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