水下自治机器人具有如下特点:动力学模型存在高度非线、强耦合、时变和参数不确定等特征,工作时受浪、流等环境因素干扰大,水下作业对空间姿态和路径等常有特殊要求等。水下自治机器人的上述特点对控制系统提出了较高的要求,既要有较强的鲁棒性、自适应性,还必须具有足够的运动控制精度。目前,水下自治机器人底层运动控制仍是水下自治机器人技术的重要难题之一,亟待解决。本文研究工作主要围绕水下自治机器人底层运动控制开展,主要包括:水下机器人的机理建模、虚拟样机建模与应用、空间姿态角动态控制和轨迹跟踪等几个方面。研究结论可为高层决策的执行提供良好的操控基础,为控制策略的制定提供依据,对于提高AUV总体性能有重要的实际应用意义。具体研究内容如下:1.建立海洋环境中水下机器人动力学模型和空间运动学方程,并针对课题组开发的AUV样机C-Ranger的机械本体特点,对机理模型进行简化与分解。2.利用虚拟样机分析软件ADAMS和控制仿真软件MATLAB/Simulink联合建立水下机器人虚拟样机系统,在分析虚拟样机系统机理模型的基础上,给出了虚拟样机物理模型及控制模型的建立过程;并利用该虚拟样机系统对设计的AUV空间动态定位控制算法进行基于动力学基础的仿真分析,仿真结果表明虚拟样机系统具有智能控制与动态控制交互仿真演示和AUV功能测试的能力。3.将滑模变结构控制器应用到水下机器人姿态随动控制上,在分析滑模变结构控制原理及水下机器人姿态控制模型的基础上,设计出双环滑模姿态控制器,利用MATLAB编出主控程序,并进行了空间姿态控制仿真;仿真结果表明,设计的双环滑模姿态控制器能够使水下机器人快速准确地响应控制指令,实现预定的控制目标。4.在分析PF轨迹跟踪问题的数学模型和非奇异终端滑模控制机理的基础上,设计了基于非奇异终端滑模控制的巡航速度控制器、位置控制器和航向角度控制器三个子控制程序,并建立了轨迹跟踪主控程序;依据C-Ranger具体参数,进行轨迹跟踪仿真,仿真结果表明控制器设计有效,跟踪效果良好。5.在虚拟环境中建立海底建筑群模型,导出样本地图,将设计的轨迹跟踪主程序嵌入到虚拟样机系统中,进行全景综合仿真验证;仿真的过程及结果再次证明,路径跟踪控制算法设计有效、虚拟样机系统的可行。