ROS 2 Navigation2
Navigation2，简称 Nav2，是 ROS 2 中的自主导航框架，主要作用是让移动机器人基于地图、定位、传感器和目标点，自主规划路径、避开障碍物，并输出速度指令控制底盘运动。
1. Nav2 的基本作用
Nav2 解决的是“机器人如何从当前位置自主移动到目标点”的问题。它并不负责底盘电机的底层控制，而是根据地图和传感器信息计算运动指令，最终发布 /cmd_vel 给底盘驱动节点。
地图 + 定位 + 传感器 + 目标点
↓
Navigation2
↓
/cmd_vel
↓
底盘驱动
↓
机器人运动
2. Nav2 和 SLAM 的关系
SLAM 主要负责建图和定位，Nav2 主要负责路径规划和运动控制。
| 模块 | 作用 | 常见输出 |
|---|---|---|
| SLAM | 建图与定位 | /map、map → odom |
| AMCL | 已知地图下定位 | /amcl_pose、map → odom |
| Nav2 | 路径规划、避障、控制 | /cmd_vel |
3. Nav2 的两种常见模式
| 模式 | 说明 | 常用场景 |
|---|---|---|
| SLAM 建图导航 | 边建图边导航，SLAM 发布地图和定位信息 | 新环境建图 |
| 已知地图导航 | 加载已有地图，用 AMCL 定位，再由 Nav2 导航 | 固定场地巡逻、服务机器人 |
建图阶段通常使用 SLAM Toolbox 或 Cartographer；已有地图导航阶段通常使用 map_server 加载地图，AMCL 负责定位，Nav2 负责规划和控制。
4. Nav2 核心模块
| 模块 | 作用 |
|---|---|
| Map Server | 加载并发布静态地图 /map |
| AMCL | 根据激光雷达和地图估计机器人位姿 |
| Planner Server | 全局路径规划，决定从当前位置到目标点的大致路线 |
| Controller Server | 局部路径跟踪，计算实时速度指令 |
| Costmap | 代价地图，表示哪里能走、哪里不能走 |
| BT Navigator | 行为树导航器，负责组织导航任务流程 |
| Behavior Server | 恢复行为，如原地旋转、后退、清除代价地图 |
| Lifecycle Manager | 管理 Nav2 各节点的生命周期状态 |
5. Nav2 工作流程
1. 加载地图
2. AMCL 或 SLAM 提供机器人定位
3. 用户在 RViz 或程序中发送目标点
4. Planner Server 规划全局路径
5. Controller Server 跟踪路径并实时避障
6. Nav2 发布 /cmd_vel
7. 底盘驱动接收速度指令并控制机器人运动
8. 到达目标点或执行恢复行为
6. 关键话题
| 话题 | 类型 | 作用 |
|---|---|---|
/map |
nav_msgs/OccupancyGrid |
地图 |
/scan |
sensor_msgs/LaserScan |
激光雷达数据 |
/odom |
nav_msgs/Odometry |
里程计 |
/tf |
TFMessage | 动态坐标变换 |
/tf_static |
TFMessage | 静态坐标变换 |
/cmd_vel |
geometry_msgs/Twist |
速度控制指令 |
/goal_pose |
geometry_msgs/PoseStamped |
导航目标点 |
/amcl_pose |
geometry_msgs/PoseWithCovarianceStamped |
AMCL 定位结果 |
7. 关键 TF 坐标关系
Nav2 对 TF 要求很严格，常见坐标关系如下：
map → odom → base_link/base_footprint → laser
| 坐标系 | 含义 |
|---|---|
map |
全局地图坐标系，和地图绑定 |
odom |
里程计坐标系，短时间连续但会漂移 |
base_link |
机器人本体坐标系 |
base_footprint |
机器人底盘投影坐标系 |
laser |
激光雷达坐标系 |
一般情况下，odom → base_link 由底盘里程计发布，base_link → laser 由 URDF 或静态 TF 发布，map → odom 由 AMCL 或 SLAM 发布。
8. Costmap 代价地图
Costmap 是 Nav2 判断障碍物和可通行区域的重要模块。它会把环境划分为可通行区域、障碍物区域、未知区域和膨胀区域。
| Costmap | 作用 |
|---|---|
| Global Costmap | 用于全局路径规划 |
| Local Costmap | 用于局部避障和路径跟踪 |
常见 layer 包括 Static Layer、Obstacle Layer、Voxel Layer 和 Inflation Layer。Static Layer 来自静态地图，Obstacle Layer 来自激光雷达等传感器，Inflation Layer 用来给障碍物周围增加安全距离。
9. Planner 和 Controller
| 模块 | 作用 | 常见算法 |
|---|---|---|
| Planner Server | 规划从起点到终点的全局路径 | NavFn、Smac Planner、Theta* |
| Controller Server | 跟踪路径并输出速度指令 | DWB、Regulated Pure Pursuit、MPPI |
简单理解：Planner 负责“走哪条路”，Controller 负责“怎么沿着这条路走”。
10. Behavior Tree 行为树
Nav2 使用行为树组织导航流程，不是简单地规划一次路径就一直执行。导航过程中如果失败，可以自动执行恢复行为。
接收目标点 → 计算路径 → 跟踪路径 → 判断是否失败 → 恢复行为 → 重新规划 → 到达目标点
常见恢复行为包括：清除代价地图、原地旋转、后退、等待、重新规划等。
11. 真机运行 Nav2 的基本条件
| 条件 | 要求 |
|---|---|
| 底盘驱动 | 能订阅 /cmd_vel，发布 /odom |
| 激光雷达 | 能发布 /scan |
| TF | map → odom → base_link → laser 完整 |
| 地图 | 有 map.yaml 和 map.pgm |
| URDF | 正确描述机器人本体和传感器位置 |
| 参数文件 | 配置 Nav2 各模块参数 |
如果这些条件不满足，Nav2 很容易出现无法定位、无法规划、机器人不动或原地转圈等问题。
12. 常见启动流程
建图阶段：
# 启动底盘、雷达、TF
ros2 launch your_robot_bringup robot.launch.py
# 启动 SLAM
ros2 launch slam_toolbox online_async_launch.py
# 启动 Nav2
ros2 launch nav2_bringup navigation_launch.py
# 保存地图
ros2 run nav2_map_server map_saver_cli -f ~/map
已有地图导航阶段：
# 启动底盘、雷达、TF
ros2 launch your_robot_bringup robot.launch.py
# 启动 Nav2 并加载地图
ros2 launch nav2_bringup bringup_launch.py map:=/home/xxx/map.yaml use_sim_time:=False
13. 常见参数
| 参数 | 作用 |
|---|---|
robot_radius / footprint |
机器人尺寸 |
inflation_radius |
障碍物膨胀半径 |
max_vel_x |
最大前进速度 |
max_vel_theta |
最大角速度 |
transform_tolerance |
TF 时间容差 |
obstacle_max_range |
障碍物检测最大距离 |
raytrace_max_range |
清除障碍物的最大射线距离 |
调试真机时，速度参数建议先设小一些，防止机器人运动过快导致撞墙或定位失败。
14. 常见问题排查
| 问题 | 可能原因 |
|---|---|
| RViz 中机器人不在地图上 | AMCL 未定位、初始位姿未设置、TF 缺失 |
| 机器人规划路径但不动 | /cmd_vel 没发布，或底盘没有订阅 /cmd_vel |
| 机器人原地转圈 | TF 方向错误、雷达方向错误、局部控制器参数不合适 |
| 机器人贴墙走 | inflation_radius 太小或机器人尺寸设置错误 |
| 机器人认为前方全是障碍 | 激光雷达 TF 错误，costmap 参数异常 |
| 报 TF timeout | 时间同步问题，TF 发布频率低，use_sim_time 设置错误 |