簡單來說，里程計的作用就是估計機器人運動的距離和速度,。通過閱讀源碼可以得知,，在ROS Navigation Stack中，里程計信息有兩個作用,，一個作用是提供給局部規(guī)劃器,，當局部規(guī)劃器選取最優(yōu)路徑和判斷機器人是否停止的時候會使用到里程計的速度信息，另一個作用就是將估計位姿信息用于定位,。

nav_msgs/Odometry.msg

激光雷達也可以感知到環(huán)境中障礙物的位置,，通過將障礙物加入到代價地圖中,，實現(xiàn)避障。具體使用哪幾種傳感器,，依賴于使用的機器人平臺,。理論上來說，使用的傳感器種類越多,，定位和避障的效果更好,。

tf是一個讓用戶隨時間跟蹤多個參考系的功能包，它使用一種樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，根據(jù)時間緩存并維護多個參考系之間的坐標變換關(guān)系,，可以幫助用戶在任意時間，將點,、向量等數(shù)據(jù)的坐標,，在兩個參考系中完成坐標變換。

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map_server在ROS Navigation Stack中是可選的，其主要的作用就是給機器人導(dǎo)航提供地圖,。提供地圖有兩種方式,，一種方式是通過SLAM提供實時地圖，另一種方式是提供SLAM提前建立并保存或者通過其他方式制作的地圖,，常用的SLAM算法有g(shù)mapping和hector_slam等。

一般在比較規(guī)則的場景,，可以制作高精度地圖提供給機器人,，定位和規(guī)劃都會有比較好的效果。通過SLAM提供實時地圖,，需要把實時地圖以話題的形式發(fā)布,。通過map_server提供的地圖為pgm格式，通過加載yaml配置文件,，將地圖以話題的形式加載到系統(tǒng)中,。在yaml文件中可以配置地圖的分辨率，原點以及表示占據(jù)/空閑的概率,。下面為yaml配置文件的內(nèi)容：

amcl是ROS Navigation Stack中唯一指定的定位算法,，全稱為自適應(yīng)蒙特卡洛定位，它是一種用于在二維環(huán)境中移動的機器人的概率定位系統(tǒng),。簡單概括一下它的原理就是通過在全局地圖中撒粒子,，粒子可以理解為機器人的可能位姿。

按照評價標準,，例如激光雷達數(shù)據(jù)與地圖的匹配程度給粒子打分,，分數(shù)越高代表機器人在這個位置的可能性越大，經(jīng)過粒子濾波器以后留下的就是分數(shù)高的粒子了,。

上圖中紅色的粒子簇即為amcl在全局地圖中撒下的粒子,，可以看到一開始的粒子簇集中在給定的起始位姿周圍,，此時的粒子簇還是比較分散的，隨著機器人的移動,，粒子簇逐漸收斂,，定位效果還是不錯的。

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amcl在ROS Navigation Stack中的作用就是輸出map->odom的tf變換,，來彌補里程計的漂移誤差,，它要求在機器人的定位系統(tǒng)中要存在里程計位姿估計,，即odom->base_link的tf變換，并給定起始位姿和輸入傳感器數(shù)據(jù),。

costmap_2d功能包提供了一種二維代價地圖的實現(xiàn)方案,，該方案從實際環(huán)境中獲取傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)建二維或三維的柵格占用地圖,，以及基于占用柵格地圖和用戶定義膨脹半徑的二維代價地圖,。該包也支持基于map_server初始化代價地圖，基于滾動窗口的代價地圖,，以及訂閱和配置傳感器話題,。

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move_base是整個ROS Navigation Stack的最頂層,，它將各個功能模塊組合起來,，通過SimpleActionServer接收目標點并完成導(dǎo)航任務(wù)。move_base支持任何遵循在nav_core包中指定的nav_core::BaseGlobalPlanner接口的全局規(guī)劃器和任何遵循在nav_core包中指定的 nav_core::BaseLocalPlanner 接口的局部規(guī)劃器,。

move_base執(zhí)行的流程是通過狀態(tài)機來控制是執(zhí)行規(guī)劃行為還是恢復(fù)行為,，當規(guī)劃失敗就會執(zhí)行恢復(fù)行為，如果所有恢復(fù)行為也都失敗就會退出導(dǎo)航并報告問題。規(guī)劃的流程是通過回調(diào)函數(shù)接收目標點,，同時會有一個線程不斷地跑全局規(guī)劃器,，然后局部規(guī)劃器以一定頻率對規(guī)劃出來的路徑進行跟蹤，計算出速度指令,，最終到達目標點就重置規(guī)劃狀態(tài),。

nav_core功能包為用于導(dǎo)航的機器人行為提供了通用的接口，其中定義了三個抽象類,，分別是BaseGlobalPlanner,、BaseLocalPlanner和RecoveryBehavior。

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局部規(guī)劃器是move_base中最復(fù)雜的部分,，實現(xiàn)局部規(guī)劃器需要繼承nav_core包的BaseLocalPlanner類,。常用的局部規(guī)劃器是dwa_local_planner，dwa_local_planner提供了在二維平面進行局部路徑規(guī)劃的動態(tài)窗口法的實現(xiàn),。動態(tài)窗口法主要是在速度空間中采樣多組速度,，并模擬機器人在這些速度下一定時間內(nèi)的軌跡。在得到多組軌跡以后，對這些軌跡進行評價,，選取最優(yōu)軌跡所對應(yīng)的速度來驅(qū)動機器人運動,。

局部規(guī)劃器的一個基本流程就是讀取局部代價地圖，設(shè)定要跟蹤的全局路徑,，對全局路徑進行分段,，根據(jù)分段的全局路徑的坐標進行局部規(guī)劃，計算機器人每個周期（采樣周期）內(nèi)的線速度,、角速度,，使之盡量符合全局最優(yōu)路徑，并實現(xiàn)實時避障,。

以DWA局部規(guī)劃器為例,，當規(guī)劃全局路徑的線程planThread在控制循環(huán)中輸出新的路徑時，新的路徑將通過setPlan()傳遞給DWAPlannerROS,，直接保存為global_plan_,。如果isGoalReached()返回false，程序繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用computeVelocityCommands(),。

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上圖是move_base默認的恢復(fù)行為的執(zhí)行流程,，可以理解為機器人通過旋轉(zhuǎn)底盤,，來清除代價地圖中的障礙物，經(jīng)過清除以后如果可以找到可走的路徑,，就繼續(xù)導(dǎo)航,，否則認為目標點不可達并報告終止導(dǎo)航任務(wù)。

從源碼來看,，move_base中包括了clear_costmap_recovery,、move_slow_and_clear和rotate_recovery這三個有關(guān)恢復(fù)行為的功能包。clear_costmap_recovery實現(xiàn)的是將給定區(qū)域內(nèi)的障礙物從代價地圖中清除,。

move_slow_and_clear實現(xiàn)的是清除代價地圖中的障礙物,，并在用戶給定的限制速度下移動一定的距離，這可能會導(dǎo)致機器人發(fā)生碰撞,。rotate_recovery實現(xiàn)的是通過使機器人旋轉(zhuǎn)一周來清除代價地圖中的障礙物,。