自主式水下机器人可以代替人类在海洋环境中执行复杂危险的工作，在海底探测、水下作业、海上作战等方面具有广泛的应用前景。鉴于多水下机器人在各方面的优势和相关技术的发展，多水下机器人协同作业成为水下机器人新的应用形式。与陆上自主移动机器人相比，水下特殊的工作环境给多水下机器人系统的研究和设计带来更多困难。水声通信产生的不可忽略的信息延迟、通信失效以及高误码率等不利因素给多水下机器人的协调与协作带来很大的挑战。本文以多水下机器人系统在弱通信环境中普遍存在的协同问题为核心，分别研究通信时延及通信失效对编队系统及其稳定性的影响和基于局部感知和有限通信范围的协调与协作机制。本文的主要研究工作概括如下：(1)研究了一类具有双积分动态的群体编队系统的稳定性，针对水声通信容易产生较大的信息延迟问题，为了使编队收敛至指定速度，采用时延依赖的分布式控制律产生控制输入，然后利用拉普拉斯矩阵的性质对系统进行线性变换，根据奈奎斯特稳定判据分析系统达到稳定的条件以及收敛性，研究时延上限与控制参数和通信拓扑结构的变化关系，并表明在控制律中加入时延相关的预测项的必要性；针对水声通信失效或偶然中断问题，将该编队系统看作一个具有马尔可夫性质的切换拓扑结构，在一致性算法的基础上，利用不可分解且非周期随机矩阵的性质，分析群体收敛至稳定的期望编队的条件。实验结果表明，所采用的控制律和得到的稳定结论是正确的，有效地解决了通信时延和通信失效情况下的群体编队问题，对于多水下机器人在弱通信环境中的编队问题具有一定的实用价值。(2)在前面研究的基础上，结合水下机器人的动力学特性，研究了通信时延和通信失效影响的多水下机器人编队系统稳定性问题。以某型全驱动水下机器人为例，通过变换将其动态模型表示为双积分形式，并以双积分群体编队控制律和稳定性结论为基础，分别设计水下机器人在通信时延和通信失效情况下的控制输入，证明在一定条件下，所采用的方法能够使多个水下机器人逐渐地收敛至指定编队。对于通信失效问题，还分析采用DR算法对收敛过程的影响。实验结果表明，所提出的策略和得到的结论是有效的。(3)研究了多水下机器人协同目标搜索机制，将任务完成过程分为目标线索搜索、追踪目标线索和准确定位目标三个阶段。以海底热液探测为例，水下机器人在开始阶段以编队运动方式在较大海域内进行全局范围的目标线索搜索，然后在局部范围内完成目标线索跟踪和目标定位任务。针对水声通信的通信范围小、通信质量差等限制，利用交哺式通信在水下机器人群体内部涌现出“虚拟食物”的梯度方向，模拟鱼群行为实现目标线索跟踪。实验结果表明，群体内部的拥挤因子和“虚拟食物”阈值对系统性能有影响，引入鱼群行为和增加拥挤因子有利于提高完成任务的效率。(4)以海洋矿物标本或海底硫化物的采集作业为应用背景，研究了生物交哺行为在多水下机器人协作搜集任务中的应用。给每个水下机器人定义一个内部变量衡量其自身的工作状态，并通过比较不同水下机器人的内部状态变量来判断交哺的可能性和方向性，进一步用状态转换图表示不同工作状态之间的关系。利用微分方程从宏观角度描述了系统中水下机器人在各状态的分布随时间变化情况，研究了各参数和状态转移概率等因素对系统性能的影响。将提出的方法与其他相关的协作方法进行了比较，实验结果表明了引入交哺行为对提高系统性能的有效性。