# EM Planner Foundation

## 当前范围

EM Planner 位于既有的空间路径之后：

```text
PlanningGridMap -> Hybrid A* CoarsePath -> Local G2 PathSmoothing -> EM Planner -> TrajectoryExecution
```

本 Foundation 只消费一个已验证的 `PathSmoothingResult` 方向段、同版本的
`PlanningGridMap`、车辆几何和请求快照。它不读取硬件、UI、时钟或当前工作目录。
每次计算只处理一个 `DirectionSegmentView`，因此不会跨越换向边界。

此门禁已提供 solver-neutral `IQpSolver` 契约和固定 OSQP 后端；尚未实现 LS 横向优化、
ST 纵向优化、滚动协调、轨迹发布或动态障碍物。

## 坐标与符号

世界长度使用 m，时间使用 s，航向使用 rad，曲率使用 `1/m`。车体 `+x` 指向车头，
车体 `+y` 指向车体左侧，正航向为逆时针。Frenet 的基向量永远使用实际行驶方向：

```text
travelYaw = Forward ? vehicleYaw : Normalize(vehicleYaw + PI)
t = (cos(travelYaw), sin(travelYaw))
n = (-sin(travelYaw), cos(travelYaw))

deltaS = dx*cos(travelYaw) + dy*sin(travelYaw)
l      = -dx*sin(travelYaw) + dy*cos(travelYaw)

x = referenceX - l*sin(travelYaw)
y = referenceY + l*cos(travelYaw)
optimizedTravelYaw = travelYaw + atan2(dl, 1 - referenceK*l)
vehicleYaw = Reverse ? Normalize(optimizedTravelYaw + PI) : Normalize(optimizedTravelYaw)
```

`ReferenceS` 始终沿实际运动方向递增；`l > 0` 永远代表运动方向左侧。
例如倒车时车头朝 `-PI + 0.01`，`travelYaw` 为 `0.01`。此时 `l > 0` 在
运动方向左侧、也就是车体右侧；不得在倒车分支额外翻转 `l`。重建要求
`1 - referenceK*l >= MinimumFrenetDenominator`，否则拒绝奇异 Frenet 几何。

参考航向的插值采用未归一化航向；只有公开的 vehicle yaw 被归一化到 `[-PI, PI)`。
投影只检查请求的同一方向段和 S 区间：它对线段候选做夹紧投影，按距离、种子 S
距离和较小 S 的顺序确定性地破平局，绝不搜索另一方向段或另一条回环分支。

## 精确边界与静态走廊

换向配对点可拥有相同的世界位姿和源弧长，但仍有不同身份：前一段末端是
`GearSwitchApproach`，下一段起点是 `GearSwitchDeparture`。边界身份是
`(SegmentIndex, SegmentLocalS, BoundaryType)`，不按世界坐标去重。

静态走廊以精确请求的起止 `ReferenceS` 为首末站，并在中间按配置采样。每站从
上一条有效轨迹的 Frenet 种子开始；没有种子时才使用 `l=0`。候选横向位置包含精确
种子和偏移限值。距离场仅用于明显安全的快速接受；其余候选使用旋转矩形
`FootprintCollisionChecker` 和额外净空复核。仅选择包含种子的自由区间，并要求相邻
站的选择区间重叠。若种子连通区消失，构建失败，绝不跳到障碍物另一侧。

## Foundation 配置单位

| 配置组 | 关键单位和初值 |
| --- | --- |
| Corridor | 纵向间距 `0.10 m`、横向间距 `0.025 m`、最大偏移 `0.30 m`、额外净空 `0.02 m` |
| Frenet | 最大投影距离 `0.50 m`、最小分母 `0.20`、边界锚点容差 `1e-8 m` |
| Scheduling | 重规划周期 `0.20 s`、时间窗 `6.0 s`、距离窗 `5.0 m` |
| Longitudinal | 前进/倒车最大速度各 `0.20 m/s`；加速度 `0.20 m/s²`；减速度 `0.30 m/s²`；jerk `0.50 m/s³` |

请求验证会复制配置快照并拒绝非有限值、非法采样间距、不可用地图、不可消费的平滑结果
和不支持的运动模型。

## 可重复 Foundation 验证

在仓库根目录运行：

```powershell
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- all-foundation
```

成功时输出严格为：

```text
PASS foundation
PASS segmentation
PASS frenet
PASS corridor
```

## OSQP 后端部署与诊断

横向与纵向规划器只能依赖 `IQpSolver`、`QuadraticProgram`、`QpSolverSettings` 和
`QpSolveResult`；它们不得依赖 OSQP 的 P/Invoke 类型。当前后端固定为 OSQP `v1.0.0`，
Windows x64、double precision、int32 索引、未打包 settings 和内置 QDLDL algebra。源包布局为：

```text
ClumsyPilot/ThirdParty/OSQP/
├── build-win-x64.ps1
├── LICENSE
├── NOTICE
├── VERSION
├── SHA256SUMS
└── win-x64/osqp.dll
```

`VERSION` 记录且构建脚本强制使用以下开关：

```text
OSQP_ALGEBRA_BACKEND=builtin
OSQP_BUILD_SHARED_LIB=ON
OSQP_BUILD_STATIC_LIB=OFF
OSQP_BUILD_DEMO_EXE=OFF
OSQP_BUILD_UNITTESTS=OFF
OSQP_USE_FLOAT=OFF
OSQP_USE_LONG=OFF
OSQP_PACK_SETTINGS=OFF
OSQP_ENABLE_PRINTING=OFF
OSQP_CODEGEN=OFF
OSQP_ENABLE_DERIVATIVES=OFF
```

最终插件发布布局（由后续插件打包阶段负责复制）必须为：

```text
plugins/
├── ClumsyPilot.dll
├── osqp.dll
└── licenses/
    ├── OSQP-LICENSE.txt
    └── OSQP-NOTICE.txt
```

`OsqpNativeLoader` 只从 `typeof(OsqpNativeLoader).Assembly.Location` 所在目录以绝对路径
预加载同级 `osqp.dll`，不读取当前工作目录，也不要求用户修改 `PATH`。它拒绝非 x64
进程、缺失或无法加载的 DLL、缺少导出及非 `1.0.0` 版本，并以结构化
`SolverUnavailable`/`NativeError` 结果返回；不会让宿主进程因加载失败而崩溃。所有 C API
委托均采用 Cdecl，原生 verbose 强制关闭。

每次 `OsqpNativeSolver.Solve` 独立拥有 P/Q/A/l/u 和可选 warm-start 的固定数组、CSC
包装、settings 和 OSQP workspace。它在 `finally` 中按反向顺序释放：先 `osqp_cleanup`
workspace，再释放 settings/CSC 块，最后释放托管数组 pin；加载后的模块句柄保留至进程生命周期结束。

原生状态映射固定如下：

| OSQP status value | `QpSolveStatus` |
| ---: | --- |
| 1 | `Solved` |
| 2 | `SolvedInaccurate` |
| 3, 4 | `PrimalInfeasible` |
| 5, 6 | `DualInfeasible` |
| 7 | `MaximumIterations` |
| 8 | `TimeLimit` |
| 9, 10, 11 或未知值 | `NativeError` |

`SolvedInaccurate` 只在后续规划器完成更严格的独立残差和领域复核后才可发布。调用前取消映射
为 `Cancelled`；加载失败映射为 `SolverUnavailable`；OSQP setup、warm-start 或 solve API
返回错误时映射为 `NativeError`。

在仓库根目录运行 OSQP 回归门：

```powershell
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- optimization
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- osqp
```

`osqp` 会在临时的干净插件目录中验证缺失 DLL、损坏 DLL、绝对路径加载、并发首次加载，以及
有界最优、等式最优、不可行和极短时限 QP。成功时包含：

```text
PASS osqp-solve
PASS osqp-loader
```

## LS 横向 SQP

LS 只对单个 `DirectionSegmentView` 的 `ReferenceS` 站点求解；`l > 0` 在前进和倒车时
都表示行驶方向左侧。每个有 `N` 个站点的问题使用连续区间的变量布局：

```text
l[0..N-1], dl[0..N-1], ddl[0..N-1], dddl[0..N-2]
```

相邻站点之间按实际 `ds = ReferenceS[i+1]-ReferenceS[i]` 精确满足三阶积分关系：

```text
ddl[i+1] = ddl[i] + ds*dddl[i]
dl[i+1]  = dl[i] + ds*ddl[i] + 0.5*ds^2*dddl[i]
l[i+1]   = l[i] + ds*dl[i] + 0.5*ds^2*ddl[i] + ds^3*dddl[i]/6
```

每轮 QP 将以下项目作为硬约束：静态走廊、最大横向偏移、以当前迭代为中心且半径不超过
`0.05 m` 的 `l` 信赖域、`1-referenceK*l >= 0.20`、`dl`/`ddl`/`dddl` 上限、起始
`l` 与 `dl`，以及线性化的车辆曲率约束。`Goal` 和 `GearSwitch` 末端额外强制
`l_end=0`、`dl_end=0`；`RollingSafetyStop` 不添加这两个等式，而是使用软终端回归代价。

目标函数采用 OSQP 的 `0.5*x'P*x + q'x` 形式。所有平方残差先除以相应物理尺度的平方，
再乘权重：`l` 使用最大横向偏移，`dl`、`ddl`、`dddl` 分别使用对应导数上限，曲率使用
车辆最大曲率，曲率变化使用 `max(1, max |dk/ds|)`。代价覆盖参考线、航向、二阶导、三阶导、
线性化曲率、曲率变化、上一轨迹种子及滚动终端；走廊安全绝不软化为代价。

`SequentialConvexOptimizer` 最多运行五轮，通过 `IQpSolver` 取得完整 primal 向量并将它用作
下一轮 warm start。每个解都先由完整 Frenet 公式重建为世界坐标，再由独立验证器复核走廊、
起点/终端、导数、分母、曲率、有限值和严格递增弧长。只有该复核通过的深拷贝候选才能保留。
后续超时、取消或失败不会发布未验证的最后求解器向量：若已有候选则返回
`SuccessWithFallback`，否则返回最具体的失败状态。

`ReferenceS` 是 LS 的独立变量，不能被当作行驶距离。重建后以世界坐标相邻弦长重新累计
`PathS`，因此输出 `PathS[0]=0` 且严格递增；这个实际几何 `PathS` 才是后续纵向规划可消费
的距离契约。

可重复横向验证：

```powershell
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- lateral-all
```

该门禁依次验证 LS 模型、脚本化 SQP 状态机，以及在干净复制 plugin bundle 中运行的真实 OSQP
固定场景：前进/倒车直线、缓弯、静态障碍收窄的种子连通走廊、换向终端和滚动终端。每个真实
场景运行两次，状态、点数和全部数值输出必须在 `1e-10` 内一致。