CoarsePath/Test/CoarsePathScenarioFactory.cs`
- Create: `CoarsePath/Test/MovementTest.CoarsePathTest.cs`
- Modify: `ClumsyPilot/tests/verify_coarse_path_integration.ps1`
- [ ] **P0-MAP 部分:** 先创建 `MovementTest.MapTest.cs`。它只调用长期持有的 `PlanningMapFactory`,显示来源状态、栅格、快照 ID 和缓存命中,并可选调用新 PNG 导出器;通过 Map Gate 后即可结束当前首要里程碑。
- [ ] **P1 部分:** Map Gate 和 P0-PLAN 均通过后,再创建 `CoarsePathScenarioFactory.cs``MovementTest.CoarsePathTest.cs`
- [ ] 场景工厂提供显式空图、单矩形绕行、人工圆+矩形+TwoLeg、相同地图缓存命中、倒车换向和无解案例。
- [ ] CoarsePath 案例使用同一 `CoarsePathPlanningService`;测试类不得直接实例化 rasterizer、碰撞器、原语生成器或搜索节点。
- [ ] `MovementTest.CoarsePathTest` 在后台任务调用同步 `Plan`,绘制起点、目标、路径、换向点和扩大车体检查点。
- [ ] `TestStop` 先取消专用 `CancellationTokenSource`,再清理任务和 Painter;两个入口不得发送底盘运动命令。
- [ ] Clumsy UI 手动运行时不阻塞界面,停止后无后台规划残留,调试开关不改变结果。
### Task 15(P1):性能、资源和确定性验收
**文件:**
- Create: `ClumsyPilot/tests/benchmark_coarse_path.ps1`
- Modify: `Map/Planning/PlanningMapCache.cs`
- Modify: `Map/Planning/EuclideanDistanceTransform.cs`
- Modify: `CoarsePath/Search/BinaryMinHeap.cs`
- Modify: `CoarsePath/Search/HybridAStarSearch.cs`
- Modify: `CoarsePath/Contracts/PlanningDiagnostics.cs`
- [ ] 基准脚本输出地图规模、缓存命中、状态、耗时、扩展/生成/重开节点、陈旧堆条目、Open List 峰值和托管内存增量,超限返回非零。
- [ ] 地图参考:20 m×20 m、0.05 m、160,000 格、100 障碍;20 次后完整构建 P95≤200 ms,完整缓存命中 P95≤5 ms。
- [ ] 地图极限:4,000,000 格、100 障碍;3 s 内成功或明确失败;成功时内存增量≤160 MB,无溢出和部分快照。
- [ ] 规划参考:12 m×8 m、0.05 m、矩形阻断直线、距离≥8 m;20 次 P95≤2 s,内存增量≤256 MB。
- [ ] 规划压力:20 m×20 m、0.05 m;成功或无解均在 5 s、200,000 节点和 512 MB 增量内返回。
- [ ] 优化只针对查询分配、重复 EDT、堆扩容和稠密点保存;不得降低碰撞保守性、跳过最终复核或放宽失败状态。
- [ ] 运行:
```powershell
dotnet build .\ClumsyPilot\ClumsyPilot.csproj -c Release --no-restore
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\benchmark_coarse_path.ps1 -Configuration Release
```
预期:全部指标达标,脚本退出码为 0。
### Task 16(P1):退役旧地图入口并完成文档
**文件:**
- Modify/Delete after equivalent coverage: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Occupancygird_Map/Map_test/MovementTest.Trapmaptest.cs`
- Delete after equivalent coverage: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/Occupancygird_Map/Map_test/TrapMapImageExporter.cs`
- Update/Delete after equivalent coverage: `ClumsyPilot/tests/verify_trapmap_grid.ps1`
- Update/Delete after equivalent coverage: `ClumsyPilot/tests/verify_trapmap_inputs.ps1`
- Update/Delete after equivalent coverage: `ClumsyPilot/tests/verify_trapmap_lifecycle.ps1`
- Update/Delete after equivalent coverage: `ClumsyPilot/tests/verify_trapmap_image.ps1`
- Create: `ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/CoarsePath/README.md`
- [ ] 建立覆盖表:`TrapMapBounds→MapBoundsMm``GridMapData→EnvironmentGridMap/PlanningGridMap``TrapMapLayerComposer→EnvironmentMapBuilder``TrapMapBuilder.Get→上层采集+CoarsePathPlanningService`、旧 exporter→五个 Visualization 文件。
- [ ] 等价脚本全部通过后再删除旧实现;不保留车辆写图、默认 300 mm 膨胀或地图构建器直接调用 `TwoLegDetect` 的兼容开关。
- [ ] README 写明一次调用、下层门面、mm/m-rad 边界、快照变化判断、调试开关不参与指纹、P0/P1 命令和非目标。
- [ ] 执行旧引用搜索:
```powershell
rg -n "GridMapData|TrapMapBuilder|TrapMapLayerComposer|TrapMapImageExporter|MarkVehicleFootprint" .\ClumsyPilot
```
预期:仅迁移说明或历史文档可命中;运行时代码和新测试不得命中旧类型。
- [ ] 运行最终回归:
```powershell
dotnet build .\ClumsyPilot\ClumsyPilot.csproj --no-restore
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_utils.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_factory.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_adapter.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_planning_map_image.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_coarse_path_collision.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_coarse_path_search.ps1
powershell -NoProfile -ExecutionPolicy Bypass -File .\ClumsyPilot\tests\verify_coarse_path_integration.ps1
```
预期:Debug 构建成功,7 个功能脚本退出码均为 0;随后重跑 Task 15 Release 基准并通过。
## 最终验收清单
- [ ] `CoarsePathPlanningService.Plan(job)` 是推荐的一次调用入口。
- [ ] `PlanningMapFactory``HybridAStarPlanner` 仅作为可独立测试的下层门面。
- [ ] 人工、TwoLeg 和未来障碍通过同一个 `IMapObstacleSource` 进入唯一栅格化器。
- [ ] 地图未变化时复用完整快照或占据/距离缓冲;可视化、起终点和车辆参数不参与地图变化判断。
- [ ] 地图不包含车辆自身和安全膨胀,碰撞检查使用扩大车辆矩形。
- [ ] 距离场是净空下界,不能因高估而跳过精确碰撞。
- [ ] 0.50 m 原语可在任意内部采样点截断;终点候选按 Open List 顺序出队后才终止。
- [ ] best-G、重开、陈旧条目、候选保护和堆排序均有自动化测试。
- [ ] 输出包含稠密点、保守净空、实际曲率、换向点和完整方向分段。
- [ ] PNG 和 MovementTest 只消费只读快照,不成为核心规划依赖。
- [ ] 失败、取消、超时和限额均返回空路径及明确状态,不发布部分结果。
- [ ] Debug 与 Release 验收全部通过,且未执行 Git 自检或提交。