在过去的几十年里,极地地区发生了迅速的变化,对地球的气候和生态系统产生了重大影响。冰架、海冰和海洋之间的相互作用具有相当大的科学意义,尤其是因为海冰冻结和融化过程的性质和速率对全球环境系统具有更广泛的影响。海冰和冰下环境的探测是极地探索的一个非常重要的分支。然而,冰下的探索和研究长期以来一直受到厚冰层和严峻的环境的阻碍,传统的研究方法无法支持对冰下环境的一定规模探索。使用冰下水中ROV或AUV来探测冰下环境成为一种新的技术手段,AUV可以携带科学仪器及各种载荷,对大型冰下湖泊或冰架进行连续观测。本文以极地冰下水中航行器为对象,围绕其整体设计和姿态控制两个关键问题进行研究。开展了以下工作:（1）本文构建了冰下水中航行器的运动学模型和动力学模型,详细分析了它在水中所受的流体作用力、推力和舵力。由于水下航行器模型的强耦合特性,将模型解耦为二维平面模型,并在力学分析中给出公式推导。综合得到航行器的各自由度空间运动方程,为后续的姿态控制奠定基础。（2）根据冰下水中航行器的工作需求,进行系统功能的整体设计,从而完成设备选型和硬件设计。其主要功能包括运动、通讯、监测和控制。运动的执行模块由升降推进器、尾推进器和垂直舵组成。拖带电缆用于数据传输和供电。选用的惯性测量单元、摄像头、温盐传感器获取有关航行器姿态和水下环境的数据。控制器设计采用STM32单片机主控芯片完成电路设计,主控制器控制所有模块执行目标任务。（3）为了规划航行器的任务,各工作模块可以相互协调,设计了控制器程序和上位机监控程序。控制器子程序配置传感器、舵机、无刷电机等硬件模块,主程序根据指令构建任务表调用。在Qt开发环境下完成人机交互软件设计,构建自定义的通信协议,实现监控软件中的按钮命令下达,实时显示航向信息等功能。（4）针对水中航行器姿态控制问题,分析了按等级划分的水下航行器控制策略,设计了一种模糊PID控制算法来控制航行器的运动姿态角。并根据分解后的二维运动控制模型,推导出艏向角和纵倾角的传递函数,并在此基础上构建仿真模型。与PID算法相比,采用模糊控制对PID参数自整定具有更佳的控制效果。（5）为了测试系统的整体性能,在完成各个硬件模块的调试后,在冰下现场进行实测。测试过程中,航行器由上位机监控软件稳定控制,实时采集水下冰貌和水文数据,取得了良好的应用效果。同时,实验结果表明模糊PID控制算法在航行器实际运行时能有效控制其姿态角。