Capa de Navegación: Nav2¶
1. Introducción a Nav2¶
Nav2 (Navigation2) es la pila oficial de navegación de ROS2 y el sucesor directo del clásico ROS Navigation Stack de ROS1.
Se trata de una reescritura completa adaptada a la arquitectura de ROS2, incorporando:
- Node lifecycle para gestionar el estado de los nodos
- DDS como mecanismo de comunicación distribuida
- Nueva API de acciones para objetivos de navegación y feedback
Su propósito es planificar y ejecutar rutas entre la posición actual del robot y una meta dada, utilizando como base el mapa generado por la capa de SLAM.
Qué aporta Nav2 al sistema
Nav2 convierte un objetivo de alto nivel —por ejemplo, ir a una posición del mapa— en una secuencia completa de planificación, control, evitación de obstáculos y recuperación ante fallos.
2. Arquitectura del stack Nav2¶
Nav2 sigue una arquitectura modular basada en el patrón Behavior Trees (BT). En lugar de implementar toda la lógica de navegación en un único nodo monolítico, divide el comportamiento en componentes especializados coordinados por un árbol de comportamiento.
BT Navigator¶
El componente central es BT Navigator, responsable de orquestar la navegación a partir de un archivo XML que define el árbol de comportamiento.
Esto permite modificar el flujo de navegación sin cambiar código fuente, por ejemplo para:
- añadir comportamientos de recuperación
- cambiar el planificador global
- alterar condiciones de éxito o reintento
- decidir qué hacer si el controlador local falla
<BehaviorTree ID="NavigateToPose">
<Sequence>
<ComputePathToPose goal="{goal}" path="{path}"/>
<FollowPath path="{path}"/>
</Sequence>
</BehaviorTree>
LifecycleManager¶
El ciclo de vida de los nodos se gestiona mediante LifecycleManager, que controla transiciones como:
Este mecanismo garantiza:
- orden correcto de inicialización
- activación sólo cuando las dependencias están disponibles
- parada ordenada del sistema
- mayor robustez ante reinicios o errores parciales
Los nodos gestionados típicamente incluyen:
- planificador global
- controlador local
- servidor de costmaps
- servidor de recovery behaviors
Ventaja práctica
En un sistema robótico real, gestionar correctamente el ciclo de vida evita arrancar la navegación antes de que mapa, localización y sensores estén listos.
Componentes principales de Nav2¶
| Componente | Rol principal |
|---|---|
| BT Navigator | Orquesta la tarea de navegación mediante un Behavior Tree |
| LifecycleManager | Gestiona el estado y el orden de activación de los nodos |
| Global Planner | Calcula la ruta completa sobre el mapa global |
| Controller Server | Sigue la ruta y reacciona a obstáculos dinámicos |
| Costmap Server | Mantiene los mapas de costes global y local |
| Recovery Server | Ejecuta maniobras de recuperación cuando la navegación falla |
| AMCL | Estima la pose del robot sobre el mapa |
3. Planificación global y control local¶
Global Planner¶
El planificador global calcula la ruta completa desde la posición actual hasta el destino utilizando el mapa global de ocupación.
El planificador de referencia es NavFn, que aplica Dijkstra o A* sobre el costmap global. En condiciones estáticas, permite obtener rutas óptimas con un coste bien definido.
Alternativas habituales:
- Theta*: genera trayectorias más suaves y menos ortogonales
- Smac Planner: incorpora mejor restricciones cinemáticas y planificación más avanzada
Local Controller (Controller Server)¶
El controlador local sigue la ruta global mientras adapta el movimiento a obstáculos o cambios locales del entorno.
Como referencia, se considera DWA (Dynamic Window Approach):
- genera velocidades lineales y angulares admisibles
- simula trayectorias candidatas a corto horizonte
- evalúa cada trayectoria con una función de coste
- selecciona la que mejor equilibra progreso, distancia a obstáculos y suavidad
Para vehículos tipo automóvil, una alternativa especialmente relevante es TEB (Timed Elastic Band), que optimiza la trayectoria como una banda elástica parametrizada en el tiempo y respeta explícitamente restricciones cinemáticas.
Implicación para Robocar
Robocar no es un robot diferencial puro, sino un vehículo con dirección tipo Ackermann. Por ello, TEB encaja mejor conceptualmente que un controlador pensado para cinemática diferencial.
4. Costmaps y localización¶
Costmaps¶
Los costmaps son mapas 2D donde cada celda recibe un coste en función de su ocupación y de su proximidad a obstáculos.
Nav2 mantiene dos mapas de costes principales:
| Costmap | Fuente | Uso |
|---|---|---|
| Global | Mapa estático procedente de SLAM | Planificación global de la ruta |
| Local | Sensores en tiempo real, por ejemplo LiDAR | Control local y evitación de obstáculos |
Las capas más habituales son:
- Static layer: carga el mapa del entorno
- Inflation layer: añade un margen de seguridad alrededor de obstáculos en función del tamaño del robot
- Obstacle layer: incorpora lecturas de sensores en tiempo real
Por qué dos costmaps
El costmap global aporta contexto del entorno completo, mientras que el local responde con rapidez a obstáculos recientes que todavía no forman parte del mapa estático.
AMCL (Adaptive Monte Carlo Localization)¶
La localización durante la navegación puede resolverse con AMCL, un filtro de partículas que estima la distribución de probabilidad de la pose del robot sobre el mapa.
Su comportamiento adaptativo permite ajustar dinámicamente el número de partículas según la incertidumbre:
- baja incertidumbre → menos partículas y menor coste computacional
- alta incertidumbre → más partículas y mayor robustez
Esto resulta útil, por ejemplo, tras deslizamientos, colisiones leves, ambigüedad en el entorno o ausencia prolongada de movimiento fiable.
El resultado es una estimación de pose robusta para alimentar al planificador y al controlador durante la navegación.
5. Integración con Robocar¶
En la arquitectura del proyecto, Nav2 actúa como la capa que ejecuta la navegación autónoma una vez recibida una meta.
El flujo de integración con MCP Server es el siguiente:
- MCP Server recibe una instrucción de navegación
- convierte esa instrucción en un objetivo ROS2 mediante una acción
- Nav2 planifica la ruta y ejecuta el desplazamiento de forma autónoma
- Nav2 devuelve estado de éxito, cancelación o fallo
- MCP Server informa al LLM del resultado final
Separación de responsabilidades
El LLM decide qué hacer. El MCP Server traduce la orden al sistema robótico. Nav2 resuelve cómo llegar a la meta usando mapa, localización, planificación y control.