6. 导航编排综述（Survey）

本文范围：编排谱系、Autonomy 能力边界与选型依据。
形式化见 §0 指南；模块架构见 §1；BT 专题见 §2–§5。

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6.1 综述定位

维度	本文	其他文档
SE(2) 任务形式化、双层 GoalChecker	不展开	§0.3
BtNavigator 分层、tick 时序	不展开	§1、§3 引擎
XML 逐层、插件端口	摘要 + 链接	§2 总览 · §4–§5
编排历史、分类、选型	本文	—
全局路径 / 局部轨迹	摘要	Planning 综述 §6 · Control 综述 §6

建议阅读顺序

角色	路径
选型 / 集成	§6.6 → §6.7 排错对照
BT 定制	§6.3 → §6.5 模式族 → §4
背景调研	§6.4 → §6.5 → §6.9 参考文献

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6.2 Autonomy 能力边界

Autonomy navigator 是 nav2 兼容的 L1 编排层：将用户目标转化为对 planning / control / map 的 Action 调用序列，不实现路径搜索或跟踪律。

1995 BDI/FSM → 2010 ROS move_base → 2018 Nav2 BT → 2022 Groot2 → 2025 Autonomy navigator
                                                                              ├── BT XML（局部生存）
                                                                              ├── 52 插件清单
                                                                              └── 直驱 / BT 双模式

能力	状态	说明
nav2 对齐 BT XML	✅	单点 + 多点 + Groot 模型
RecoveryNode / PipelineSequence	✅ XML	与 Nav2 默认同型
局部生存（TF 丢失）	✅ XML	Autonomy 增强
BtEngine + 52 插件 .so	⏳	待迁回
直驱规划调试	✅	NavigateDirectToPose
HTN / 任务规划器	❌	上层应用
多机 MAPF 编排	❌	需 Fleet 层
LLM 高层任务分解	❌	研究向（见 §6.8）

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6.3 编排范式分类

6.3.1 四维分类法

导航编排
├── 表示：FSM · 行为树 BT · BDI · HTN · 脚本/DSL
├── 反应性：开环脚本 · 每 tick 重检（ReactiveFallback）· 事件驱动 FSM
├── 恢复：硬编码（move_base）· 子树组合（RecoveryNode）· 学习策略
└── 可配置性：编译期 · XML 热替换 · 运行时 Goal 指定树

6.3.2 范式—特性矩阵

范式	代表	可读性	组合性	反应性	恢复扩展	Autonomy
FSM	move_base、早期游戏 AI	状态少时好	差（\(N^2\) 转移）	需显式边	硬编码	历史对照
BT	Nav2、BT.CPP	XML + Groot 高	子树复用	Reactive 节点	RecoveryNode	✅ 目标
BDI	PRS、JAM	信念/意图抽象	中	强	需设计	❌
HTN	SHOP2、ROSPlan	任务分解清晰	强	规划周期	重规划层	❌
脚本	launch + 服务调用	低	弱	弱	手动	直驱近似

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6.4 发展时间轴

按五个历史阶段分块展示里程碑；完整对照见 §6.4.1。

任务表示奠基 · 1980s–1990s

1985

BDI 架构

Belief–Desire–Intention，智能体任务推理

1992

HTN 规划

层次任务网络，分解复合任务

1995

PRS / JAM

反应式规划与 FSM 混合

1998

Gat 综述

移动机器人三层架构：规划/执行/控制

ROS 反应式栈 · 2000s–2010s

2002

Player/Stage

开源机器人中间件先驱

2007

ROS navigation

move_base FSM + global/local planner

2009

actionlib

长时间任务 Action 抽象

2013

ROSPlan

PDDL 任务规划接入 ROS

行为树兴起 · 2005–2018

2005

Façade / Halo

游戏 AI 中 BT 替代 FSM

2012

BT 期刊论文

BT 形式化进入学术主流

2014

BT ≡ FSM 表达力

BT 与 FSM 等价性证明

2018

BT 专著

机器人 BT 系统化教材

Nav2 与工程化 · 2018–2023

2019

Navigation2

ROS 2 导航栈，BT Navigator 为核心

2020

BT.CPP v3

C++17、插件化、黑板

2022

Groot2

BT 可视化编辑与在线监控

2023

ROS 2 导航综述

Nav2 算法与 BT 架构权威梳理

前沿 · 2023–

2023

BT 综述 RAS

机器人/AI 领域 BT 全面调查

2024

LLM + BT

大模型生成/修补行为树

2024

Nav2 Lifecycle

编排与生命周期深度集成

2025+

语义导航编排

VLM 目标 + 经典 BT 执行层

6.4.1 分阶段特征表

阶段	年代	核心矛盾	编排解法	局限
任务表示	1980s–90s	复合任务如何分解	BDI、HTN、三层架构	与运动层耦合弱
ROS 反应式	2000s–10s	实时避障 + 全局路径	move_base FSM、actionlib	恢复逻辑难定制
BT 理论	2005–18	FSM 状态爆炸	层次 BT、与 FSM 等价证明	工程库分散
Nav2 工程	2019–23	ROS 2 生命周期 + 可配置	BT Navigator、BT.CPP、Groot2	默认树偏保守
前沿	2023–	自然语言任务 + 安全执行	LLM 规划 + BT 护栏、语义地图	可靠性待验证

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6.5 编排模式族

6.5.1 行为树导航理论与优势

维度	FSM（move_base）	BT（Nav2 / Autonomy）
结构	扁平转移图	层次树 + 子树复用
可读性	状态多时难维护	XML + Groot 可视化
反应性	需显式转移边	ReactiveFallback 每 tick 重检
恢复	recovery_behaviors 硬编码列表	RecoveryNode 参数化子树
定制	改 C++ 重编译	换 XML 或 Goal 指定树

黑板模式：节点通过 \(\mathcal{B} = \{g, p, q_r, \ldots\}\) 共享数据，解耦 Action 与 Condition。详见 §2.3。

6.5.2 标准流水线（Pipeline）

\[ \mathrm{Plan} \xrightarrow{\mathrm{Smooth}} \mathrm{Validate} \xrightarrow{\mathrm{Follow}} \mathrm{Goal} \]

PipelineSequence + RateController：Nav2 与 Autonomy 默认同型。Autonomy 在 ReactiveFallback 内增加 局部生存 分支（TF 丢失时低速运动 + 重定位），见 §4。

6.5.3 恢复层级

级别	触发	动作	Autonomy
L0 上下文	单节点 FAILURE	清局部图 + Wait	LocalSurvival 内
L1 导航	Pipeline FAILURE	清全局 + BackUp + Spin	NavigationRecovery ×8
L2 航点	多点 FAILURE	清图 + Wait 0.5s	ThroughPoses ×6

6.5.4 ROS 导航栈演进

系统	编排	里程碑意义
ROS 1 move_base	FSM + 恢复行为列表	十年工业标准，恢复难扩展
ROS 2 Nav2	nav2_bt_navigator + XML	可配置、社区插件生态
Isaac Sim / Nav2	同型 BT	仿真—真机同一编排
Autonomy	nav2 对齐 + 局部生存	C++ 栈、进程内 Action

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6.6 Autonomy 编排选型

6.6.1 模式决策树

需要 FollowPath + 恢复？
├── 否 → 直驱模式（规划调试）
└── 是 → 单目标还是多航点？
         ├── 单点 → navigate_to_pose.xml
         │         └── TF 不稳定？→ 增大 local_survival_timeout
         └── 多点 → navigate_through_poses.xml

6.6.2 场景矩阵

场景	模式	关键配置	理由
规划算法调试	直驱	use_bt_navigation = false	跳过 BT
标准室内	BT 单点	默认 XML	完整流水线
定位慢恢复	BT 单点	local_survival_timeout = 180	局部生存
仓库巡检	BT 多点	10 Hz RateController	动态重规划
窄通道	BT + Theta*	planner_selector	任意角路径
动态拥挤	BT 10 Hz 规划	RateController hz=10	快速响应

6.6.3 参数敏感度

参数	过小	过大
bt_loop_duration	tick 延迟	CPU 占用
规划频率 (Hz)	动态障碍反应慢	规划负载高
number_of_retries	轻易放弃	长时间原地恢复
goal_reached_tolerance	难以 SUCCESS	停车精度差

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6.7 Nav2 对照

Nav2 包	Autonomy	关系
nav2_bt_navigator	autonomy/navigator	编排层
nav2_behavior_tree	behavior_tree/plugins	BT 插件
navigate_to_pose Action	NavigateToPoseAction	顶层接口

Nav2 类	Autonomy 类	状态
BehaviorTreeNavigator	BehaviorTreeNavigator<ActionT>	✅
NavigatorMuxer	NavigatorMuxer	✅
BtNavigator	BtNavigator	⏳

Action / 插件对照详见 §1.7 与历史 Nav2 文档。

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6.8 前沿方向

方向	代表工作	与 Autonomy 关系
BT 形式化验证	合成、模型检测	长期：关键安全任务
LLM → BT	自然语言生成 XML / 节点	上层接口，执行层仍用 BT.CPP
VLM + 经典栈	语义目标 → NavigateToPose	Bridge 下发目标位姿
行为树 + 学习恢复	学习何时 Spin/BackUp	研究向，默认仍用规则恢复
多机编排	Fleet / MAPF 上层	超出单机器人 navigator

LLM + BT 的常见分层：大模型负责任务分解与自然语言接口，确定性 BT 负责运动安全与实时反应——与 move_base→Nav2 的「可配置 + 可验证」路线一致，而非端到端替代规划/控制。

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6.9 参考文献

教材与专著

1. Colledanchise & Ögren, Behavior Trees in Robotics and AI (2018)

2. LaValle, Planning Algorithms (2006) — 任务规划章

里程碑论文

年份	论文	贡献
1985	Bratman 意向理论	BDI 哲学基础
1992	Erol et al., HTN	层次任务网络
1995	Rao & Georgeff, BDI	反应式 BDI 智能体
1998	Gat, 三层移动机器人架构	规划/执行/控制分层
2005	Isla, GDC BT 实践	游戏 BT 工程化
2007	Gerkey et al., ROS	机器人操作系统
2012	Champandard, BT 期刊	BT 学术形式化
2014	Marzinotto et al., BT 表达力	BT 与 FSM 等价
2018	Macenski et al., Nav2 白皮书	ROS 2 导航设计
2022	Colledanchise et al., BT 综述	机器人/AI BT 全面调查
2022	Macenski et al., ROS 2 野外应用	ROS 2 生态与 Nav2
2023	Macenski et al., ROS 2 导航综述	Nav2 算法与 BT 章节

工程资源

• Navigation2 · BT Navigator

• BehaviorTree.CPP

• Groot2

• Nav2 默认 BT 详解

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6.10 相关文档

• §0 指南 · §1 架构 · §2 BT 总览

• 行为树引擎 · 单点 BT · 插件

• Planning 综述 · Control 综述