传统的水下机器人建模往往是从流体动力学理论出发,建立非线性的动力学模型,并依赖专业的流体分析软件或者设计专门的实验来确定动力学模型中的系统参数。这种方法往往工作量十分繁杂,而且有时确定的系统参数准确度不高。对于尾驱动水下机器人,其动力学模型具有运动参数非线性耦合、摆动输入时变以及欠驱动特性,使得其控制设计具有很大的挑战性。针对尾驱动水下机器人建模与控制的问题,本文避开以往通过流体仿真分析和实验确定系统参数的思路,基于第一性原理对机器人的建模和控制方法进行了研究。为了实现该任务,本文主要包含以下研究内容:水下机器人的动力学建模、水下机器人动力学模型的系统参数辨识和基于李雅普诺夫稳定性分析的水下机器人运动控制。本文首先对国内外水下机器人的运动学建模和控制、流体动力学建模和运动控制的研究现状进行了综述。针对当前研究的难点问题,确定了本文的研究内容:(1)针对内部具有可移动质量块的尾驱动水下机器人的动力学建模问题,从第一性原理出发,采用基于牛顿欧拉法建立水下机器人动力学整体模型,而后分别确定动力学模型中各项得到完整模型的思路。将内部可移动质量块简化为点质量,通过系统动能分别关于机体固定部分和点质量的速度和角速度求偏导得到动力学模型中动量,角动量项的具体表达形式。而后分析水动力学阻尼力和力矩、尾部力和力矩以及其他力和力矩项,最终确定了动力学模型的具体形式。(2)针对动力学模型中水动力学参数的确定问题,提出使用系统辨识的方法确定动力学模型中的系统参数。利用动力学模型中水动力学力和力矩关于水动力学力和力矩系数等系统参数呈线性的特点,把系统参数确定问题转化为一个凸优化问题,通过求解这个凸优化问题获取系统参数。进而设计相应的实验,对比动力学模型仿真结果和实验结果,验证了动力学模型的准确性。(3)在目标追踪问题中,针对机器人尾部周期性摆动的特点,本文利用水下机器人的平均动力学模型,基于李雅普诺夫稳定性分析设计了相应的控制器。引入了两个辅助状态变量来描述对目标的追踪状态。利用反推控制技术,设计了一个闭环距离控制器,使水下机器人的运动轨迹在一定的误差范围内收敛到目标。提出了一种开环转弯控制器,将方位角偏差控制在规定的范围内。同时还提出了一种滞回切换策略来确定激活哪个控制器。仿真结果验证了该方法的可行性。