随着科学技术的飞速发展,机器人系统正在向智能化和视觉化的趋势发展。球形机器人运动灵活,具有抗倾倒和自恢复能力,在工业、民用、国防以及空间探索等领域具有广泛的应用前景。本文以球形移动机器人为基础,对半球差动球形机器人系统进行了设计,并以其为研究对象,针对球形机器人的导航与控制问题开展了研究工作。首先,针对国内外球形机器人和机器人导航传感技术的研究现状进行了简要分析,指出存在的不足,并对几种典型的球形机器人进行了对比,总结出优缺点,在此基础上提出了新的构型,建立半球差动球形机器人的简化模型,对其运动状态进行运动学分析,为设计半球差动球形机器人的控制系统和控制算法提供理论基础。其次,构建球形机器人导航视觉系统,利用图像采集卡提供的接口函数完成了图像的实时采集。运用单目视觉理论,通过腐蚀、滤波、阈值处理和形状匹配等多种图像处理方法从噪音较大的环境中获取目标物方位信息,通过超声波传感器获取目标物距离信息,提供给后续机器人控制使用。再次,设计球形机器人控制系统的硬件方案与软件方案,在VC++环境中设计并完成了球形机器人的上位机导航系统软件,基于ARM平台设计了机器人端的硬件系统与控制软件系统。最后,设计目标物追踪试验,采集试验数据,验证控制理论。通过对实验结果和数据的进一步分析讨论,论证了所提出控制方法的实用性、精确性和鲁棒性。总结本文所取得的研究成果,并指出了在此基础上可以进行的下一步深入研究和新的应用方向。