随着机器人技术的迅猛发展,水下机器人应用于海洋勘测和海上搜救的案例越来越多,为实现近海特定生物跟踪调查和近海自主搜索救援等任务,本课题组提出了一种小型两栖球形机器人系统。然而,小型化的机器人系统为了完成大范围的作业需要消耗较多的能源和时间,多个机器人相互跟踪以特定编队进行监测对于该问题的解决具有诸多的研究价值和意义。其中,如何实现机器人之间的水下定位,是多机器人协作系统的基础也是关键技术之一。本文主要针对自主研制的两栖球形机器人的小型低功耗、高机动性、高隐蔽性的需求下难以构建水下定位系统的问题,以有限传感技术实现机器人之间相互位置获取为目标,提出了基于视觉和惯性传感模块的两栖球形机器人水下定位系统。主要研究内容如下所示:第一,考虑到本文中提出的水下定位系统的搭建需求,以提高两栖球形机器人的水下适应性为目的,提出了三项结构改进以及系统设计,利用SolidWorks软件对其进行模型设计和参数优化,模拟机器人运动,初步验证设计的可行性。最后,实际试制了新型的两栖球形机器人。第二,考虑到自主研制的两栖球形机器人的小型低功耗、高机动性、高隐蔽性的系统需求,现有的水下机器人技术大多存在系统布设困难,费用高昂,定位精度不能满足小型机器人定位需求的特点,提出了基于ToF彩色图像平面目标识别定位和深度图像判断目标距离的两栖球形机器人水下视觉定位系统。首先,研究了基于HOG和ColorName特征的图像平面定位方法,利用传统的HOG特征融合ColorName特征对水下两栖球形机器人进行描述,在识别效果上得到很大的提升;其次,研究了基于ToF相机成像模型的3D位置重建方法,利用ToF深度图像获取目标深度信息,解决了视觉定位的距离获取问题;最后,对相机水下误差进行分析,分别针对图像畸变和深度误差设计了相应的误差矫正方案,以提高定位精度。第三,针对水下视觉定位范围受相机视角和有效深度限制的问题,提出了基于MEMS惯性传感器的机器人位姿信息实现机器人多角度水下视觉定位方法,在此基础上,对各个机器人位置归一化处理,提出了多机器人水下定位系统。首先,研究了基于欧拉角变换矩阵的机器人局部定位坐标和绝对定位坐标的坐标系统,利用机器人球体结构的水下原地零半径旋转运动的优势,解决了视觉定位受相机视角限制的问题;其次,研究了多机器人之间定位坐标的变化关系,利用多机器人绝对坐标归一化方法,对多机器人定位信息进行融合,解决了视觉定位受有效深度限制的问题;最后,对传感器的误差进行分析,设计了卡尔曼滤波器对其进行误差消除,以提升系统稳定性。