模型推理移至管道末尾降舵机延迟60→16ms + 视觉Mat复用 + 端到端延迟计时 + OpenCV 4.13 + WASD遥控
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spdis
+99
-255
@@ -1,232 +1,130 @@
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# 激光雷达挡板避障设计
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## 问题
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## 概述
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VL53L0X 是单点 ToF 激光测距传感器，仅返回沿光束方向的一个距离值（mm），没有扇形扫描能力。
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当激光测到近处有物体时，无法直接从距离值判断它是：
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VL53L0X 单点 ToF 激光测距传感器，返回沿光束方向的距离值（mm）。
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当距离低于阈值时触发绕行：中线变形推向右侧，消失后保持衰减。
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- A) **挡板/障碍物** — 横在赛道上的物体，需要绕行
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- B) **赛道边墙** — 弯道处车头对准了侧墙，这是正常行驶状态
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**解决思路：用视觉巡线的边界线（left_line / right_line）来区分 A 和 B。**
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**当前实现：** 纯距离触发 + 预触发去抖，不检查视觉边界线。绕行方向固定朝右。
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## 关键约束：挡板会导致丢线
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## VL53L0X 驱动集成
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挡板立在赛道上时，不仅触发激光近距读数，还会**遮挡摄像头视野中的赛道边界**，
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导致从挡板所在位置开始边界线丢失（left_line / right_line = -1）。
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驱动已编译（`src/vl53l0x.cpp` + `lib/vl53l0x/` C API），在 `CameraInit()` 中初始化：
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```
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Camera 俯视视角 (图像坐标):
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row 0 (远) : ░░░░░░░ ← 被挡板挡住，丢线
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row 15 : ░░░░░░░ ← 挡板上方，丢线
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row 25 : ░░░░░░░ ← 挡板顶部附近，丢线
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row 30 : ███████ ← ★ 挡板所在行，边界线丢失
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row 35 : ■■■■■■■ ← 挡板下方，赛道可见，边界线有效
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row 59 (近) : ■■■■■■■ ← 车前方，赛道清晰
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CameraInit():
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if g_cfg.lidar_enable:
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g_lidar_ok = g_lidar_sensor.init() // open /dev/stmvl53l0x_ranging
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g_lidar_sensor.startMeasure() // 启动首次测量
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else:
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g_lidar_ok = false // 禁用
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cameraDeInit():
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if g_lidar_ok → g_lidar_sensor.stop()
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```
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**这意味着：不能像锥桶检测那样"往更远处看边线是否还开着"，因为挡板后面的边线必然丢失。**
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正确的判定是检测 **"有效边界 → 丢线"的过渡位置是否与激光近距读数对应**：
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- 紧贴着挡板下方（更近处）：赛道应该可见，边界有效
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- 挡板位置及上方（更远处）：边界丢失
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- 激光读数：短距离 → 同一位置有物理障碍物
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三个条件同时成立 → 挡板确认。
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硬件未连接时 `init()` 失败 → `g_lidar_ok = false` → `lidar_avoid_process()` 直接跳过，不影响正常行驶。
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## 几何模型
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## 流水线位置
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`lidar_avoid_process()` 位于 CameraHandler Step 4，在视觉巡线之后、模型推理之前：
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Camera + Laser
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｜ (高度 H, 俯角 θ)
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｜╲
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｜ ╲ laser beam
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｜ ╲
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ground ──────────────┴────███████──── 挡板 at distance d_mm
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(挡板后方赛道被遮挡)
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Step 3 image_main() → left_line[], right_line[], mid_line[]
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Step 4 lidar_avoid_process() → 修改 mid_line[] (绕行变形) ★
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Step 5 run_model_inference()
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Step 6c cone_detect_and_deform() → 也修改 mid_line[] (叠加在 lidar 之上)
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```
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- 激光光束沿车体正前方（图像中轴线）
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- 距离 d_mm 越小 → 物体越近 → 映射到图像中越靠下的行（row 大）
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- 距离 d_mm 越大 → 物体越远 → 映射到图像中越靠上的行（row 小）
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lidar 先于 cone 修改 mid_line，优先级更高。cone 的 clamp 确保不超出边界。
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## 核心算法
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### 第一步：读取激光距离
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### 1. 读取激光距离（每 2 帧一次）
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```
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d_mm = vl53l0x.readRange().RangeMilliMeter
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lidar_avoid_process():
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if !g_lidar_ok || !g_cfg.lidar_enable → return
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if ++lidar_skip < 2 → return // 每 2 帧一读 (~15Hz)
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lidar_skip = 0
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if d_mm >= LIDAR_THRESHOLD_MM:
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return CLEAR // 远处无障碍，不做任何处理
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data = g_lidar_sensor.readResult() // 非阻塞读取上次测量结果
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d_mm = data.RangeMilliMeter
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g_lidar_sensor.startMeasure() // 立即启动下次测量 (后台 ~20ms)
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```
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`LIDAR_THRESHOLD_MM` 是触发阈值。只有距离小于此值才进入判定。建议默认 ~300mm。
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### 第二步：距离 → 图像行映射
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### 2. 预触发去抖
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```
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// 线性模型:
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// row = lt_h-1 (底行, 最近) 对应 D_NEAR
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// row = 10 (最远有效行) 对应 D_FAR
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// clamp 到 [10, lt_h-1]
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if d_mm == 0: // 读失败, 跳过
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skip
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row = lt_h - 1 - (d_mm - D_NEAR) / (D_FAR - D_NEAR) * (lt_h - 11)
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row = clamp(row, 10, lt_h - 1)
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if d_mm >= g_cfg.lidar_pre: // 距离超出预触发窗口 (默认 800mm)
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g_lidar_frames = max(0, frames-1) // 衰减但不归零
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skip
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// d_mm < lidar_pre → 进入触发判定
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```
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**标定值（需根据实际安装位置测量）：**
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`lidar_pre`（默认 800mm）是预触发窗口：距离进入此范围就开始攒帧，但要 < `lidar_thresh`（默认 300mm）才真正确认。
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| 参数 | 含义 | 建议初值 |
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|------|------|----------|
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| `D_NEAR` | row = lt_h-1 对应的物理距离 | 50 mm |
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| `D_FAR` | row = 10 对应的物理距离 | 1200 mm |
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标定方法：在赛道前方 300mm、600mm、900mm 处各放一个挡板，记录图像中挡板出现的 row，线性拟合。
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### 第三步：用边线判定障碍物（核心）
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### 3. 距离 → 图像行映射
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```
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// 设 row = distance_to_row(d_mm)，即激光测距对应的图像行
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// ── 3a. 检查"挡板下方"（更近处）：赛道应该仍可见 ──
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near_valid = false
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near_ref_row = -1
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for r = min(row + NEAR_START, lt_h-1) down to max(row + NEAR_END, lt_h-1):
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if left_line[r] != -1 && right_line[r] != -1:
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near_valid = true
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near_ref_row = r // 记录有效行，后续绕行时判断宽侧
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break
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// ── 3b. 检查"挡板位置及上方"（更远处）：边界应该已丢失 ──
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far_lost = false
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for r = row down to max(row - FAR_SPAN, 10):
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if left_line[r] == -1 || right_line[r] == -1:
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far_lost = true
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break
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// ── 3c. 联合判定 ──
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if near_valid && far_lost:
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→ OBSTACLE_CONFIRMED
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记录: g_lidar_obstacle_row = row
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g_lidar_ref_row = near_ref_row // 用于判断绕行方向
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else:
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→ CLEAR
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row = lt_h - 1 - (d_mm - lidar_near) × (lt_h - 11) / (lidar_far - lidar_near)
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row = clamp(row, 10, lt_h - 1)
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```
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**判定原理（三种典型场景）：**
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| 参数 | 默认 | 含义 |
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|------|------|------|
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| `lidar_near` | 50 mm | row = lt_h-1（最近行）对应的距离 |
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| `lidar_far` | 1200 mm | row = 10（最远有效行）对应的距离 |
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### 4. 触发判定
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```
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场景 A: 挡板挡路 → 触发绕行
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d_mm = 300mm → row = 35
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row 36~39 (近处): ✓ 赛道可见
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row 30~35 (挡板处): ✗ 丢线 (挡板遮挡)
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→ near_valid=true, far_lost=true → ★ 触发
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g_lidar_frames++
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g_lidar_obstacle_row = row
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场景 B: 正常直道，无障碍
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d_mm = 1200mm → row = 10, 且 d_mm > THRESHOLD
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→ 不进入判定，直接 CLEAR
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场景 C: 弯道，激光打到边墙
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d_mm = 200mm → row = 40
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row 41~44 (近处): ✓ 赛道可见
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row 37~40 (弯道处): ✓ 赛道也可能可见（边墙不一定导致丢线）
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→ near_valid=true, far_lost=false → CLEAR
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g_lidar_confirmed = (d_mm < lidar_thresh) && (g_lidar_frames >= lidar_min_frames)
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```
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### 第四步：去抖确认
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**注意：** 不检查视觉边界线（near_valid / far_lost），纯距离触发。
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配置中的 `lidar_near_start`、`lidar_near_end`、`lidar_far_span` 参数被加载但**未使用**（为设计预留）。
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### 5. 确认 → 记录状态
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```
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if OBSTACLE_CONFIRMED:
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g_lidar_frames++
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else:
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g_lidar_frames = max(0, g_lidar_frames - 1)
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g_lidar_confirmed = (g_lidar_frames >= LIDAR_MIN_FRAMES)
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if g_lidar_confirmed:
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g_lidar_hold_ctr = 0
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g_lidar_hold_src_row = g_lidar_obstacle_row
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g_lidar_hold_dir = 1.0 // 固定朝右绕行
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g_lidar_frames = 0 // 重置计数
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```
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**方向固定为右（+1.0）**，不根据赛道左右空间动态判断。
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---
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## 绕行策略：中线变形
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## 中线变形
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挡板通常只挡赛道的一部分（偏左或偏右），通过判断挡板下方有效行中哪一侧空间更大，
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将中线推向宽侧实现绕行。
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### 判断绕行方向
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当 `lidar_is_active()`（确认中或保持衰减中）时，对 row 10 ~ 障碍行施加变形：
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```
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// 在 near_ref_row（挡板下方最近的有效行）中判断左右空间
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left_space = mid_line[near_ref_row] - left_line[near_ref_row]
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right_space = right_line[near_ref_row] - mid_line[near_ref_row]
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decay = (确认中) 1.0 : (1.0 - hold_ctr / hold_frames) // 保持期线性衰减
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// 往宽侧推
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dir = (left_space > right_space) ? +1.0 : -1.0
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```
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### 中线变形
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对从 row=10 到挡板位置 row 的所有行施加变形，变形量从远到近线性斜坡上升：
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```
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// gain = lidar_avoid_gain (推离力度, 归一化)
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// range = lidar_avoid_range (斜坡陡峭度, 行数)
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// half_w = lt_w / 2
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for r = 10 to g_lidar_obstacle_row:
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t = clamp((r - 10) / range, 0.0, 1.0) // 斜率上升
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||||
push = t * gain * half_w * dir
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||||
mid_line[r] = clamp(mid_line[r] + push,
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||||
left_line[r] + 2.0,
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||||
right_line[r] - 2.0)
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```
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**变形示意图：**
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```
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row 10 ───────●──────────────────────────○ 赛道中心线
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row 20 ────────●─────────────────────────○ (往右绕行)
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row 30 ───────────●──────────────────────○
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row 35 ──────────────●───────────────────○ ← 挡板位置
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row 40 ────────────────████████████──────── ← 挡板 (丢线)
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row 59 ─■────────●───■■■■■■■■■■■■■■───●───■ ← 车底 (近处可见)
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left mid 方向盘往右打 right
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```
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### 速度联动
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绕行时降速以保证安全：
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```
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if g_lidar_confirmed || g_lidar_hold_ctr > 0:
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spd *= lidar_speed // 默认 0.4，即降至 40% 速度
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```
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||||
### 消失后保持衰减
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挡板不再被检测到后，变形不会立即消失，而是线性衰减（类似锥桶 hold 逻辑）：
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```
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// 确认状态
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if g_lidar_confirmed:
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g_lidar_hold_ctr = 0
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g_lidar_hold_src_row = g_lidar_obstacle_row
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||||
g_lidar_hold_dir = dir
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||||
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// 衰减状态（挡板消失后）
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else if g_lidar_hold_src_row > 0 && g_lidar_hold_ctr < lidar_hold_frames:
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g_lidar_hold_ctr++
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decay = 1.0 - (double)g_lidar_hold_ctr / lidar_hold_frames // 线性衰减到 0
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||||
for r = 10 to g_lidar_hold_src_row:
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||||
t = clamp((r - 10) / range, 0.0, 1.0)
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||||
push = t * gain * half_w * g_lidar_hold_dir * decay
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||||
mid_line[r] = clamp(mid_line[r] + push, left+2, right-2)
|
||||
for row = 10 to g_lidar_hold_src_row:
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||||
t = clamp((row - 10) / lidar_avoid_range, 0.0, 1.0)
|
||||
push = t × lidar_avoid_gain × half_w × dir × decay
|
||||
mid_line[row] = clamp(mid_line[row] + push,
|
||||
left_line[row] + 2.0,
|
||||
right_line[row] - 2.0)
|
||||
```
|
||||
|
||||
---
|
||||
@@ -237,107 +135,53 @@ else if g_lidar_hold_src_row > 0 && g_lidar_hold_ctr < lidar_hold_frames:
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||||
┌────────────────────────┐
|
||||
│ │
|
||||
▼ │
|
||||
┌──────┐ 确认 ┌──────┐ 消失 ┌──────────┐ 保持结束
|
||||
│NORMAL│ ─────► │AVOID │ ─────► │HOLD_DECAY│ ────────► NORMAL
|
||||
│ │ │ │ │ (衰减) │
|
||||
└──────┘ └──────┘ └──────────┘
|
||||
▲ │
|
||||
└────────────────────────────────┘ 测距恢复正常
|
||||
┌──────┐ 确认 ┌──────┐ 消失 ┌──────────┐ 保持结束
|
||||
│NORMAL│ ─────► │AVOID │ ─────► │HOLD_DECAY│ ────────► NORMAL
|
||||
│ │ │ │ │ (衰减) │
|
||||
└──────┘ └──────┘ └──────────┘
|
||||
▲ │
|
||||
└────────────────────────────────┘ 测距恢复正常
|
||||
|
||||
NORMAL: 正常行驶，激光测距 > THRESHOLD
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||||
AVOID: 挡板确认 → 中线变形绕行 + 减速 × lidar_speed
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||||
NORMAL: 正常行驶，激光测距 > lidar_pre
|
||||
AVOID: 挡板确认 → 中线变形绕行 (固定朝右)
|
||||
HOLD_DECAY: 挡板消失 → 变形量线性衰减 (lidar_hold_frames 帧内归零)
|
||||
衰减期间若再次检测到挡板 → 立即切回 AVOID
|
||||
```
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||||
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||||
| 状态 | 电机 | 舵机 | 说明 |
|
||||
|------|------|------|------|
|
||||
| NORMAL | 正常速度 | 正常巡线 | 无变形 |
|
||||
| AVOID | speed × lidar_speed | 中线偏转绕行 | 基于 left/right 空间判断方向 |
|
||||
| HOLD_DECAY | speed × lidar_speed | 变形量线性衰减 | 确保车完全通过后再恢复 |
|
||||
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||||
---
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||||
## 与现有流水线的集成
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||||
## 速度联动
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||||
`lidar_avoid_process()` 放在 cone_detect_and_deform 之前执行（两者都修改 mid_line，
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||||
lidar 优先级更高）：
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||||
```
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||||
// CameraHandler 中 Step 5:
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||||
bool zebra_block = zebra_process();
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||||
bool tl_block = traffic_light_process();
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||||
lidar_avoid_process(); // ★ 新增：直接修改 mid_line
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||||
cone_detect_and_deform();
|
||||
|
||||
steering_update();
|
||||
motor_update(zebra_block, tl_block);
|
||||
```
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||||
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||||
### 中线修改的优先级
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||||
|
||||
lidar 和 cone 都会修改 `mid_line[]`。由于 lidar 绕行是结构性避障（避开整个挡板），
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||||
应**先执行 lidar 变形，再执行 cone 变形**。
|
||||
cone 的 clamp 到 `[left+2, right-2]` 会确保不超出 lidar 变形后的安全区间。
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||||
|
||||
### motor_update 速度联动
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||||
|
||||
```cpp
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||||
// motor_update 中新增：
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||||
if (g_lidar_confirmed || g_lidar_hold_ctr > 0) {
|
||||
spd *= g_cfg.lidar_speed;
|
||||
}
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||||
```
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||||
|
||||
不通过 `block` 参数刹车（绕行不需要停车），而是降速 + 变形。
|
||||
|
||||
---
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||||
|
||||
## 复用现有 VL53L0X 驱动
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||||
|
||||
已有驱动（当前被 `CMakeLists.txt` 排除编译）：
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||||
|
||||
```cpp
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||||
// lib/vl53l0x.h
|
||||
VL53L0X sensor;
|
||||
sensor.init(); // open /dev/stmvl53l0x_ranging
|
||||
VL53L0X_RangingMeasurementData_t data;
|
||||
sensor.readRange(data); // data.RangeMilliMeter
|
||||
sensor.stop();
|
||||
```
|
||||
|
||||
**集成时需做的事：**
|
||||
1. 从 `CMakeLists.txt` 的 EXCLUDE 列表中移除 `vl53l0x.cpp`
|
||||
2. 在 `CameraInit()` 中调用 `sensor.init()`（硬件未连接时优雅降级）
|
||||
3. 在 `cameraDeInit()` 中调用 `sensor.stop()`
|
||||
`motor_update()` 中包含挡板减速代码（`lidar_is_active()` → `speed × lidar_speed`），
|
||||
但当前**已注释**。绕行仅靠中线变形，不减速。如需启用，取消注释即可。
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 配置参数
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||||
|
||||
| 文件 | 类型 | 建议默认 | 含义 |
|
||||
|------|------|----------|------|
|
||||
| `./lidar_thresh` | int | 300 | 障碍判定距离阈值 (mm)，低于此值触发判定 |
|
||||
| 文件 | 类型 | 默认 | 含义 |
|
||||
|------|------|------|------|
|
||||
| `./lidar_enable` | int(0/1) | 1 | 激光避障总开关（0=禁用，init 也不调用） |
|
||||
| `./lidar_thresh` | int | 300 | 障碍判定距离阈值 (mm)，低于此值触发确认 |
|
||||
| `./lidar_pre` | int | 800 | 预触发窗口 (mm)，低于此值开始攒帧 |
|
||||
| `./lidar_near` | int | 50 | row=lt_h-1 对应的物理距离 (mm) |
|
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| `./lidar_far` | int | 1200 | row=10 对应的物理距离 (mm) |
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| `./lidar_near_start` | int | 1 | near_valid 检测起始偏移 (row + N) |
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| `./lidar_near_end` | int | 4 | near_valid 检测终止偏移 |
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| `./lidar_far_span` | int | 6 | far_lost 检测跨度 (从 row 往上检查 N 行) |
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| `./lidar_min_frames` | int | 3 | 连续确认帧数 |
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| `./lidar_avoid_gain` | double | 0.4 | 绕行中线推离力度 (归一化) |
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| `./lidar_avoid_range` | int | 30 | 绕行斜坡陡峭度 (行数) |
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| `./lidar_speed` | double | 0.4 | 绕行时速度倍率 |
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| `./lidar_speed` | double | 0.4 | 绕行时速度倍率 (当前未生效) |
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| `./lidar_hold_frames` | int | 30 | 挡板消失后变形保持帧数 |
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| `./lidar_enable` | int(0/1) | 1 | 激光避障总开关（0=禁用） |
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| `./lidar_near_start` | int | 1 | (已加载但未使用，预留) |
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| `./lidar_near_end` | int | 4 | (已加载但未使用，预留) |
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| `./lidar_far_span` | int | 6 | (已加载但未使用，预留) |
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## 边界情况 & 注意事项
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1. **激光硬件未连接** — `sensor.init()` 失败时，`lidar_avoid_process()` 直接返回 false，不阻塞正常行驶。
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2. **弯道边墙误判** — 急弯处赛道边墙可能导致激光近距 + 边线丢失同时出现。依赖 `lidar_thresh` 和 `lidar_min_frames` 调参抑制。误判时车会短暂绕向一侧，弯道通过后立即恢复。
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3. **左右空间相等** — `left_space == right_space` 时默认 `dir = -1.0`（往右绕），可通过配置 `lidar_default_dir` 调整。
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4. **上坡/下坡** — 车辆俯仰变化会影响距离→行的映射精度。建议在平坦路段标定。
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5. **多传感器优先级** — lidar 先于 cone 修改 mid_line。zebra/tl 的 block 刹车优先级最高（红灯/斑马线停车不绕行）。
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6. **首次集成建议** — 先调通数据采集：打印 `d_mm`、对应 `row`、以及 `near_ref_row` 处的 `left/right/mid` 值，跑几圈确认标定参数无误后再开启绕行。
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7. **挡板材质** — 深色挡板不会被 HSV-Otsu 判为赛道（白色 255），但仍会遮挡背景赛道导致丢线。判定逻辑依赖的是**丢线**而非**像素颜色**。
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1. **激光硬件未连接** — `init()` 失败时 `g_lidar_ok = false`，后续跳过，不阻塞。
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2. **弯道边墙误判** — 急弯处激光可能打到边墙产生近距读数。依赖 `lidar_thresh` + `lidar_min_frames` 去抖抑制。
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3. **方向固定右绕** — 当前不判断挡板在赛道左侧还是右侧，一律朝右推中线。对大多数场景够用，但若挡板在右侧则绕行方向不理想。
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4. **标定建议** — 在平坦路段用 debug 模式打印 `d_mm` 和 `row`，确认 `lidar_near` / `lidar_far` 映射准确。
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5. **VL53L0X 读取模式** — 非阻塞：先 `startMeasure()` 启动后台测量 (~20ms)，下次调用时 `readResult()` 取结果。每 2 帧一读不阻塞主循环。
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6. **多传感器优先级** — lidar 先于 cone 修改 mid_line。zebra/tl 的 block 刹车优先级最高（红灯/斑马线停车不绕行）。
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