使用 TinyFSM 和 BehaviorTree.CPP 构建状态机与行为树示例

文章目录

- - 0. 概述
  - 1. 有限状态机（FSM）原理
  - - 状态机示例（FSM）
  - 2. 行为树（BT）原理
  - - 行为树示例（BT）
  - 3. 结合FSM和BT
  - 项目结构
  - 4. 代码实现
  - 5. 总结
  - 6. 参考

0. 概述

在现代软件开发中，有限状态机（FSM）和行为树（BT）是两种常用的工具，用于实现复杂的逻辑控制和决策。本文将展示如何结合使用 TinyFSM 和 BehaviorTree.CPP 创建一个简单的示例，实现一个模拟门的开关操作的系统。

本文完整示例代码地址： https://gitee.com/liudegui/fsm_bt_door-example
进一步阅读，C++ 实现一个简单的状态机和行为树结合示例

1. 有限状态机（FSM）原理

有限状态机是一种计算模型，它由一组状态和一组事件组成。每个状态都有一组可能的转换（transition），这些转换由事件触发。FSM 常用于管理系统中的状态变化，比如门的开关状态。

状态机示例（FSM）

在我们的示例中，状态机有两个状态：DoorClosed（门关闭）和 DoorOpened（门打开），以及两个事件：OpenDoor（开门事件）和 CloseDoor（关门事件）。

状态机的状态转换图如下：

 +------------+       OpenDoor       +-----------+| DoorClosed | -------------------> | DoorOpened|+------------+                      +-----------+^                                  ||            CloseDoor              |+-----------------------------------+

2. 行为树（BT）原理

行为树是一种结构化的决策模型，通常用于机器人控制和游戏AI。行为树由节点组成，节点可以是控制节点（如选择节点、顺序节点）或执行节点（如动作节点）。行为树的根节点开始执行，并根据树的结构和状态进行决策。

行为树示例（BT）

在我们的示例中，行为树有两个动作节点：OpenDoorAction 和 CloseDoorAction。行为树通过顺序节点依次执行这些动作。

行为树的结构图如下：

 +-----------+|  Sequence |+-----------+|+-----------+    +------------+| OpenDoor  | -> | CloseDoor  |+-----------+    +------------+

3. 结合FSM和BT

我们的示例将FSM和BT结合起来，实现一个简单的系统，用于控制门的开关状态。通过FSM管理门的状态，通过BT执行开门和关门的动作。

项目结构

整个项目的结构如下：

.
├── CMakeLists.txt
├── src├── main.cpp├── door_fsm.hpp├── door_fsm.cpp├── door_behavior_tree.hpp└── door_behavior_tree.cpp

4. 代码实现

FSM实现

door_fsm.hpp 定义了状态和事件：

#ifndef DOOR_FSM_HPP
#define DOOR_FSM_HPP#include <tinyfsm.hpp>// 定义事件
struct OpenDoor : tinyfsm::Event {};
struct CloseDoor : tinyfsm::Event {};// 定义状态
struct DoorClosed : tinyfsm::Fsm<DoorClosed> {void entry() override;void react(tinyfsm::Event const &) override;
};struct DoorOpened : tinyfsm::Fsm<DoorOpened> {void entry() override;void react(tinyfsm::Event const &) override;
};using DoorFSM = tinyfsm::FsmList<DoorClosed, DoorOpened>;#endif // DOOR_FSM_HPP

door_fsm.cpp 实现了状态和事件的反应：

#include "door_fsm.hpp"
#include <iostream>void DoorClosed::entry() {std::cout << "Door is now closed." << std::endl;
}void DoorClosed::react(tinyfsm::Event const & e) {if (typeid(e) == typeid(OpenDoor)) {transit<DoorOpened>();}
}void DoorOpened::entry() {std::cout << "Door is now opened." << std::endl;
}void DoorOpened::react(tinyfsm::Event const & e) {if (typeid(e) == typeid(CloseDoor)) {transit<DoorClosed>();}
}template class tinyfsm::Fsm<DoorClosed>;
template class tinyfsm::Fsm<DoorOpened>;namespace {struct InitialStateClosed : DoorClosed {};
}template<>
void tinyfsm::Fsm<DoorClosed>::set_initial_state() {current_state_ptr = &_state_instance<InitialStateClosed>::value;
}namespace {struct InitialStateOpened : DoorOpened {};
}template<>
void tinyfsm::Fsm<DoorOpened>::set_initial_state() {current_state_ptr = &_state_instance<InitialStateOpened>::value;
}

行为树实现

door_behavior_tree.hpp 定义了行为树的类：

#ifndef DOOR_BEHAVIOR_TREE_HPP
#define DOOR_BEHAVIOR_TREE_HPP#include <behaviortree_cpp/bt_factory.h>class DoorBehaviorTree {
public:DoorBehaviorTree();void run();
private:BT::Tree tree;
};#endif // DOOR_BEHAVIOR_TREE_HPP

door_behavior_tree.cpp 实现了行为树的节点和行为：

#include "door_behavior_tree.hpp"
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>class OpenDoorAction : public BT::SyncActionNode {
public:OpenDoorAction(const std::string& name) : BT::SyncActionNode(name, {}) {}BT::NodeStatus tick() override {std::cout << "Action: Open the door." << std::endl;return BT::NodeStatus::SUCCESS;}
};class CloseDoorAction : public BT::SyncActionNode {
public:CloseDoorAction(const std::string& name) : BT::SyncActionNode(name, {}) {}BT::NodeStatus tick() override {std::cout << "Action: Close the door." << std::endl;return BT::NodeStatus::SUCCESS;}
};DoorBehaviorTree::DoorBehaviorTree() {BT::BehaviorTreeFactory factory;factory.registerNodeType<OpenDoorAction>("OpenDoorAction");factory.registerNodeType<CloseDoorAction>("CloseDoorAction");tree = factory.createTreeFromText(R"(<root BTCPP_format="4"><BehaviorTree ID="MainTree"><Sequence name="main_sequence"><OpenDoorAction/><CloseDoorAction/></Sequence></BehaviorTree></root>)");
}void DoorBehaviorTree::run() {while (tree.rootNode()->status() == BT::NodeStatus::IDLE || tree.rootNode()->status() == BT::NodeStatus::RUNNING) {tree.rootNode()->executeTick();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));}
}

主程序

main.cpp 整合了FSM和BT：

#include <iostream>
#include "door_fsm.hpp"
#include "door_behavior_tree.hpp"int main() {DoorFSM::start();DoorBehaviorTree behavior_tree;behavior_tree.run();std::cout << "FSM and Behavior Tree Example with Door" << std::endl;return 0;
}

5. 总结

本文展示了如何使用 TinyFSM 和 BehaviorTree.CPP 创建一个简单的系统，实现模拟门的开关操作。通过结合使用 FSM 和 BT，我们可以构建复杂的逻辑控制和决策系统，既可以通过 FSM 管理状态转换，又可以通过 BT 执行具体的操作。

希望这个示例能帮助理解 FSM 和 BT 的基本原理。

6. 参考

https://blog.csdn.net/whahu1989/category_10717968.html