ROS教程17：Navigation / move_base——从定位、Costmap、Planner 到 cmd_vel

摘要：把 AMCL、TF、里程计和激光观测接入 move_base，理解 global/local costmap、Navfn、DWA 与 cmd_vel 的真实数据依赖，并完成阶段 C 的 AGV 导航闭环。

文章目录

[ROS教程17：Navigation / move_base------从定位、Costmap、Planner 到 cmd_vel](#ROS教程17：Navigation / move_base——从定位、Costmap、Planner 到 cmd_vel)
- [1. move_base 是什么：它不是一种规划算法](#1. move_base 是什么：它不是一种规划算法)
- - [什么时候使用 move_base](#什么时候使用 move_base)
- [2. 为什么 planner 不能直接拿 `/map` 和 `/scan` 算 `/cmd_vel`](#2. 为什么 planner 不能直接拿 /map 和 /scan 算 /cmd_vel)
- [3. Costmap 是什么：不是另一张 SLAM 地图](#3. Costmap 是什么：不是另一张 SLAM 地图)
- [4. Layered Costmap：StaticLayer、ObstacleLayer、InflationLayer 各干什么](#4. Layered Costmap：StaticLayer、ObstacleLayer、InflationLayer 各干什么)
- - [4.1 StaticLayer：把已有地图变成导航基础环境](#4.1 StaticLayer：把已有地图变成导航基础环境)
  - [4.2 ObstacleLayer：把实时传感器观测变成障碍物](#4.2 ObstacleLayer：把实时传感器观测变成障碍物)
  - [4.3 obstacle_range 与 raytrace_range 分别控制什么](#4.3 obstacle_range 与 raytrace_range 分别控制什么)
  - [4.4 InflationLayer：为什么障碍物周围还有一圈代价](#4.4 InflationLayer：为什么障碍物周围还有一圈代价)
- [5. footprint 是什么：planner 不能把 AGV 当作一个点](#5. footprint 是什么：planner 不能把 AGV 当作一个点)
- [6. 为什么有 global costmap 和 local costmap 两套](#6. 为什么有 global costmap 和 local costmap 两套)
- - [6.1 Global Costmap：回答"整张地图上应该往哪走"](#6.1 Global Costmap：回答“整张地图上应该往哪走”)
  - [6.2 Local Costmap：回答"眼前这几米应该怎么走"](#6.2 Local Costmap：回答“眼前这几米应该怎么走”)
- [7. Global Planner 是什么：先决定"走哪条路"](#7. Global Planner 是什么：先决定“走哪条路”)
- - [7.1 Navfn 的原理需要理解到什么程度](#7.1 Navfn 的原理需要理解到什么程度)
  - [7.2 什么时候 global planner 会重新规划](#7.2 什么时候 global planner 会重新规划)
- [8. Local Planner 是什么：决定"下一小段怎么运动"](#8. Local Planner 是什么：决定“下一小段怎么运动”)
- - [8.1 为什么 DWA 需要当前速度](#8.1 为什么 DWA 需要当前速度)
  - [8.2 为什么这里必须把 odom_topic 指到 `/odometry/filtered`](#8.2 为什么这里必须把 odom_topic 指到 /odometry/filtered)
  - [8.3 差速底盘为什么把 y 速度锁为 0](#8.3 差速底盘为什么把 y 速度锁为 0)
- [9. `/cmd_vel` 到底是什么，以及为什么导航闭环还没有在这里结束](#9. /cmd_vel 到底是什么，以及为什么导航闭环还没有在这里结束)
- [10. LaserScan、PointCloud2、Range 在 costmap 中分别怎样使用](#10. LaserScan、PointCloud2、Range 在 costmap 中分别怎样使用)
- - [10.1 LaserScan](#10.1 LaserScan)
  - [10.2 PointCloud2](#10.2 PointCloud2)
  - [10.3 Range](#10.3 Range)
- [11. 实现 ros1_navigation_lab](#11. 实现 ros1_navigation_lab)
- [12. 导航实验为什么故意让 `/map` 和真实环境有一点不同](#12. 导航实验为什么故意让 /map 和真实环境有一点不同)
- [13. 启动前先补齐 Navigation 依赖](#13. 启动前先补齐 Navigation 依赖)
- [14. 构建第 17 章 package](#14. 构建第 17 章 package)
- [15. 一次启动完整 Navigation 链](#15. 一次启动完整 Navigation 链)
- [16. 第一轮观察：先确认输入齐全，再发导航目标](#16. 第一轮观察：先确认输入齐全，再发导航目标)
- [17. 在 RViz 里分别看四类信息](#17. 在 RViz 里分别看四类信息)
- - [17.1 Static Map](#17.1 Static Map)
  - [17.2 Global Costmap](#17.2 Global Costmap)
  - [17.3 Local Costmap](#17.3 Local Costmap)
  - [17.4 Global Plan 与 Local Plan](#17.4 Global Plan 与 Local Plan)
- [18. 发一个真正的导航目标](#18. 发一个真正的导航目标)
- [19. 为什么一个上游错误会表现成"导航算法不正常"](#19. 为什么一个上游错误会表现成“导航算法不正常”)
- - [19.1 `map -> odom` 错：全局位置整体错位](#19.1 map -> odom 错：全局位置整体错位)
  - [19.2 `odom -> base_link` 抖动：局部控制直接受影响](#19.2 odom -> base_link 抖动：局部控制直接受影响)
  - [19.3 `laser_link` TF 错：障碍物被投影到错误位置](#19.3 laser_link TF 错：障碍物被投影到错误位置)
  - [19.4 timestamp / TF 不匹配：有 Topic 不等于 costmap 真正使用了数据](#19.4 timestamp / TF 不匹配：有 Topic 不等于 costmap 真正使用了数据)
  - [19.5 footprint 错：软件认为能过，真实车却过不去](#19.5 footprint 错：软件认为能过，真实车却过不去)
  - [19.6 `/cmd_vel` 正常但车走错：继续向下追 Driver](#19.6 /cmd_vel 正常但车走错：继续向下追 Driver)
- [20. 一张表把阶段 C 的排障入口固定下来](#20. 一张表把阶段 C 的排障入口固定下来)
- [21. global/local costmap 与 planner 的使用场景怎样选择](#21. global/local costmap 与 planner 的使用场景怎样选择)
- [22. 阶段 C 到这里形成了什么完整能力](#22. 阶段 C 到这里形成了什么完整能力)

第 13～16 章已经分别建立了移动机器人导航上游最关键的几条数据链：

text 复制代码

第 13 章：TF / tf2
map -> odom -> base_link -> sensor

第 14 章：URDF + robot_state_publisher
base_link -> laser_link / imu_link / wheel_link

第 15 章：robot_localization
/odom/raw + /imu/data_raw
        -> /odometry/filtered
        -> odom -> base_link

第 16 章：AMCL
/map + /scan + odom + TF
        -> map -> odom

到这里，机器人已经能够回答：

text 复制代码

我在地图哪里？
我现在怎么运动？
周围哪里有障碍物？

但还没有回答最后一个问题：

text 复制代码

给定一个目标点，我应该怎样安全地走过去？

第 17 章把这些上游结果接入 ROS1 Navigation Stack。核心链路是：

text 复制代码

localization
    -> costmap
    -> global planner
    -> local planner
    -> /cmd_vel

先从完整数据依赖看这一章真正连接了哪些上游和下游模块：

图中最重要的不是模块数量，而是两条不同职责的链：global costmap 在 map 中承接全局定位结果，local costmap 在 odom 中承接连续局部运动；两者最终都影响 DWA 输出的 /cmd_vel，底盘反馈又重新进入状态估计。

本章不会回到"怎样写激光雷达 Driver"，也不会推导 Dijkstra、DWA 的完整数学证明。重点是理解每一个组件是什么、解决什么问题、基本原理、输入输出、怎样配置、什么场景使用，以及上游数据错误怎样沿导航链传播。

配套 package：

text 复制代码

/workspace/ros_ws/src/ros1_navigation_lab

本章完成后，阶段 C 的 AGV 数据链路与 Navigation 到此结束。

1. move_base 是什么：它不是一种规划算法

第一次接触 ROS1 Navigation 时，很容易把 move_base 理解成"路径规划算法"。实际上它更接近一个导航编排器。

move_base 自己负责把以下组件组织在一起：

text 复制代码

导航目标
  |
  v
全局 Costmap ----> Global Planner
                     |
                     v
                  全局路径
                     |
                     v
局部 Costmap ----> Local Planner
                     |
                     v
                  /cmd_vel

它通过插件接口加载具体 planner，例如本章使用：

text 复制代码

Global Planner：navfn/NavfnROS
Local Planner ：dwa_local_planner/DWAPlannerROS

因此必须区分：

名称	本章中的职责
`move_base`	管理导航目标、costmap、planner 和导航状态
`NavfnROS`	根据全局 costmap 求一条从当前位置到目标点的路径
`DWAPlannerROS`	根据局部环境和机器人当前运动状态计算下一条速度命令
`/cmd_vel`	local planner 输出给底盘的期望速度，不是电机 PWM，也不是轮速反馈

官方 API 中，MoveBase 同时依赖 nav_core::BaseGlobalPlanner、nav_core::BaseLocalPlanner 和两套 costmap_2d::Costmap2DROS，正好说明 move_base 的角色是装配和调度这些模块，而不是把所有算法写死在一个类中。

参考：

https://docs.ros.org/en/api/move_base/html/move__base_8h.html

什么时候使用 move_base

move_base 适合经典 ROS1 二维移动底盘导航：

text 复制代码

二维或近似二维环境
+ 已有地图或可构造二维 costmap
+ 能提供机器人位姿
+ 能提供障碍物观测
+ 底盘接受 geometry_msgs/Twist

对于本系列的差速 AGV，这正是需要的接口形态。

2. 为什么 planner 不能直接拿 `/map` 和 `/scan` 算 `/cmd_vel`

如果只有静态 /map，系统只知道建图时环境是什么样：

text 复制代码

/map
  -> 墙
  -> 固定设备
  -> 建图时已经存在的障碍

如果只看 /scan，系统又只能知道机器人此刻附近看到了什么：

text 复制代码

/scan
  -> 当前附近墙体
  -> 临时箱子
  -> 新出现的托盘
  -> 人或其它移动物体的瞬时观测

同时，planner 还必须考虑机器人自身尺寸。如果只把机器人当成一个点，即使路径中心线没有撞墙，机器人两侧也可能已经发生碰撞。

因此 Navigation Stack 先把这些信息转换为统一的数据结构：

text 复制代码

Costmap

Costmap 是 planner 和真实世界之间的"风险表达层"。

3. Costmap 是什么：不是另一张 SLAM 地图

costmap_2d 可以理解为二维栅格代价地图。每个栅格不再只表达"占据 / 空闲"，而是表达：

text 复制代码

机器人经过这个位置的代价有多高？

典型语义包括：

text 复制代码

自由空间
    -> 可以经过

障碍物
    -> 不能经过

靠近障碍物的区域
    -> 可以计算，但代价逐渐升高

未知区域
    -> 是否允许进入由配置决定

这和第 16 章的 /map 有明显区别：

`/map`	costmap
`nav_msgs/OccupancyGrid` 静态环境表达	Navigation 内部使用的可更新代价格网
主要来自 SLAM / map_server	可以由多层数据共同合成
不直接表达机器人安全余量	可以通过 footprint + InflationLayer 表达碰撞和安全距离
临时障碍通常不在保存地图中	可以实时接收激光或点云更新

Costmap2DROS 内部维护一个 master costmap，各个 layer 把自己的结果更新进去。官方接口也明确把它描述为 2D costmap 的 ROS wrapper，并通过 TF 把障碍物观测转换到 costmap 的参考坐标系。

参考：

https://docs.ros.org/en/latest-available/api/costmap_2d/html/classcostmap__2d_1_1Costmap2DROS.html

4. Layered Costmap：StaticLayer、ObstacleLayer、InflationLayer 各干什么

本章 global costmap 使用三层：

yaml 复制代码

plugins:
  - {name: static_layer, type: "costmap_2d::StaticLayer"}
  - {name: obstacle_layer, type: "costmap_2d::ObstacleLayer"}
  - {name: inflation_layer, type: "costmap_2d::InflationLayer"}

local costmap 使用：

yaml 复制代码

plugins:
  - {name: obstacle_layer, type: "costmap_2d::ObstacleLayer"}
  - {name: inflation_layer, type: "costmap_2d::InflationLayer"}

这三个 layer 的含义不能只记名字。

4.1 StaticLayer：把已有地图变成导航基础环境

StaticLayer 读取地图中的静态占据信息。

本章配置：

yaml 复制代码

static_layer:
  enabled: true
  map_topic: /map
  subscribe_to_updates: false
  track_unknown_space: true

数据关系是：

text 复制代码

map_server
   |
   v
 /map
   |
   v
StaticLayer
   |
   v
global costmap

它解决的问题是：

全局规划不能每次只靠传感器重新观察整栋建筑，应该先利用已有地图中的固定墙体和结构。

适合：

text 复制代码

墙体
固定货架
房间边界
建图阶段已经确认的静态结构

不适合单独承担：

text 复制代码

刚放到通道中的托盘
临时纸箱
移动人员
建图以后新增的设备

这些变化必须由实时传感器层补充。

4.2 ObstacleLayer：把实时传感器观测变成障碍物

本章真正把第 16 章 /scan 接进导航的是 ObstacleLayer：

yaml 复制代码

obstacle_layer:
  observation_sources: laser_scan_sensor

  laser_scan_sensor:
    sensor_frame: laser_link
    data_type: LaserScan
    topic: /scan
    marking: true
    clearing: true

marking 的含义可以先理解为：

text 复制代码

传感器看到这里有障碍
    -> 把对应 costmap cell 标记为障碍

clearing 则是另一半：

text 复制代码

从传感器原点沿测量射线向外 raytrace
    -> 射线穿过的可见空间可以被清除

为什么需要 clearing？

假设一个纸箱之前位于机器人前方：

text 复制代码

机器人 ----> [纸箱]

ObstacleLayer 把它标成障碍。

纸箱被移走后，如果系统只会 marking 而不会 clearing，旧障碍就可能一直留在 costmap 中。射线清除机制让"现在已经能看穿的空间"重新变成可通行区域。

本章激光仿真在没有命中障碍时使用 Inf，所以配置：

yaml 复制代码

inf_is_valid: true

允许 ObstacleLayer 把这类读数按有效的"看到最大距离仍没有障碍"处理，用于 clearing。

ROS1 Noetic 的 ObstacleLayer 源码中同时提供 laserScanCallback()、laserScanValidInfCallback() 和 pointCloud2Callback()，说明 LaserScan 与 PointCloud2 都可以成为这一层的观测源。

参考：

https://docs.ros.org/en/noetic/api/costmap_2d/html/classcostmap__2d_1_1ObstacleLayer.html

4.3 obstacle_range 与 raytrace_range 分别控制什么

本章配置：

yaml 复制代码

obstacle_range: 4.5
raytrace_range: 6.0

可以理解成：

text 复制代码

obstacle_range
    -> 多远以内的命中点允许用于"标记障碍"

raytrace_range
    -> 多远以内的射线允许用于"清除自由空间"

二者不是激光雷达自身 range_max 的替代品。

LaserScan.range_max 是传感器消息的数据契约；obstacle_range / raytrace_range 是 costmap 决定如何使用这份数据的策略参数。

4.4 InflationLayer：为什么障碍物周围还有一圈代价

如果 costmap 只把墙本身标成不可通行：

text 复制代码

自由 自由 自由 障碍 自由 自由

planner 很可能给出一条几乎贴着墙走的路径。

真实机器人有宽度，而且定位、控制和传感器都存在误差，所以通常需要让障碍附近的格子逐渐变"贵"：

text 复制代码

低代价 -> 中代价 -> 高代价 -> 障碍 -> 高代价 -> 中代价

这就是 InflationLayer 的作用。

本章：

yaml 复制代码

inflation_radius: 0.55
cost_scaling_factor: 3.0

inflation_radius 决定障碍影响向外延伸多远；cost_scaling_factor 影响代价随距离衰减的速度。

重要的是：

InflationLayer 不是简单把墙"物理加粗 0.55 m"，而是在障碍周围生成一圈距离相关的代价梯度，planner 再根据这些代价选择更安全的路线。

适合用于：

text 复制代码

希望机器人与墙、货架、设备保持一定余量
避免全局路径长期贴边
让局部轨迹评分对障碍距离敏感

如果 inflation 太大，窄通道会看起来完全不可走；如果太小，规划结果可能离障碍过近。因此它必须结合真实 footprint、通道宽度和定位误差调整。

5. footprint 是什么：planner 不能把 AGV 当作一个点

本章机器人主体约 0.60 m 长，轮组外廓宽度略大于 0.44 m 车体，因此配置一个覆盖整车外廓的矩形：

yaml 复制代码

footprint:
  - [ 0.30,  0.28]
  - [ 0.30, -0.28]
  - [-0.30, -0.28]
  - [-0.30,  0.28]

footprint_padding: 0.02

这些点都位于 base_link 坐标系。

作用是告诉 costmap / local planner：

text 复制代码

机器人不是一个数学点
而是这个多边形区域都会占用空间

实际 AGV 常见来源包括：

text 复制代码

URDF / CAD 外形
底盘保险杠边界
伸出的轮子、叉臂或传感器支架
需要额外保留的碰撞安全余量

footprint 配得过小，会出现"路径看起来没碰撞，但真实车体会刮到障碍物"；配得过大，则可能把本来能通过的走廊判定成不可通行。

6. 为什么有 global costmap 和 local costmap 两套

这是 ROS1 Navigation 最关键的设计之一。

本章配置：

text 复制代码

global costmap：global_frame = map
local costmap ：global_frame = odom

6.1 Global Costmap：回答"整张地图上应该往哪走"

全局 costmap 使用：

yaml 复制代码

global_frame: map
rolling_window: false

因为全局 planner 需要在整张地图上规划路径，所以它需要稳定的全局参考：

text 复制代码

map

机器人在 global costmap 中的位置来自 TF：

text 复制代码

map
  -> odom          AMCL
  -> base_link     robot_localization

因此：

text 复制代码

AMCL 定位错误
    -> map -> odom 错误
    -> global costmap 认为机器人起点错误
    -> global planner 的起点随之错误

6.2 Local Costmap：回答"眼前这几米应该怎么走"

本章 local costmap：

yaml 复制代码

global_frame: odom
rolling_window: true
width: 4.0
height: 4.0

这意味着它不是固定覆盖整张地图，而是保持一个随机器人移动的局部窗口。

为什么使用 odom，而不是 map？

第 16 章已经建立：

text 复制代码

map -> odom
允许因为全局定位修正而变化

odom -> base_link
应该保持局部连续

局部控制器每秒会计算很多次速度命令。如果局部运动参考本身不断因为全局定位修正发生跳动，速度控制就会非常难稳定。

所以经典分层是：

text 复制代码

全局规划关注 map 中的全局正确性
局部控制关注 odom 中的运动连续性

这就是第 16 章 map -> odom -> base_link 分层设计在 Navigation 中真正发挥作用的位置。

7. Global Planner 是什么：先决定"走哪条路"

本章使用：

yaml 复制代码

base_global_planner: navfn/NavfnROS

它的输入可以概括为：

text 复制代码

机器人当前全局位姿
+ 导航目标位姿
+ global costmap

输出是：

text 复制代码

从起点到终点的一串 PoseStamped

也就是一条全局路径。

在本章 RViz 中观察：

text 复制代码

/move_base/NavfnROS/plan

7.1 Navfn 的原理需要理解到什么程度

NavfnROS 是 nav_core::BaseGlobalPlanner 插件的一个实现。在 ROS1 Noetic 的实际 NavfnROS::makePlan() 路径中，它调用 calcNavFnDijkstra(true) 在栅格 costmap 上计算 navigation function；底层 NavFn 类同时保留 calcNavFnAstar() API，但本章配置的 navfn/NavfnROS 主路径使用 Dijkstra。

对工程使用而言，本章保留下面这个心智模型即可：

text 复制代码

costmap 中每个格子都有代价
    -> 从目标/起点传播路径代价
    -> 避开不可通行区域和高代价区域
    -> 回溯得到一条全局路径

所以 global planner 关注的是：

text 复制代码

整个环境中的拓扑和整体路线

而不是直接决定此刻左右轮应该转多快。

参考：

https://docs.ros.org/en/noetic/api/navfn/html/classnavfn_1_1NavFn.html

7.2 什么时候 global planner 会重新规划

本章设置：

yaml 复制代码

planner_frequency: 1.0

意味着存在有效导航目标时，move_base 可以周期性重新进行全局规划。

这对实时障碍物进入 global costmap 很重要。例如：

text 复制代码

/map 中原本没有托盘
       |
       v
/scan 看见临时托盘
       |
       v
global ObstacleLayer 标记障碍
       |
       v
下一次 global planning 使用更新后的 costmap

如果障碍只影响很局部、且局部 planner 可以绕开，全局路径未必每次都需要大幅变化；如果障碍切断原全局路线，就可能需要重新寻找另一条路径。

8. Local Planner 是什么：决定"下一小段怎么运动"

本章使用：

yaml 复制代码

base_local_planner: dwa_local_planner/DWAPlannerROS

Local planner 的输入比 global planner 更接近真实控制：

text 复制代码

当前机器人位姿
+ 当前速度
+ global plan
+ local costmap
+ 速度/加速度约束

它输出：

text 复制代码

geometry_msgs/Twist

最终由 move_base 发布到：

text 复制代码

/cmd_vel

8.1 为什么 DWA 需要当前速度

DWA 的全称是 Dynamic Window Approach。

它并不是在任意速度空间里随便选择一条命令，而是首先根据：

text 复制代码

当前速度
+ 加速度限制
+ 控制周期

得到短时间内机器人实际上能够达到的一组候选速度。

然后对这些候选速度向前模拟轨迹。

可以粗略理解成：

text 复制代码

候选 (vx1, wz1) -> 模拟 1.5 s -> 一条轨迹
候选 (vx2, wz2) -> 模拟 1.5 s -> 一条轨迹
候选 (vx3, wz3) -> 模拟 1.5 s -> 一条轨迹
...

再根据：

text 复制代码

是否碰撞
离 global plan 多远
离目标多远
离障碍物多近
是否存在振荡等问题

对轨迹评分，最终选择一个可执行的速度命令。

官方接口 computeVelocityCommands() 的描述就是根据当前 position、orientation 和 velocity 计算发给底盘的速度命令。

参考：

https://docs.ros.org/en/noetic/api/dwa_local_planner/html/classdwa__local__planner_1_1DWAPlannerROS.html

8.2 为什么这里必须把 odom_topic 指到 `/odometry/filtered`

第 15 章的最终局部状态输出是：

text 复制代码

/odometry/filtered

所以本章明确配置：

yaml 复制代码

DWAPlannerROS:
  odom_topic: /odometry/filtered

这样 DWA 获取的当前速度与本系列最终采用的 robot_localization 状态估计保持一致。

如果仍然使用一个与阶段 C 数据链无关的默认 /odom，就会出现：

text 复制代码

TF 使用一套状态
local planner 的当前速度却使用另一套状态

这会让教程的数据 ownership 重新混乱。

8.3 差速底盘为什么把 y 速度锁为 0

本章配置：

yaml 复制代码

max_vel_y: 0.0
min_vel_y: 0.0
vy_samples: 1

因为普通差速底盘不能像全向轮底盘一样直接横向平移。

候选控制主要是：

text 复制代码

linear.x
angular.z

这也和第 12 章底盘 Driver 的 geometry_msgs/Twist 契约保持一致。

9. `/cmd_vel` 到底是什么，以及为什么导航闭环还没有在这里结束

/cmd_vel 表示机器人期望的车体速度命令，例如：

text 复制代码

linear.x  = 0.25 m/s
angular.z = 0.30 rad/s

它不是：

text 复制代码

左轮 PWM
右轮 PWM
CAN 报文
电机转速反馈

真正的底盘链路仍然是第 12 章建立的：

text 复制代码

/cmd_vel
   |
   v
chassis_driver_node
   |
   +-> 差速逆运动学
   +-> 左右轮目标速度
   +-> 实际硬件协议 / 本教学仿真

同时 Driver 继续反馈：

text 复制代码

/odom/raw
/imu/data_raw

再进入第 15 章：

text 复制代码

robot_localization
    -> /odometry/filtered
    -> odom -> base_link

因此 Navigation 是一个闭环，而不是单向流水线：

text 复制代码

planner
  -> /cmd_vel
  -> chassis
  -> odom / IMU
  -> localization
  -> costmap / planner
  -> 下一条 /cmd_vel

这也是实际 AGV 排障时不能只盯着 planner 的原因。

10. LaserScan、PointCloud2、Range 在 costmap 中分别怎样使用

第 16 章已经讲过 LaserScan 和 3D 多线雷达的数据模型，本章只讨论 Navigation 真正怎样消费它们。

10.1 LaserScan

本实验使用：

text 复制代码

sensor_msgs/LaserScan
Topic: /scan
frame: laser_link

ObstacleLayer 会利用 TF 把扫描数据变换到 costmap 的 global_frame。

所以一帧 /scan 能被 costmap 正确使用至少依赖：

text 复制代码

正确 header.frame_id
正确 header.stamp
对应时间点的 TF 可查询
有效 ranges[]

对于 global costmap，需要能找到：

text 复制代码

map -> ... -> laser_link

对于 local costmap，需要能找到：

text 复制代码

odom -> ... -> laser_link

10.2 PointCloud2

ObstacleLayer 也支持：

text 复制代码

sensor_msgs/PointCloud2

因此真实 AGV 如果把 3D LiDAR 经过地面分割、高度过滤或其它预处理后生成障碍点云，可以把相应 PointCloud2 作为 observation source。

典型使用场景：

text 复制代码

3D LiDAR
  -> 点云过滤
  -> 保留机器人关心高度范围内的障碍点
  -> PointCloud2
  -> ObstacleLayer / VoxelLayer

本章不展开 PCL 和点云字段，那仍属于后面的感知阶段。

10.3 Range

sensor_msgs/Range 常用于超声波、红外等单束或锥形测距传感器。

它并不是本章 costmap_2d::ObstacleLayer 的 LaserScan / PointCloud2 输入类型。ROS1 生态中通常通过独立的 range_sensor_layer costmap plugin 把 Range 数据投影到代价地图。

适合的场景包括：

text 复制代码

近距离盲区补偿
超声波防撞
低成本 IR / sonar 辅助

本实验不安装这一插件，因为当前成功路径已经由 360° LaserScan 闭环；把 Range plugin 加进主流程反而会混淆"标准 ObstacleLayer"和"额外导航层"的边界。

参考：

https://index.ros.org/p/range_sensor_layer/

11. 实现 ros1_navigation_lab

本章新增：

text 复制代码

ros_ws/src/ros1_navigation_lab/
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
├── README.md
├── config/
│   ├── costmap_common.yaml
│   ├── dwa_local_planner.yaml
│   ├── global_costmap.yaml
│   ├── local_costmap.yaml
│   ├── move_base.yaml
│   ├── navigation_world.yaml
│   └── navfn.yaml
├── launch/
│   └── navigation.launch
└── rviz/
    └── navigation.rviz

本章没有新增自定义 C++/Python 导航算法。原因是学习目标不是重写 Navigation Stack，而是让第 13～16 章的输出真正接入 ROS1 已有导航组件，并能够沿 Topic / TF / costmap / planner 追踪数据。

12. 导航实验为什么故意让 `/map` 和真实环境有一点不同

第 16 章保存的 lab_map 仍然作为已有地图：

text 复制代码

/map

第 17 章的 navigation_world.yaml 在相同墙体基础上额外加入：

yaml 复制代码

- [-0.75, -1.0, 0.75, -1.0]

它表示一段建图以后才放进环境中的临时障碍。

因此：

text 复制代码

StaticLayer
    -> 看不到这段临时障碍

ObstacleLayer
    -> /scan 能看到

如果从起点：

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(0, 0)

导航到：

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(0, -2.2)

静态地图中的直线路径并不知道中间多了一段障碍，但是实时 costmap 会把它标出来。

这正好回答一个实际 AGV 问题：

已经有地图了，为什么导航还必须持续读取激光雷达？

因为地图描述的是环境的持久结构，实时传感器负责补上地图建立以后发生的变化。

Dockerfile 新增：

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ros-noetic-move-base
ros-noetic-navfn
ros-noetic-dwa-local-planner

Dockerfile 改动后，需要在 Host 重建镜像：

bash 复制代码

cd /home/wdfk/share/ros1-docker
docker compose up -d --build

进入 Container：

bash 复制代码

docker compose exec ros1-dev bash

本系列没有在聊天环境中执行 Docker rebuild，因此这里是需要在实际开发机执行的步骤，不应把它写成已经验证通过。

14. 构建第 17 章 package

在 Container 中：

bash 复制代码

cd /workspace/ros_ws
source /opt/ros/noetic/setup.bash
catkin build ros1_navigation_lab
source /workspace/ros_ws/devel/setup.bash

如果前面 workspace 已使用 --merge-devel，继续沿用原有 profile，不重新创建另一套 workspace。

确认 ROS 能找到 package：

bash 复制代码

rospack find ros1_navigation_lab

预期路径：

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/workspace/ros_ws/src/ros1_navigation_lab

执行：

bash 复制代码

roslaunch ros1_navigation_lab navigation.launch

这个 launch 一次完成：

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ros1_driver_lab
    -> /odom/raw + /imu/data_raw

robot_localization
    -> /odometry/filtered
    -> odom -> base_link

robot_state_publisher
    -> base_link -> laser_link

simple_laser_world
    -> /scan

map_server
    -> /map

AMCL
    -> map -> odom

move_base
    -> global/local costmap
    -> Navfn
    -> DWA
    -> /cmd_vel

注意 TF ownership 仍然保持：

TF	Owner
`map -> odom`	AMCL
`odom -> base_link`	`robot_localization`
`base_link -> laser_link`	`robot_state_publisher`

move_base 不应该抢着发布这些定位 TF；它是这些 TF 的消费者。

16. 第一轮观察：先确认输入齐全，再发导航目标

查看关键 Topic：

bash 复制代码

rostopic list | grep -E 'map|scan|odom|cmd_vel|move_base|costmap|plan|particle'

至少应能找到本章关键链路中的 Topic，例如：

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/map
/scan
/odometry/filtered
/cmd_vel
/move_base/global_costmap/costmap
/move_base/local_costmap/costmap
/move_base/NavfnROS/plan

确认 TF：

bash 复制代码

rosrun tf tf_echo map base_link

再确认局部连续链：

bash 复制代码

rosrun tf tf_echo odom base_link

只有在定位与传感器链都成立以后，Navigation 的行为才有解释基础。

17. 在 RViz 里分别看四类信息

navigation.rviz 默认打开：

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Static Map
Global Costmap
Local Costmap
LaserScan
RobotModel
TF
Global Plan
Local Plan
AMCL Particle Cloud

观察时不要把这些图层混成"都是地图"。

17.1 Static Map

来源：

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/map

回答：

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已有地图认为环境长什么样？

17.2 Global Costmap

来源：

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StaticLayer + ObstacleLayer + InflationLayer

回答：

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从整张地图角度，目前哪里可以走、哪里代价高？

这里应该能够看到临时障碍对 costmap 的影响，即使它不在静态 /map 中。

17.3 Local Costmap

它是 odom 下跟随机器人移动的滚动窗口。

回答：

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机器人当前附近几米范围内，local planner 认为哪里安全？

17.4 Global Plan 与 Local Plan

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Global Plan
    -> 整体路线

Local Plan
    -> 当前控制周期附近实际选择的短期轨迹

不要把 local plan 理解成第二条独立全局路径。

18. 发一个真正的导航目标

最直观的方法是在 RViz 中使用：

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2D Nav Goal

可以把目标点选在起点下方，例如：

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x = 0.0
y = -2.2

也可以直接发布：

bash 复制代码

rostopic pub -1 /move_base_simple/goal geometry_msgs/PoseStamped \
  "{header: {frame_id: 'map'}, pose: {position: {x: 0.0, y: -2.2, z: 0.0}, orientation: {z: -0.7071068, w: 0.7071068}}}"

发目标以后同时观察：

bash 复制代码

rostopic echo /cmd_vel

以及：

bash 复制代码

rostopic echo /odometry/filtered

这时整个闭环第一次真正跑起来：

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目标
 -> global plan
 -> DWA 选择局部轨迹
 -> /cmd_vel
 -> Driver
 -> odom
 -> EKF
 -> TF / 当前速度
 -> 下一次 local planning

19. 为什么一个上游错误会表现成"导航算法不正常"

Navigation 的很多异常，根因并不在 planner。

这一点是阶段 C 最重要的工程结论之一。

19.1 `map -> odom` 错：全局位置整体错位

如果 AMCL 定位错误：

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AMCL 错
 -> map -> odom 错
 -> map 中 base_link 位姿错
 -> global costmap 机器人位置错
 -> global planner 起点错
 -> 路径可能从错误位置开始

表面现象可能是：

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机器人在 RViz 地图里"飘到墙里"
全局路径起点不在机器人上
规划失败或路线明显不合理

这时继续调 path_distance_bias 没有意义，应该先回到定位链。

19.2 `odom -> base_link` 抖动：局部控制直接受影响

local costmap 和 DWA 依赖局部连续运动。

如果 EKF / odom 异常：

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odom -> base_link 抖动
 -> local costmap 中机器人位姿抖动
 -> 当前速度估计不稳定
 -> DWA 候选速度窗口变化
 -> /cmd_vel 可能抖动、频繁转向或无法找到有效轨迹

所以"AMCL 很准"不能替代好的 odometry。

19.3 `laser_link` TF 错：障碍物被投影到错误位置

例如真实雷达位于机器人前方 0.25 m，但 TF 配置成 0.50 m：

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/scan 本身数值正常
但 sensor -> base_link 几何关系错

结果：

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ObstacleLayer 把障碍标到错误位置
 -> costmap 出现整体偏移
 -> planner 可能错误绕障或靠障碍过近

这类问题不能只通过 rostopic echo /scan 发现，因为消息本身可以完全合法。

19.4 timestamp / TF 不匹配：有 Topic 不等于 costmap 真正使用了数据

ObstacleLayer 使用 message filter 等机制等待对应时间的 TF。

如果：

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/scan 在持续发布
但 header.stamp 对应的 TF 查不到

就可能出现：

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Topic 明明有数据
costmap 却没有正确更新障碍物

因此传感器调试必须一起检查：

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Topic
frame_id
stamp
TF availability

19.5 footprint 错：软件认为能过，真实车却过不去

如果 footprint 小于真实车体：

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costmap / planner：可以通过
真实 AGV：轮子、车壳或货叉已经碰撞

如果 footprint 过大：

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真实 AGV：明明能通过
planner：认为走廊被完全堵死

所以 footprint 是机械尺寸与 Navigation 之间非常直接的接口契约。

19.6 `/cmd_vel` 正常但车走错：继续向下追 Driver

如果：

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/cmd_vel 看起来正确

但真实车方向或速度不对，应继续沿第 12 章的数据链检查：

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Twist
 -> 差速逆运动学
 -> 左右轮符号
 -> 单位
 -> gear ratio
 -> 硬件命令

不能因为命令来自 move_base 就把底盘错误归类成"导航算法问题"。

20. 一张表把阶段 C 的排障入口固定下来

现象	优先观察	首先怀疑的层
`/scan` 有数据但 costmap 没障碍物	`frame_id`、stamp、TF、ObstacleLayer source	Sensor / TF / costmap 配置
global plan 起点不在机器人位置	`map -> base_link`	AMCL / `map -> odom`
全局路径合理但机器人局部抖动	`odom -> base_link`、`/odometry/filtered`、local costmap	Odom / EKF / local planner 输入
机器人总贴墙	footprint、inflation、局部障碍物位置	Robot geometry / costmap
临时障碍完全不起作用	`/scan` 与 obstacle layer	Sensor -> costmap
`/cmd_vel` 一直为空	move_base goal、global plan、local planner 是否找到合法轨迹	Planner / costmap / TF
`/cmd_vel` 正常但底盘方向错误	Driver 输入输出、左右轮符号、单位	Driver / hardware
地图里机器人整体错位	`/amcl_pose`、`map -> odom`	Localization

这张表的用途不是背故障答案，而是确定排查顺序：

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先验证上游数据契约
再看 costmap
再看 planner
最后看 /cmd_vel

不要从最终运动现象直接跳到 planner 参数。

21. global/local costmap 与 planner 的使用场景怎样选择

到这里可以把几个核心组件的"什么时候使用"压缩成下面这张表。

组件	主要问题	典型场景
Global Costmap	整个地图哪里可通行	跨房间、跨走廊、长距离导航
Local Costmap	当前附近哪里安全	实时避障、短时间轨迹控制
StaticLayer	已有地图中的固定结构	墙体、固定货架、房间结构
ObstacleLayer	当前传感器观测到的障碍	临时箱子、人员、建图后新增物体
InflationLayer	与障碍保持合理余量	避免贴墙、给定位和控制误差留空间
Navfn	生成地图级全局路径	二维栅格地图上的经典全局规划
DWA	计算短时间可执行速度	差速/移动底盘实时局部控制和避障
`/cmd_vel`	把导航结果交给底盘	上层 Navigation 与底盘 Driver 的控制接口

任何一个模块都不是孤立的。比如 DWA 本身并不知道 LaserScan 消息格式，它看到的是已经由 local costmap 转换出的障碍代价；Navfn 也不直接订阅 AMCL pose，而是通过 costmap / TF 获得规划所需的机器人全局位置。

这就是"数据依赖"比背 Topic 名更重要的原因。

22. 阶段 C 到这里形成了什么完整能力

阶段 C 从第 13 章开始时，只有一个看起来很简单的问题：

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移动机器人怎样知道自己在哪里并走到目标点？

现在已经可以沿真实 ROS1 数据链回答：

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URDF
 -> 定义机器人 link/joint 与传感器安装几何

Driver
 -> /odom/raw
 -> /imu/data_raw

robot_localization
 -> /odometry/filtered
 -> odom -> base_link

LiDAR
 -> /scan

AMCL
 -> 使用 /map + /scan + odom
 -> map -> odom

Costmap
 -> 把静态地图、实时障碍和机器人 footprint 合成导航代价

Global Planner
 -> 在 global costmap 上生成全局路径

Local Planner
 -> 在 local costmap 上结合当前速度生成可执行局部轨迹

move_base
 -> 发布 /cmd_vel

Driver
 -> 把 Twist 转成底盘执行量

因此阶段 C 最终形成的是一个闭环：

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Sensor / Driver
      -> TF + State Estimation
      -> Localization
      -> Costmap
      -> Global / Local Planner
      -> /cmd_vel
      -> Driver / Chassis
      -> 新的运动与传感器数据

第 18 章不再单独拆"AGV 跨层故障定位"。原计划中的故障矩阵已经并入本章，因为只有看到 Navigation 真正消费这些数据以后，Topic -> TF -> localization -> costmap -> planner -> cmd_vel 的跨层故障传播才具有完整上下文。

后续阶段开始进入点云、相机等感知接口时，不再改变这里建立的基本原则：上游传感器输出首先要满足时间、frame 和数据契约，然后才有资格被定位、costmap、规划或感知算法正确消费。

ROS教程17：Navigation / move_base——从定位、Costmap、Planner 到 cmd_vel