随着地下电缆隧道在城市配电网络中的广泛应用，地下电缆隧道环境监测也成为保障电力系统稳定运行的重要手段。目前针对电缆隧道的环境监测设备大多都只用于常规巡检，对于电缆隧道突发水情、通信受阻的情况，现有的环境监测设备往往不能正常工作。为了实现对电缆隧道突发水情下的环境监测，本文采用两栖球形移动机器人组群作为监测与通信节点研制一套用于电缆隧道水情发生时的应急监测系统，对电缆隧道失水情况下的环境信息进行采集，避免了检修人员直接进入隧道可能发生的危险，同时也为下一步的抢修和维护工作提供指导。本文的主要研究工作如下：
　　首先，对电缆隧道水情监测系统进行整体的方案设计，将系统分为监测节点组群子系统、地面显示控制中心子系统和无线通信网络三个部分。对于监测节点组群子系统，对比现有两栖球形机器人的驱动方式，选择内置双轮差速驱动小车进行单个球形机器人的设计。然后根据电缆隧道的工作环境，选择用UWB技术实现球形机器人组群以领航者-跟随者方式在电缆隧道中呈直线队列运动；对于地面显示控制中心子系统，分为环境信息显示界面和移动节点控制界面两部分，分别实现对隧道环境信息的实时显示和对移动节点的运动控制；对于无线通信网络，根据监测功能的需要，对比现有的无线通信技术，选择用WiFi模块搭建无线自组网的方式实现无线网络通信。
　　其次，以单个球形移动监测节点为研究对象，利用拉格朗日法建立了球形机器人一般特征下完整的动力学模型。然后根据球形机器人在电缆隧道中实际的工作状态，对动力学模型进行简化，分别建立了地面上和水上两种情况下简化的动力学模型，并利用Simulink验证了模型的正确性。最后，结合动力学模型，分别设计了基于PID控制的方向控制器、地面速度控制器和水上速度控制器，并通过仿真验证了控制器的可行性。
　　再次，以多个球形移动监测节点形成的组群为研究对象，利用UWB技术实现无固定基站情况下的节点相对位置信息测量，然后以该相对位置信息作为反馈设计了单个节点的自动跟随方法。然后将单个节点跟随方法扩展到多个节点形成的组群中，利用领航者-跟随者的方式使多个移动节点以逐一依次跟随的方法实现机器人组群在电缆隧道中以固定速度和固定间距直线运动。将组群运动实现方法与动力学模型结合起来进行联合仿真，验证了组群运动实现的可行性和准确性。
　　最后，对整个系统进行软硬件设计，研制了两栖球形移动机器人样机组群和用于实现人机交互的地面显示控制中心界面。然后分别在地面上和水上进行实验，验证了整套监测系统的功能。
　　本文研制了一套用于电缆隧道水情监测的球形移动机器人组群，实现了在电缆隧道失水情况下的环境监测。有效弥补了电缆隧道常规巡检的不足，为电缆隧道突发险情下的应急监测提供了一种有效的解决思路。