4. 导航栈全景

移动机器人自主导航通常分解为感知、定位、建图、规划、控制、编排六个协作子系统。本章给出 Autonomy 导航栈的全景视图与各层职责。

4.1 导航子问题

子问题

英文

Autonomy 模块

典型频率

感知

Perception

perception

10–30 Hz

定位

Localization

localization

10–50 Hz

建图

Mapping

map

1–10 Hz

全局规划

Global Planning

planning

1–5 Hz

局部控制

Local Control

control

10–50 Hz

任务编排

Orchestration

navigator

事件驱动

4.2 导航栈流水线

传感器 激光 / 相机 / IMU → obstacle_layer
定位 Atlas / AMCL → TF map→odom
先验地图 PGM / SLAM 图 → static_layer
融合与膨胀后生成 Costmap2D （static + obstacle + inflation） ↓ 规划环境模型
L1
编排层
navigator
事件驱动
职责
  • 解析导航目标，维护任务状态机
  • BT 协调规划 / 控制 / 恢复
  • TF 丢失时局部生存模式
navigate_to_pose RecoveryNode PipelineSequence
规划请求
L2
全局规划
planning
1–5 Hz
navfn_planner dijkstra_planner theta_star_planner IsPathValid
Path
L3
局部控制
control
10–50 Hz
FollowPath GoalChecker VelocitySmoother cmd_vel

4.3 坐标系约定

坐标系

典型名称

来源

用途

全局

map

定位 / SLAM

全局规划、目标点

里程计

odom

轮速计 / IMU 积分

局部平滑、短期参考

机器人

base_link

机器人本体

控制、传感器外参

TF 链：map → odom → base_link。配置在 config/common.lua 的 global_frame / robot_base_frame。

4.4 一次导航的数据路径

1. 用户下发 Goal (map 系 PoseStamped)
2. navigator: TransformAvailable 检验 TF
3. planning:  GetPlan(start, goal) → Path
4. smoother:  SmoothPath（可选）
5. planning:  IsPathValid(path)
6. control:   FollowPath(path) → cmd_vel 循环
7. GoalChecker 判定到达 → SUCCESS

直驱模式（当前 Autonomy 默认）仅执行步骤 1–3，不进入 FollowPath 循环。

4.5 与 Navigation2 对照

Nav2 包

Autonomy

说明

nav2_bt_navigator

navigator

行为树编排

nav2_planner

planning

全局规划

nav2_controller

control

局部控制

nav2_costmap_2d

map/costmap_2d

代价地图

nav2_amcl

localization（AMCL 待集成）

定位

nav2_msgs

commsgs

消息

4.6 模块深入阅读

主题

文档

定位

06 Localization

地图

07 Mapping

规划

08 Planning

控制

09 Control

编排

16 Navigator

4.7 相关文档