近年来,美国、加拿大、欧盟等国家先后开始制定并实施海洋立体观测系统计划来降低海洋灾害程度、保护国家海洋国土安全、开发利用海洋资源。作为海洋空间站勘探、开发、科考研究的主要工具,水下机器人发挥着不可或缺的作用,适用于多种环境进行长期的探索,具有可操作性强、续航能力好、活动范围广、安全性高等特点。在完成任务过程中,水下机器人的导航定位方法发挥着重要作用,好的导航定位方法可以有效降低导航过程中误差累计,提高导航定位数据的精度,从而提高水下机器人工作性能。本文研究并设计了一款用于海洋水下结构物检测和海底地形观测的小型水下机器人控制系统,主要完成上位机Arduino平台对控制台信号的采集和基于LabVIEW监控系统的设计,实现了运动控制、数据采集、视频拍摄、航迹地图显示和报警灯提示等;同时,本文针对LabVIEW监控界面上航迹地图,研究了基于随机有限集的自主导航方法,提出了基于随机有限集SLAM的一种新方法。本文研究内容包括以下几个方面:首先,本文设计并研制了水下机器人上位机控制系统。主要采用基于LabVIEW监控系统和Arduino平台进行设计,应用LabVIEW多任务多循环的架构、灵活实用的界面系统以及Arduino IDE,完成即时可靠的水下数据和图像采集、控制命令、故障报警、水下摄像等,实现了水下机器人上位机有效地控制和显示。其次,针对海洋背景噪声和水声传感器测量噪声大、信噪比低所导致的水下机器人导航定位精度低的问题,本文采用一种基于随机有限集的同步定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)方法,有效解决了复杂的数据关联问题,并在此基础上结合平方根无迹变换、衰减记忆滤波提出一种新方法,有效地提高水下机器人概率假设密度(probability hypothesis density,PHD)SLAM方法精度。最后,本文对水下机器人进行装配,通过多次陆上调试、水池实验和湖泊实验,完成了进退、转艏、定深、定航等多种运动以及有效数据、图像的采集,验证了该水下机器人的运动控制、数据采集和视频拍摄等功能,实验结果表明,该水下机器人能够完成海洋水下结构物检测、海底地形观测等任务,具有性能稳定、运动灵活等优点。