Nav2概述

Nav2是ROS Navigation Stack的专业支持版,借助于自动驾驶车辆使用的技术,并经过优化和重新设计,专门用于移动和表面机器人。该项目旨在安全地让移动机器人通过多种类型的环境和各种机器人运动学类别完成复杂任务。它不仅可以从A点移动到B点,还可以具有中间姿势,并代表其他类型的任务,如目标跟随、完整覆盖导航等。Nav2是一个可信赖的生产级高质量导航框架,被全球50多家公司所信赖。

它提供感知、规划、控制、定位、可视化等功能,以构建高度可靠的自主系统。这将从传感器数据进行环境建模,动态路径规划,计算电机速度,避免障碍物,表示语义区域和对象,并构建更高级别的机器人行为。要了解更多关于此项目的信息,如相关项目、使用的机器人、与ROS1的比较以及维护者,请参阅关于和联系。要了解有关导航和ROS概念的更多信息,请参阅导航概念。

Nav2使用行为树通过协调许多独立的模块化服务器来创建定制和智能的导航行为。任务服务器可用于计算路径、控制努力、恢复或任何其他与导航相关的任务。这些单独的服务器通过ROS接口(如操作服务器或服务)与行为树(BT)通信。一个机器人可能利用多个不同的行为树,以便执行多种独特的任务。

下图将为您展示Nav2的结构。请注意:每个服务器中可能存在多个控制器、规划器和恢复器的插件,并有相匹配的BT插件。这可以用于创建上下文导航行为。如果您想了解此项目与ROS(1)导航之间的比较,请参阅ROS到ROS 2导航。

Nav2的预期输入包括符合REP-105的TF转换、如果使用静态代价地图层则为地图源、BT XML文件以及任何相关的传感器数据源。然后,它将为全向或非全向机器人的电机提供有效的速度指令。我们目前支持所有主要的机器人类型:全向、差分驱动、腿部和阿克曼(类似汽车)基类型!我们支持这些类型的机器人,使用圆形和任意形状的机器人进行SE2碰撞检查。

它具有以下工具:

  • 加载、提供和存储地图(地图服务器)
  • 在地图上对机器人进行定位(AMCL)
  • 在障碍物周围规划从A到B的路径(Nav2 Planner)
  • 控制机器人按照路径移动(Nav2 Controller)
  • 平滑路径规划,使其更连续和可行(Nav2 Smoother)
  • 将传感器数据转换为世界的代价地图表示(Nav2 Costmap 2D)
  • 使用行为树构建复杂的机器人行为(Nav2 Behavior Trees和BT Navigator)
  • 在失败情况下计算恢复行为(Nav2 Recoveries)
  • 按顺序跟随路径点(Nav2 Waypoint Follower)
  • 管理服务器的生命周期和看门狗(Nav2 Lifecycle Manager)
  • 插件,以启用自己的自定义算法和行为(Nav2 Core)
  • 监控即将发生碰撞或危险情况的原始传感器数据(碰撞监视器)
  • Python3 API以Pythonic方式与Nav2交互(简易指挥官)
  • 对输出速度进行平滑处理,以确保指令的动态可行性(速度平滑器)

我们还提供了一组起始插件,以帮助您开始使用。所有插件的列表可以在导航插件页面找到,这些插件涵盖了常见行为和机器人平台类型的算法。

### ROS Nav2 使用指南及常见问题 #### 安装与配置 Nav2 是 ROS2 中用于机器人自主导航的核心组件之一。要安装 Nav2 软件包,可以通过以下命令完成[^1]: ```bash sudo apt install ros-<ros2-distro>-navigation2 sudo apt install ros-<ros2-distro>-nav2-bringup ``` 在安装完成后,需确保正确设置工作空间并编译项目。如果遇到依赖项缺失的情况,可以运行 `rosdep` 来自动解析和安装所需的依赖项。 #### 配置文件说明 Nav2 的核心功能通过一组参数化配置实现。主要涉及以下几个方面: - **地图管理器 (Map Server)**:负责加载静态地图数据。 - **全局路径规划器 (Global Planner)** 和局部路径规划器 (Local Planner):分别计算全局轨迹和实时避障调整。 - **控制器 (Controller)**:执行速度指令控制机器人的移动行为。 这些模块的具体配置通常位于 YAML 文件中,例如 `nav2_params.yaml`。以下是典型的配置片段示例: ```yaml amcl: ros__parameters: use_sim_time: True initial_pose_x: 0.0 initial_pose_y: 0.0 initial_pose_a: 0.0 planner_server: ros__parameters: expected_update_rate: 2.0 planner_plugins: ["GridBased"] ``` #### 常见问题及其解决方案 1. **无法启动 Navigation Stack** 如果在运行 `ros2 launch nav2_bringup bringup_launch.py` 后发现节点未正常启动,可能是由于缺少必要的硬件支持或错误的参数配置所致。建议检查日志输出中的具体报错信息,并验证所使用的传感器驱动程序是否已正确定义。 2. **路径规划失败** 当目标位置不可达或者存在障碍物遮挡时,可能会触发路径规划失败的结果。此时应确认输入的地图质量以及动态障碍检测算法的有效性。另外,适当调节代价函数权重也可能改善性能表现。 3. **CMakeLists.txt 编写不规范引发链接错误** 对于自定义开发场景下的工程移植过程,务必遵循标准实践来维护 CMakeLists.txt 文件结构。比如显式声明依赖库列表、指定消息和服务接口生成规则等操作均不可或缺[^2]。 #### 测试方法推荐 为了评估整个系统的稳定性,在实际部署前应当进行全面的功能测试。利用 Gazebo 或其他模拟工具创建虚拟环境可以帮助快速迭代调试流程。同时也可以借助 rviz 可视化界面观察各子系统之间的交互情况。 ```python import rclpy from geometry_msgs.msg import PoseStamped def send_goal(node, goal_pose): client = node.create_client(SendGoal, '/navigate_to_pose') while not client.wait_for_service(timeout_sec=1.0): pass request = SendGoal.Request() request.pose = goal_pose future = client.call_async(request) if __name__ == '__main__': rclpy.init() node = rclpy.create_node('goal_sender') target = PoseStamped() target.header.frame_id = 'map' target.pose.position.x = 5.0 target.pose.orientation.w = 1.0 send_goal(node, target) rclpy.spin_until_future_complete(node, future) ``` 上述脚本展示了如何向导航堆栈发送目的地请求的一个简单例子。
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