datetime:2023/11/09 17:27

author:nzb

该项目来源于大佬的动手学ROS2

1. Navigation 2 介绍与安装

在正式介绍 Navigation 2 前，我们先来认识一个工具——行为树。BT （Behavior Tree）即行为树，起源于游戏设计中，用于控制游戏角色的行为，比如当僵尸出现时豌豆射手就会开始射击。对于一个移动机器人来说，需要知道什么时候要进行路径规划，什么时候要执行脱困，和游戏中的角色行为相似，所以使用行为树来描述和管理机器人的行再合适不过了，Navigation 2 就是使用它进行机器人行为调度的。

下图是 Navigation 2 的系统框架图，通过它可以让你对 Navigation 2 的架构有一个初步了解。

上图中最大的圆角矩形框内是 Navigation 2 的核心部分，向内的箭头是输入部分，向外的是输出部分。可以看到输入有 TF 变换、map 数据、雷达相机等传感器数据、行为树配置和目标位置。输出则只有一个即控制话题/cmd_vel ，就像我们使用键盘控制节点控制机器人移动一样，Navigation 2 最终会发布话题控制机器人移动。

接着我们来了解下 Navigation 2 的内部，首当其充的是 BT Navigator Server 即行为树导航服务，通过输入的 XML 格式的行为树描述文件，调用下面三个服务器中中对应的模块完成对机器人的行为控制。

接着是下面的三个服务模块。右边的是 Planner Server 即规划器服务器，它的任务就是负责全局路径规划。需要注意的是，这个模块叫规划器服务器，而不是具体某个规划器的原因是路径规划算法有很多，规划器服务器可以根据配置加载不同的规划器完成规划任务，这样就有了灵活性。这一点和上一章节 ros2_control 中控制器管理器相同，可以加载不同的控制器。

中间的模块是控制器服务器，该模块负责根据全局路径，结合实时障碍物和局部代价地图完成机器人的控制。需要注意的是，它同样只是一个服务器，可以加载多种不同的控制器完成这一任务。

左边的模块是恢复器服务器，可以加载不同的恢复行为完成机器人的脱困。从箭头可以看出，BT Navigation Server 收到目标点后，由规划器服务器进行 CP（ComputePathToPose）即计算路径 ，然后由控制器服务器进行 FP（FollowPath）即路径跟随，如果遇到卡住等困境则调用规划器服务器完成脱困。这三个模块协同工作，完成了整个 Navigation 2 的导航任务。

好了，关于 Navigation 2 理论的介绍就到这里，接着我们来安装并尝试使用它完成机器人导航。通过 apt 就可以完成 Navigation 2 的安装，命令如下：

sudo apt info ros-$ROS_DISTRO-navigation2

为了方便使用 Navigation 2 还提供了启动示例功能包 nav2_bringup，使用下面的指令可以安装该功能包。

sudo apt info ros-$ROS_DISTRO-nav2-bringup

接下来我们就可以配置 Navigation 2 进行导航测试了。

2. 配置 Navigation 2 参数

我们把 Navigation 2 当作一个模块，只要给它正确的数据输入，它就可以正常工作。所以在启动导航前，需要对一些参数进行调整，以适配我们的仿真机器人，这些参数主要有相关话题名称，坐标系名称和机器人描述等。

nav2_bringup 已经为我们提供了一个默认的参数，我们只需要在它的基础上进行修改即可。在功能包 fishbot_navigation2 下创建 config 目录，接着我们将 nav2_bringup 提供的默认参数复制到 config 目录下，命令如下：

cp /opt/ros/$ROS_DISTRO/share/nav2_bringup/params/nav2_params.yaml src/fishbot_navigation2/config

打开参数文件，可以看到有几百行的参数，不要害怕，这是因为将所有节点参数都放到同一个文件造成的，每一个节点的参数最多只有几十行。

参数名称中带有 topic 的基本都是关于话题的配置，比如 scan_topic 表示雷达数据话题名称，odom_topic 表示里程计话题名称。参数名称中带有 frame 的基本都是关于坐标系名称的配置，比如 odom_frame_id 表示里程计坐标系名称，robot_base_frame 表示机器人基础坐标系名称。仔细观察这些参数你会发现，它们默认值和我们上一章节机器人建模和仿真时，使用的值都是相同的，比如参数文件中默认里程计话题是 odom ，默认的雷达数据话题是 scan，默认的里程计坐标系是 odom，默认机器人基坐标系是 base_link。

除了修改话题和坐标系名称以保证数据的正确获取，在进行路径规划时还需要考虑机器人的大小即半径这一参数，如果半径设置的比真实的大，会造成窄的通道机器人过不去，如果过小则容易发生碰撞，因为是在基于地图做路径规划时才会考虑这一问题，所以机器人半径这一参数是在全局代价地图节点 global_costmap 和局部代价地图节点 local_costmap 进行配置的。分别修改两个代价地图节点robot_radius参数为建模时的半径，修改完成后对应参数值如下：

local_costmap:
  local_costmap:
    ros__parameters:
      ...
      robot_radius: 0.08

global_costmap:
  global_costmap:
    ros__parameters:
      ...
      robot_radius: 0.08

好了，关于导航相关的参数我们就暂时设置这么多，如果想更深入的修改参数以调整 Navigation 2 ，可以参考官方文档 中的参数修改指南。