移动机器人是驱动执行机构和自动控制技术的有机融合系统,在野外搜救、抢险救援、应急输送等领域具有广泛的应用前景。两栖机器人因其在环境适应能力和多地形机动性能方面的优势,已日趋成为一种备受国内外关注的新型移动机器人。图像目标跟踪系统是两栖机器人进行环境感知和行为决策的核心组件,对实现机器人跟踪循迹、视觉伺服、编队协作等自主作业功能具有决定性作用。区别于陆面机器人的常规视觉应用,基于两栖机器人平台的图像目标跟踪系统面临成像质量偏低、光照条件恶劣、观测视角多变、目标机动运动等挑战因素,其准确性和鲁棒性面临更严苛的挑战。与此同时,受限于两栖驱动机理和环境地形特性,并为满足隐蔽侦查和组网布控的应用需求,现有的两栖机器人普遍采用小型化设计,其载荷空间和能源动力严重受限、信息处理和通信传感能力较弱,对其图像目标跟踪系统的高效性和实时性提出了额外要求。本课题以两栖复杂环境的多约束条件为应用背景,旨在立足于小型两栖机器人平台特性和自主作业需求,从机器人机构平台设计、信息系统架构、视觉算法机制等多研究视角,探索构建适用于小型两栖机器人平台、符合两栖环境特性的图像目标跟踪系统,并评测验证其用于两栖机器人应用作业的可行性。首先,在机器人平台方面,面向濒水两栖环境和水下狭窄空间内的作业需求,研究设计了一种采用可变形球形构型、配备“轮-腿-矢量喷水”复合驱动机制、具备两栖通信传感能力的小型仿生两栖机器人。在对其进行机械学和动力学建模分析的基础上,针对环境条件多样、扰动因素复杂、系统参数非线性时变等特点,研究设计了机器人两栖自适应控制系统,控制实现其稳定完成陆上爬坡越障和水中四自由度运动。其次,在信息处理系统方面,针对球形两栖机器人舱室密闭狭窄、能源动力受限、视觉应用实时性要求较高等平台特性,提出并设计了一种基于非对称异构运算的机器人嵌入式实时图像处理系统架构。在该架构下,通过部署面向运算密集型环节的专用固件加速器,实时实现MSRCR(Multi-scale Retinex with Color Restoration)、Gaussian模型运动检测、压缩跟踪等算法,构建满足两栖机器人多任务、低功耗、便携式、高实时性等需求的实时图像目标跟踪系统。第三,在跟踪算法机制方面,针对两栖环境成像特点和目标运动特性,以压缩跟踪算法为基础,采用粒子滤波框架、模型在线更新、模型动态学习等理论工具研究设计机器人目标跟踪算法,改善系统的准确性和鲁棒性。进一步地,针对移动机器人平台的视觉遮挡问题,构建微型两栖RGB-D成像系统,通过融合可见光和深度图像的跟踪结果或目标特征,研究设计并验证具备抗遮挡能力和尺度自适应能力的机器人图像目标跟踪算法。经测试验证,本课题设计的球形两栖机器人系统具备较强的地形/水况适应能力和多自由度机动能力,其目标跟踪算法和信息处理系统可满足两栖多类型场景下机器人视觉应用的实时性、准确性、鲁棒性需求。通过有机整合机器人自适应运动控制系统和图像目标跟踪系统,可实现机器人自主跟随运动、循迹运动、协同作业等应用功能。本课题研究工作,为实现两栖机器人自主航行作业和构建多体协作系统奠定了关键技术基础,对提高小型两栖机器人的智能化和实用化水平具有重要意义。