2. 任务状态机建模基础

在无人系统中，任务状态机是描述“系统当前处于什么工作阶段、什么条件会触发阶段切换、切换时执行什么行为”的核心建模工具。它把连续、复杂的任务过程离散化为有限个稳定状态，再通过事件驱动状态之间的迁移，使无人系统的行为逻辑可读、可验证、可实现。本节围绕状态、事件、迁移、动作、守卫条件五个核心概念展开，并说明有限状态机（FSM）在无人系统中的典型表达方式。

一、五个核心概念

状态（State）表示系统在某一时刻所处的稳定工作模式或阶段。例如一架巡检无人机可定义 IDLE（待命）、TAKEOFF（起飞）、CRUISE（巡航）、INSPECT（悬停检测）、RETURN（返航）、LAND（降落）、EMERGENCY（应急）等状态。状态必须互斥：同一时刻系统只能处于一个状态，这是状态机可分析性的前提。状态内部通常还携带变量，如剩余电量、当前航点编号、任务进度，这些变量称为状态变量或上下文。

事件（Event）是触发状态迁移的外部或内部信号。外部事件如遥控指令、地面站任务下发、避障传感器报警；内部事件如定时器超时、电量低于阈值、到达目标点。事件是瞬时的，它本身不改变状态，只有被状态机响应后才可能引发迁移。事件可分为可预期事件（如“到达航点”）和异常事件（如“链路中断”），后者往往对应应急迁移。

迁移（Transition）是状态之间的有向连接，表示“在源状态下，当某事件发生且守卫条件满足时，系统进入目标状态”。迁移是状态机的骨架，它定义了系统所有允许的行为路径。一个状态可以有多条出边，对应不同事件或不同守卫条件，形成分支决策。

动作（Action）是迁移发生时或状态驻留期间执行的具体行为。按执行时机可分为三类：迁移动作（在迁移边上执行，如“启动电机”）、进入动作（进入状态时执行，如“打开相机”）、退出动作（离开状态时执行，如“关闭相机”）。动作应尽量短小、可执行、可观测，避免在动作中嵌入复杂决策逻辑，决策应交给守卫条件。

守卫条件（Guard）是迁移上的布尔表达式，只有为真时迁移才被允许。它把“事件发生”与“是否真的切换”区分开。例如从 CRUISE 到 RETURN 的迁移，事件是“任务完成”，守卫条件可写为 battery > 30%；若电量不足，则即使任务完成也应先进入 EMERGENCY 或直接返航。守卫条件使状态机具备条件分支能力，而不必为每种组合单独建状态。

二、有限状态机在无人系统中的表达方式

无人系统中最常用的表达形式是带动作与守卫的有限状态机，可用五元组描述：FSM = (S, E, T, A, G)，其中 S 为状态集合，E 为事件集合，T 为迁移集合，A 为动作集合，G 为守卫条件集合。工程实现中，常用状态迁移表或状态图两种等价形式表达。

状态迁移表适合精确实现与代码生成，每一行描述一条迁移：当前状态、触发事件、守卫条件、目标状态、执行动作。例如巡检无人机的部分迁移表可设计如下（示例参数，用于说明结构）：

状态图则更直观地展示迁移拓扑与分支关系。下图给出一个巡检无人机任务状态机的核心迁移结构，包含正常任务链与低电量应急分支，迁移边上标注“事件 [守卫] / 动作”的典型写法。

三、建模时的关键约定与常见陷阱

第一，状态命名要体现工作模式而非动作。例如“起飞”是动作，TAKEOFF 才是状态；状态内部可以持续执行爬升动作，直到高度事件触发迁移。第二，守卫条件应尽量无副作用，只做判断不做赋值，否则状态机难以测试和复用。第三，避免状态爆炸：当多个条件组合导致状态数量急剧增加时，应把可正交的条件抽为守卫或上下文变量，而不是为每种组合建一个状态。第四，异常迁移要显式建模，如链路中断、传感器失效、低电量，不能依赖默认行为，否则无人系统在异常场景下行为不可预测。

四、从模型到实现

在工程实现中，状态机通常以“当前状态 + 事件队列”的循环方式运行：系统周期性读取传感器与通信事件，查表匹配当前状态下的迁移，若守卫条件为真则执行退出动作、更新状态、执行进入动作与迁移动作。下面给出一个简化的伪代码结构，用于说明状态迁移表的执行逻辑（示例，非实测代码）：

state = IDLE
while True:
    event = read_event()          # 读取遥控、传感器、定时器事件
    for t in transitions[state]:  # 查当前状态的迁移表
        if t.event == event and eval(t.guard):
            run(t.exit_action)    # 退出动作
            state = t.target      # 状态更新
            run(t.enter_action)   # 进入动作
            run(t.action)         # 迁移动作
            break
    run(state_do[state])          # 状态驻留行为

这段逻辑体现了状态机的核心运行机制：事件驱动、守卫过滤、动作有序执行。实际无人系统中，还需考虑事件优先级（应急事件应抢占普通事件）、迁移的原子性（避免动作执行到一半被中断）以及状态恢复（上电后回到安全状态）。掌握状态、事件、迁移、动作、守卫条件这五个概念及其表达方式，是后续设计任务调度、行为树与多机协同状态机的基础。