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# EKF 改进建议报告
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> **基于**: 审查报告 + HANDOFF_v2.md + 全部相关源码精读
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> **约束条件**: 左右四个 VL53 侧向激光测距数据可信度不高；IMU yaw 准确度非常高
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> **目标**: 逐条回应审查报告发现，判断是否属实、是否需要修改，并给出具体改进方案
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## 总体判断
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审查报告整体质量很高，8 条发现中 **7 条经代码验证属实**，1 条需要在新约束条件下重新评估优先级。结合"VL53 可信度低、IMU yaw 准确度高"这一关键约束，改进策略需要做出重大调整：**不应恢复侧墙航向观测，而应进一步强化 IMU 主导地位，同时用分侧补偿和自适应噪声解决横向偏置问题**。
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## 一、逐条回应审查报告
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### 1. 横向偏置补偿模型不完整 — "持续偏右"头号嫌疑
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**审查报告结论**: 属实
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**是否需要修改**: **是，优先级最高**
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**代码验证**:
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```c
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// app_tasks.c:422 — y_offset 硬编码为 0
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.y_offset = 0.0f,
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// corridor_ekf.c:382-396 — 只有单一 side_sensor_inset，无分侧区分
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float inset = s_cfg.side_sensor_inset;
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float d_center = (W - Rw) / 2.0f + inset; // 左右共用同一个 d_center
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```
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```c
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// vl53_calibration_config.h:23-51 — 四颗 VL53 的 offset 校准值各不相同
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// 左前: 10000 um, 左后: 10000 um, 右前: 9000 um, 右后: 13000 um
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```
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**分析**: 四颗 VL53 的 offset 存在高达 4mm 的差异（9mm vs 13mm），但 EKF 只使用一个 `side_sensor_inset` 且设为 0.0。在 40cm 宽的走廊中每侧仅有 ~10cm 间距，4mm 差异等于 **4% 的系统性横向偏置**。这个偏置会被 EKF 当作"真实居中位置"持续输出给控制器。
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加上 VL53 数据本身可信度不高这一约束，这个问题的严重性进一步放大——噪声大的传感器+系统性偏置=控制器持续偏向一侧。
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### 2. EKF 取消侧墙航向观测，e_th 几乎完全依赖 IMU
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**审查报告结论**: 属实
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**是否需要修改**: **否，当前设计在新约束下是正确的**
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**代码验证**:
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```c
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// corridor_ekf.c:345-350 注释明确说明了设计决策
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// 设计决策 (方向 B — IMU 主导航向):
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// 侧墙激光仅用于更新横向位置 e_y，不再构建航向观测 z_eth_L/z_eth_R。
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// 侧墙前后差分 (d_lr-d_lf) 的噪声在 ±2cm 误差下过大，不适合做航向主观测。
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```
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**分析**: 审查报告建议"恢复低权重的侧墙航向修正"。但在"VL53 可信度不高"的约束下，这个建议**不应采纳**。理由：
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1. 侧墙航向观测依赖同侧前后 VL53 的差分：`atan2(d_lr - d_lf, L_s)`，传感器基线 `L_s = 12cm`。如果单颗 VL53 噪声在 ±2cm 量级，差分噪声将达 ±2.8cm，对应航向噪声 `atan2(0.028, 0.12) ≈ 13°`，这比 IMU yaw 的精度差了一个数量级。
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2. IMU yaw "准确度非常高"已被确认，它是航向估计的最佳来源。
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3. 引入低质量侧墙航向观测反而会**污染** EKF 中高精度的 e_th 估计。
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**结论**: 当前"IMU 主导航向"的设计方向 B 在本项目约束下是正确的。不需要恢复侧墙航向观测。
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### 3. IMU yaw 参考锁定过早
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**审查报告结论**: 属实
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**是否需要修改**: **需要调整，但策略不同于审查报告建议**
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**代码验证**:
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```c
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// corridor_filter.c:96-100
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if (!s_imu_yaw_ref_set && out_state->conf >= 0.3f) {
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s_imu_yaw_ref_rad = imu_yaw_continuous_rad - out_state->ee_th;
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s_imu_yaw_ref_set = true;
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}
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```
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**分析**: 审查报告建议"要求双侧观测稳定、e_y 和 e_th 较小、连续若干拍后再锁"。但考虑到 VL53 可信度低，依赖"双侧观测稳定"来判断是否可以锁定 yaw_ref 本身就不可靠。
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更好的方案是：既然 IMU yaw 准确度非常高，**yaw_ref 的锁定应该主要看入沟姿态是否对正**，而不是看 VL53 是否收敛。具体来说：
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- 入沟转向阶段 IMU 已经转了 85°+，转向完成时 IMU 的绝对 yaw 值就是走廊方向的最佳估计
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- 可以直接在 `transition_to(GNAV_REACQUIRE)` 时，用 IMU 当前 yaw 作为 yaw_ref（而不是等 VL53 收敛后再锁）
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- conf ≥ 0.3 这个门槛在 VL53 不可靠时意义不大
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### 4. CorridorFilter_Update() 覆盖 EKF 的 conf 和诊断字段
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**审查报告结论**: 属实，是确定性 bug
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**是否需要修改**: **是**
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**代码验证**:
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```c
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// corridor_filter.c:103-106
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if (s_imu_yaw_ref_set) {
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CorridorEKF_UpdateIMUYaw(imu_yaw_continuous_rad, s_imu_yaw_ref_rad, true);
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CorridorEKF_GetState(out_state); // ← 覆盖了之前 Update() 写入的 conf、reject_mask、maha_d2
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out_state->t_ms = obs->t_ms;
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}
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// corridor_ekf.c:568-587 — GetState() 重新计算 conf，只看 P_trace
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float P_trace = s_state.P[0][0] + s_state.P[1][1] + s_state.P[2][2];
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out->conf = clampf(1.0f - P_trace * 0.5f, 0.0f, 1.0f);
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out->mahalanobis_d2 = 0.0f; // ← 清零
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out->obs_reject_mask = 0U; // ← 清零
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```
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**分析**: `CorridorEKF_Update()` 精心计算了包含 `valid_sides`、`reject_mask`、`side_factor` 的 conf，但 `GetState()` 把这些全部丢弃，只用 P_trace 重算。这会让下游（安全层、重捕获判定）对 EKF 健康度的判断偏乐观。
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### 5. 转向逻辑对 IMU 失效没有后备路径
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**审查报告结论**: 属实
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**是否需要修改**: **是，但优先级中等（因 IMU 准确度高，实际触发概率低）**
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**代码验证**:
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```c
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// global_nav.c:223-224
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float imu_yaw = board->imu_yaw_continuous.is_valid
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? board->imu_yaw_continuous.value : 0.0f; // IMU 无效时用 0
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// nav_script.c:259-265 — 注释写了 fallback，但没有实现
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// 后备：如果 IMU 离线，退化回 EKF e_th 差值判定。
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float imu_delta_deg = imu_yaw_continuous_deg - s_internal.turn_start_imu_yaw_deg;
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delta_turned = imu_delta_deg * 0.01745329252f; // 始终用 IMU，无 fallback
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```
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**分析**: IMU 准确度高意味着此 bug 实际触发概率极低，但代码逻辑确实存在问题。IMU 无效时 yaw 变成 0，会导致转向角度计算完全错误。应该至少加一个 fail-safe（IMU 无效时立即停车）。
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### 6. NavScript 的 EXIT 阶段不可达
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**审查报告结论**: 属实，是确定性 bug
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**是否需要修改**: **是（单沟测试模式下需要修复）**
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**代码验证**:
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```c
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// nav_script.c:34 — pass_count 在入沟时置为 1
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s_internal.pass_count = 1;
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// 后续 CORRIDOR_FORWARD → TURN → CORRIDOR_BACKWARD → TURN → CORRIDOR_FORWARD 循环
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// pass_count 没有递增逻辑，也没有基于 pass_count 跳转到 EXIT 的代码
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```
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**分析**: 状态机在 FORWARD ↔ BACKWARD 之间无限循环，永远到不了 EXIT。在单沟测试模式下，机器人会无限往返直到电量耗尽。与赛道模式无关（赛道走 GlobalNav），但作为测试工具应该修复。
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### 7. HANDOFF_v2.md 与代码状态漂移
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**审查报告结论**: 属实
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**是否需要修改**: **是**
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**代码验证**:
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```c
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// HANDOFF_v2.md:582 写的是 USE_GLOBAL_NAV = 1
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// robot_params.h:385 实际值
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#define USE_GLOBAL_NAV 0 // ← 文档说 1，代码是 0
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// HANDOFF_v2.md:635 写 kd_theta = 0.1
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// robot_params.h:229 实际值
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#define PARAM_CTRL_KD_THETA 0.4f // ← 文档说 0.1，代码是 0.4
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// HANDOFF_v2.md:636 写 kp_y = 3.0
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// robot_params.h:238 实际值
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#define PARAM_CTRL_KP_Y 4.0f // ← 文档说 3.0，代码是 4.0
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// HANDOFF_v2.md:647 写 d_front_stop = 0.08
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// robot_params.h:282 实际值
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#define PARAM_SAFE_D_FRONT_STOP 0.10f // ← 文档说 0.08，代码是 0.10
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```
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**分析**: 多个关键参数值已漂移。对于正在调试"持续偏右"问题的人来说，如果按文档值理解系统行为会导致误判。
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### 8. EKF 接口与实现存在漂移
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**审查报告结论**: 属实
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**是否需要修改**: **是（代码质量问题，不影响功能但影响维护）**
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**代码验证**:
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```c
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// corridor_msgs.h:13 — 仍声明 3 维观测
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#define EKF_OBS_DIM 3 // [z_ey, z_eth_L, z_eth_R]
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// corridor_ekf.h:12-17 — 头文件注释仍描述 3 维观测模型
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// 观测向量：z = [z_ey, z_eth_L, z_eth_R]^T
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// corridor_ekf.c — 实际只做 1 维 e_y 更新 + 独立 1DOF IMU yaw 更新
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// corridor_ekf.h:81 — K 矩阵仍按 3x3 分配
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float K[EKF_STATE_DIM][EKF_OBS_DIM]; // 3x3，实际只用 3x1
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```
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**分析**: `EKF_OBS_DIM` 仍为 3，但实际只做 1DOF 侧墙更新。`innovation[3]` 数组从未被写入。`S[3][3]`, `S_inv[3][3]`, `K[3][3]` 分配了多余空间。不影响运行但浪费 RAM 且误导维护者。
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## 二、基于"VL53 低可信度 + IMU yaw 高精度"的 EKF 改进方案
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### 核心思路
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既然 VL53 不可靠而 IMU 非常可靠，改进策略应该是：
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1. **航向估计**: 完全信任 IMU，不引入侧墙航向观测（维持现状，审查报告第 2 条建议不采纳）
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2. **横向估计**: 降低 VL53 的信任度（增大 R），但通过分侧补偿消除系统性偏置
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3. **置信度**: 改用更保守的计算方式，不能因为 P_trace 小就认为状态好
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### 改进 A: 分侧横向补偿 (解决"持续偏右")
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**问题本质**: 左右 VL53 安装不对称+校准值不同，但 EKF 用同一个 `d_center` 处理左右观测。
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**改进方案**: 在 `CorridorEKFConfig_t` 中新增 `left_sensor_inset` 和 `right_sensor_inset`，替代单一的 `side_sensor_inset`。
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```c
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// corridor_ekf.h — 新增配置字段
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typedef struct {
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// ... 现有字段 ...
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float left_sensor_inset; // 左侧 VL53 内缩距离 (实测)
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float right_sensor_inset; // 右侧 VL53 内缩距离 (实测)
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// 保留 side_sensor_inset 做向后兼容默认值
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} CorridorEKFConfig_t;
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```
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```c
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// corridor_ekf.c — Update() 中分别计算左右期望读数
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float d_center_left = (W - Rw) / 2.0f + s_cfg.left_sensor_inset;
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float d_center_right = (W - Rw) / 2.0f + s_cfg.right_sensor_inset;
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if (left_ok) {
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z_ey += d_center_left - ((d_lf + d_lr) / 2.0f) - yoff;
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valid_sides++;
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}
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if (right_ok) {
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z_ey += ((d_rf + d_rr) / 2.0f) - d_center_right - yoff;
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valid_sides++;
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}
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```
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**标定方法**: 将机器人手动放在走廊正中央（卷尺确认），记录四颗 VL53 的原始读数。左侧期望读数 = `(走廊宽 - 车宽)/2`，与实际读数的差就是 `left_sensor_inset`，右侧同理。
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### 改进 B: 增大 VL53 观测噪声 R_ey (适配低可信度传感器)
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**当前值**: `PARAM_EKF_R_EY = 0.002`（相当于 VL53 标准差 ~4.5mm，过于乐观）
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**建议值**: 根据 VL53 "可信度不高"的实际表现，建议调大到 `0.01 ~ 0.02`（标准差 ~10-14mm）
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```c
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// robot_params.h
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#define PARAM_EKF_R_EY 0.015f // 从 0.002 提高到 0.015，降低对 VL53 的信任度
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```
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**效果**: EKF 会更缓慢地跟踪 VL53 噪声跳变，横向估计更平滑。配合 IMU 高精度航向，控制器输出更稳定。
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### 改进 C: 降低 IMU 航向观测噪声 R_eth_imu (充分利用高精度 IMU)
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**当前值**: `PARAM_EKF_R_ETH_IMU = 0.01`
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**建议值**: 既然 IMU yaw "准确度非常高"，应该给更低的 R 值，让 EKF 更信任 IMU
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```c
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// robot_params.h
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#define PARAM_EKF_R_ETH_IMU 0.002f // 从 0.01 降低到 0.002
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```
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**注意**: 当前 R_eth_imu 的注释说"应明显大于侧墙航向观测 R_ETH"，但既然侧墙航向观测已经被取消了，这个约束不再适用。
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### 改进 D: 修复 conf 覆盖 bug
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```c
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// corridor_filter.c — 改进 CorridorFilter_Update()
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if (s_imu_yaw_ref_set) {
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CorridorEKF_UpdateIMUYaw(imu_yaw_continuous_rad, s_imu_yaw_ref_rad, true);
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// 修改: 只更新状态值(e_y, e_th, s, P)，不覆盖 conf 和诊断字段
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CorridorState_t imu_updated;
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CorridorEKF_GetState(&imu_updated);
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out_state->e_y = imu_updated.e_y;
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||
out_state->e_th = imu_updated.e_th;
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||
out_state->s = imu_updated.s;
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||
memcpy(out_state->P, imu_updated.P, sizeof(out_state->P));
|
||
// 保留 out_state->conf, obs_reject_mask, mahalanobis_d2 来自 CorridorEKF_Update()
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||
out_state->t_ms = obs->t_ms;
|
||
}
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```
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### 改进 E: IMU yaw 参考锁定策略优化
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既然 IMU yaw 准确度高，锁定策略应改为：
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```c
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// corridor_filter.c — 新的锁定策略
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if (imu_yaw_valid) {
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||
if (!s_imu_yaw_ref_set) {
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// 方案: 不等 VL53 收敛，直接在 EKF reset 后的首拍用 IMU 当前 yaw 锁定
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// 理由: IMU yaw 精度高，转向完成后 IMU 指向即走廊方向
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// 此时 e_th 应为 0（刚 reset），所以 ref = imu_yaw - 0 = imu_yaw
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||
s_imu_yaw_ref_rad = imu_yaw_continuous_rad; // 不减 e_th，因为刚 reset 为 0
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||
s_imu_yaw_ref_set = true;
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||
}
|
||
|
||
if (s_imu_yaw_ref_set) {
|
||
CorridorEKF_UpdateIMUYaw(imu_yaw_continuous_rad, s_imu_yaw_ref_rad, true);
|
||
// ... (用改进 D 的方式更新 out_state)
|
||
}
|
||
}
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||
```
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||
**优势**: 消除了审查报告第 3 条中"入沟偏角被固化为参考"的风险。因为 yaw_ref 在 reset 后立即锁定为 IMU 当前值（即转向完成后的方向），不会等到 VL53 不靠谱地"收敛"后才锁。
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### 改进 F: VL53 单侧可用时的自适应 R
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||
当只有一侧 VL53 有效时，观测质量明显下降，应该动态增大 R:
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```c
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// corridor_ekf.c — Update() 中
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||
float R_ey = s_cfg.r_ey;
|
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if (valid_sides == 2) {
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R_ey *= 0.5f; // 双侧观测，噪声更低（现有逻辑）
|
||
} else if (valid_sides == 1) {
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||
R_ey *= 3.0f; // 新增: 单侧观测时大幅增大噪声，降低信任度
|
||
}
|
||
```
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||
|
||
**理由**: 单侧 VL53 在可信度本就不高的情况下，缺少交叉验证，不应赋予和双侧同等的信任权重。
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## 三、非 EKF 相关改进
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||
### 改进 G: IMU 失效安全保护
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```c
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||
// global_nav.c — execute_turn() 中加入 IMU 有效性检查
|
||
static void execute_turn(...)
|
||
{
|
||
if (!board->imu_yaw_continuous.is_valid) {
|
||
// IMU 失效: 立即停车，不继续盲转
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||
out->override_v = 0.0f;
|
||
out->override_w = 0.0f;
|
||
out->use_override = true;
|
||
out->safety_mode = SAFETY_MODE_IDLE; // 停车
|
||
// 超时后会被外部超时保护捕获进入 ERROR
|
||
return;
|
||
}
|
||
// ... 正常转向逻辑 ...
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 改进 H: NavScript EXIT 路径修复
|
||
|
||
```c
|
||
// nav_script.c — 在 CORRIDOR_BACKWARD 到端后，增加 pass_count 递增和退出判断
|
||
case SCRIPT_STAGE_CORRIDOR_BACKWARD: {
|
||
// ... 到端检测 ...
|
||
if (s_internal.end_armed && front_ok && obs->d_front <= s_cfg.d_entry_exit_front) {
|
||
s_internal.pass_count++; // ← 新增: 递增趟数
|
||
if (s_internal.pass_count >= 3) { // 例如走 3 趟后退出
|
||
s_stage = SCRIPT_STAGE_EXIT;
|
||
} else {
|
||
s_internal.turn_start_e_th = state->e_th;
|
||
s_internal.turn_start_imu_yaw_deg = imu_yaw_continuous_deg;
|
||
s_internal.turn_started = false;
|
||
s_internal.post_turn_stage = SCRIPT_STAGE_CORRIDOR_FORWARD;
|
||
s_stage = SCRIPT_STAGE_TURN_AT_END;
|
||
}
|
||
out->request_corridor = false;
|
||
}
|
||
break;
|
||
}
|
||
```
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||
|
||
### 改进 I: EKF 接口维度清理
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||
|
||
```c
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||
// corridor_msgs.h — 更新为实际使用的维度
|
||
#define EKF_OBS_DIM 1 // 实际只做 1DOF 侧墙更新 (z_ey)
|
||
// 或者如果考虑 IMU 独立更新:
|
||
// #define EKF_OBS_DIM_WALL 1
|
||
// #define EKF_OBS_DIM_IMU 1
|
||
```
|
||
|
||
同时更新 `corridor_ekf.h` 的头部注释，去掉 `z_eth_L`, `z_eth_R` 的描述，标注当前实际是 1DOF 侧墙 + 1DOF IMU 独立更新。
|
||
|
||
### 改进 J: 文档同步
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||
|
||
更新 HANDOFF_v2.md 中以下不一致的参数值:
|
||
|
||
| 参数 | 文档值 | 代码实际值 | 操作 |
|
||
|------|--------|-----------|------|
|
||
| `USE_GLOBAL_NAV` | 1 | 0 | 更新文档为 0 |
|
||
| `kd_theta` | 0.1 | 0.4 | 更新文档为 0.4 |
|
||
| `kp_y` | 3.0 | 4.0 | 更新文档为 4.0 |
|
||
| `d_front_stop` | 0.08 | 0.10 | 更新文档为 0.10 |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 四、改进优先级排序
|
||
|
||
| 优先级 | 改进项 | 预期效果 | 工作量 |
|
||
|--------|--------|---------|--------|
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||
| **P0** | **A: 分侧横向补偿** | 直接解决"持续偏右"根因 | 中 (改 EKF 配置 + 实测标定) |
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| **P0** | **D: 修复 conf 覆盖 bug** | 消除置信度虚高，安全层能正确响应 | 小 (改几行) |
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| **P1** | **B: 增大 R_ey** | 降低 VL53 噪声对控制的影响 | 小 (改一个参数) |
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| **P1** | **C: 降低 R_eth_imu** | 充分利用 IMU 高精度 | 小 (改一个参数) |
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| **P1** | **E: yaw_ref 锁定优化** | 消除入沟偏角固化风险 | 小 (改几行) |
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| **P2** | **F: 单侧自适应 R** | 单侧退化时更鲁棒 | 小 |
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| **P2** | **G: IMU 失效保护** | 防止 IMU 瞬断导致盲转 | 小 |
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| **P2** | **H: NavScript EXIT 修复** | 单沟测试可正常收尾 | 小 |
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| **P3** | **I: 接口维度清理** | 代码可维护性 | 中 |
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| **P3** | **J: 文档同步** | 消除调试误判 | 小 |
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## 五、建议调试验证流程
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### 第 1 步: 实测标定 (P0-A)
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1. 将机器人用卷尺**精确**放在走廊正中央
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2. 记录四颗 VL53 的原始读数 (mm)
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3. 计算 `left_sensor_inset` = 理论值 - 实测左侧平均值
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4. 计算 `right_sensor_inset` = 理论值 - 实测右侧平均值
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5. 填入代码
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### 第 2 步: 参数调整 (P1-B,C)
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1. 修改 `R_ey = 0.015`, `R_eth_imu = 0.002`
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2. 单沟 `USE_GLOBAL_NAV=0` 模式验证
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3. 观察 e_y 估计值是否居中、是否平滑
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### 第 3 步: 修复 bug (P0-D, P1-E)
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1. 修复 conf 覆盖
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2. 优化 yaw_ref 锁定
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3. 单沟验证：观察入沟后 conf 是否合理、e_th 是否稳定
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### 第 4 步: 偏右验证
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1. 完成以上修改后，重新做单沟测试
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2. 如果偏右问题消失 → 核心问题已解决
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3. 如果仍有轻微偏向 → 微调 `y_offset` 参数 (之前硬编码 0 的那个)
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### 第 5 步: 赛道模式测试
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1. 切换 `USE_GLOBAL_NAV=1`
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2. 验证入沟重捕获是否正常
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3. 验证沟内偏右问题是否在多沟遍历中复现
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## 六、总结
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| 审查报告条目 | 是否属实 | 是否采纳建议 | 说明 |
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| 1. 横向偏置不完整 | **属实** | **采纳并扩展** | 改为分侧补偿 |
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| 2. 恢复侧墙航向观测 | 属实(现象) | **不采纳建议** | VL53 不可靠时恢复航向观测有害 |
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| 3. yaw_ref 锁定过早 | **属实** | **部分采纳** | 改为 IMU 驱动的即时锁定 |
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| 4. conf 覆盖 bug | **属实** | **采纳** | 确定性 bug 必须修复 |
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| 5. IMU 失效无后备 | **属实** | **采纳** | 加 fail-safe 停车 |
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| 6. EXIT 不可达 | **属实** | **采纳** | 确定性 bug |
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| 7. 文档漂移 | **属实** | **采纳** | 对照代码更新 |
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| 8. 接口维度漂移 | **属实** | **采纳** | 清理历史包袱 |
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**一句话结论**: 在"VL53 可信度低 + IMU yaw 高精度"的约束下，**正确的改进方向是"强化 IMU 主导 + 分侧标定消偏 + 降低 VL53 权重"，而不是审查报告建议的"恢复侧墙航向观测"**。EKF 的方向 B 设计决策在当前硬件条件下是正确的，只需要补齐横向偏置补偿和修复 conf 覆盖 bug 就能解决"持续偏右"的核心问题。
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