docs: plan hybrid astar coarse path modules
This commit is contained in:
梁薄云
@@ -0,0 +1,347 @@
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# Hybrid A* 粗路径规划实施计划
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> For agentic workers: implement task-by-task with checkbox tracking.
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**目标：** 完成可独立调用的规划地图入口与 Hybrid A* 粗路径输出。所有核心功能和自动化测试通过后，最后编写 MovementTest。
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**架构：** Map 的唯一公共调用类是 PlanningMapFactory；CoarsePath 的唯一公共调用类是 HybridAStarPlanner。Map 输出只读 PlanningGridMap，Planner 只接收该输入。
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**技术栈：** C# 10、.NET Standard 2.0、现有 Clumsy 引用、PowerShell 反射测试、Clumsy MovementTest。
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## 全局约束
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- 外部地图与障碍物使用现有世界坐标 mm；规划内部使用 m、rad、1/m。
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- 环境占据图只保存外部障碍物；车体尺寸与安全余量只属于碰撞检查。
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- 支持中心放置的轴对齐矩形、圆形和可选 TwoLegDetect 投影；障碍物不膨胀。
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- 第一版终点使用可配置位置/航向容差；不含 Reeds-Shepp、平滑、SQP、时间轨迹与控制。
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- 每个公共接口必须有成功、边界、失败测试；MovementTest 是最后一项任务。
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## 最终目录与职责
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~~~text
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ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/
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├── Initial_plan/
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│ ├── AMR_轨迹规划技术路线_Agent版.md
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│ └── AMR_HybridAStar_粗路径实施计划.md
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├── Utils/ # MultiWheelC.TrajectoryPlanning.Utils
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│ ├── AngleMath.cs # 角度归一化、角差、航向索引
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│ ├── UnitConverter.cs # mm/m、deg/rad、半径/曲率
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│ ├── CoordinateTransform.cs # 世界系与车体系二维变换
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│ ├── NumericGuard.cs # 数值合法性校验
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│ └── GridIndex.cs # 行列索引值对象
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├── Map/ # MultiWheelC.TrajectoryPlanning.Mapping
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│ ├── Core/
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│ │ ├── EnvironmentGridMap.cs # 仅外部障碍物的 mm 栅格
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│ │ ├── MapBuildRequest.cs # 环境图构造参数
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│ │ ├── EnvironmentMapBuildResult.cs # 环境图构造结果
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│ │ └── EnvironmentMapBuilder.cs # 内部构造器
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│ ├── Obstacles/
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│ │ ├── IMapObstacle.cs # 障碍物几何契约
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│ │ ├── AxisAlignedRectangleObstacle.cs # 中心、宽、高矩形
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│ │ ├── CircleObstacle.cs # 中心、半径圆形
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│ │ └── MapObstacleRasterizer.cs # 唯一占据写入器
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│ ├── Sources/
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│ │ ├── ManualObstacleSource.cs # 人工障碍物集合
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│ │ └── TwoLegObstacleProjector.cs # TwoLegDetect 投影
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│ ├── Planning/
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│ │ ├── PlanningGridMap.cs # 只读 m 单位规划地图
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│ │ ├── ObstacleDistanceField.cs # 最近障碍距离
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│ │ └── PlanningMapAdapter.cs # mm 地图适配
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│ ├── PlanningMapRequest.cs # Map 统一输入
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│ ├── PlanningMapBuildResult.cs # Map 统一输出
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│ ├── PlanningMapFactory.cs # Map 唯一公共调用类
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│ └── Test/MovementTest.MapTest.cs # 最后阶段的地图测试入口
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├── CoarsePath/ # MultiWheelC.TrajectoryPlanning.CoarsePath
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│ ├── Contracts/
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│ │ ├── Pose2D.cs # m/rad 位姿
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│ │ ├── VehicleParameters.cs # 尺寸、曲率、安全余量
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│ │ ├── PlanningRequest.cs # Planner 输入
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│ │ ├── HybridAStarConfiguration.cs # 可调参数
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│ │ ├── PlanningResult.cs # Planner 输出
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│ │ ├── PlanningStatus.cs # 成功/失败状态
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│ │ ├── PlanningDiagnostics.cs # 诊断统计
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│ │ ├── CoarsePathPoint.cs # 稠密空间路径点
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│ │ └── PathSegment.cs # 前进/倒车分段
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│ ├── Vehicle/
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│ │ ├── VehicleKinematics.cs # 最大曲率
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│ │ ├── HeadingFootprintTemplate.cs # 单航向车体模板
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│ │ ├── HeadingFootprintTemplateCache.cs # 模板预计算
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│ │ └── FootprintCollisionChecker.cs # 碰撞检查
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│ ├── Search/
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│ │ ├── MotionPrimitive.cs # 恒曲率原语
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│ │ ├── MotionPrimitiveGenerator.cs # 原语积分
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│ │ ├── HybridAStarNode.cs # 搜索节点
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│ │ ├── HybridAStarNodeKey.cs # Closed Set 键
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│ │ ├── GoalToleranceChecker.cs # 容差终点
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│ │ ├── GridDijkstraHeuristic.cs # 2D 启发
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│ │ └── HybridAStarSearch.cs # 搜索管理
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│ ├── Output/
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│ │ ├── PathBacktracker.cs # 恢复内部积分点
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│ │ ├── CoarsePathAssembler.cs # 弧长、换向、分段
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│ │ └── CoarsePathValidator.cs # 最终复核
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│ ├── HybridAStarPlanner.cs # CoarsePath 唯一公共调用类
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│ └── Test/
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│ ├── CoarsePathScenarioFactory.cs # 可复现场景
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│ └── MovementTest.CoarsePathTest.cs # 最后阶段的规划测试入口
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└── README.md # 两个门面类的调用说明
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ClumsyPilot/tests/
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├── verify_planning_utils.ps1
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├── verify_planning_map_factory.ps1
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├── verify_planning_map_adapter.ps1
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├── verify_coarse_path_search.ps1
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└── verify_coarse_path_integration.ps1
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~~~
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## 唯一调用方式
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~~~csharp
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var mapResult = new PlanningMapFactory().Create(new PlanningMapRequest
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{
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ResolutionMm = 50f,
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ManualObstacles = manualObstacles,
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TwoLegInput = optionalTwoLegInput,
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AllowExplicitEmptyMap = true,
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});
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if (!mapResult.Succeeded)
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return PlanningResult.FromMapFailure(mapResult);
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return new HybridAStarPlanner().Plan(new PlanningRequest
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{
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Map = mapResult.Map,
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Start = startPose,
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Goal = goalPose,
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Vehicle = vehicle,
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Configuration = configuration,
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});
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~~~
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||||
调用方不得直接创建 EnvironmentMapBuilder、MapObstacleRasterizer、PlanningMapAdapter、碰撞检查器、原语生成器或搜索节点。
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### Task 1：建立 Utils 与工具测试
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**文件：**
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- Create：Utils 下的 AngleMath.cs、UnitConverter.cs、CoordinateTransform.cs、NumericGuard.cs、GridIndex.cs
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- Test：ClumsyPilot/tests/verify_planning_utils.ps1
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**输出：** NormalizeRadians、ShortestSignedAngleDifference、MillimetersToMeters、DegreesToRadians、TransformLocalToWorld 和 GridIndex。
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- [ ] 写失败测试：
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~~~powershell
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Assert-Equal 1.25 ([UnitConverter]::MillimetersToMeters([single]1250))
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Assert-Near 0.0 ([AngleMath]::NormalizeRadians(6.283185307179586)) 1e-12
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~~~
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- [ ] 运行 verify_planning_utils.ps1；预期 FAIL，类型不存在。
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- [ ] 实现 UnitConverter：
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~~~csharp
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public static double MillimetersToMeters(float millimeters) => millimeters / 1000d;
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public static double DegreesToRadians(float degrees) => degrees * Math.PI / 180d;
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~~~
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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- [ ] 提交：git add Utils 与 verify_planning_utils.ps1；git commit -m "feat: add planning utilities"。
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### Task 2：定义 CoarsePath 契约与可调容差
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**文件：**
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- Create：CoarsePath/Contracts 下的 Pose2D、VehicleParameters、PlanningRequest、HybridAStarConfiguration、PlanningResult、PlanningStatus、PlanningDiagnostics、CoarsePathPoint、PathSegment。
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- Test：verify_planning_utils.ps1
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**输出：** 默认原语 0.50 m、积分 0.05 m、航向 5°、位置容差 0.15 m、航向容差 5°。
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- [ ] 写失败测试，断言上述配置默认值和 Success、InvalidMap、StartInCollision、GoalInCollision、NoFeasiblePath 状态。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，配置类型不存在。
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- [ ] 实现不可变请求/结果契约；结果不得包含速度、加速度或时间。
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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- [ ] 提交：git add CoarsePath/Contracts 与 verify_planning_utils.ps1；git commit -m "feat: add coarse path contracts"。
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### Task 3：实现外部障碍环境地图
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**文件：**
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- Create：Map/Core/EnvironmentGridMap.cs
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- Create：Map/Obstacles 下的 IMapObstacle、AxisAlignedRectangleObstacle、CircleObstacle、MapObstacleRasterizer。
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- Create：Map/Sources/ManualObstacleSource.cs
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- Test：verify_planning_map_factory.ps1
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**输出：** 矩形按中心/宽/高，圆按中心/半径栅格化；环境地图没有车辆足迹接口。
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- [ ] 写失败测试，分别验证矩形中心、圆心、边界外占据和不存在 MarkVehicleFootprint。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，地图和障碍物类型不存在。
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- [ ] 实现轴对齐矩形与圆-格矩形相交栅格化。
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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- [ ] 提交：git add Map/Core Map/Obstacles Map/Sources/ManualObstacleSource.cs 和测试；git commit -m "feat: add external obstacle map"。
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### Task 4：实现 TwoLeg 图层和 PlanningMapFactory
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**文件：**
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- Create：Map/Sources/TwoLegObstacleProjector.cs
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- Create：Map/Core 下的 MapBuildRequest、EnvironmentMapBuildResult、EnvironmentMapBuilder。
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- Create：Map 下的 PlanningMapRequest、PlanningMapBuildResult、PlanningMapFactory。
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- Test：verify_planning_map_factory.ps1
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**输出：** new PlanningMapFactory().Create(request) 是 Map 唯一公共入口；TwoLeg 失败不能删除人工地图。
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- [ ] 写失败测试，验证人工地图成功时 TwoLegApplied 为 false 仍然成功。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，PlanningMapFactory 不存在。
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- [ ] 实现工厂：合并人工障碍与可选投影；TwoLegObstacleProjector 只产出 CircleObstacle。
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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- [ ] 提交：git add Map 与 verify_planning_map_factory.ps1；git commit -m "feat: add planning map factory"。
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### Task 5：适配 PlanningGridMap 并生成距离场
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**文件：**
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- Create：Map/Planning 下的 PlanningGridMap、ObstacleDistanceField、PlanningMapAdapter。
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- Modify：Map/PlanningMapFactory.cs
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- Test：verify_planning_map_adapter.ps1
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**输出：** 深拷贝占据格，mm 转 m，越界占据，生成最近障碍距离场。
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- [ ] 写失败测试，断言 ResolutionMeters=0.05、障碍坐标转换、越界和障碍格距离为 0。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，适配类型不存在。
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- [ ] 实现 PlanningMapAdapter.Adapt(EnvironmentGridMap) 和多源距离场；显式空旷图使用正无穷距离。
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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- [ ] 提交：git add Map/Planning Map/PlanningMapFactory.cs 和测试；git commit -m "feat: adapt planning map"。
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### Task 6：实现车辆足迹与碰撞检查
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**文件：**
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- Create：CoarsePath/Vehicle 下的 VehicleKinematics、HeadingFootprintTemplate、HeadingFootprintTemplateCache、FootprintCollisionChecker。
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- Test：verify_coarse_path_search.ps1
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**输出：** IsCollisionFree(Pose2D, PlanningGridMap, VehicleParameters, out clearanceMeters)。
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- [ ] 写失败测试，覆盖占据碰撞、45° 安全、越界碰撞和不同航向。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，碰撞类型不存在。
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- [ ] 实现扩大车体模板；距离场仅在大于外接圆时放行，否则查询航向模板。
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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- [ ] 提交：git add CoarsePath/Vehicle 和测试；git commit -m "feat: add footprint collision checking"。
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### Task 7：生成恒曲率运动原语
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**文件：**
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- Create：CoarsePath/Search/MotionPrimitive.cs、MotionPrimitiveGenerator.cs
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- Test：verify_coarse_path_search.ps1
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**输出：** 五级曲率、前进/倒车、最多 0.50 m、每步不超过 0.05 m、保留内部点。
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- [ ] 写失败测试，覆盖直行 10 点、曲线航向变化、倒车和曲率跳变拒绝。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，原语生成器不存在。
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- [ ] 实现积分：
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~~~csharp
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x += directionSign * Math.Cos(theta) * stepMeters;
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y += directionSign * Math.Sin(theta) * stepMeters;
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theta = AngleMath.NormalizeRadians(theta + directionSign * curvature * stepMeters);
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~~~
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- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS，所有内部点经过碰撞检查。
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- [ ] 提交：git add 两个原语文件和测试；git commit -m "feat: add motion primitives"。
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### Task 8：实现目标容差、启发和 Hybrid A* 搜索
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**文件：**
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- Create：CoarsePath/Search 下的 HybridAStarNode、HybridAStarNodeKey、GoalToleranceChecker、GridDijkstraHeuristic、HybridAStarSearch。
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- Test：verify_coarse_path_search.ps1
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**输出：** Closed Set 键为位置格、航向格、方向、曲率索引；终点读取可调容差。
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- [ ] 写失败测试，无障碍前进、单障碍绕行、一次倒车、容差成功、无解和节点上限。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，搜索类型不存在。
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- [ ] 实现搜索循环：
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~~~csharp
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while (openList.Count > 0 && diagnostics.ExpandedNodeCount < configuration.MaxExpandedNodes)
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{
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var current = PopBestValidNode();
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||||
if (_goalChecker.IsReached(current.Pose, request.Goal, configuration, current.Direction))
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return SearchResult.Succeeded(current.NodeIndex);
|
||||
ExpandValidPrimitives(current);
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||||
}
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||||
~~~
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||||
- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
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||||
- [ ] 提交：git add CoarsePath/Search 和测试；git commit -m "feat: add hybrid astar search"。
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||||
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||||
### Task 9：回溯、输出和 HybridAStarPlanner 门面
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**文件：**
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- Create：CoarsePath/Output 下的 PathBacktracker、CoarsePathAssembler、CoarsePathValidator。
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- Create：CoarsePath/HybridAStarPlanner.cs
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- Test：verify_coarse_path_integration.ps1
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**输出：** new HybridAStarPlanner().Plan(request) 返回稠密路径、换向标记、分段、诊断和状态。
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- [ ] 写失败测试，验证首点弧长为 0、内部点连续、换向标记、终点容差和最终复核。
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- [ ] 运行脚本；预期 FAIL，门面不存在。
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- [ ] 实现编排：
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~~~csharp
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||||
var search = _search.Run(request);
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||||
if (!search.Succeeded) return PlanningResult.Failed(search.Status, search.Diagnostics);
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||||
var points = _assembler.Assemble(_backtracker.Backtrack(search));
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||||
return _validator.Validate(points, request)
|
||||
? PlanningResult.Succeeded(points, search.Diagnostics)
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||||
: PlanningResult.Failed(PlanningStatus.FinalValidationFailed, search.Diagnostics);
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||||
~~~
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||||
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||||
- [ ] 构建并重跑脚本；预期 PASS。
|
||||
- [ ] 提交：git add CoarsePath/Output CoarsePath/HybridAStarPlanner.cs 和测试；git commit -m "feat: expose coarse path planner"。
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||||
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||||
### Task 10：完成非 UI 回归与调用说明
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||||
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||||
**文件：**
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- Create：ParkrobTrajplanner/README.md
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- Modify：全部 verify_planning 脚本。
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||||
- [ ] 写失败测试，断言 PlanningMapFactory 和 HybridAStarPlanner 是唯一由外部测试实例化的模块门面。
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||||
- [ ] 运行全部脚本；预期在 README、状态或门面断言未齐全时 FAIL。
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||||
- [ ] 在 README 写入 Map 到 Planner 的调用代码、mm/m-rad 边界和非目标。
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||||
- [ ] 构建、运行全部规划脚本并运行 git diff --check；预期全部 PASS。
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||||
- [ ] 提交：git add README 和 tests；git commit -m "test: complete coarse path regression coverage"。
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||||
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||||
### Task 11：最后编写 MovementTest 集成模块
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||||
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||||
**文件：**
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- Create：Map/Test/MovementTest.MapTest.cs
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||||
- Create：CoarsePath/Test/CoarsePathScenarioFactory.cs
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||||
- Create：CoarsePath/Test/MovementTest.CoarsePathTest.cs
|
||||
- Test：Clumsy UI 手动运行两个 MovementTest，然后重跑 Task 10 自动化回归。
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||||
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||||
**输出：** MapTest 只调用 PlanningMapFactory；CoarsePathTest 只调用两个门面；两者绝不发送底盘命令。
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||||
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||||
- [ ] 写失败测试，场景工厂生成的地图请求可由 PlanningMapFactory 构建，规划请求可由 HybridAStarPlanner 成功规划。
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||||
- [ ] 运行 verify_coarse_path_integration.ps1；预期 FAIL，场景工厂不存在。
|
||||
- [ ] 实现入口：
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||||
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||||
~~~csharp
|
||||
[MovementTest(name = "Hybrid A* 粗路径测试")]
|
||||
public sealed class CoarsePathTest : MovementTest
|
||||
{
|
||||
public override void Test()
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||||
{
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||||
var map = new PlanningMapFactory().Create(CoarsePathScenarioFactory.CreateSingleObstacleMapRequest());
|
||||
var result = map.Succeeded
|
||||
? new HybridAStarPlanner().Plan(CoarsePathScenarioFactory.CreatePlanningRequest(map.Map))
|
||||
: PlanningResult.FromMapFailure(map);
|
||||
DrawMapAndPath(map, result);
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
~~~
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||||
|
||||
- [ ] MapTest 绘制人工矩形、人工圆、TwoLeg 投影和边界；CoarsePathTest 绘制起点、目标、路径、换向点和失败状态。TestStop 只清理 Painter/任务。
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||||
- [ ] 构建、运行全部 PowerShell 脚本，并在 Clumsy UI 手动运行“规划地图测试”和“Hybrid A* 粗路径测试”；预期只显示调试结果，不发送运动命令。
|
||||
- [ ] 提交：git add Map/Test CoarsePath/Test 和 tests；git commit -m "feat: add coarse path movement tests"。
|
||||
|
||||
## 实施前检查
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||||
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||||
- PlanningMapFactory 与 HybridAStarPlanner 是未来调用方和测试入口唯一允许直接实例化的模块类。
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||||
- MovementTest 位于最后一个任务；它之前所有 Map 与搜索逻辑必须已完成非 UI 自动化验证。
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||||
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||||
@@ -47,6 +47,9 @@ ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/
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||||
│ │ ├── PlanningGridMap.cs
|
||||
│ │ ├── ObstacleDistanceField.cs
|
||||
│ │ └── PlanningMapAdapter.cs
|
||||
│ ├── PlanningMapRequest.cs
|
||||
│ ├── PlanningMapBuildResult.cs
|
||||
│ └── PlanningMapFactory.cs
|
||||
│ └── Test/
|
||||
│ └── MovementTest.MapTest.cs
|
||||
├── CoarsePath/ # MultiWheelC.TrajectoryPlanning.CoarsePath
|
||||
@@ -105,6 +108,36 @@ ClumsyPilot/tests/
|
||||
|
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## Map 模块
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||||
### 对外调用门面
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||||
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||||
粗路径模块不直接实例化 `EnvironmentMapBuilder`、`MapObstacleRasterizer`、`TwoLegObstacleProjector` 或 `PlanningMapAdapter`。`PlanningMapFactory` 是 `Map` 模块唯一的公共创建入口：
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||||
|
||||
```csharp
|
||||
public sealed class PlanningMapFactory
|
||||
{
|
||||
public PlanningMapBuildResult Create(PlanningMapRequest request);
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
粗路径调用只依赖其稳定输出：
|
||||
|
||||
```csharp
|
||||
var mapResult = new PlanningMapFactory().Create(mapRequest);
|
||||
if (!mapResult.Succeeded)
|
||||
return PlanningResult.FromMapFailure(mapResult);
|
||||
|
||||
var result = new HybridAStarPlanner().Plan(new PlanningRequest
|
||||
{
|
||||
Map = mapResult.Map,
|
||||
Start = startPose,
|
||||
Goal = goalPose,
|
||||
Vehicle = vehicle,
|
||||
Configuration = configuration,
|
||||
});
|
||||
```
|
||||
|
||||
`PlanningMapRequest` 集中地图边界/分辨率、人工障碍物、可选 `TwoLegDetect` 投影输入和空旷地图声明；`PlanningMapBuildResult` 返回 `Succeeded`、失败原因、每个障碍物来源的摘要，以及成功时不可变的 `PlanningGridMap`。因此 A* 的 `PlanningRequest.Map` 始终是已完成校验、mm→m 适配、距离场生成的输入，规划器不需要了解地图构造细节。
|
||||
|
||||
### 环境地图与图层
|
||||
|
||||
`EnvironmentGridMap` 保存 mm 单位的地图边界、分辨率和仅含外部障碍物的占据单元。它不接受 `MarkVehicleFootprint` 一类接口。
|
||||
|
||||
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