智能技术的发展推动了机器人领域的研究进展,越来越多的工作可以由智能机器人辅助完成,如变电站沿线巡检、工厂车间设备异常检测、物流行业巡检运输等等。智能巡检机器人(IPR,Intelligent Patrol Robot)实现各种应用的基础是定位导航。目前常见的巡检机器人导航技术有电磁导航、惯性导航、激光导航、GPS(Global Positioning System)导航和视觉导航等。其中视觉导航成本较低,是利用摄像头获取环境知识,应用范围广泛,在理论上能够适用于多种不同的巡检场合。随着视觉研究的深入以及摄像头成本的降低,基于人工路标的导航方式正在成为巡检机器人视觉导航的应用热点。户外导航环境中,铺设在地面上的人工路标不可避免地会受到灰尘和积雪的影响。室内导航时,人工路标多布设在地面或者天花板上,但在不少车间中室内地面不允许铺设标识物,而某些车间的天花板过高或者结构过于复杂,难以布设人工路标。因此有必要针对这种情况开展巡检机器人的视觉导航应用研究。对此,设计了一种布设到巡检路径两侧设备或墙壁上的立式路标。为了减少对导航环境的改造,通过利用尽可能少的立式路标来实现巡检机器人的定位导航。这就对路标检测和机器人定位算法提出了更高的要求,即不仅要保证算法的实时性,还要尽量提高定位的准确率,以保证巡检机器人的导航精度。本研究的主要工作是设计了一种应用在特定导航环境中的立式人工路标,开发了一套路标检测和视觉导航方法,实现了路标的实时准确地检测和巡检机器人的定位导航。主要的研究内容如下:(1)路标设计。为了满足导航环境的限制,提高少量路标情况下机器人导航的精度,同时尽可能减少对导航环境的改造,将布置在路径两侧设备或墙壁上的人工路标设计为立式突出状态,路标保持与巡检路径方向垂直的状态,以尽量减少透视效果造成的较远距离路标在图像中面积急剧减小的现象,提高路标检测效果。设计的人工路标分为局部定位路标和全局定位路标,使用有色反光条作为局部定位路标,提高路标检测的实时性;使用改进的二维码标识作为全局定位路标,确保路标识别的正确性。(2)地图表示。针对本导航系统,设计了一种使用邻接矩阵表示的拓扑地图,将拓扑节点与全局定位路标对应,实现巡检机器人的路径规划。(3)路标检测算法。利用少量立式路标实现巡检机器人的导航,为提高导航的实时性和准确性,设计了一种路标检测算法,通过提取局部定位路标的多颜色空间特征以及边缘特征,可以较为准确的识别出局部定位路标区域,提高路标的检测精度和速度。(4)自主定位导航。在巡检机器人的行进过程中,利用机器人的相机内部参数和路标检测算法获取的参数计算出其当前的行进偏移量,通过模糊控制方式对机器人的行进方向进行矫正,实现其稳定行驶。同时根据识别出的全局定位路标与拓扑地图进行匹配,对机器人的行进路径进行规划。本文针对实际应用环境中的巡检机器人导航问题,提出了一种有效的解决方案,其主要创新点在于人工路标的设计和路标检测算法的研究。