code-test-drone/utils/task_runner/state_machine.py

"""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：
  WAIT ──收到有效坐标──▶ ARM_TAKEOFF ──到起飞高度──▶ GOTO（L2 坐标引导）
                                                      │ 距目标 < switch_radius
                                                      │ 且锁定(+可选视觉)
                                                      ▼
                   APPROACH ◀──居中稳定── TRACK（L1 航向伺服）
                       │
  任意状态 ──超时 / 返航 / 紧急──▶ 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）。
  * GOTO→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：若注入坐标仍有效 → 退回 GOTO 重新引导；否则 → RTL。
  * 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 坐标引导（飞向注入坐标）
    TRACK = "track"              # L1 航向伺服（吊舱角度追踪）
    APPROACH = "approach"        # 接近/悬停目标上空
    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）。"""

    switch_radius_m: float = 30.0        # GOTO→TRACK 切换半径（米）
    require_vision: bool = False         # GOTO→TRACK 是否需视觉第二判据（S3 起开）
    arm_takeoff_timeout_s: float = 60.0  # 起飞阶段超时
    goto_timeout_s: float = 120.0        # 坐标引导超时
    track_timeout_s: float = 120.0       # 追踪超时
    center_hold_s: float = 3.0           # TRACK→APPROACH 居中稳定时长（秒）
    approach_hover_s: float = 10.0       # APPROACH 悬停时长（到点 → RTL）
    takeoff_altitude_m: float = 5.0      # 起飞目标高度（runner 起飞 + takeoff_reached 判据）
    center_threshold_deg: float = 1.0    # 脱靶量居中阈值（|off_target| < 此值判居中）
    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  # 到注入目标的水平距离（GOTO 用）
    takeoff_reached: bool = False       # 已到达起飞目标高度
    target_locked: bool = False         # 吊舱锁定（bit2 + 遥测新鲜）
    vision_has_target: bool = False     # 我方视觉第二判据（可选，require_vision 时必看）
    target_centered: bool = False       # 目标居中（脱靶量长期≈0）
    centered_duration_s: float = 0.0    # 居中持续时长（外部累加，秒）
    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 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)
            if (inputs.distance_to_target_m <= self._cfg.switch_radius_m
                    and self._lock_ok(inputs)):
                return self._goto(TaskState.TRACK, "进入追踪半径且目标锁定", now_ms)
            if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.goto_timeout_s:
                return self._goto(TaskState.RTL, "坐标引导超时", now_ms)

        elif state is TaskState.TRACK:
            if not inputs.target_locked:
                # 丢目标：坐标仍有效 → 退回 GOTO 重新引导；否则终止返航。
                if inputs.target_injected:
                    return self._goto(TaskState.GOTO, "目标丢失，退回坐标引导", now_ms)
                return self._goto(TaskState.RTL, "目标丢失且坐标失效", now_ms)
            if (inputs.target_centered
                    and inputs.centered_duration_s >= self._cfg.center_hold_s):
                return self._goto(TaskState.APPROACH, "目标居中稳定", now_ms)
            if self._elapsed_s(now_ms) >= self._cfg.track_timeout_s:
                return self._goto(TaskState.RTL, "追踪超时", 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:
        """GOTO→TRACK 的目标锁定判据（复用 L1 方案 §2.3）。

        需吊舱锁定 bit2；若 require_vision 还需我方视觉第二判据（bit2 粘滞兜底）。
        """
        if not inputs.target_locked:
            return False
        if self._cfg.require_vision and not inputs.vision_has_target:
            return False
        return True

    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)