水下机器人能够代替人类进行危险水域的探查作业工作,是海洋探测的重要工具。新型的遥控自主式水下机器人(Autonomous Remotely-operated Vehicle,简称ARV)同时具备了遥操作能力和自主运动的能力,在完成水下探查、采集、救援等工作时相较于传统的水下机器人有更大的优势,不仅保障了技术人员的安全,还能大幅度提高机器人的工作效率并且减少相同工作的重复性,是当前研究的热点。本研究在已有远程遥控的“海豚”二代坝、水电站等水下建筑物的巡检等应用需求的遥控自主式水下机器人。第一章介绍了国内外水下机器人的发展状况、研究动态以及目前存在的问题,介绍了本文主要研究内容和章节安排。第二章首先简要介绍了水下机器人的外形结构,然后定义了水下机器人的运动坐标系与固定坐标系,建立水下机器人运动模型,通过坐标转换确水下机器人基础上,完善感知控制设备,增加航迹推算和姿态控制算法,研制用于大型水定了水下机器人四自由度运动的一般方程。最后对浮力、重力以及推进器推力进行计算,为开展水下机器人航迹推算和姿态控制研究奠定了基础。第三章在介绍了水下机器人的电子系统的硬件总体设计方案和硬件结构的基础上,分别介绍了传感控制模块研制和操作员控制器的研制。首先详细介绍了传感控制模块的硬件电路结构,介绍了三轴加速度计、三轴转角仪、声呐深度计等传感器的接口方式,以及主要程序模块的设计思路。研制的传感控制模块能将采集到的传感器数据进行预处理后通过串行口发送给主控制器,也可以接收来自主控制器的控制命令,实现对机器人水下机器手,探照灯等外部设备的控制。接着详细介绍了操作员控制器中用于连接机器人操纵摇杆、控制按钮等的接口板的硬件电路的设计以及软件模块的设计思路。研制的操作员控制器接口板能够采集操作员控制器面板上的操纵摇杆、命令按钮等信息,经由主控制器下发到水下机器人,实现控制水下机器人、机器手等操作。第四章介绍了融合加速度计与转角仪数据并基于卡尔曼滤波的水下机器人航迹推算方法。通过卡尔曼滤波器对加速度计与转角仪的数据进行滤波能获得噪声误差较小的数据。然后将加速度计与转角仪的数据融合,进行航迹推算。实验表明设计的航迹推算程序能够记录航迹推算结果,该结果与机器人的实际运动路径较为接近。第五章介绍了基于模糊控制的水下机器人姿态控制方法。首先介绍了使用的模糊控制器的设计。然后介绍了机器人姿态模糊控制算法的仿真和软件设计流程。多种情况下实验结果的对比表明该方法能够根据设定的水下机器人偏航角、横倾角与翻滚角进行姿态控制,具有较好的控制效果。第六章介绍了基于ROS机器人操作系统的水下机器人系统软件结构。着重介绍了航迹预测节点、姿态控制节点、外部设备控制节点等感知控制节点程序的研制,以及操作员控制器的操作界面的设计。实验表明研制的感知和控制节点能实时采集转角仪和加速度的数据,并能进行航迹推算,能够进行探照灯、机械手等设备的控制,操作员控制器操作界面形象直观,有助于提高操作效率。