ROS Navigation2 中碰撞监视器LIMIT模式的轨迹保持问题分析

问题背景

在ROS Navigation2导航系统中，碰撞监视器(Collision Monitor)是一个重要的安全模块，它负责实时监测机器人周围环境并根据潜在碰撞风险采取相应措施。该模块支持三种动作模式：APPROACH(接近)、SLOWDOWN(减速)和LIMIT(限制)。

问题描述

在APPROACH和SLOWDOWN模式下，系统会对输入速度的所有分量(线速度和角速度)按相同比例进行缩放，这种处理方式能够保持原始轨迹的曲率特性。然而在LIMIT模式下，当前实现仅对速度分量进行独立限制，而不考虑各分量间的比例关系，这会导致机器人实际运动轨迹与预期轨迹产生偏差。

技术原理分析

机器人运动轨迹的曲率由线速度和角速度的比值决定。当两者按相同比例缩放时，曲率保持不变；但如果独立限制各分量，特别是当某个分量达到上限而另一个没有时，曲率就会发生变化。

举例说明：

• 原始速度：v=0.5m/s，ω=0.5rad/s → 曲率半径=1m
• 按比例缩放50%：v=0.25m/s，ω=0.25rad/s → 曲率半径仍为1m
• 独立限制(假设v上限0.3m/s，ω上限0.4rad/s)：v=0.3m/s，ω=0.4rad/s → 曲率半径变为0.75m

解决方案

提出的修复方案是修改LIMIT模式的实现逻辑，使其与APPROACH和SLOWDOWN模式保持一致，即对所有速度分量应用相同的缩放比例。这样可以确保在各种限制条件下，机器人都能保持预期的运动轨迹特性。

实现意义

这一改进对于导航系统的行为一致性具有重要意义：

1. 提高轨迹预测准确性：路径规划模块可以更准确地预测机器人的实际运动轨迹
2. 增强安全性：在避障过程中保持预期轨迹可以避免意外行为
3. 改善用户体验：机器人的运动更加符合操作者预期

结论

该问题的修复体现了导航系统中运动控制细节的重要性。在安全机制设计中，不仅需要考虑避免碰撞的基本需求，还需要关注运动特性的保持，这对于复杂环境下的可靠导航至关重要。这一改进已被项目维护者接受并合并到代码库中。