当前我国设施农业的机械化水平相对较低,普遍存在着用工多、劳动强度大和生产效率低等问题。随着农业劳动力缺乏和人口老龄化的问题,农村劳动力价格越来越高,必须加快推进我国设施农业的机械化和自动化,用机械化和自动化的生产方式替代人工劳动,从而进一步提高设施农业的生产效率和效益。集机械化、自动化和智能化为一体的设施农业机器人将具有广阔的研究和应用前景。而自动定位导航技术是设施农业机器人的关键技术之一,广泛应用于设施农业生产中的喷药、施肥、除草、收获以及运输等方面。虽然我国的设施农业机械导航研究已经取得了很多进展,但高精度的导航系统价格昂贵,不适合在中国农村的大量推广应用,开发高精度、低成本的设施农业机械自动定位导航系统是迫切需要解决的一个问题。考虑到设施农业机器人定位导航系统的工作环境和应用需要,以降低成本并提高导航系统的精度和可靠性为目的,本文对设施农业机器人定位导航系统进行研究,主要对基于无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)的设施农业机器人定位算法、组合导航系统中传感器的误差来源和标定校准方法、基于卡尔曼滤波和多传感器信息融合的姿态角估计算法、设施农业机器人组合导航系统的构成、实现与应用等进行了相关的理论研究和实验分析。论文的主要研究内容如下:(1)基于卡尔曼滤波和到达时间(time of arrival,TOA)的WSN定位算法研究。对基于接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)和基于TOA的WSN定位进行理论分析和对比研究,为设施农业机器人设计一套精度较高且成本较低的WSN定位系统。主要研究硬件成本较低的基于TOA的WSN定位算法,在定位节点上采用基于线性调频扩频技术的对称双向双边测距算法来计算定位节点到各个信标节点之间的距离,在测距的基础上再使用三边质心定位算法计算出未知节点的坐标位置信息,最后使用卡尔曼滤波算法对解算出的坐标位置信息进行迭代,解决了测量噪声对于定位精度造成的影响。试验结果表明,基于TOA的WSN节点测距精度高,并且基于卡尔曼滤波和三边质心的WSN定位算法稳定性好,定位精度较高,在3个信标节点组成的合适的等边三角形3条边线范围以内定位精度能达到1 m。(2)研究低成本组合导航系统的硬件构成设计,并对组合导航系统中传感器的误差分析与标定方法进行研究。提出一种低成本设施农业机器人组合导航系统的硬件构成设计方案,并针对组合导航系统中的磁阻式电子罗盘DCM250、惯性导航系统(inertial navigation system,INS)即三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的误差来源、校准原理和标定方法进行了理论分析研究和实验验证。对磁阻式电子罗盘DCM250提出了一种椭圆假设补偿法与最小二乘法求补偿系数相结合的标定方法,由实验数据可知,该标定方法简单可行并且正确有效。所提出的三轴MEMS陀螺仪标定实验、动态实验和摇摆实验方案,能为所有MEMS三轴陀螺仪的标定和性能测试提供参考。(3)基于卡尔曼滤波和多传感器信息融合的低成本INS姿态角估计算法研究。主要研究基于卡尔曼滤波和多传感器信息融合的使用加速度计和磁强计修正陀螺仪的四元数全姿态解算算法,将该算法应用于低成本INS的姿态角估计中,并通过实验验证,结果表明该算法可以有效降低信噪干扰,能及时反应运载体的运动姿态,并可以给导航系统提供较为准确的姿态角信息。(4)设施农业机器人组合导航系统的平台搭建、实现与应用研究。选用一个履带式机器人作为设施农业机器人行走底盘,在该底盘上搭建一个基于低成本INS、视觉导航子系统、电子罗盘和WSN定位系统组成的组合导航系统。以搭建好的设施农业机器人组合导航系统硬件平台为基础,采用模块化的软件编程设计,并采用模糊控制和PID控制算法实现了组合导航系统的自主导航控制功能。在室内环境和温室环境中对设施农业机器人组合导航系统的导航应用进行了实验研究,实验结果表明,该组合导航系统中的图像视觉导航子系统的导航精度较高且适应性好;采用基于卡尔曼滤波和多传感器信息融合的低成本INS短时间内导航精度也较高;而采用电子罗盘导航时的导航精度相对较低,但通过机器人转弯掉头实验发现,电子罗盘适合应用于设施农业机器人转弯掉头时航向角的检测。