【ROS】ROS2导航Nav2：简介、安装、测试效果、错误处理

1、简介

在ROS2中自动导航使用Nav2来实现。
Nav2 使用几个独立的模块化服务，通过 ROS 2接口（例如动作服务器或服务）与行为树 (BT) 通信。
Nav2 输入包括：TF转换、一个地图源、一个行为树 (BT) XML 文件和相关的传感器数据源;
Nav2 输出速度命令;
Nav2 支持多种机器人，比如：四足机器人、履带机器人、轮式机器人等

2、概念

1）动作服务器（Action Server）：由话题和服务协作完成，例如：开始执行动作、动作是否响应、传输执行动作时的过程数据、动作完成反馈等。
2）生命周期节点（Lifecycle Nodes）：管理ROS2系统中的节点生命周期，比如节点的启动、未激活、激活、关闭等行为
3）行为树（BT，Behavior Trees）：创建了一个更具可扩展性和人类可理解的框架，用于定义多步骤或多状态应用程序，构建复杂的机器人行为
4）Planner：路径规划，比如，最短路径、路径全覆盖、预定义路径
5）Controller：控制，ROS1中称为本地规划，比如，解决动态障碍物的情况
6）Smoother：平滑器，减少不规则路径，比如突然旋转等情况
7）Recovery：恢复，当机器人遇到复杂障碍物或者控制算法有bug时，导致机器人卡住不动，可以执行原地倒退或旋转等操作，来恢复自主导航；实在不行，给操作者发求救信息
8）Waypoint Following：航点跟随，即导航到达多个目的地
9）REP-105：一个标准，定义机器人导航所需的位置、姿态的框架和约定，比如至少需要的功能包：map -> odom -> base_link -> [sensor frames]
10）Odometry：里程计，里程计使用激光雷达、雷达、车轮编码器、VIO 或 IMU等信息，为机器人提供局部坐标系
11）Global Positioning：全球定位，包括GPS、SLAM等，提供全局坐标，并解决里程计的漂移
12）Costmap：代价地图，用相机或深度传感器检测和跟踪场景中的障碍物，避免碰撞
13）Costmap Filters：代价地图过滤器，使机器人不会进入禁区、限制机器人速度、使机器人进入首选通道等

3、Navigation和Nav2的区别

3.1 升级包

Navigation	Nav2
amcl	nav2_amcl
map_server	nav2_map_server
global_planner	nav2_planner
local_planner	nav2_controller
Navfn	nav2_navfn_planner
DWA	DWB（av2_dwb_controller metapackage）
nav_core	nav2_core
costmap_2d	nav2_costmap_2d

3.2 Nav2新增加的包

nav2_bt_navigator：			替换move_base状态机
nav2_lifecycle_manager：	处理服务器程序生命周期
nav2_waypoint_follower：	可以通过接收多个航点来执行复杂的任务
nav2_system_tests：			一套CI集成测试和模拟基础教程
nav2_rviz_plugins：			一个 rviz 插件，用于控制 Navigation2 服务器、命令、取消和导航
navigation2_behavior_trees：用于调用 ROS 动作服务器的行为树库的包装器

4、Nav2框架

5、安装

安装Nav2及示例turtlebot3
注意：本人的环境为ubuntu22.04，需要各位同学根据自己的环境来修改版本号-humble

sudo apt install ros-humble-navigation2
sudo apt install ros-humble-nav2-bringup
sudo apt install ros-humble-turtlebot3-gazebo

6、运行示例

在终端中执行：

source /opt/ros/humble/setup.bash
export TURTLEBOT3_MODEL=waffle
export GAZEBO_MODEL_PATH=$GAZEBO_MODEL_PATH:/opt/ros/humble/share/turtlebot3_gazebo/models
ros2 launch nav2_bringup tb3_simulation_launch.py headless:=False

注意：参数headless默认为真；如果未设置为 false，则不会启动 gzclient（3d 视图）
启动成功后，会出现如下界面：

点击按钮“2D Pose Estimate”来设置初始姿势

点击按钮“Nav2 goal”来设置运动的目标

设置好目标，就开始自动导航了

7、错误处理

1）如果左下角的按键“Pause、Startup”不能点，Navigation状体为Error，并且在终端报错：

……tf error: Invalid frame ID "odom" passed to canTransform argument target_fra……

可以点击左下角Reset按键来重置RViz

2）如果没有启动，点击“Startup”

8、RViz使用

参见：【ROS】RViz使用详解
下面补充工具栏的几个按钮的说明

Move Camera		：移动相机工具。使用此工具可以通过鼠标拖动来移动相机视角，从不同角度查看场景
Select			：选择工具。使用此工具可以选择和操作RViz中的对象，如机器人模型、传感器数据等
Focus Camera	：调整相机的焦点
Measure			：用于测量3D场景中物体的尺寸、距离和角度。
2D Pose Estimate：2D姿态估计工具。使用此工具可以通过在地图上点击来估计机器人的2D姿态，用于定位和导航。
Publish Point	：发布点工具。使用此工具可以通过在RViz中点击来发布一个点消息，用于标记感兴趣的位置或目标点。
2D Goal Pose	：2D导航目标工具。使用此工具可以通过在地图上点击来设置机器人的2D导航目标，用于路径规划和导航。
Nav2 Goal		：用于设置机器人的目标点
Interact		：Interact按钮用于启用或禁用交互模式
+				：用于添加工具栏按钮
-				：用于删除工具栏按钮

2D Goal Pose和Nav2 Goal按钮都用于设置导航目标点，区别如下：

• 2D Goal Pose按钮：简单的目标设置功能，适用于基本的导航任务，不需要考虑避障和路径规划等复杂问题。

• Nav2 Goal按钮：是ROS Navigation2软件包中的一个功能，提供了更高级的目标设置选项。
  通过这个按钮，用户可以设置更复杂的导航目标，例如指定一个目标点、一个目标姿态或一个目标区域。Nav2 Goal按钮还提供了更多的导航参数设置选项，例如路径规划算法、避障策略等。这个按钮适用于需要更高级导航功能的场景，例如导航到一个特定的姿态或避开障碍物。