工程机器人是一种依靠自身动力和控制能力,在非结构环境下工作,执行复杂工程施工任务的机器人。要实现机器人的运动规划、物料搬运,机器人必须具备定位能力。视觉定位方法相比传统的定位技术,有着应用广泛、信息丰富、成本低等特点。本课题来源于某实际项目,为在室内沙盘上自主行动的挖掘机模型设计视觉定位算法。为实现视觉定位并保证鲁棒性、精确性、实时性,控制成本,并应对可变沙盘地形的影响,本文提出了基于离线建立的视觉地图,使用特征法定位和光流法结合的定位方案,并针对项目需求进行了一些特殊改进。本文研究主要包括以下几个方面:首先分析了工程的特点和精度、速度、鲁棒性需求,研究了各种视觉定位方法的特点优劣,设计了视觉定位方案;根据方案进行了视觉场景设计和传感器的选型和标定,并明确了需要实现的视觉建图、地图处理、特征法定位、光流定位算法模块。其次,针对演示模型的特殊需求,设计了定位所需的视觉地图的获取方法。采用了基于SIFT特征的单目稀疏增量式三维重建,提取沙盘周围场景的视觉特征并计算其位置;把视觉地图对齐到全局坐标系;计算相机坐标系与机体坐标系的位姿关系;对地图进行简化和优化,得到了场地的精简稳定的视觉地图。然后,为实现机器人的鲁棒实时定位,设计了特征法定位与光流法结合的视觉定位算法。特征法使用SIFT特征,用词袋等方法在地图中搜索相关图片,用Pn P算法计算相机位姿;用光流法提高算法实时性,跟踪特征法所获取的特征点,并设计了特征法和光流法并行处理和失败恢复方案。最后,将以上算法移植到实验移动平台,在挖掘机模型上测试建图与定位效果,验证了算法的精度、实时性和鲁棒性;讨论了方案应用于现实工程机器人的可行性和改进点,为算法的更广泛应用奠定基础。