球形机器人具有稳定防倾覆以及全向快速移动的能力,近年来其相关研究一直是移动机器人研究中的热点和难点课题。本文所基于的球形机器人“BYQ-CG”面对地质灾害探测、预防巡检为主的任务时可以采取“化整为零”的策略,由单个球形机器人执行任务;面对排险救援、增强通过性为主的任务则采取“合零为整”的策略进行重构,因此如何帮助球形机器人实现准确对接是重构任务执行的关键也是本文研究的方向。面向球形机器人自重构技术研究,最基础和重要的协同工作便是球形机器人的对接,而通过设计适用于球形机器人的定位导航算法以及动态目标检测等实现位姿估计,准确完成面向球形机器人自重构的对接任务虽然挑战重重但确实具有可行性,这也是本文研究的意义所在。本论文以自重构球形机器人为研究对象,以准确实现自重构球形机器人的外部对接任务为研究目标,结合多传感器融合的优势对自重构球形机器人导航定位算法以及相对动态目标检测和位姿估计方法展开研究,确保自重构球形机器人在球壳闭合和球壳打开的运动工况中均能获得鲁棒的全局定位,并能基于此进行对接路径规划和导航,进一步地,在“粗对准”和“准确对接”的子任务阶段能获得稳定的运动目标检测以及相对位姿估计。本文研究取得成果如下:1.进行了自重构球形机器人定位导航与检测系统设计。通过分析自重构球形机器人以室外为主的应用场景和自身携带传感器的特性,以及现有的定位导航和目标识别、检测的方法,进行了自重构球形机器人BYQ-CG面向重构对接的导航检测系统设计。根据球形机器人运动中球壳是否打开分为两种定位工况,分别设计全球卫星导航系统松耦合惯性系统设计方案以及差分GNSS融合IMU以及双目视觉的全局定位方案;针对重构对接任务分为两个目标检测子任务,分别设计目标检测识别方案。通过与需求分析对比以及传感器实测,验证了本文所提方案及传感器选型的合理性。2.进行了面向自重构球形机器人对接的导航定位算法研究。为实现自重构球形机器人在室外场景下高精度和鲁棒性的全局定位,从而为重构对接任务提供导航支持,本文针对球壳闭合的工况提出一种全球卫星导航系统松耦合惯性系统（GNSS/INS）的强化自适应组合导航方法。针对球壳打开的复杂工况提出一种视觉惯性里程计融合GNSS的全局定位算法,将视觉惯性里程计（VIO）位姿信息和GNSS定位信息进行融合,从而实现局部精确和全局无漂移的实时联合位姿估计,为自重构球形机器人提供实时和鲁棒的全局位姿信息,并在其中加入了前端特征管理优化设计,以及将全局位姿信息加入紧耦合的基于非线性优化的后端中,与视觉残差和IMU残差一起优化,添加全局位姿残差,提升融合定位系统的计算速度和鲁棒性,在实际场景中目标定位误差在0.5m以内。最后通过基于安全优化A*和DWA融合的路径规划算法,为自重构球形机器人对接提供导航路径。3.本文面向球形机器人“粗对准”子任务阶段设计了一种轻量化的快速目标检测算法。通过使用ResBlock-D特征提取模块代替了部分CSPBlock特征提取模块,并加入残差辅助模块,在进一步轻量化目标检测算法的同时保证了目标检测识别的精度,同时通过融合所使用的深度相机的深度测量信息,使得该目标检测子系统具备了检测同时测得与目标距离的能力;面向“准确对接”子任务阶段,本文研究以特定的ArUco二维码作为靶标,间接解算外参,辅助机器人获得准确的对接接口位姿,实现相对位姿估计,为对接姿态控制提供反馈。4.基于自重构球形机器人的应用场景,面向自重构球形机器人的实际对接任务,对导航定位算法和目标检测识别算法进行了实验研究,并将上述的算法和系统集成,在BYQ-CG机器人平台上进行对接实验测试,以完整验证本文研究的可行性和有效性。