水下机器人是一种在水下从事极限作业的机器人,又被称为无人遥控潜水器。水下环境恶劣危险,水压、海流、温度等因素限制了人在海洋开发过程中下潜的深度,所以开发海洋的过程中,水下机器人已逐渐代替人成为重要工具。水下机器人主要分为有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种。根据仿生技术研究的体积小、噪音低、续航时间长、隐身性能好和成本低的微小型水下机器人,将会具有不可替代的普遍应用价值,应用到将来的水下战争、海洋的利用与开发中。潜水器的小型化和提高其观测侦查能力是无人有缆潜水器的发展趋势,因此水下机器人的导航定位研究和应用越来越受到重视。本文将围绕国内某观测型小型有缆水下机器人项目,重点研究应用于海水养殖、水下观测考古、防护救助等水下工程的小型有缆水下机器人(ROV)的水下定位技术。本文将重点研究捷联惯性导航定位系统、GPS定位系统和长基线水声定位系统以及三者组合定位系统,提高导航定位系统的性能,以满足国内水下的养殖、科研、调查、捕捞、采矿等行业的需求。同时,该导航系统需要满足体积小,便携性高,导航精度较高且计算简便易操作控制,时间延迟小等技术要求。该组合导航定位系统的设计主要将对于机器人常用的水下定位系统,进行深入的比较研究,并结合水下机器人的实际工作环境、整体系统成本、性能指标等要求,比对其他水下定位系统,确定最终使用捷联式惯性导航系统,辅以全球卫星定位系统(本文中选用美国的GPS系统)和长基线水声定位的组合系统相结合的水下定位方案。惯性导航理论在经历了几十年的发展,获得了广泛的应用。由于它具备自主导航特性,不受外界环境干扰,几乎可以不受条件地应用到各个领域。20世纪80年代以来,导航定位系统主要是以惯性导航系统为主体,其他各种导航定位系统为辅助的组合导航系统[¨。在水下的导航定位系统对比中,捷联惯性导航同样因为精度高、稳定性强、受环境影响小等特点,受到普遍关注。GPS信号在水下衰减很快,无法独自实现水下导航,结合长基线水声定位技术可弥补自身的缺陷,实现水下导航定位的功能。该组合导航定位系统在我国最近几年取得了比较大的突破,使水下GPS导航定位成为了可能。该系统是通过水面上的浮标做载体实现的,它水面以上的部分可以接受GPS定位信号,水面以下部分可以接受水下机器人发出的超声波信号。四个按照一定方位投放的浮标通过接收GPS信号给自己定位,通过接收水下机器人超声波信号可以计算出水下机器人相对浮标的位置,通过一定的换算即可得到水下机器人的实际位置。浮标定期接收水下机器人的位置信息可对捷联惯性导航系统的定位信息进行修正。其他时间浮标可进入低功耗状态,以节省电池电量,提高续航能力。为了验证本文设计的水下机器人导航定位功能,搭建了一个模拟试验台,通过MATLAB仿真对该导航定位系统的各项性能进行了全面的试验研究。通过卡尔曼滤波算法,采用多种数据采集仪器,对导航定位系统的的各项性能数据进行了记录分析,通过对这些数据分析,得到以下结论：本课题设计的导航定位系统能够顺利实现导航定位功能,并且该方案在结构上合理简单,易于控制,操作简单,导航精度较高,而且能满足预计的功能需求,具有较高的性价比。为今后应用于水下的观测性小型水下机器人导航定位设计提供一种有效的解决方案。