ROS Navigation系統詳解

一、ROS Navigation系統概述

ROS Navigation系統是基於ROS（Robot Operating System）的導航軟件，它主要包括機器人定位（localization）、路徑規劃（path planning）、避障（obstacle avoidance）等功能。它提供了一些常用的算法和接口，可以用於構建任意類型的機器人，從移動機器人到無人機，甚至船隻或地下挖掘機。

ROS Navigation系統的核心在於 costmap 和 move_base 節點。 Costmap 通過激光雷達或Kinect等傳感器建立靜態和動態的環境地圖，以幫助機器人感知環境，move_base節點則負責確定機器人的路徑，並將其移動到目標位置。

Costmap是一個雙層數據結構，上層為全局代價地圖，下層為局部代價地圖。全局代價地圖通常用於長路徑規劃，局部代價地圖則用於短路徑規劃和避障。在ROS Navigation系統中，機器人所處的位置由AMCL（Adaptive Monte Carlo Localization）節點確定，AMCL是一個概率定位包，與機器人傳感器得到的數據相結合，可以估計機器人的準確位置。

二、ROS Navigation系統的應用

ROS Navigation系統可以應用於移動機器人，無人機和其他自主導航機器人，為機器人導航提供了基本的算法和工具。在以下應用中，ROS Navigation系統被廣泛使用：

1. 自主導航機器人

通過 ROS Navigation 系統的 costmap 和 move_base 節點，自主導航機器人可以實現路徑規劃和自主避障。機器人可以利用傳感器進行環境感知，建立環境地圖並生成機器人的全局路徑和局部路徑。

roslaunch robot_navigation move_base.launch 

2. 無人機路徑規劃

ROS Navigation 系統可用於無人機的路徑規劃。它傳入無人機的目標位置和無人機當前位置，並生成一條符合安全、障礙物避免等條件的路徑，並輸出給無人機控制系統。

roslaunch uav_navigation move_base.launch 

3. 自動駕駛汽車

ROS Navigation 系統可以幫助自動駕駛汽車進行路徑規劃，根據車輛的實時位置以及預期目標位置計算出符合安全、障礙物避難等條件的路徑，幫助自動駕駛汽車完成行駛任務。

roslaunch car_navigation move_base.launch 

三、ROS Navigation系統中的costmap

ROS Navigation系統中的 costmap 是一個雙層的數據結構，它由兩個不同的層次組成：全局代價地圖和局部代價地圖。全局代價地圖通常是由靜態地圖生成的，而局部代價地圖當前是由機器人傳感器的數據實時生成的。

代價值（cost）是一種指示障礙物、地形、可行駛區域的數值。全局代價地圖和局部代價地圖都可以包含各自的代價值。代價數值越大，意味着越難以通過，例如，一個數值為 254 的像素可以表示一個不可通行的區域。

在 ROS Navigation系統中，costmap 利用機器人激光雷達或Kinect等傳感器數據創建環境地圖，其中的代價值由社區預定義。如果代價值為0則表示是空地，如果代價值大於0並且小於255，則表示有障礙物。在全局路徑規劃中，costmap為規劃器提供環境信息，規劃器按照代價值得大小將地圖分為高代價區域和低代價區域。高代價區域通常包括不可通過的區域，低代價區域則表示機器人可以通過的區域。

rosrun costmap_2d costmap_2d_node

四、ROS Navigation系統中的move_base

ROS Navigation系統中的move_base節點是整個導航系統的決策器。它提供了一個確保機器人目標到達的接口，並實時更新機器人的全局路徑和局部路徑。

move_base的算法結構如下：

1. 利用機器人的傳感器數據創建 costmap, 包括全局代價地圖和局部代價地圖

2. 定位機器人當前的位置，並使用先驗知識（例如地圖）校正機器人位置的估計值。

3. 從當前位置到目標位置進行規劃，並生成全局路徑。

4. 利用全局路徑生成局部路徑表示當前應該走的下一個方向。

5. 進行避障，使移動距離最優。

6. 發送機器人控制命令，使機器人運動到下一個位置，並重複步驟2-5，直到到達目標位置。

rosrun move_base move_base

五、ROS Navigation系統中的AMCL定位

AMCL是ROS Navigation系統中定位功能的核心。在機器人移動中，機器人需要能夠實時感知周圍環境和對自身狀態進行估計，而AMCL提供了對機器人位置估計的相關功能。

AMCL將傳感器數據和先驗地圖相結合，利用概率濾波算法，獲得最優的機器人狀態估計

rosrun amcl amcl

六、總結

ROS Navigation系統是一個基於ROS的開源導航軟件，對於機器人實現智能化導航至關重要。costmap和move_base是ROS Navigation系統的核心組件，它們可以用於構建各種類型的機器人，通常用於移動機器人，無人機和自動駕駛汽車等應用中。

ROS Navigation系統使用簡單，API清晰明確，提供了常用的算法和接口，可以快速構建自主導航機器人。但同時也存在一些挑戰，例如，robustness和魯棒性需要進行更進一步的研究。