Nav2 导航提速优化

本页记录 OSRacer 源码项目中 commit f5ddd87 引入的关键导航提速改动。

背景

OSRacer 是 Ackermann 转向车辆。很多默认 Nav2 配置更适合小型差速机器人，对于赛车形态的车体来说通常偏保守。

这次优化的目标很明确：

• 降低运动指令链路延迟；
• 让 planner 切换显式化；
• 使用融合里程计作为导航输入；
• 针对实车响应优化 TEB 和 DWB 参数；
• 避免不符合 Ackermann 运动学的 recovery 行为。

改动总览

模块	改动	目的
指令链路	移除 velocity_smoother	降低指令延迟，减少 remap 复杂度
Launch API	新增 planner 参数	通过启动命令切换 TEB 和 DWB
参数文件	默认 params 路径跟随 planner 名称	自动加载 teb_nav2_params.yaml 或 dwb_nav2_params.yaml
里程计	Nav2 输入切换到 odometry/filtered	使用 EKF 融合状态，而不是原始里程计
TEB	提高速度限制并降低优化成本	更快的 car-like 局部规划
DWB	提高速度限制并降低采样成本	更快的基础局部规划
Recovery	移除 spin recovery	Ackermann 车辆不适合原地旋转

指令链路变化

优化前，指令链路中有额外的 smoother 节点：

优化后，controller_server 直接输出到 cmd_vel：

这样可以减少延迟和一层 remap。代价是速度限制、加速度限制和底盘侧指令处理需要更谨慎地调参。

Planner 选择

导航 launch 文件现在支持 planner 参数。

使用 TEB：

ros2 launch osracer_navigation bringup_launch.py slam:=True planner:=teb

使用 DWB：

ros2 launch osracer_navigation bringup_launch.py slam:=True planner:=dwb

默认参数文件跟随 planner 选择：

planner:=teb -> teb_nav2_params.yaml
planner:=dwb -> dwb_nav2_params.yaml

TEB 应作为 Ackermann 导航的默认选择。DWB 更适合作为基础对照和调试方案。

为什么使用 odometry/filtered

优化后的配置使用 odometry/filtered 作为 Nav2 的里程计输入。

这个 topic 通常来自 EKF 融合，一般会融合轮速里程计和 IMU。对于导航来说，它比原始底盘里程计更稳定，也能给 Nav2 提供更一致的状态估计。

调 planner 参数之前，先验证：

ros2 topic hz /odometry/filtered
ros2 topic echo /odometry/filtered

TEB 优化方向

TEB profile 面向更快的 Ackermann 导航调参。关键思路是：

• 提高前进速度和角速度限制；
• 提高加速度限制；
• 增大前视距离；
• 减少采样数和优化迭代次数；
• 根据真实车型调整 wheelbase 和 min_turning_radius；
• 在受控测试区域中降低过于保守的 obstacle / inflation 设置；
• 提高时间最优权重，让 planner 更倾向于快速轨迹。

适配该 profile 时重点关注这些参数：

参数	作用
max_vel_x	前进速度上限
max_vel_x_backwards	倒车速度上限
max_vel_theta	角速度限制，仍会受转弯半径约束
acc_lim_x	前进加速度限制
acc_lim_theta	角加速度限制
wheelbase	planner 使用的车辆几何参数
min_turning_radius	最小可行转弯半径
dt_ref	轨迹时间分辨率
max_samples	轨迹采样数量上限
no_inner_iterations	内层优化迭代次数
no_outer_iterations	外层优化迭代次数
weight_optimaltime	快速轨迹权重
weight_obstacle	避障约束强度

DWB 优化方向

DWB profile 被调成更快的基础局部规划器：

• 提高 controller_frequency；
• 提高 min_vel_x、max_vel_x 和 max_speed_xy；
• 提高加速度和减速度限制；
• 减少 vx_samples 和 vtheta_samples，降低计算量；
• 缩短 sim_time，减少轨迹展开时间；
• 提高 PathDist.scale 和 GoalDist.scale，鼓励更有效地贴近路径和目标。

DWB 适合作为更简单的对照方案，但它对 car-like 约束的表达不如 TEB 自然。

为什么移除 spin recovery

spin recovery 面向可以原地旋转的机器人。OSRacer 使用 Ackermann 转向，原地旋转并不是物理可行行为。

更合理的 recovery 方向是：

• backup；
• wait；
• 使用可行转弯半径重新规划；
• 当机器人卡在非常受限的姿态时，手动重置测试。

验证清单

高速测试前，先低速验证。

• 发送目标点后 cmd_vel 正常发布。
• 底盘驱动能收到运动指令。
• odometry/filtered 稳定。
• TF tree 从 map 到 odom 到 base_link 连通。
• costmap 正常更新。
• 选中的 planner 加载了预期参数文件。
• 机器人可以安全停止。
• 机器人转弯不超过真实最小转弯半径。

回滚策略

如果提速后机器人不稳定：

1. 降低 max_vel_x；
2. 降低 acc_lim_x 和 decel_lim_x；
3. 增大 obstacle distance 和 inflation radius；
4. 增加 TEB 优化迭代次数；
5. 切换到 DWB 做基础对照；
6. 只有当 planner 和底盘层都无法解决指令平滑问题时，再考虑恢复 velocity smoother。

文档规则

每次修改导航 profile，都应该同步记录：

• 车型；
• 地图或测试场地；
• planner 名称；
• 改动参数；
• 实测现象；
• 回滚说明。