EM Planner Foundation
当前范围
EM Planner 位于既有的空间路径之后：
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：
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：
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- all-foundation
成功时输出严格为：
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：
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：
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：
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：
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：
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：
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：
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：
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。
ST、完整轨迹与单次服务
ST 只消费 LS 已复核的实际 PathS，而不把 ReferenceS 当作行驶距离。它在固定时间 knot 上
求解非负进度速度 u、加速度和 jerk，并在所有终端硬约束 PathS=terminalPathS、u=0。
速度包络取方向限速、横向加速度、曲率率和停车包络中的最小值。成功的轨迹始终包含精确零速终端，
随后按 0.05 s 间隔提供 0.20 s 的同姿态、零速度 hold tail。
公开门面仅提供单次、同步且可取消的调用：
EmPlanningResult Plan(EmPlanningRequest request, CancellationToken cancellationToken);
EmPlanningService 不负责周期调度、版本淘汰、轨迹执行、换向状态机、控制适配、UI 或硬件读取。
它只使用请求提供的 RequestedAtUtc / EffectiveAtUtc，绝不读取系统时钟或当前工作目录。处理顺序固定为：
request/config validation
-> direction-segment selection
-> bounded ego projection
-> PlanningHorizonSelector exact terminal
-> previous-trajectory seed projection
-> static connected corridor
-> LS optimization and validation
-> PathS speed envelope
-> ST optimization and validation
-> immutable trajectory assembly
-> world-space publication validation
-> immutable result publication
请求快照
EmPlanningRequest 的构造参数依次为：已发布的 PathSmoothingResult、同版本的
PlanningGridMap、VehicleParameters、不可变 VehicleMotionState、EmPlannerConfiguration、
当前 SegmentIndex、可选 PreviousTrajectory、RequestedAtUtc、EffectiveAtUtc、输出轨迹 ID、
参考路径 ID、上一轨迹 ID，以及 EmMotionModel.NonholonomicForwardReverse。状态快照中的正带符号
速度表示前进，负值表示倒车；绝对值不大于 StopSpeedToleranceMetersPerSecond 时按停车处理。
服务会复制配置和各规划输入，不修改请求所属对象或列表。结果诊断（FailureReason）总是以以下稳定
标识开始，方便调用方审计版本绑定：
map=<MapSnapshotId>;reference=<ReferencePathId>;state=<VehicleState.SequenceId>;
previous=<PreviousTrajectoryId>;segment=<SegmentIndex>
结果、字段和单位
EmPlanningResult 只有 Success 或 SuccessWithFallback 时才携带不可变 EmTrajectory；所有失败状态
都携带空轨迹。EmTrajectory.Metadata 包含轨迹 ID、生成/生效时间、地图 ID、参考路径 ID、状态序列、
上一轨迹 ID、方向段、方向和终端类型。每个公开 EmTrajectoryPoint 字段如下：
| 字段 | 单位 / 符号 |
|---|---|
X, Y |
世界坐标 m |
Yaw |
车辆车头世界航向 rad，归一化到 [-PI, PI) |
SignedLongitudinalVelocity |
车体纵向 m/s；前进为正，倒车为负；权威速度字段 |
Speed |
abs(SignedLongitudinalVelocity)，m/s，非负 |
VelocityX, VelocityY |
世界速度 m/s；分别等于 signedV*cos(Yaw)、signedV*sin(Yaw) |
YawRate |
rad/s，逆时针为正；等于 signedV*VehicleCurvature |
TimeFromStart |
从本条轨迹生效时刻起的 s，严格递增 |
VehicleCurvature |
车辆曲率 1/m；倒车时已按车头 yaw 符号转换 |
SegmentIndex, SegmentLocalS, PathS |
当前方向段标识与局部实际进度 m；PathS 不递减 |
Direction, BoundaryType |
Forward / Reverse 与 None、RollingSafetyStop、GearSwitchApproach 或 Goal |
冗余速度字段不可独立赋值；组装器从权威 signedV 和 VehicleCurvature 派生它们，发布前
EmTrajectoryValidator 再独立复算。验证器还会重算有限差分加速度、jerk、曲率率，逐点调用完整
车体姿态检查，并以最大 0.025 m 中心步长检查每个相邻点的扫掠运动。
终端类型固定为：
EmTerminalType |
含义 |
|---|---|
RollingSafetyStop |
当前规划窗口未到分段边界时的安全停车终端 |
GearSwitch |
当前方向段末端的精确停车；执行层随后拥有换向状态机 |
Goal |
最后方向段末端的精确停车 |
状态为 Success、SuccessWithFallback、InvalidInput、UnsupportedMotionMode、StaleVehicleState、
StateDirectionMismatch、InvalidReferencePath、ProjectionFailed、CorridorInfeasible、
LateralInfeasible、LongitudinalInfeasible、StoppingDistanceInsufficient、SolverUnavailable、
SolverTimedOut、Cancelled、ValidationFailed、Superseded 和 Failed。除前两项外，全部状态
均发布空轨迹和确定性诊断。
最小调用示例
调用方先在规划边界外获取地图、平滑路径和车辆状态快照；下面的对象均为该步骤已经准备好的不可变输入：
var service = new EmPlanningService(qpSolver);
var forwardRequest = new EmPlanningRequest(
publishedSmoothingResult, planningMap, vehicle, forwardState, configuration,
segmentIndex: 0, previousTrajectory: null,
requestedAtUtc: capturedRequestTime, effectiveAtUtc: effectiveTime,
outputTrajectoryId: "traj-100", referencePathId: "path-17", previousTrajectoryId: "",
motionModel: EmMotionModel.NonholonomicForwardReverse);
EmPlanningResult forward = service.Plan(forwardRequest, cancellationToken);
倒车不需要额外翻转横向坐标或世界速度；选择倒车方向段并把状态带符号速度设为负即可：
var reverseState = new VehicleMotionState(reversePose, -0.05d, null, capturedRequestTime, sequenceId: 44);
var reverseRequest = new EmPlanningRequest(
publishedSmoothingResult, planningMap, vehicle, reverseState, configuration,
segmentIndex: 1, previousTrajectory: forward.Trajectory,
requestedAtUtc: capturedRequestTime, effectiveAtUtc: effectiveTime,
outputTrajectoryId: "traj-101", referencePathId: "path-17", previousTrajectoryId: "traj-100",
motionModel: EmMotionModel.NonholonomicForwardReverse);
EmPlanningResult reverse = service.Plan(reverseRequest, cancellationToken);
在仓库根目录运行完整单次服务门禁：
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- em-core-all
成功输出依次为：
PASS longitudinal-model
PASS longitudinal-integration
PASS trajectory
PASS em-planning-service