【智能车竞赛】状态机编程在智能车竞速赛道中的应用 - 编程小记_比赛状态机

我曾试图通过一些代码上的小技巧，优化智能车竞速赛道的元素处理逻辑。
后来学长告诉我这叫做 “状态机” 。
——2022.07.20

一、我们为什么需要状态机？

定宽的白色赛道，在深色背景布上，以不同的角度扭曲交错，便形成了 “环岛”、“三岔” 等智能车竞速赛道的元素。相比于纯粹的直道和弯道，这些元素以其更高的图像复杂度和特殊的行驶规则，使我们在编写算法时不得不对其做特殊处理。

每个元素都有其唯一性的特征，如果我们能够从那一串图像数组中将其分辨出来，就相当于实现了元素的 “识别”。然而元素的处理远不止 “认出元素” 这么简单，我们还要考虑智能车在元素中各个位置不同的图像特征、以及相应的引导方式——比如在第一次识别到 “环岛” 时要引导车辆拐弯入环，而在识别到将要离开环岛时则要引导车辆不再拐进去。这个过程包含了一连串的动作，状态机编程正好能够帮助我们理清其中的逻辑，并大大提高代码的可读性和易修改性。

如果代码由多个组员共同完成，代码的可读性十分重要——这可不是光凭一堆注释就能解决的；若是只有一个人负责，就需要着重关注代码的易修改性——不然写到后期就是一部天书，修改简直无从下手，全删了又觉得可惜……
——《论模块化编程的重要性》

二、什么是 “状态机编程” ？

状态机（FSM. Finite State Machine）概念的最早来源我没能考证到。倒是有个蛮统一的定义：

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。

它有另外一个更显见的称呼——“状态转移图”。它是一个有向的 “图（Graph）”，通过条件（Branch）将一个个不同的状态（Not）以一个既有的逻辑关系连接起来。

如果讲人话，就是：

使程序在所有可能（或者说 “需要”）的状态间，以预定的条件实现自动切换

状态机早时出现于 “状态寄存器和组合逻辑电路” 的硬件实现。其在编程中也有类似的实现形式，这篇文章的后半部分就给出了一个很好的例子：什么是状态机？状态机的概念 CSDN
后文中也会有有关智能车的示例。

在竞速赛道上，我们需要对付的每种元素都可以视为一个状态机。由于车子的行驶是单向的（正常情况下应该不会出现 “倒车”……），状态机的条件逻辑也应该依照正向的时序设置为单向，即：
$$FSM.begin\stackrel{Event1}{}$$