根据当前水下机器人研究现状、发展趋势以及我国国情，开发适应复杂环境和恶劣条件下作业的特种水下机器人，将是我国发展机器人技术的一个主要方向和内容。随着水下机器人应用领域的不断拓宽，已出现了这样一种需求，即用水下机器人代替人工进行各种水下危险作业，如对近海石油钻井平台水下结构物、防洪大堤、水库大坝、河道船闸、港口设施、近海石油管道、大陆架海底或湖底通讯电缆等的日常检修工作。为此，我们设计一种超小型潜水器。论文主要讨论活塞式沉浮运动系统结构设计及其建模仿真。 首先，本文就这种超小型潜水器的总体方案进行了可行性论证，分模块讨论了各主要部件的功能及实现方法。针对水下机器人常用传感定位设备进行了介绍，讨论了传感器的原理、组成。 其次，本文详细给出了水下机器人的空间运动标准数学模型、仿真模型。讨论了水动力的特性，以及其对潜器水下运动的阻力影响。在此基础上，考虑实际应用情况，对其作进一步合理简化，得到了便于分析沉浮运动的设计模型，为控制器的设计奠定了基础。 接着，本文综合空气压缩式沉浮系统与螺旋桨式沉浮系统的优点，并且结合潜水器体积小、能耗低的特征，设计出一种活塞式沉浮系统。它能使潜水器受力均匀，能在沉浮时保持良好的稳定性。 然后，本文利用前面章节建模的结果，建立了沉浮系统的控制模型。并针对系统特性，讨论了数字PID控制器及其参数整定方法。经MATLAB仿真，实验结果表明，深度控制能够满足要求。 最后，本文给出了基于AVRMega16单片机的详细硬件和软件设计流程，对主要功能模块进行了阐述，并结合实验对系统调试进行了分析。