小型水下机器人研发成本低、周期短且便于携带、使用方便,能够帮助人类完成水中工作任务,具有广阔的应用前景。小型水下机器人在水中运动时受水流影响较大且受力情况复杂多变,为了确保其能够在复杂的水下环境实现高效的运动控制,设计出一套性能优良的运动控制系统便显得尤为关键。首先,为了获得仿真研究所需的运动模型,分析了小型水下机器人在水中运动的受力情况,推导出其空间运动方程,并将空间运动解耦为水平面与垂直面运动,根据不同平面内的动力学方程分别推导出小型水下机器人转艏运动模型和深度运动模型。其次,根据小型水下机器人工作需要建立了其硬件系统与软件系统,分析了硬件系统的整体结构以及主要组成部分的工作原理,并说明了软件系统的组成以及所用开源水下机器人控制软件的架构流程;研究了小型水下机器人的运动控制算法,设计出用于艏向控制与深度控制的串级PID控制结构,提出了由模糊PID控制改进得到的模糊PD-PI控制算法,并与串级控制相结合得到串级模糊PD-PI控制方法。最后,通过MATLAB仿真和水中实验,对比了传统PID控制和串级PID控制在小型水下机器人艏向控制和深度控制的实际效果,结果表明串级PID控制有着更快的调节速度以及更好的抗干扰能力,证明了串级PID控制较传统PID控制在水下机器人控制系统中具有更好的控制效果;通过仿真研究了串级模糊PD-PI控制的控制效果,结果表明该方法在保留了串级控制抗干扰能力强的优点基础上,大幅降低了调节过程中的超调量,证明该方法的可行性,也说明了利用模糊PD-PI控制方法完成控制器参数的在线调节可以有效的提升控制器的动态性能。