水下环境变幻莫测，有一个坚固安全的船体才能保证船上人员的安全，所以定时检测和清理船的底部和螺旋桨尤为的重要。利用带缆绳的水下机器人水下检测和作业减少了人工作业的危险性，降低了成本。机器人在水域可以任意畅游，但也很容易迷失方向，如何准确有效的到达检测地点完成检测和清理任务，这就需要水面导航定位机器人的位置，指示它航行和工作，因此水下导航定位系统的设计很关键。本文是研究水下检测与作业机器人ROV的导航系统，主要研究工作如下1.根据捷联式惯导系统的位置、速度、姿态的计算公式，陀螺仪和加速度计的输出特性结合导航系统中的各种误差特性和误差方程，利用Matlab编程仿真捷联惯导系统的误差，发现捷联惯性系统在长时间航行下位置和速度的误差在不断的积累，无法满足长航行的精度要求。2.为了解决单一捷联惯导系统精度不高的问题研究卡尔曼滤波在组合导航中的应用，分析SINS/DVL组合导航。同样利用Matlab编程仿真和单一捷联惯导系统比较发现提高了位置的精度。3.利用互补滤波方法抑制陀螺漂移，以四元数为估计对象设计卡尔曼滤波器，采用改进的自适用卡尔曼滤波器，设计了ROV运行中导航参数解算的过程和步骤。 4 .将导航系统应用于ROV样机进行了进行水池实验。实验结果表明，水下机器人操控稳定，能够实现水下浮游检测基本功能，且导航与控制性能良好，达到了预期要求。关键词水下机器人；捷联惯导；多普勒测速仪；卡尔曼滤波
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1导航的基本概念和发展历史 1
1.1.2水下机器人的概念及介绍 3
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1ROV发展现状 3
1.2.2ROV导航技术发展现状 4
1.3论文结构安排 5
1.4小结 6
第二章 捷联惯性导航系统设计及仿真 7
2.1引言 7
2.2常用坐标系及坐标系的转换 7
2.2.1导航系统中常用的坐标系 7
2.2.2坐标系的转换 8
2.3捷联惯性导航系统 9
2.3.1捷联式惯性导航姿态矩阵的算法 10
2.3.2捷联惯导载体速度的算法 12
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2.3.3捷联惯导载体位置的算法 13
2.4捷联惯导的误差模型 14
2.4.1姿态误差方程 14
2.4.2速度误差方程 14
2.4.3位置误差方程 15
2.5捷联式惯性导航系统的解算流程 15
2.5.1姿态角速度计算 17
2.5.2四元数微分方程的毕卡计算 18
2.5.3更新姿态矩阵的计算 19
2.5.4实时姿态角的计算 20
2.5.5速度的计算 20
2.5.6位置的计算 21
2.6轨迹发生及惯性器件仿真 21
2.6.1轨迹仿真 22
2.6.2惯性器件的仿真 23
2.7捷联惯导系统仿真 28
2.7.1系统软件结构 28
2.7.2系统程序流程及仿真分析 28
2.8小结 30
第三章 SINS/DVL组合导航系统设计及仿真 31
3.1 引言 31
3.2多普勒测速仪（DVL）原理 31
3.2.1多普勒测速仪的测速原理 33
3.2.2多普勒导航系统与捷联式惯导系统的互补性 34
3.3 SINS/DVL组合导航的Kalman滤波模型 34
3.3.1离散型kalman滤波方程 35
3.3.2 组合导航中kalman滤波器的选择 36
3.3.3 SINS/DVL组合导航系统误差滤波的估计 37
3.4 计算机仿真 38
3.5小结 40
第四章 水下机器人ROV微惯性导航分析 41
4.1导航解算 41
4.2 互补滤波原理 41
4.3四元数微分方程 42
4.4 等效旋转矢量法 43
4.5渐消记忆指数加权的自适应卡尔曼滤波 43
4.6小结 45
第五章 水下机器人ROV水池实验 46
5.1引言 46
5.2 ROV在水池的六个实验 46
5.3小结 49
总结与展望 50
致谢 51
参考文献 52
附录 54
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1导航的基本概念和发展历史
导航的意思是以设定范围内的精度，在指定的时间内将运载体指导到目的地。能够实现导航功能的仪器系统叫做导航系统。在飞机，汽车，潜艇等运载体上，导航系统是必不可少的装置。导航问题可以追溯到很久以前，中国古代的四大发明里面就有指南针这种简单的导航仪器。随着时代的进步，科学的发展，出现了很多导航仪器。下面，扼要的介绍几个常见的导航系统。
陆标导航
陆标导航是依据陆标的坐标位置和它相距船舰的长度和地理方位的关系来判定船舰的位置。陆标是海上或岸上的固定明显的标志物（可在海图上查找，如建筑物，山，灯塔等等）。因为这些陆标的位置是确定的，所以只要丈量出标志物的距离方位参数，即可用几何计算出船舰的位置。然而陆标导航受地形、气候条件的限制，限定了陆标导航只能在近海使用。
天文导航
天文导航是利用天文方法观测日月星辰等天体来确定船舰的位置。天文导航是一门从古发展到至今的一门技术，因为应用的时间和经验度很丰富导致了它在导航技术中占据着重要的位置[1]。天文导航是因为船舶要在没有参考物的海洋上日夜航行的需要而发展，从以前的人工使用六分仪发展到星体跟踪器来计算出船舶的位置和航向。因为天文导航系统不需要外界设备的支持。而且该系统不向外辐射电磁波，隐蔽性好，误差不随时间积累，所以天文导航系统是自主式导航系统，但是用于船舰导航时会受到天气气候条件限制。
无线电导航
无线电导航系统是按照无线电电波的传播规律，测定船舰的位置。无线电系统的种类较多，典型的船舰无线电导航系统有罗兰A、罗兰C、奥米茄、测向仪。按定位几何原理分，有测向、测距、测距差系统。该系统不受时间，气候条件的影响，但其定位精度不高，工作范围受覆盖区域的限制。
卫星导航
天文导航和无线电导航的结合物是卫星导航。卫星导航系统是通过测定船舰到导航卫星的距离、距离差等参数，并结合导航卫星的瞬时位置来确定船舰的位置。目前世界上有名且应用到军事或者民事的卫星导航系统就只有四套分别是中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”[2]。GPS发展已经相当成熟，它能够全天候为全球用户提供精确的三维时间、位置和速度信息，但容易受电磁波的干扰。
多普勒导航

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