AI--FiniteStateMachine

一、写在前面

本文着重实现一个高度可配置的有限状态机（FiniteStateMachine）；然后借鉴 Unity官方教程将其运用于 Unity 中。

有限状态机的相关概念就不做介绍了，了解即可。

工程地址：GitHub and 网盘（提取码：79zj）

二、FiniteStateMachine

1.FSM 框架结构

如下图所示：

StateController 状态管理器：

AI 的核心
将 AI 系统的 初始状态 注入
设置好 AI 的 相关数据（此后会将 StateController 注入到各个模块以提供 AI 相关数据）
状态管理器的帧函数 UpdateAI 由外部（继承自 Monobehavior）的类调用

StateBase 状态基类：处理各个状态的公共逻辑：

存储状态的 行动集合（每个状态可能有多个行动组合而成）
存储状态的 转换条件集合（每个状态可能有多种转换条件）
（必选）在子类中添加行动集合 AddActions
在外部添加转换条件集合 AddTransition
在内部处理状态帧函数UpdateState：执行动作DoActions + 检验每个转换条件CheckTransitions
（可选）实现状态的生命周期函数：进入状态的DoOnBefore + 退出状态的DoOnExit

ActionBase 动作基类：

将每个状态下的行为分解为各个动作的集合，有利于逻辑复用，更加模块化的处理也有利于 AI 行为的扩展。

Transition 转换条件：

每个转换条件由：一个 转换决策Decision 、一个 转换成功后指向的状态TargetState 组成

DecisionBase 转换决策基类：

转换条件 Transition 的核心组成部分
用于处理状态之间转换的核心逻辑

2.框架代码

StateController

/****************************************************
	文件：StateController.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/20 16:19:33
	功能：状态管理器（AI Brain）
*****************************************************/

using System;
using UnityEngine;

namespace FiniteStateMachine
{
    /*
     * 状态管理器
     * AI Brain
     * 作用：AI 的状态控制器（核心类）
     */
    public class StateController
    {
        private StateBase mCurrentState;
        /// <summary>
        /// AI 是否为激活状态
        /// </summary>
        private bool mAIActivate;
        /// <summary>
        /// 当前状态过去的时间（当前状态的计时器）
        /// </summary>
        private float mElapsedTime;

        public StateController(StateBase originalState, params object[] args)
        {
            mCurrentState = originalState;
            mAIActivate = true;
            mElapsedTime = 0.0f;
            //设置 AI 初始数据

            Debug.Log("AI 初始化完毕");
        }

        public void SetupAI(bool aiActivate, params object[] args)
        {
            mAIActivate = aiActivate;
            //设置 AI 数据
        }

        public void UpdateAI()
        {
            if (mAIActivate == false) return;
            mCurrentState.UpdateState(this);
        }
        public void TransitionToState(StateBase targetState)
        {
            mCurrentState.DoOnExit(this);
            mElapsedTime = 0.0f;//计时器清零
            mCurrentState = targetState;
            mCurrentState.DoOnBefore(this);
        }
        /// <summary>
        /// 检测当前状态的计时器是否到达指定时间
        /// </summary>
        /// <param 指定时间="time"></param>
        /// <returns></returns>
        public bool CheckElapsedTime(float time)
        {
            return mElapsedTime >= time;
        }
    }
}

StateBase

/****************************************************
	文件：StateBase.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/20 15:55:28
	功能：状态基类
*****************************************************/

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

namespace FiniteStateMachine
{
    /*
     * 状态基类
     * 可创建不同 AI 对象特有的状态
     * 作用：划分 AI 状态（内部处理每个状态独有的逻辑）
     * 使用：在子类中设置 状态 包含的 动作集Actions ；转换条件集（Transitions）在外部设置
     * 可选：在子类中实现 DoOnBefore 和 DoOnExit （状态 的 生命周期函数）
     */
    public abstract class StateBase
    {
        protected List<ActionBase> mActions;
        protected List<Transition> mTransitions;

        public StateBase()
        {
            mActions = new List<ActionBase>();
            mTransitions = new List<Transition>();
            AddActions();
        }

        public virtual void DoOnBefore(StateController controller) { }
        public virtual void DoOnExit(StateController controller) { }
        /// <summary>
        /// 在子类中配置 状态 State 包含的 动作集（Actions）
        /// </summary>
        protected abstract void AddActions();
        /// <summary>
        /// 在子类中配置 状态 State 包含的 转换条件集（Transitions）
        /// </summary>
        public void AddTransition(Transition transition)
        {
            for (int i = 0; i < mTransitions.Count; i++)
            {
                if (mTransitions[i] == transition)
                {
                    Debug.LogErrorFormat("{0}状态中已包含转换条件：{1}", this, transition.Decision.ToString());
                    return;
                }
            }
            mTransitions.Add(transition);
            Debug.LogFormat("在{0}状态中添加转换条件：{1}", this, transition.Decision.ToString());
        }
        public void UpdateState(StateController controller)
        {
            DoActions(controller);
            CheckTransitions(controller);
        }
        private void DoActions(StateController controller)
        {
            for (int i = 0; i < mActions.Count; i++)
            {
                mActions[i].Act(controller);
            }
        }
        private void CheckTransitions(StateController controller)
        {
            bool succeed = false;
            //每次帧循环都会检测当前状态所有的转换条件
            //若存在多个可以成功转换的 转换条件 时，选取第一个为成功转换的状态（此处可以修改选取规则）
            for (int i = 0; i < mTransitions.Count; i++)
            {
                succeed = mTransitions[i].Decision.Decide(controller);
                if (succeed)
                {
                    controller.TransitionToState(mTransitions[i].TargetState);
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

ActionBase

/****************************************************
	文件：ActionBase.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/20 16:23:4
	功能：AI 的最小行为单元（抽象基类）
*****************************************************/

namespace FiniteStateMachine
{
    /*
     *  AI 的最小行为单元（抽象基类）
     *  作用：将 AI 行为尽可能拆分、模块化，便于拓展、复用。
     */
    public abstract class ActionBase
    {
        public abstract void Act(StateController controller);
    }
}

Transition

/****************************************************
	文件：Transition.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/20 16:44:21
	功能：转换条件
*****************************************************/

namespace FiniteStateMachine
{
    /*
     * 转换条件
     * 每个转换条件由：一个转换决策、一个转换成功后指向的状态 组成
     */
    public class Transition
    {
        private DecisionBase mDecision;
        private StateBase mTargetState;
        public DecisionBase Decision { get => mDecision; }
        public StateBase TargetState { get => mTargetState; }
        public Transition(DecisionBase decision, StateBase targetState)
        {
            mDecision = decision;
            mTargetState = targetState;
        }
    }
}

Decision

/****************************************************
	文件：DecisionBase.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/20 16:23:26
	功能：转换决策（抽象基类）
*****************************************************/

namespace FiniteStateMachine
{
    /*
     * 转换决策（抽象基类）
     * 作用：为转换条件 Transition 的核心组成部分，用于处理状态之间转换的核心逻辑
     */
    public abstract class DecisionBase
    {
        public abstract bool Decide(StateController controller);
    }
}

3.案例

实现一个追踪者（Hunter）的 AI ：

包含两个状态：巡逻状态 + 追逐状态
巡逻状态由一个 Action 构成：巡逻行为
追逐状态由两个 Action 构成：追逐行为 + 攻击行为
默认的初始状态为：巡逻状态
当目标被发现时，Hunter 由 巡逻状态 切换为 追逐状态，追逐状态下当满足 攻击条件 时可进行 攻击行为 。
直到目标被消灭，Hunter 才会由 追逐状态 切换回 巡逻状态

如下图所示：

代码：（Action 和 Decision 的实现部分略）

HunterPatrolState：

using System;
using UnityEngine;

namespace FiniteStateMachine.Example1
{
    public class HunterPatrolState : StateBase
    {
        protected override void AddActions()
        {
            mActions.Add(new PatrolAction());
            Debug.LogFormat("{0}的Action添加完毕", this);
        }
    }
}

HunterChaseState：

using System;
using UnityEngine;

namespace FiniteStateMachine.Example1
{
    public class HunterChaseState : StateBase
    {
        protected override void AddActions()
        {
            mActions.Add(new ChaseAction());
            mActions.Add(new AttackAction());
            Debug.LogFormat("{0}的Action添加完毕", this);
        }
    }
}

HunterController：

using System;
using UnityEngine;

namespace FiniteStateMachine.Example1
{
	public class HunterController : MonoBehaviour
	{
        private StateController mAI;
		private void Start()
		{
            HunterPatrolState hunterPatrolState = new HunterPatrolState();
            HunterChaseState hunterChaseState = new HunterChaseState();
            hunterPatrolState.AddTransition(new Transition(new LookDecision(), hunterChaseState));
            hunterChaseState.AddTransition(new Transition(new InactiveStateDecision(), hunterPatrolState));
            mAI = new StateController(hunterPatrolState, null);
		}
        private void Update()
        {
            mAI.UpdateAI();
        }
    }
}

三、SerializableFiniteStateMachine

1.说明

可序列化的有限状态机。可以在 Unity 编辑模式下进行 AI 的快速配置，有利于原型开发。

状态机构建原理和之前的基本一致（Transition 部分略有区别，本质相同）

2.框架代码

StateController

/****************************************************
	文件：StateController.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/18 22:6:21
	功能：状态管理器（AI Brain）
*****************************************************/

using System;
using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine
{
    /*
     * 状态管理器
     * AI Brain，直接挂载在 NPC 上
     * 作用：AI 的状态控制器（核心类）
     */
    public class StateController : MonoBehaviour
    {
        [Tooltip("当前状态")]
        public State CurrentState;
        [Tooltip("预设的虚拟状态")]
        public State RemainState;

        /// <summary>
        /// AI 是否为激活状态
        /// </summary>
        private bool mAIActivate = false;
        /// <summary>
        /// 当前状态过去的时间（当前状态的计时器）
        /// </summary>
        private float mElapsedTime = 0.0f;

        public void SetupAI(bool aiActivate, params object[] args)
        {
            mAIActivate = aiActivate;
            //设置 AI 数据
        }
        private void Update()
        {
            if (mAIActivate == false) return;
            CurrentState.UpdateState(this);
        }
        public void TransitionToState(State targetState)
        {
            if (targetState == RemainState) return;
            CurrentState = targetState;
            OnExitState();
        }
        /// <summary>
        /// 检测当前状态的计时器是否到达指定时间
        /// </summary>
        /// <param 指定时间="time"></param>
        /// <returns></returns>
        public bool CheckElapsedTime(float time)
        {
            mElapsedTime += Time.deltaTime;
            return mElapsedTime >= time;
        }
        private void OnExitState()
        {
            mElapsedTime = 0.0f;//计时器清零
        }
    }
}

State

/****************************************************
	文件：State.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/18 22:8:17
	功能：状态
*****************************************************/

using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine
{
    /*
     * 状态
     * 可创建不同 AI 对象特有的状态，可序列化为 Asset 资产对象，便于在 Unity 编辑模式下配置 AI
     * 作用：划分 AI 状态（内部处理每个状态独有的逻辑）
     */
    [CreateAssetMenu(fileName = "DefaultState", menuName = "SerializableFiniteStateMachine/States")]
    public class State : ScriptableObject
    {
        [Tooltip("该状态下的行动集合")]
        public ActionBase[] Actions;
        [Tooltip("该状态下的转换条件集合")]
        public Transition[] Transitions;

        public void UpdateState(StateController controller)
        {
            DoActions(controller);
            CheckTransitions(controller);
        }

        private void DoActions(StateController controller)
        {
            for (int i = 0; i < Actions.Length; i++)
            {
                Actions[i].Act(controller);
            }
        }
        private void CheckTransitions(StateController controller)
        {
            bool succeed = false;
            //每次帧循环都会检测当前状态所有的转换条件
            //若存在多个转换条件，且同时为 TrueState 时，选取最后一个 TrueState 为成功转换的状态（此处可以修改选取规则）
            for (int i = 0; i < Transitions.Length; i++)
            {
                succeed = Transitions[i].Decision.Decide(controller);
                if (succeed)
                {
                    controller.TransitionToState(Transitions[i].TrueState);
                }
                else
                {
                    controller.TransitionToState(Transitions[i].FalseState);
                }
            }
        }
    }
}

ActionBase

/****************************************************
	文件：ActionBase.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/18 22:7:18
	功能：AI 的最小行为单元（抽象基类）
*****************************************************/

using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine
{
    /*
     * AI 的最小行为单元
     * 抽象基类，子类可序列化为 Asset 资产对象
     * 作用：将 AI 行为尽可能拆分、模块化，便于拓展、复用。
     */
    public abstract class ActionBase : ScriptableObject
    {
        public abstract void Act(StateController controller);
    }
}

Transition

/****************************************************
	文件：Transition.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/18 22:8:44
	功能：转换条件
*****************************************************/

using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine
{
    /*
     * 转换条件
     * 每个转换条件由：一个转换决策、一个转换成功后指向的状态、一个转换失败后指向的状态  组成
     * 说明：加上可序列化标签是便于在 Unity 编辑模式下进行配置
     */
    [System.Serializable]
    public class Transition
    {
        [Tooltip("转换决策")]
        public DecisionBase Decision;
        [Tooltip("转换成功后指向的状态")]
        public State TrueState;
        [Tooltip("转换失败后指向的状态")]
        public State FalseState;
    }
}

DecisionBase

/****************************************************
	文件：DecisionBase.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/18 22:8:33
	功能：转换决策（抽象基类）
*****************************************************/

using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine
{
    /*
     * 转换决策
     * 抽象基类，子类可序列化为 Asset 资产对象
     * 作用：为转换条件 Transition 的核心组成部分，用于处理状态之间转换的核心逻辑
     */
    public abstract class DecisionBase : ScriptableObject
    {
        public abstract bool Decide(StateController controller);
    }
}

3.案例

（1）说明

新增一个扫描者（Scanner）的 AI ：

包含三个状态：巡逻状态 + 追逐状态 + 警戒状态
巡逻状态由一个 Action 构成：巡逻行为
追逐状态由两个 Action 构成：追逐行为 + 攻击行为
警戒状态没有行为
默认的初始状态为：巡逻状态
当目标被发现时，Scanner 由 巡逻状态 切换为 追逐状态，追逐状态下当满足 攻击条件 时可进行 攻击行为 。
当失去目标踪迹时，Scanner 由 追逐状态 切换为 警戒状态
警戒状态下，Scanner 会进行扫描搜索目标：如果扫描结束依旧没有发现目标则由 警戒状态 切换回 巡逻状态 ；如果扫描过程中发现了目标，则由 警戒状态 切换回 追逐状态

如下图所示：

（2）在 Unity 编辑模式下配置 AI

Hierarchy：

各个状态：

ScannerPatrolState：

ScannerChaseState：

ScannerAlertState：

（3）代码

PatrolAction

/****************************************************
	文件：PatrolAction.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/18 23:44:27
	功能：巡逻 Action
*****************************************************/

using System;
using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine.Example1
{
    [CreateAssetMenu(fileName = "PatrolAction", menuName = "SerializableFiniteStateMachine/Actions/PatrolAction")]
    public class PatrolAction : ActionBase
    {
        public override void Act(StateController controller)
        {
            Patrol(controller);
        }
        private void Patrol(StateController controller)
        {
            //巡逻逻辑
        }
    }
}

ScanDecision

/****************************************************
	文件：ScanDecision.cs
	作者：HuskyT
	邮箱：1005240602@qq.com
	日期：2020/3/19 0:22:2
	功能：扫描 转换决策
*****************************************************/

using System;
using UnityEngine;

namespace SerializableFiniteStateMachine.Example1
{
    [CreateAssetMenu(fileName = "ScanDecision", menuName = "SerializableFiniteStateMachine/Decisions/ScanDecision")]
    public class ScanDecision : DecisionBase
    {
        public override bool Decide(StateController controller)
        {
            return Scan(controller);
        }
        private bool Scan(StateController controller)
        {
            //扫描逻辑
            return false;
        }
    }
}

四、写在最后

如果 AI 的状态不复杂，使用 FSM 来构建 AI 是一件很高效的事情。利用 Unity 的可序列化功能能使 AI 的配置更为方便直观。

在 FSM 的基础上也可以很容易得扩展出分层有限状态机。

Reference

Unity官方教程

Unity录播

AI--FiniteStateMachine

目录

一、写在前面

二、FiniteStateMachine

1.FSM 框架结构

2.框架代码

StateController

StateBase

ActionBase

Transition

Decision

3.案例

三、SerializableFiniteStateMachine

1.说明

2.框架代码

StateController

State

ActionBase

Transition

DecisionBase

3.案例

（1）说明

（2）在 Unity 编辑模式下配置 AI

（3）代码

PatrolAction

ScanDecision

四、写在最后