Behavior Tree

• 又稱: BT, behavior tree architecture, behaviour tree
• 類別: Planning & manipulation › Task-level
• 標籤: behavior-tree, decision-making, software-architecture

階層式控制架構，把機器人決策組織成由動作、條件與複合節點構成的模組化樹狀結構。

定義

行為樹（BT）是一種階層式控制架構，把機器人的決策與動作執行組織成由模組化節點構成的樹狀結構。行為樹最初是為遊戲 AI 開發，用來控制非玩家角色；如今已成為取代有限狀態機、用來建構複雜機器人行為的主流方案，具有更好的模組化、可重用性與可讀性。

行為樹由四種節點組成。動作節點（葉節點）執行特定的機器人行為，例如移動到某個位置、抓取物體、說出一句話。條件節點（葉節點）檢查環境的狀態，例如門是否開著？電量是否高於 20%？序列節點（複合節點）由左到右執行子節點，只有在所有子節點都成功時才算成功，類似 AND 運算子。後備／選擇節點（複合節點）依序嘗試子節點，任何一個子節點成功就算成功，類似 OR 運算子。其他節點類型還包括並行節點（同時執行子節點），以及修改子節點行為的裝飾節點（重複、反轉、逾時）。

行為樹以固定頻率被「tick」（通常為 10–100 Hz）。每次 tick 時，執行從根節點往下流動，每個節點回傳三種狀態之一：成功（Success）、失敗（Failure）或執行中（Running，仍在進行）。這種以 tick 為基礎的評估讓行為樹天生具有反應性：如果條件在兩次 tick 之間改變，樹會立即把執行導向適當的分支。

行為樹解決了有限狀態機難以處理的關鍵問題。在有限狀態機中，新增狀態需要手動定義它與每個既有狀態之間的轉移，導致複雜度呈指數成長（即「狀態爆炸」問題）。在行為樹中，只要插入子樹就能加入新行為，不必修改既有節點。這種模組化代表一個「導航到某點」的子樹可以不經修改，直接重用於「取物」、「巡邏區域」與「返回充電站」等行為。

在 ROS 2 中，BehaviorTree.CPP 函式庫與 Nav2 導航堆疊都以行為樹作為主要控制架構。Nav2 的預設行為樹在單一、可讀的樹狀結構中協調路徑規劃、避障、恢復行為（原地旋轉、後退、等待）與目標監控，使用者可以替換或新增節點來自訂。

研究前沿包括從示範中學習行為樹（從觀察到的行為自動建構樹狀結構）、整合 LLM 以從自然語言任務描述生成行為樹結構，以及把行為樹與強化學習結合：由樹提供結構，強化學習則最佳化節點內的參數。

為何重要

行為樹已成為在量產系統中建構複雜機器人行為的標準架構。它在反應性（立即回應變化的條件）與審慎規劃（執行規劃好的動作序列）之間取得恰當的平衡。它的模組化讓機器人行為可以由團隊建構、測試與維護，每位開發者都能獨立處理各自的子樹。特別是在 ROS 2 生態系中，行為樹已深度內建：Nav2 導航堆疊、操作流程，以及許多商用機器人應用程式，都以 BehaviorTree.CPP 作為決策核心。

主要應用

• 自主導航：Nav2 使用行為樹為移動機器人協調規劃、路徑跟隨、避障與恢復行為
• 操作任務排序：把取放、組裝與分揀任務組織成可重用的行為樹模組
• 多機器人協調：每台機器人執行自己的行為樹，並與車隊層級的任務分配協調
• 服務型機器人：為必須妥善處理中斷的接待、導覽與配送機器人建構複雜的互動流程
• 工業自動化：以錯誤恢復與條件分支編排多步驟的製造流程
• 遊戲 AI 與模擬：在訓練環境與數位孿生中控制模擬代理與 NPC

實際應用

ROS 2 的 Nav2 導航堆疊以行為樹作為核心協調者。機器人收到導航目標時，預設的行為樹會依序 tick：計算全域路徑、以局部控制器跟隨路徑，並監控進度。如果控制器回報機器人卡住，後備分支會觸發恢復行為：先是受控的原地旋轉以清除局部代價地圖中的殘影，接著後退，再來是較長時間的等待。每個恢復行為本身都是可以依機器人自訂的子樹。使用者透過編輯定義樹狀結構的 XML 檔案來修改導航行為，例如把預設的路徑規劃器換成自訂的規劃器，或加入一個在偵測到附近有人時暫停導航的條件節點。

常見誤解

• 行為樹只是花俏的狀態機：關鍵差異在於模組化；行為樹透過插入子樹組合，不必修改既有節點，而有限狀態機則需要明確管理所有狀態之間的轉移
• 行為樹只能處理反應式行為：透過序列節點與執行中狀態，行為樹既能處理反應式回應，也能處理長時間的審慎動作，並不限於刺激-反應模式
• 撰寫行為樹需要寫程式：視覺化行為樹編輯器（BehaviorTree.CPP 的 Groot2）讓非程式設計師也能以拖放節點的方式建構與修改機器人行為
• 行為樹一定是確定性的：行為樹可以在節點內納入機率式選擇、以效用為基礎的評分與學習得到的參數，產生自適應、非確定性的行為

誰需要了解

• 建構自主導航或操作系統的 ROS 2 開發者
• 設計行為與決策層的機器人軟體架構師
• 結合結構化規劃與學習行為的 AI 研究人員
• 測試複雜機器人行為序列的 QA 工程師
• 開發 NPC AI 與模擬代理的遊戲開發者

相關技術

• BehaviorTree.CPP
• Nav2
• Groot2 視覺化編輯器
• py_trees
• 有限狀態機
• HTN 規劃
• SMACH

相關術語

• ROS

相關專案

• BehaviorTree.CPP: C++ behavior tree library for robot task planning, powering Nav2 and ROS 2 systems

影片

• 5 minute Behavior Tree tutorial: Petter Ögren
• Behavior Trees in Robotics (Part 1 - Concept): Hummingbird