本文是在国家自然科学基金“一种新型水陆两栖球形机器人的设计与研究”课题(编号:51175048)的资助下完成的,主要是对于这种带有推进器、飞轮和重摆驱动机构的水下球形机器人的运动特性进行分析与研究,并设计出能够满足其实际要求的控制系统。本文的主要内容包括:(1)完成水下球形机器人的动力学分析及建模。水下球形机器人在水中运动时受到各种力的作用,对其进行运动学分析及运动学建模。(2)完成水下球形机器人避障路径规划。运用蚁群算法的思想,设计了水下机器人的避障路径规划方法,使其可以完成在水底的路径规划。(3)完成水下球形机器人在水底的轨迹跟踪控制。建立了水下球形机器人在水底滚动状态下的动力学模型,使用有限时间控制律设计它的轨迹跟踪控制器,使机器人可以根据设计的控制律跟踪设定的轨迹路径,通过仿真和实验证明了该方法的有效性。(4)完成水下球形机器人的定深控制。在所建立的动力学模型的基础上,设计了一种基于滑模变结构定深控制器实现机器人在水中的定深控制,通过仿真验证了该方法的有效性。(5)完成水下球形机器人的三维航迹跟踪控制。在建立的动力学模型的基础上,设计了一种基于虚拟速度误差变量反步法的轨迹跟踪控制方法来实现水下球形机器人的三维航迹跟踪控制,通过仿真实验验证了该方法的有效性。