Очередь движений: сценарий из задач и конечный автомат

Поворотный столик для съёмки мелочи я описал в первом черновике четырьмя строками: step(1024), delay(2000), step(-512), delay(1000). Через неделю заказчик попросил третью точку остановки, и строки превратились в восемь; потом — «а добавь паузу между вторым и третьим» — и нумерация delay поехала, потому что каждый новый шаг сдвигал все нижние. К пятой правке сценарий был лапшой из двадцати строк, в которой я боялся трогать середину: любое движение вспять ломало хвост. Классический признак того, что сценарий пора вытащить из кода и переложить в массив чисел.

Выход — очередь движений: массив пар «сколько шагов, какая пауза после», плюс исполнитель, который ведёт мотор от строки к строке. Исполнитель этот — конечный автомат: у него три состояния (едет, ждёт, стоит) и жёсткие правила перехода между ними. Такая структура держала у меня и столик на четыре точки, и кормушку с расписанием из урока про дозатор, и шторный привод из урока про шторы — правка сценария сводилась к правке чисел, код не открывался месяцами.

Соберём очередь на массиве, разложим автомат по состояниям, научимся запускать сценарий кнопкой по фронту нажатия и проверим всё в симуляторе: четыре задачи — 180°, пауза 2 с, минус 90°, пауза, 45°, возврат в ноль — поедут по одной кнопке.

Каждая строка сценария — это два числа: signed-количество шагов (плюс — по часовой, минус — против) и пауза в миллисекундах после этого движения. В C++ пары удобнее всего держать структурой: struct Move { long steps; int pauseMs; }; массив из шести таких структур вмещает полноценный сценарий столика и весит около двадцати байт ОЗУ — копейки даже для Uno. Тип steps — именно long: int подписан только до 32767, а винтовой привод из пары разделов легко просит 40000 шагов на ход, переполнение превратит подъём в падение, и искать это по листингу — то ещё удовольствие.

Обращаю внимание на вырожденный случай, который экономит половину сценариев: задача с нулём шагов и ненулевой паузой — это просто пауза, без движения. Весь хореографический словарь столика укладывается в два примитива: «повернуться» и «постоять». Добавлять третий не спешите: угол, скорость и направление раскладываются в шаги ещё на этапе заполнения массива — пересчёт из градусов я собирал в уроке про свои функции поворота, там же готовый turnByAngle.

Заполнение очереди выносится в отдельные строки setup(): addMove(1024, 2000), addMove(-512, 1000) — сценарий читается сверху вниз как список действий, и правка середины не задевает ни хвост, ни голову. Именно за это я и платил пятьюдесятью байтами кода: сценарий стал массивом чисел, а числа правятся без страха.

Если структуры не хочется, те же пары живут в двух параллельных массивах — stepsQ и pauseQ: на Uno раскладка в памяти выходит одинаковой, а в учебных скетчах так даже нагляднее. Но что важнее всего в addMove — проверка значений на входе: очередь не переполнена, пауза не отрицательна, число шагов в разумных пределах. Мусорная строка, пойманная при добавлении, стоит одной строки в мониторе; та же строка, доехавшая до исполнителя, останавливает механизм в случайном месте, и вы ищете причину по журналу задним числом. Я печатаю номер и значения каждой добавленной задачи — пять байт отладки на сценарий, который потом правится вслепую.

Автомат выглядит скромно: переменная state и три ветки if. Но за скромностью стоит дисциплина. В состоянии «едет» автомат делает одно-единственное дело — выдаёт мотору порции, пока остаток не кончится; он не смотрит на кнопки и не печатает ничего лишнего. В состоянии «ждёт» он держит таймер паузы и не трогает мотор. В состоянии «стоит» он вообще ничего не делает — и это тоже состояние, а не отсутствие жизни: в реальных механизмах «стоит» перерастает в «дежурит и ждёт кнопку» за одну правку. Переходы односторонние и описаны явно: едет → ждёт → едет → … → стоит. Оказавшись в ветке state == 1, вы точно знаете, что остаток валиден, а таймер паузы вам не принадлежит.

Соблазн вместо автомата навесить флагов я знаю на своей шкуре: два-три булевых переменных держатся в голове легко, но уже четвёртый переход рождает комбинации, которые никто не тестировал — флаг «едем» плюс флаг «пауза» плюс «разворот» дают восемь сочетаний, из которых легальны четыре. Автомат убивает недопустимые сочетания сам: состояние одно, и в нём определённые дела. Это та же медицина, что с goto в больших скетчах, только встроенная в структуру кода.

Отладка автомата — это журнал переходов. При каждой смене состояния я печатаю в порт старое и новое значение вместе с номером задачи: одна строка на переход стоит копейки, а поведение сценария разворачивается в читаемую ленту «старт — задача 0 — пауза — задача 1». Когда столик встал не там, лента показывает точный переход, после которого всё пошло вразрез с планом, и искать остаётся одну ветку, а не весь loop(). Второй приём — контрольный сценарий из двух задач по два шага: он пробегает весь автомат за секунды и ставится в начало setup() на время отладки.

Движение внутри состояния «едет» — ровно тот порционный шаблон из урока про планировщик: step(PORTION) по таймеру millis(). Знак задачи обрабатывается направлением порции: мотор едет в сторону знака, пока остаток не обнулится. Кнопка запуска в симуляторе проверяется по фронту: реакция только на момент нажатия, а не на каждый проход loop() — иначе один зажим кнопки перезапустит сценарий сорок раз подряд.

В симуляторе сценарий из четырёх задач стартует кнопкой на D2: 180° по часовой, пауза 2 секунды, минус 90°, пауза 1,5 секунды, 45°, возврат на минус 135° в исходную. LED на D12 горит, пока очередь исполняется, и гаснет в состоянии «стоит» — это живой индикатор состояния автомата, повторяющий digitalWrite из queueStart и из ветки завершения.

Понажимайте кнопку в момент, когда очередь уже едет: фронт-детектор не даст перезапустить сценарий по сто раз за удержание — новый старт случится только после отпускания и нового нажатия. Обратите внимание: во время паузы между задачами LED продолжает гореть — очередь ещё не закончилась, автомат просто ждёт; погасание диода означает переход в дежурное состояние, а не конец сценария, и спутать эти два события легко, если судить только по мотору. Следите за Serial: сообщения «zadacha N gotova» идут по одному на строку сценария, паузы видны как тишина нужной длительности. Пошевелите числа в массиве — сценарий поменяется, а код исполнителя останется нетронутым: это и есть главный выигрыш очереди.

Очередь превратила сценарий в числа, но осталась слепой: исполнитель честно ведёт мотор к последней строке, не зная, что за окном. А в реальном механизме на пути всегда есть край — упор, крышка, край хода, и мотор, уверенно едущий в стену, превращает сценарий в акт вандализма за две секунды. Как поставить концевик на D2, останавливать ход раньше жёсткого упора и отъезжать от границы — финальный урок серии: Стоп по датчику: концевик на D2 и границы хода.