# 固定地图赛道的混合导航说明 ## 1. 文档目的 本文档面向后续接手项目的人，说明当前比赛场景下为什么推荐采用一种“混合导航”方案，而不是单纯依赖局部传感器闭环，也不是直接上通用 SLAM / 全局路径规划。 这里的“混合导航”特指： - 上层使用固定地图和拓扑状态机 - 中层使用段落动作与事件切换 - 下层使用局部传感器闭环稳定控制 这套思路适用于当前这类： - 场地结构固定 - 任务流程固定 - 局部几何约束很强 - 但局部传感器看不到全局目标 的比赛型机器人系统。 ## 2. 场地与任务本质 根据比赛规则与 `HANDOFF.md`： - 场地大小为 `390cm x 300cm` - 内部有 `5` 条田垄 - 实际需要遍历的是 `6` 条垄沟 - 每条垄沟宽 `40cm` - 每条田垄长 `220cm` - 只有 `1` 个出入口 - 出入口外有启动区 从导航角度，这不是自由环境中的随机移动问题，而是一个非常明确的固定任务： 1. 从启动区进入场地 2. 进入某一条垄沟 3. 沿垄沟稳定前进并作业 4. 到达端部后完成转向与换沟 5. 依次遍历全部 `6` 条垄沟 6. 最终从唯一出口驶离场地 7. 自主停回启动区 如果把整个任务抽象出来，本质上就是一个 **S 形遍历任务**。 示意如下： ```text 入口 -> 沟1 ↑ ↓ 沟2 ↑ 沟3 ↓ 沟4 ↑ 沟5 ↓ 沟6 -> 出口 ``` 这类问题最重要的不是“任意时刻知道自己在全局坐标中的绝对位置”，而是： - 知道自己当前在第几条沟 - 知道下一条目标沟是哪一条 - 知道当前处于入沟、走沟、到端、换沟、出场还是回停阶段 - 在每个阶段里，用合适的传感器和控制策略去完成当前动作 ## 3. 为什么不能只靠局部导航 当前项目已经具备很强的局部导航能力，尤其是在单条垄沟内： - 侧向测距可以支撑居中或偏置行驶 - IMU 可以提供航向与转角信息 - 前向测距可以做端部触发 - 里程计可以做短时推进量估计 但只靠局部导航会遇到明显边界： ### 3.1 局部导航能解决什么 局部导航适合解决： - 在窄沟内居中 - 在窄沟内保持姿态稳定 - 接近端部时减速或停车 - 在局部可观测条件下闭环修正误差 ### 3.2 局部导航解决不了什么 局部导航不擅长解决： - 我现在完成了第几条沟 - 下一条目标沟应该是左边还是右边 - 转完向后该走多远才能接近下一条沟入口 - 什么时候该结束整场遍历并朝唯一出口离场 这些问题需要： - 全局任务记忆 - 地图拓扑信息 - 阶段状态机 - 跨局部观测空窗的动作脚本 所以，仅靠“看到什么就跟什么”的局部反应式导航，不足以稳定跑完整场比赛。 ## 4. 为什么也不建议直接上通用 SLAM 有些人看到“局部导航不够”，第一反应会是“那就做全局 SLAM”。 但当前赛题并不适合直接走这条路线。 ### 4.1 地图不是未知的 赛场结构高度固定： - 垄沟数固定 - 相对排列固定 - 出入口固定 - 启动区固定 这意味着没有必要像服务机器人那样，在未知环境中一边探索一边建图。 ### 4.2 场地高度对称 `6` 条垄沟在局部上非常相似。 这会让很多通用全局定位方法遇到典型问题： - 局部观测相似 - 重定位歧义大 - 小误差可能让系统把“第 2 沟”认成“第 3 沟”附近 ### 4.3 比赛更看重稳定完赛，而不是地图美观 比赛规则更关心： - 能不能完整遍历 - 能不能不撞边 - 能不能顺利出场 - 能不能停回启动区 不是在考察一套通用 SLAM 系统的建图效果。 ### 4.4 通用 SLAM 工程负担大 如果直接上完整 SLAM，通常还要处理： - 更复杂的状态与数据关联 - 更高的开发和调参成本 - 更重的算力与调度开销 - 更难解释的失败模式 这和当前项目追求的工程目标并不匹配。 ## 5. 什么是“混合导航” 当前场景下推荐的“混合导航”，可以概括成一句话： **用固定地图决定去哪，用状态机决定现在该做什么，用局部传感器闭环决定这一小段怎么稳稳地过去。** 它不是纯局部，也不是纯全局，而是分层协作。 ## 6. 混合导航的三层结构 ## 6.1 上层：固定地图与拓扑状态机 上层负责的是“全局任务理解”。 它需要维护的信息包括： - 当前所在赛道段编号 - 当前已经完成了第几条垄沟 - 下一条目标垄沟是哪一条 - 当前应该左换沟还是右换沟 - 当前处于：启动、入场、走沟、到端、换沟、再入沟、出场、回停 的哪一阶段 这一层不一定关心厘米级位置，而更关心： - 拓扑顺序 - 阶段推进 - 事件触发 可以把整场任务拆成固定段落，例如： 1. 启动区准备 2. 入口对准 3. 垄沟 1 前进 4. 端部换沟 1 5. 垄沟 2 返回 6. 端部换沟 2 7. 垄沟 3 前进 8. ... 9. 最后一沟结束 10. 出场 11. 回停启动区 这就是“固定地图导航”的核心，不是基于任意坐标规划，而是基于已知赛道结构推进任务。 ## 6.2 中层：段落动作与事件切换 中层负责把“上层目标”翻译成可执行动作。 例如在某个阶段，机器人可能执行： - 入口慢速直行，直到捕获双侧结构 - 沿当前垄沟闭环跟踪 - 到端后原地转 `90°` 或 `180°` - 保持某个航向横向推进一段距离 - 在接近预计位置后减速，并等待重新捕获新垄沟 - 切回垄沟跟踪模式 这一层的本质是“段脚本 + 事件触发”。 它依赖： - IMU 姿态 - 里程计推进量 - 前向/后向安全距离 - 局部结构重新捕获结果 这层很重要，因为许多时候机器人会暂时处于“看不到完整走廊结构”的状态，比如端部换沟阶段。 ## 6.3 下层：局部传感器闭环 下层负责在小范围内把车稳稳控制住。 典型任务： - 在垄沟内居中 - 在垄沟内偏向 1/4 宽度行驶 - 根据 IMU 保持航向 - 根据前向测距做减速与停车 这一层应当追求： - 高频 - 稳定 - 可降级 - 不依赖复杂全局推理 你现在已有的大部分控制能力，都属于这一层。 ## 7. 各类传感器在混合导航中的角色 ## 7.1 左右 VL53L0X 推荐职责： - 走廊内横向定位 - 居中/偏置行驶 - 近场重捕获新垄沟 不推荐职责： - 远距离识别下一条垄沟入口 - 独立承担换沟全流程导航 原因很简单： - 它们是近场侧向传感器 - 强项是局部几何闭环 - 弱项是远距离赛道级感知 ## 7.2 IMU 推荐职责： - 航向估计主来源 - 转向角度判定 - 无侧墙约束阶段的短时姿态保持 - 换沟阶段的朝向控制 IMU 在混合导航里非常关键，因为它能帮助机器人跨过“局部结构暂时缺失”的区间。 ## 7.3 编码器 / 里程计 推荐职责： - 估算走过了多长距离 - 在换沟动作中提供推进量 - 与状态机结合做段落退出条件 限制： - 遇到地毯、打滑、轮胎差异时会有误差 因此它适合作为“推进量参考”，但不适合作为唯一定位真值。 ## 7.4 前后长距测距 推荐职责： - 到端检测 - 防撞保护 - 开阔区事件辅助 - 出场或接近边界时的安全约束 这类传感器不一定直接告诉你“下一沟入口就在前方”，但能帮助你判断： - 是否接近端部 - 是否接近围栏 - 是否该切换动作阶段 ## 8. 为什么这种方案适合当前比赛 ## 8.1 它符合固定地图的特点 比赛地图结构是已知的。 这意味着： - 目标垄沟不是未知搜索对象 - 换沟不必靠“发现远处入口” - 可以由状态机根据当前进度直接推导“下一步该去哪” ## 8.2 它承认局部传感器的边界 混合导航没有让 VL53 去做它不擅长的事情。 它承认： - VL53 负责局部 - IMU 负责短时姿态保持 - 里程计负责推进量 - 上层状态机负责“全局流程” 这是符合传感器物理特性的分工。 ## 8.3 它能兼容尺寸误差与地毯 规则里有两个现实问题： - 场地尺寸允许 `+-5%` - 有 `2` 条垄沟会随机铺地毯 这意味着： - 不能死信地图上的绝对尺寸 - 不能死信纯里程推进 混合导航的好处是： - 上层地图只给出大方向和段结构 - 局部闭环用实时传感器做最终修正 这样既利用了先验地图，又不会被固定脚本锁死。 ## 9. 一个典型的工作流程 下面给出一个典型流程，帮助理解这套导航在比赛中的运行方式。 ### 9.1 启动与入场 - 上层状态机进入“入口对准”阶段 - 机器人从启动区朝入口前进 - 一旦左右侧传感器稳定捕获到垄沟结构，切换为垄沟跟踪模式 ### 9.2 垄沟内前进 - 下层局部控制根据左右侧测距维持横向位置 - IMU 维持航向 - 前向测距用于到端检测 - 状态机记录当前垄沟编号与方向 ### 9.3 到端 - 前向距离达到阈值 - 状态机判定当前垄沟已到端 - 进入转向阶段 ### 9.4 换沟 - IMU 控制转向到目标朝向 - 编码器推进预定距离 - 长距测距做安全约束 - 接近预期位置后减速 - 直到左右 VL53 再次捕获新垄沟结构 ### 9.5 再入沟 - 一旦检测到新的局部走廊结构 - 状态机确认已进入下一条垄沟 - 切换回局部走廊跟踪 ### 9.6 重复直到遍历完成 - 状态机更新“当前第几沟” - 按 S 形顺序重复以上过程 ### 9.7 最终离场与回停 - 当最后一条垄沟完成后 - 状态机切换到出场段 - 利用固定地图与局部感知朝唯一出口离开 - 出场后再执行停回启动区动作 ## 10. 与当前项目的关系 当前项目已经具备混合导航中的一部分基础： - 局部走廊控制 - IMU 航向处理 - 到端检测 - 原地转向 - 段脚本雏形 但当前仍偏向： - 单垄沟验证 - 局部闭环主导 - 缺少完整的赛道级段落管理 所以后续真正需要补的，并不是完全推翻现有控制，而是： - 把“局部走廊能力”封装成底层能力 - 在其上补一个完整的固定地图状态机 - 把换沟和出场逻辑系统化 ## 11. 一个容易犯的错误 在这类项目里，最容易犯的错误是两种极端： ### 11.1 极端一：把所有问题都交给局部传感器 这会导致： - 换沟阶段无从判断全局目标 - 容易在端部迷失 - 难以稳定完成多垄沟遍历 ### 11.2 极端二：把所有问题都交给“全局定位” 这会导致： - 系统复杂度暴涨 - 对称环境下定位歧义严重 - 与比赛需求不匹配 混合导航的价值就在于避开这两个极端。 ## 12. 推荐结论 对于当前比赛场景，推荐的总体思路是： 1. 用固定地图描述整条 S 形任务路线 2. 用拓扑状态机管理“当前在哪一段、下一步去哪一段” 3. 用 IMU 和里程计支撑跨局部观测空窗的动作执行 4. 用左右 VL53 负责局部垄沟内的高精度横向闭环与重捕获 5. 用前后长距测距做端部识别与安全保护 这就是当前场景最合适的混合导航方案。 ## 13. 一句话总结 这类比赛不是“靠一套万能定位算法解决全部问题”，而是“让合适的层做合适的事”： - 地图负责全局流程 - 状态机负责阶段切换 - 传感器负责局部闭环 - 控制器负责把每一小段稳稳跑完 这就是混合导航的核心价值。