2. 基础运动学模型：差速模型、全向模型、阿克曼模型在Nav2中的实现与参数配置

运动学模型，说白了就是告诉机器人「你该怎么动」。不同的底盘结构，运动方式天差地别。Nav2 里内置了三种最常见的模型：差速、全向、阿克曼。我这些年调试过的机器人，90% 都逃不出这三种。

2.1 差速模型：最常用的老朋友

差速模型，两个驱动轮加一个万向轮。控制量就两个：线速度 v 和角速度 ω。左右轮速度差产生旋转，这个大家应该都熟悉。

我在项目中遇到过一个问题：明明里程计校准了，机器人走直线还是歪。后来发现是轮距参数没设对。嗯，这里要注意，wheel_separation 这个参数直接影响角速度的解算精度。

核心参数配置（Nav2 中差速模型）：

# 通常在 robot_base_controller 的 yaml 中
controller_frequency: 20.0

# 差速模型特有参数
wheel_separation: 0.35        # 左右轮中心距，单位米
wheel_radius: 0.075           # 轮子半径
max_linear_vel: 0.5           # 最大线速度 m/s
max_angular_vel: 1.0          # 最大角速度 rad/s
min_linear_vel: -0.3          # 允许后退

我的经验：wheel_separation 这个值，别光看图纸。实际测量一下轮子中心到中心的距离，误差超过 1cm 就会影响转弯精度。我曾经因为偷懒用了设计值，结果机器人转圈总是差几度。

2.2 全向模型：灵活但娇气

全向模型，说白了就是能「横着走」。三个全向轮呈 120° 分布，或者四个麦克纳姆轮。控制量变成了三个：vx（前后）、vy（左右）、ω（旋转）。

为什么说它娇气？因为全向轮对地面平整度要求极高。我调试过一个麦克纳姆轮机器人，在实验室地板上跑得飞起，一到车间就各种打滑。你想想看，小滚子稍微卡个石子，运动学解算就全乱了。

全向模型参数配置示例：

# 全向模型（麦克纳姆轮）
controller_frequency: 30.0    # 全向模型建议更高频率

# 运动学参数
wheel_radius: 0.05
wheel_separation_x: 0.25      # 前后轮距的一半
wheel_separation_y: 0.20      # 左右轮距的一半

# 速度限制
max_linear_vel_x: 0.8
max_linear_vel_y: 0.6         # 横向速度通常比纵向小
max_angular_vel: 0.8

避坑指南：我曾经在配置全向模型时，把 wheel_separation_x 和 wheel_separation_y 搞反了。结果机器人走斜线时严重偏离轨迹。记住：x 是前后方向，y 是左右方向，别搞混。

2.3 阿克曼模型：车规级转向

阿克曼模型，就是汽车那种转向方式。前轮转向，后轮驱动。控制量是 v（速度）和 δ（前轮转向角）。

这个模型有个硬伤：不能原地转弯。最小转弯半径由轴距 L 和最大转向角决定：R_min = L / tan(δ_max)。我调试过一台 1.2 米轴距的机器人，最小转弯半径接近 2 米，在窄走廊里简直要命。

阿克曼模型参数配置：

# 阿克曼模型
controller_frequency: 15.0    # 阿克曼频率可以低一些

# 车辆几何参数
wheel_base: 0.45              # 轴距，前轮到后轮距离
max_steering_angle: 0.52      # 最大转向角，约 30°
max_linear_vel: 1.0
max_angular_vel: 0.5          # 受限于转向角速度

# 转向控制
steering_angle_velocity: 0.3  # 转向电机最大转速 rad/s

我的习惯：阿克曼模型调试时，先测最小转弯半径。找个空地，让机器人以最大转向角转圈，用激光雷达或视觉测量实际半径。如果和理论值偏差超过 10%，检查一下 wheel_base 是不是量错了。

2.4 三种模型对比与选型建议

特性	差速模型	全向模型	阿克曼模型
自由度	2 (v, ω)	3 (vx, vy, ω)	2 (v, δ)
横向移动	❌ 不能	✅ 可以	❌ 不能
原地转弯	✅ 可以	✅ 可以	❌ 不能
地面适应性	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐
控制精度	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐
典型应用	室内配送、仓储	狭小空间、精密对接	园区物流、巡检

选型其实没那么复杂。室内平地、需要灵活转向的，差速模型最省心。空间特别窄、需要横着进出的，上全向模型。室外跑、要速度的，阿克曼是唯一选择。

重要提醒：Nav2 默认使用差速模型。如果你用的是全向或阿克曼底盘，记得在 controller_server 的 yaml 中显式指定模型类型。我见过有人用阿克曼底盘，却忘了改参数，结果控制器一直输出角速度指令，机器人原地打转。

好了，三种模型的基本原理和配置就这些。下一节我们深入讲讲里程计融合，那才是真正考验调试功夫的地方。