"""state_machine.py —— 任务级状态机（纯逻辑，无 IO，可单测）。 「预定流程.md」天空侧的任务编排：把已通的 L1（航向伺服 TrackingControlLaw）与 L2（地理引导 GuidanceLaw）按任务阶段串成一条全流程。本模块只做「状态 + 转移判据 + 守卫」，不驱动 MAVSDK/offboard —— 那些由 runner.py（编排器）负责。每周期吃一份 TaskInputs 快照，返回是否转移 + 原因。 状态链（2026-10-15 按实机作业预期重构）： WAIT ──收到有效坐标──▶ ARM_TAKEOFF ──到起飞高度──▶ GOTO（L2 飞到参考点） │ 距参考点 < arrival_radius ▼ SEARCH（原地偏航扫视找目标）──锁定(+可选视觉)──▶ TRACK │ 搜索超时 （L1 视觉追踪 + │ slow_approach 缓慢靠近） ▼ │ 追踪超时 RTL ◀────────────────────────────────┘ 设计要点（铁律对齐）： * 纯逻辑：输入/输出都是 dataclass，时间用外部传入的 now_ms（单调毫秒）， 不碰时钟/IO/网络，可确定性单测。 * 全局最高优先级：emergency（丢控/RC 接管/失控）与 rtl_requested（人工返航） → 任何非 RTL 状态立即转 RTL（安全第一）。 * 「参考点」语义：地面给的坐标是**搜索起点**，不是终点——单点坐标精度不足以 直接覆盖目标，故进入到达半径即转 SEARCH 扫视，由吊舱/视觉去发现目标。 * GOTO/SEARCH→TRACK 守卫复用 L1 方案 §2.3：目标锁定 bit2 +（可选）我方视觉 第二判据，避免 bit2 粘滞导致误入追踪。 * TRACK 丢目标 → 回 SEARCH 重新扫视（**不回 GOTO**：飞机本就在参考点附近， 回 GOTO 只会反复重跑进入动作，而参考点坐标本身不精确）；坐标同时失效 → RTL。 * TRACK 不因「目标居中」退出：居中正是吊舱对准目标、应当继续缓慢靠近的时刻。 接近的收尾只由超时 / 人工返航 / 紧急终止（无距离输入，判不出"已到目标"）。 * 阈值/超时全外置（TaskStateConfig），代码不写死数值。 """ import math from dataclasses import dataclass from enum import Enum class TaskState(Enum): """任务状态（.value 为小写字符串，供日志/序列化）。""" WAIT = "wait" # 待命：等地面坐标 ARM_TAKEOFF = "arm_takeoff" # 解锁 + 起飞到悬停高度 GOTO = "goto" # L2 地理引导：飞向参考点（地面给的搜索起点） SEARCH = "search" # 到点后原地偏航扫视搜索目标（吊舱/视觉） TRACK = "track" # L1 视觉追踪 + 缓慢靠近（slow_approach 保守速度） APPROACH = "approach" # 到点悬停（真机可选收尾；SITL/常规流程不用） RTL = "rtl" # 返航 + 落地 + 上锁（终态，reset() 才回 WAIT） @dataclass class TaskStateConfig: """状态机配置（全外置；数值均为占位，须台架/实飞标定后回填）。""" arrival_radius_m: float = 30.0 # GOTO→SEARCH 到达参考点半径（米） arm_takeoff_timeout_s: float = 60.0 # 起飞阶段超时 goto_timeout_s: float = 120.0 # 飞向参考点超时 search_timeout_s: float = 20.0 # 搜索超时（未发现目标 → 返航） track_timeout_s: float = 20.0 # 追踪/靠近段上限（到点 → 返航） approach_hover_s: float = 10.0 # APPROACH 悬停时长（到点 → RTL；已非主流程） takeoff_altitude_m: float = 5.0 # 起飞目标高度（runner 起飞 + takeoff_reached 判据） takeoff_reached_tolerance_m: float = 0.5 # 起飞到达判据容差（低于目标不超过此值也算到达； # 悬停/高度估计误差下避免差厘米误判"起飞超时"） center_threshold_deg: float = 1.0 # 脱靶量居中阈值（|off_target| < 此值判居中） sweep_rate_dps: float = 15.0 # SEARCH 原地扫视角速度（度/秒） sweep_reverse_s: float = 4.0 # SEARCH 扫视换向周期（秒）；0 = 单向扫视 rtl_timeout_s: float = 180.0 # RTL 等待落地上限（秒）；超时即结束任务，防无限等待 loop_frequency_hz: float = 20.0 # runner 主循环频率（bridge.step 节拍） @dataclass class TaskInputs: """单周期任务快照（调用方在同一控制周期采集并打戳）。 各布尔量为「已合成好的判据」，由 runner 从 PX4 遥测 / 吊舱遥测 / 地面注入 / 视觉源聚合后传入；状态机不做聚合，只做转移决策。 """ target_injected: bool = False # 地面坐标有效注入（新鲜、未超龄） distance_to_target_m: float = math.inf # 到参考点的水平距离（GOTO 用） takeoff_reached: bool = False # 已到达起飞目标高度 target_locked: bool = False # 目标有效（吊舱 bit2 + 遥测新鲜 + LOS 一致性，见 bridge） target_centered: bool = False # 目标居中（脱靶量≈0）——仅供日志/诊断 centered_duration_s: float = 0.0 # 居中持续时长（外部累加，秒）——不再作转移判据 rtl_requested: bool = False # 人工返航命令 emergency: bool = False # 紧急（丢控 / RC 接管 / 失控） @dataclass class TaskTransition: """状态机单周期转移结果。occurred=False 表示维持原状态。""" from_state: TaskState = TaskState.WAIT to_state: TaskState = TaskState.WAIT occurred: bool = False reason: str = "" class TaskStateMachine: """任务级状态机。update() 单周期返回 TaskTransition，维护内部 current 状态。""" def __init__(self, cfg: TaskStateConfig) -> None: self._cfg = cfg self._state = TaskState.WAIT self._entered_ms = 0 # 进入当前状态的单调毫秒（超时/时长判定用） @property def state(self) -> TaskState: return self._state def reset(self) -> None: """回到 WAIT 并清零计时（新任务 / 任务终止后复用）。""" self._state = TaskState.WAIT self._entered_ms = 0 def force_state(self, state: TaskState, now_ms: int) -> None: """强制落到某状态（仅供编排器异常兜底；不产生 TaskTransition）。 正常转移一律走 update()。此入口用于「主循环抛异常、必须立刻进 RTL」这类 非判据驱动的安全路径——此时再喂一拍快照不可靠。 """ self._state = state self._entered_ms = now_ms def update(self, inputs: TaskInputs, now_ms: int) -> TaskTransition: """吃一份快照，返回转移结果；无转移时 occurred=False、to_state 保持原状态。""" state = self._state # 全局最高优先级：紧急 / 人工返航 → 任何非 RTL 状态立即终止。 if state is not TaskState.RTL: if inputs.emergency: return self._goto(TaskState.RTL, "紧急（丢控/RC 接管）", now_ms) if inputs.rtl_requested: return self._goto(TaskState.RTL, "人工返航命令", now_ms) if state is TaskState.WAIT: if inputs.target_injected: return self._goto(TaskState.ARM_TAKEOFF, "收到地面坐标", now_ms) elif state is TaskState.ARM_TAKEOFF: if inputs.takeoff_reached: return self._goto(TaskState.GOTO, "已到起飞高度", now_ms) if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.arm_takeoff_timeout_s: return self._goto(TaskState.RTL, "起飞超时", now_ms) elif state is TaskState.GOTO: if not inputs.target_injected: return self._goto(TaskState.RTL, "注入坐标失效", now_ms) # 到参考点即结束地理引导 → 转扫视搜索（参考点是搜索起点，不是终点） if inputs.distance_to_target_m <= self._cfg.arrival_radius_m: return self._goto(TaskState.SEARCH, "已到参考点，开始搜索", now_ms) if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.goto_timeout_s: return self._goto(TaskState.RTL, "飞向参考点超时", now_ms) elif state is TaskState.SEARCH: # 扫视中一旦发现并锁定目标 → 进追踪（缓慢靠近） if self._lock_ok(inputs): return self._goto(TaskState.TRACK, "搜索发现目标并锁定", now_ms) if not inputs.target_injected: return self._goto(TaskState.RTL, "注入坐标失效", now_ms) if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.search_timeout_s: return self._goto(TaskState.RTL, "搜索超时未发现目标", now_ms) elif state is TaskState.TRACK: if not inputs.target_locked: # 丢目标：坐标仍有效 → 回参考点附近重新扫视；否则终止返航。 if inputs.target_injected: return self._goto(TaskState.SEARCH, "目标丢失，重新搜索", now_ms) return self._goto(TaskState.RTL, "目标丢失且坐标失效", now_ms) # 注意：不再有「居中稳定 → APPROACH」分支。居中表示吊舱已对准目标， # 正是应当继续按 slow_approach 缓慢靠近的时刻，不是终止条件。 if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.track_timeout_s: return self._goto(TaskState.RTL, "追踪/靠近超时", now_ms) elif state is TaskState.APPROACH: if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.approach_hover_s: return self._goto(TaskState.RTL, "悬停完成", now_ms) # RTL 为终态；无任何转移条件命中 → 维持原状态。 return TaskTransition(from_state=state, to_state=state, occurred=False) # --- 内部辅助 ----------------------------------------------------------- def _lock_ok(self, inputs: TaskInputs) -> bool: """进 TRACK 的目标判据（GOTO/SEARCH→TRACK）。 `target_locked` 已由编排层合成：吊舱 bit2 + 遥测新鲜 + **LOS 运动学一致性** （见 bridge.pod_locked / los_consistency）。状态机不再重复做视觉判据 —— 吊舱已取代双目+YOLO 成为唯一目标源，"我方视觉"不复存在。 """ return inputs.target_locked def _elapsed_s(self, now_ms: int) -> float: """进入当前状态的时长（秒）。_entered_ms=0（未打戳）时返回 0。""" if self._entered_ms <= 0: return 0.0 return max(0.0, (now_ms - self._entered_ms) / 1000.0) def _goto(self, target: TaskState, reason: str, now_ms: int) -> TaskTransition: prev = self._state self._state = target self._entered_ms = now_ms return TaskTransition(from_state=prev, to_state=target, occurred=True, reason=reason)