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状态机在运动控制中的应用
1. 什么是状态机？
1.1 状态机的概念
状态机，通俗的讲可以理解为一种建模方法。当一个逻辑非常复杂的程序放在面前，是非常令人头大的，使用状态转移图（是一个有向图形，包括各节点和状态转移条件）可以很好的梳理流程。以博主的理解，实现状态转移图的模块我们便可以称之为状态机。
在程序中，一个状态机通常包括一个起始状态、一组状态集以及多个相应的状态转移条件。
构建状态转移图时，需要注意每个节点对应一个状态，在这些节点中需要有至少一个终态，当达到终态时状态机停止。一个好的状态机应该做到设计安全（不会进入未知状态或异常死循环）、清晰易懂、易维护。
百度百科把状态机归纳为了4个要素：即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。
- 现态：是指当前所处的状态。
- 条件：又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。
- 动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。
- 次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。
假设初始状态处于健康状态下，当淋雨后人会感冒。这时候我们有三种途径解决感冒这个问题：吃药打针、好好休息、多喝热水。无论哪一种方法，都能使人的状态由感冒转移到康复中。当人感觉到状态良好时，感冒好了，人也就又处于了健康状态。
注意
在进行状态机建模时，要区分“动作”和“状态”，前者一旦执行完就结束了，而后者如果没有条件触发，则状态会一直持续下去。
状态划分要完整
对于更形象的说明，可参考博文
1.2 状态机的思想
关于状态机的思想，百度文库中有一个特别形象的例子：
网络上经常报道特级象棋大师车和多人一起下象棋，采用的方式是“车轮战”。车轮战有两种方式：（1）象棋大师先和甲开始下象棋，直到有了结果，然后才轮到乙和象棋大师对阵，下完了之后，然后是丙…，一直到和最后一个人下完。（2）象棋大师先和A下一步棋，然后再和B下一步棋，然后再和C，和…，和所有人下完一遍后，再回头从A开始，一个人接一个人。
很显然“车轮战”的第1种方式效率不如第2种方式效率高，报道上的“车轮战”也是指的第2种方式。原因在于象棋大师的水平远远高于其他人，如果采用第一种方式，象棋大师下一步棋很快，甲需要考虑很长时间才能落子，象棋大师在和甲下棋的过程中，其他人只能等待。如果采用第二种方式，象棋大师和甲只下一步棋，然后再和乙也下一步棋，和所有人下完一步棋之后，再从甲开始，这样看起来是所有人都在下象棋，效率自然远高于第一种方式。
“车轮战”的第2种方式，实际上就是程序中状态机的基本原理。程序中的多个任务可以看成是其他棋手，CPU是象棋大师，CPU在执行多个任务时，不再是先执行任务1，执行完任务1后，再执行任务2，而是把每个任务又划分出多个小任务（小任务中没有时间等待），CPU每次只执行每个任务中的小任务，执行完任务1中的一个小任务后，然后快速转向任务2中的小任务，按照这种模式轮询下去，由于CPU很快（象棋大师），整个程序中的任务都得到了实时的执行。任务中的小任务是按照任务的状态来划分的，故称为“状态机”。
2. 状态机的种类
状态机可分为有限状态机（FSM）、分层状态机（HFSM），其中有限状态机又可分为Moore状态机（输出只和状态有关而与输入无关）、Mealy状态机（输出不仅和状态有关而且和输入有关系）
在实践中状态机有一个致命的缺点，当状态一旦多了之后，它的跳转就会变的不可维护，这时我们可以把状态进行分类，把同类型的状态作为一个状态机，然后使用一个更大的状态机去维护这些自状态机，，这时用到的便是分层状态机，可以理解为状态机的嵌套，如下图所示。
维护庞大数量的知识条目是个噩梦，如果使用有限状态机(FSM)、分层有限状态机(HFSM)、决策树(Decision Tree)还不能满足你的使用要求，这时试试Next-Gen AI的行为树(Behavior Tree)吧。
3. 状态机的写法
状态机的实现由常见的几种实现方法：
- 我们可以 在无限循环
for(;;)或者while(1)中使用switch-case或if-else来实现简单的状态机； - 使用二维状态表
state-event实现，该方法逻辑清晰，但矩阵通常比较稀疏且维护麻烦； - 用状态转移表
stateTransfer Table实现，数组大小等于状体转移边个数，易扩展；
3.1 switch-case结构的状态机的实现
在程序的写法上，有横着写和竖着写两种：
-
横着写：在事件中根据当前的状态，执行相应的操作，完成相应的状态转换。
//声明：本代码转自 https://blog.csdn.net/zzz1014440164/article/details/79814160//横着写void event0func(void){ switch(cur_state) { case State0: action0; cur_state = State1; break; case State1: action1; cur_state = State2; break; case State2: action1; cur_state = State0; break; default:break; }} void event1func(void){ switch(cur_state) { case State0: action4; cur_state = State1; break; default:break; }} void event2func(void){ switch(cur_state) { case State0: action5; cur_state = State2; break; case State1: action6; cur_state = State0; break; default:break; }} -
竖着写：在状态中判断事件，并执行相应的操作，完成相应的状态转换。
//声明：本代码转自 https://blog.csdn.net/zzz1014440164/article/details/79814160//竖着写switch(cur_state){ case State0: if(event1) { action0; cur_state = State1; } else if(event2) { action4; cur_state = State1; } else if(event3) { action5; cur_state = State2; } break; case State1: if(event1) { action1; cur_state = State2; } else if(event3) { action6; cur_state = State0; } break; case State2: if(event1) { action3; cur_state = State0; } break; default:break;}
通常我们使用横着写的结构写！！！
这是由于竖着写使用了if -else结构，其中if语句隐含了优先级，破坏可事件间的原有关系（各个时间应该同优先级），而且竖着写在结构上是顺序查询方式（查询事件），浪费大量的时间，而且时间不可估算。对于横着写的方式，因为在某个时间点上状态是唯一确定的，在时间处理函数中通过switch语句可直接定位到相同状态，执行时间也可以估算。这种方式比较直观，程序执行效率较高。
3.2 状态转移表联合函数指针数组实现
声明：本节内容转自 https://blog.csdn.net/thisinnocence/article/details/47060285
用枚举来定义状态和事件，操作数据节点转移到目的状态用函数实现。枚举本身默认是从0开始的int类型，利用这个特点将状态转移函数放到函数指针数组中与状态对应起来，方便操作。这种实现方法易于扩展，增加状态和事件都比较容易。
状态：枚举类型
事件：枚举类型 状态转移结构体：{当前状态、事件、下个状态}，定义一个全局数组来使用 状态变更函数：到下个状态(放到数组中与状态枚举对应起来)
#includeusing namespace std;typedef enum{ OPENED, CLOSED, LOCKED,} State;typedef enum{ OPEN, CLOSE, LOCK, UNLOCK} Event;typedef struct{ State currentState; Event event; State NextState;} StateTransfer;typedef struct{ State state; int transferTimes;}Door;StateTransfer g_stateTransferTable[]{ { OPENED, CLOSE, CLOSED}, { CLOSED, OPEN, OPENED}, { CLOSED, LOCK, LOCKED}, { LOCKED, UNLOCK, CLOSED},};void toOpen(Door& door);void toClose(Door& door);void toLock(Door& door);typedef void (*pfToState)(Door& door);pfToState g_pFun[] = { toOpen, toClose, toLock}; //状态枚举值对应下标void toOpen(Door& door){ door.state = OPENED; cout << "open the door!\n";}void toClose(Door& door){ door.state = CLOSED; cout << "close the door!\n";}void toLock(Door& door){ door.state = LOCKED; cout << "lock the door!\n";}void transfer(Door& door,const Event event){ for (int i = 0; i < sizeof(g_stateTransferTable)/sizeof(StateTransfer); ++i) { if(door.state == g_stateTransferTable[i].currentState && event == g_stateTransferTable[i].event){ g_pFun[g_stateTransferTable[i].NextState](door); door.transferTimes++; cout << "transfer ok!\n"; return; } } cout << "This event cannot transfer current state!!\n"; return;}void printDoor(const Door& door){ string stateNote[] = { "opened","closed","locked"}; // 下标正好对应状态枚举值 cout << "the door's state is: " << stateNote[door.state] << endl; cout << "the door transfer times is: " << door.transferTimes << endl;}int main(){ Door door = { CLOSED, 0}; printDoor(door); transfer(door, OPEN); printDoor(door); transfer(door, LOCK); printDoor(door); transfer(door, CLOSE); printDoor(door); return 0;}
3.3 其他
对于C++中状态机的类封装，可以参考博文
4. 状态机在运动控制中是如何应用的？
下面以机械臂的控制为例，讲解状态机在运动控制中的应用。
当我们给一个关节下发指令后，机械响应到理想位置需要一定的时间，而这时我们已经完成了该关节的命令下发，在实际设备完成相应的这段时间，我们完全可以干些其他事情，例如电机状态的反馈（速度、位置、加速度等数据的反馈）。这就是上文提到的“象棋大师”同时与多人进行对战的思想。
如果在运动控制过程要实现类似于多线程的功能，我们便可以用状态机来实现。
如下图所示，假设运动控制器在常态下处于接收数据的状态，当收到上位机给运动控制器下发的回零命令时，运动控制器需要将状态置为回零状态，当回零状态下的动作执行完成时，再将状态跳至常态(接收数据状态)；同样的，当运动控制器收到执行轨迹命令时，状态置为执行轨迹点状态，当轨迹点执行动作完成后，状态跳转至常态……
这样我们便实现了在运动执行的同时，还能接收继续接收和反馈数据的目的。
注意，有些运动控制器是可以写多线程程序的，但运动控制器一般是基于RT-Linux开发的，如果使用多线程可能会产生竞态，从而导致一些未知错误，因此建议在需要多线程的功能时，通过状态机来实现。
// Author : Jack Soong// Created on: 2019-6-26 /*============================================================================ 状态机常量及状态变量============================================================================*/short giStateN;enum eMainStateMachines{ eIDLE = 0, // Main state machine #0 - Receive Data eSM1 = 1, // Main state machine #1 - Home eSM2 = 2, // Main state machine #2 - PVT eSM3 = 3, // Main state machine #3 - Motor Jog eSM4 = 4, // Main state machine #3 - Stop} ;/*============================================================================ 状态机函数主体============================================================================*/void MachineSequences(){ giStateN = eIDLE; // 初始化初始状态 bool MachineStop = false; while(!MachineStop) { gbReadOver = TRUE; switch(giStateN) { case eIDLE: // Main state machine #0 - Receive Data & Write Data { FeedbackData(); ReadCmdData(); if(gbHomeEnable) { giStateN = eSM1; } if(gbReadEnable) { ReadAxisData(); giStateN = eSM2; } break; } case eSM1: // Main state machine #1 - Home { GoHome(); giStateN = eIDLE; break; } case eSM2: // Main state machine #2 - PVT { PvtMove(); giStateN = eIDLE; break; } case eSM3: // Main state machine #3 - Motor Jog { JogMove(); break; } case eSM4: // Main state machine #3 - Stop { StopMove(); break; } default: // Main state error #x - Exit { MachineStop = true; break; } } usleep(10000); // 降低CPU负载 } return;} 5. 总结
- 使用状态机进行运动控制时首先要建立状态机模型，把各状态、各状态下要执行的动作以及触发条件抽象出来；
- 务必确保状态机的安全，要做到逻辑完整无误；
- 在进行状态机建模时，务必要区分开 “动作”和“状态”；
- 由于运动控制直接对应的是实际设备，因此在调试之前先使用打印大法测试逻辑的正确性，以确保在实际调试过程中不会出现危险。
毕竟，设备都是挺贵的~
https://baike.baidu.com/item/%E7%8A%B6%E6%80%81%E6%9C%BA/6548513?fr=aladdin#2
https://wenku.baidu.com/view/0574da1f640e52ea551810a6f524ccbff121ca64.html
http://www.aisharing.com/archives/393
https://blog.csdn.net/thisinnocence/article/details/47060285
https://blog.csdn.net/zzz1014440164/article/details/79814160
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