1.2 主飞行回路：感知规划行动的闭环

1.2 主飞行回路：感知规划行动的闭环

本节摘要：主回路是飞行器的心脏。本节拆开闭环的三个阶段，看读数、航线、舵面指令三样数据在接缝上怎么流动；给出频率分层与时间预算的配比算法——回路卡顿的头号病因就在节拍失配；最后对比反应式、分层式、混合式三种布线流派的适用空域与代价，交付一个能空转的主循环骨架。

为什么自动驾驶团队要把感知、决策、控制拆成不同小组，而不是让一个天才模块包打天下？因为这三个阶段的天然节拍差了好几个数量级：摄像头的读数以几十毫秒一帧的速度涌进来，路径规划得出一条能用好几秒的航线，而方向盘的控制量每几毫秒就要刷新一拍。把它们塞进同一个循环里用同一个频率跑，快的等慢的、慢的被快的淹没——飞行器还没离开地面，回路先把自己勒死了。上一节钉好的舱段图纸，在本节要回答的就是"接线"问题：谁以什么频率、把什么数据、交给谁。

回路解剖：读数、航线与舵面

把主回路展开，是三段各司其职的接力。感知段把物理世界的光、声、距离变成结构化读数——读数的契约要求带时间戳与置信度，因为规划舱必须知道这份情报有多新、多可信；规划段把读数加目标变成航线——航线不是单个动作，而是一段带优先级的动作序列，外加"何时重算"的触发条件；行动段把航线当前步拆成执行器指令，并负责回执——指令是否送达、动作是否生效、环境是否如预期改变。

三段接力中最容易被忽视的是回执与再感知的接缝。很多实现里行动执行完就完事了，下一拍感知被动等新读数——这在快速变化的环境里等于闭着眼睛飞。正确的设计是行动段主动触发一次定向感知（"我刚动了舵，雷达看我偏了多少"），把回执变成下一拍读数的一部分。闭环由此才算真正闭上：感知喂规划，规划喂行动，行动改变环境，变化回到感知。

节拍与预算：回路的频率学

主循环的第一设计决策不是算法，是频率配比。经验配比按信息变化速度倒排：控制层最快，本地规划次之，全局规划与感知融合再次之。每个舱段在自己的节拍窗口里有时间预算，超预算的处理策略必须预先声明——丢帧、降级还是排队，三种策略对应三种故障后果，混着用是最常见的翻车源。

import time

TICK_BUDGET = {
    "perception": 0.020,   # 感知融合：20 毫秒窗口
    "planning":  0.100,    # 规划：100 毫秒窗口
    "action":    0.005,    # 行动指令下发：5 毫秒窗口
}

class MainLoop:
    def __init__(self, agent, watchdog):
        self.agent = agent
        self.watchdog = watchdog          # 超时监控器

    def run(self, world, max_ticks=None):
        tick = 0
        while max_ticks is None or tick < max_ticks:
            t0 = time.monotonic()

            # 感知拍：读数进状态板
            reading = self._run_stage(
                "perception", self.agent.perception.sense, world)
            self.agent.board.update_belief(reading)

            # 规划拍：航线可用就不重算（预算留给触发式重规划）
            if self.agent.board.route_expired() or \
               self.agent.board.goal_changed():
                route = self._run_stage(
                    "planning", self.agent.planning.plan,
                    self.agent.board)
                self.agent.board.load_route(route)

            # 行动拍：取航线当前步下发，回执写回状态板
            receipt = self._run_stage(
                "action", self.agent.action.execute,
                self.agent.board.current_action())
            self.agent.board.log_receipt(receipt)

            self._sleep_remaining(t0)     # 补齐到节拍点，避免空转挤占
            tick += 1

    def _run_stage(self, name, fn, *args):
        t0 = time.monotonic()
        try:
            result = fn(*args)
        except Exception as exc:
            self.watchdog.report(name, exc)      # 单舱段故障不上交主循环
            return self.agent.board.last_good(name)  # 退回上一帧有效值
        spent = time.monotonic() - t0
        if spent > TICK_BUDGET[name]:
            self.watchdog.report_overrun(name, spent)  # 超预算留痕
        return result
​

这段骨架有三个刻意的设计值得画重点。其一，规划不必每拍执行——航线没过期、目标没变就跳过，把预算省给感知与行动，这是多数新手实现跑不动的直接原因。其二，单舱段故障不上交：感知一帧失败就退回上一帧有效读数（last-good），主循环照转，飞行器绝不因为一帧雷达噪声而全机熄火。其三，超时必须留痕——watchdog 报告是第 7 章调试的主要线索来源。

三种布线流派：反应式、分层式与混合式

同一套舱段，接线方式决定了飞行器的性格。工程史上沉淀出三种流派，各自的脾气与适用空域差异极大。

反应式把感知近乎直连行动：读数进来，规则表查一下，舵面就动。特点是没有显式规划舱——或者说规划被压缩成了规则查表。 Brooks 的包容架构是这一流派的鼻祖，用一层层简单行为（避障优先于前进）叠加出复杂表象。它赢在响应极快、几乎不会死机，输在没有远见：不会绕开死胡同，因为它不知道"死胡同"这个概念。

分层式把规划舱拆成多层：任务层定"去哪"，路径层定"怎么走"，动作层定"此刻怎么动舵"，上层给下层下子目标，下层给上层报状态。特点是有远见、可解释，但层间延迟叠加，对突发障碍的响应取决于最底层规则是否兜底。

混合式把两种接在一起：规划层慢速出航线，反应层高速兜底，反应层平时服从航线、遇险时越权接管。经典的"三层"（ deliberative–sequencing–reactive）架构就是这一路。它两头的好处都要，代价是两套逻辑的仲裁与一致性维护——什么时候允许越权、越权后规划层如何重新对齐，是混合式真正的工程难点。

选型代码上可以抽象成一个策略接线板，方便在同一批舱段上做布线实验：

class ReactiveWiring:
    """反应式：读数直连动作，规则表仲裁。"""
    def next_action(self, board):
        for rule in self.rules_by_priority:      # 避障 > 靠近 > 巡航
            if rule.triggered(board.belief):
                return rule.action(board)
        return self.default_action

class LayeredWiring:
    """分层式：任务层 -> 路径层 -> 动作层逐级下发。"""
    def next_action(self, board):
        subgoal = self.task_layer.refine(board)   # 慢拍
        path    = self.path_layer.refine(subgoal) # 中拍
        return self.motor_layer.refine(path)      # 快拍

class HybridWiring:
    """混合式：航线为主，反应层可越权。"""
    def next_action(self, board):
        route_cmd = self.layered.next_action(board)
        if self.reflex.danger(board.belief):      # 高速险情检测
            return self.reflex.override(board)    # 越权接管并上报
        return route_cmd
​

💡 关键直觉：三种流派不是进化关系，是空域适配关系。结构化仓库格路用反应式足够且最可靠；开放道路必须混合式。为静态空域上混合式，是在用复杂度买用不上的能力。

联调测试与故障排查

主回路的联调遵循"先断后通"：先把三段接缝逐段断开做开环测试——只跑感知拍看状态板更新，只灌假航线看行动拍执行；确认各段独立健康后再闭环。闭环首跑用慢动作模式：把节拍窗口放大一个数量级，人工盯着状态板走完一圈，确认读数、航线、回执的时序对齐。

闭环特有的故障模式与处置：

• 节拍失配：感知超预算挤压行动窗口，表现为"动作一顿一顿"。先降感知频率或砍融合耗时，绝不动行动拍。
• 航线过期：规划赶不上环境变化，飞行器拿着旧航线自信飞行。症状是"明明绕得开却撞上"。处置：给航线加时效戳，过期强制重算。
• 接缝死锁：行动等回执、规划等行动、感知等调度，互相等待。症状是主循环停摆但进程健在。处置：每段等待都带超时与降级出口，watchdog 强制放行。
• 越权震荡：混合式里反应层频繁接管又频繁放权，舵面来回抖。处置：越权要带冷却时间与恢复条件。

本节要点回顾

• 三段接力：感知出读数（带时间戳与置信度）、规划出航线（带过期条件）、行动出指令（带回执），闭环靠"行动触发再感知"真正闭上。
• 频率配比：控制快于局部规划、局部规划快于全局规划；规划不必每拍执行，省下的预算是回路能转起来的关键。
• 故障不上交：单舱段失败退回上一帧有效值，主循环照转，watchdog 留痕供事后排障。
• 三种布线：反应式赢节拍输远见，分层式反之，混合式用仲裁复杂度买两头——按空域选，不按流行度选。
• 联调次序：先开环分段验证，再闭环慢动作首跑；节拍失配、航线过期、接缝死锁、越权震荡是四类高频病。

回路转起来了，但驾驶舱里的仪表还没定义读法——状态板上该有哪些字段、目标怎么记、行为怎么仲裁，是下一节"飞行状态板"的事。