Navigation Stack

Navigation Stack是一个ROS的metapackage，里面包含了ROS在路径规划、定位、地图、异常行为恢复等方面的package，其中运行的算法都堪称经典。Navigation Stack的主要作用就是路径规划，通常是输入各传感器的数据，输出速度。一般我们的ROS都预装了Navigation。 Navigation Stack的源代码位于https://github.com/ros-planning/navigation，包括了以下几个package：

工作框架

上图中位于导航功能正中心的是 move_base 节点，可以理解为一个强大的路径规划器，在实际的导航任务中，你只需要启动这一个node，并且给他提供数据，就可以规划出路径和速度。 move_base 之所以能做到路径规划，是因为它包含了很多的插件，像图中的白色圆圈 global_planner、local_planner 、global_costmap、local_costmap、 recovery_behaviors。这些插件用于负责一些更细微的任务：全局规划、局部规划、全局地图、局部地图、恢复行为。而每一个插件其实也都是一个package，放在Navigation Stack里。 关于move_base我们后面会进一步介绍，先来看看 move_base外围有哪些输入输出。

输入

• /tf :提要提供的tf包括 map_frame 、 odom_frame 、 base_frame 以及机器人各关节之间的 完成的一棵tf树。
• /odom :里程计信息
• /scan 或 /pointcloud :传感器的输入信息，最常用的是激光雷达 (sensor_msgs/LaserScan类型)，也有用点云数据(sensor_msgs/PointCloud)的。
• /map ：地图，可以由SLAM程序来提供，也可以由 map_server 来指定已知地图。

以上四个Topic是必须持续提供给导航系统的，下面一个是可随时发布的topic：

• move_base_simple/goal :目标点位置。

有几点需要注意： 1.move_base并不会去发布tf，因为对于路径规划问题来说，假设地图和位置都是已知的，定位和建图是其他节点的事情。 2.sensor_topics一般输入是激光雷达数据，但也有输入点云的情况。 3.图中map_server是灰色，代表可选，并不表示 /map 这个topic是可选，必须提供地图给move_base。

输出

/cmd_vel : geometry_msgs/Twist 类型，为每一时刻规划的速度信息。

move_base与插件

move_base算得上是Navigation中的核心节点，之所以称之为核心，是因为它在导航的任务中处于支配地位，其他的一些package都是它的插件。 来看这张图

move_base要运行起来，需要选择好插件，包括三种插 件： base_local_planner 、 base_global_planner 和 recovery_behavior ，这三种插件都得指 定，否则系统会指定默认值。

base_local_planner插件：

• base_local_planner: 实现了Trajectory Rollout和DWA两种局部规划算法
• dwa_local_planner: 实现了DWA局部规划算法，可以看作是base_local_planner的改进版 本

base_global_planner插件：

• parrot_planner: 实现了较简单的全局规划算法
• navfn: 实现了Dijkstra和A*全局规划算法
• global_planner: 重新实现了Dijkstra和A*全局规划算法,可以看作navfn的改进版

recovery_behavior插件：

• clear_costmap_recovery: 实现了清除代价地图的恢复行为
• rotate_recovery: 实现了旋转的恢复行为
• move_slow_and_clear: 实现了缓慢移动的恢复行为

除了以上三个需要指定的插件外，还有一个costmap插件，该插件默认已经选择好，无法更改

以上所有的插件都是继承于 nav_core 里的接口， nav_core 属于一个接口package，它只定义了三种插件的规范，也可以说定义了三种接口类，然后分别由以上的插件来继承和实现这些接口。因此如果你要研究路径规划算法，不妨研究一下 nav_core 定义的路径规划工作流程，然后仿照 dwa_local_planner 或其他插件来实现。

除了以上三个需要指定的插件外，还有一个costmap插件，该插件默认已经选择好，默认即为costmap_2d，不可更改，但costmap_2d提供了不同的Layer可以供我们设置

costmap

costmap是Navigation Stack里的代价地图，它其实也是move_base插件，本质上是C++的动态链接库，用过catkin_make之后生成.so文件，然后move_base在启动时会通过动态加载的方式调用其中的函数

代价地图

之前我们在介绍SLAM时讲过ROS里的地图的概念，地图就是 /map 这个topic，它也是一张图片，一个像素代表了实际的一块面积，用灰度值来表示障碍物存在的可能性。然而在实际的导航任务中，光有一张地图是不够的，机器人需要能动态的把障碍物加入，或者清楚已经不存在的障碍物，有些时候还要在地图上标出危险区域，为路径规划提供更有用的信息、 因为导航的需要，所以出现了代价地图。你可以将代价地图理解为，在 /map 之上新加的另外几层地图，不仅包含了原始地图信息，还加入了其他辅助信息。

代价地图有一下特点： １．首先，代价地图有两张，一张是 local_costmap ，一张是 global_costmap ，分别用于局部路径规划器和全局路径规划器，而这两个costmap都默认并且只能选择 costmap_2d 作为插件。 ２. 无论是 local_costmap 还是 global_costmap ，都可以配置他们的Layer，可以选择多个层次。costmap的Layer包括以下几种：

• Static Map Layer：静态地图层，通常都是SLAM建立完成的静态地图。
• Obstacle Map Layer：障碍地图层，用于动态的记录传感器感知到的障碍物信息。
• Inflation Layer：膨胀层，在以上两层地图上进行膨胀（向外扩张），以避免机器人的外壳会撞上障碍物。
• Other Layers：你还可以通过插件的形式自己实现costmap，目前已有 Social Costmap Layer 、 Range Sensor Layer 等开源插件。