与传统医用内窥镜检查相比,胶囊机器人检查具备无痛、无创、安全等优点,为胃肠病患者带了福音。但目前现有的被动式胶囊机器人在胃肠道内仅依靠消化道的蠕动以及自身重力进行运动,导致其存在检查时间长、胶囊运动状态随机以及漏检率高等问题,无法对胃肠道进行有效的遍历检查。为实现对胃肠道这类三维宽裕的完整检查,本实验室提出了一种纯磁矩驱动的双半球胶囊机器人,可在人体内部实现定点观察和滚动行走这两种工作模态。双半球胶囊机器人在工作时,位置姿态均未知,无法完成在胃肠道内部的导航,对病变区域进行观测;也无法进行闭环控制,消除磁场误差以提高胶囊控制精度。目前现有的位姿检测方法与导航方法或增大胶囊体积,或增加外部资源消耗,与双半球胶囊机器人对姿态估计与导航方法的要求不匹配,因此本文提出一种基于胶囊内嵌相机的胶囊机器人姿态估计与导航方法,满足胶囊机器人实际工作需求。首先,建立了双半球胶囊机器人的人机交互控制系统,明确了胶囊机器人的运动机理,确定了胶囊的姿态信息等同于相机的姿态信息。利用相机成像原理以及胶囊坐标系之间的转换关系确定了胶囊姿态角与相机旋转矩阵的关系,将其转化为PNP问题进行相机外参矩阵的求解,利用对极几何进行姿态初始化,三角测量恢复深度信息,并基于EPNP方法求解PNP问题以获取相机旋转矩阵进行胶囊姿态估计。其次,为解决传统图像匹配算法在胃肠道图像之间正确匹配率较低、匹配耗时长的问题,提出了一种基于改进SIFT和位置方向的胃肠道图像匹配算法。先利用新的梯度定义消除胃肠道图像之间的非线性灰度差异;再采用对数极坐标建立描述子,建立适合胃肠道图像特征的圆形邻域描述子;最后结合特征的位置和方向建立了鲁棒性更强的距离匹配函数,以获取更多正确匹配对。实验结果表明,本文提出的算法在胃肠道图像匹配精度上和匹配时间上有较好的表现。再次,为实现胶囊在胃肠道内的导航作业,基于胶囊坐标系转换关系以及相机成像原理建立了图像感兴趣区域的像素质心点坐标与胶囊轴线方位之间的映射关系,并利用大津法提取图像感兴趣区域的像素质心点坐标,实现了图像感兴趣区域与胶囊之间的相对定位,确定了胶囊下一步运动的导航方位。最后,进行了胶囊机器人姿态检测实验以及导航方法可行性实验验证。实验结果表明可根据相机获取的胃肠道图像信息,进行胶囊完整姿态信息的检测以及导航方位的确定。尽管与标定的姿态角有一定的偏差,但考虑到胶囊本身具备较高的容错性,因此本文提出的姿态检测方法和导航方法可应用于胶囊机器人,在无需增大胶囊体积以及硬件资源消耗的情况下使得胶囊可以在胃肠道正常导航作业,为后续药检模块的实现奠定了基础。