近年来，随着水下资源开发价值的日益突出，水下机器人技术的发展也越来越迅速。自主式无人水下机器人(AUV)是一种新兴的、能够高效完成水下作业的工具，各个国家对于水下机器人的研究热点也不约而同地放在了自主式水下机器人的研制上。在国内，自主研发的小型AUV还比较少。本论文的研究对象是参加国际水下机器人比赛（IAUVC）的一种小型自主式水下机器人。根据要求，机器人需要自主完成水下运动、多目标识别等任务。本文的主要内容是对该水下机器人的控制系统进行研究和设计。为了提高水下机器人运动的灵活性以更好地完成指定的任务，运动控制系统的性能是水下机器人能够自主平稳运动的关键。因此，提高运动控制系统的性能是整个AUV控制系统的研究重点。本文首先在水下机器人六自由度空间运动方程的基础上，针对实际系统的自身特点，进行合理简化，推导出了该小型AUV的动力学仿真模型；真对该小型AUV水动力模型的研究，选择了模糊自适应整定PID算法作为运动控制系统算法，并对其进行了仿真验证；同时在基于ARM以及嵌入式WinCE系统上，设计并制作了运动控制系统软、硬件平台。其次，本文设计并制作了基于CAN总线的通信系统和以Atmega8为核心的电源管理系统。根据该小型AUV的工作要求和特点，本文从硬件上设计了多主机间“对等式”通信。该系统将AUV的各个子系统通过总线网络的形式联接在一起，实现了相互之间的实时通信，保证了通信的可靠性和有效性；电源管理系统可以为AUV提供稳定、纯净的电力，并可以实时监测水下电源，防止AUV出现电力不足而无法返航的意外情况。再次，本文针对视觉定位算法进行了研究，根据实际情况设计并实现了以嵌入式主机为硬件平台的视觉定位跟踪系统。该系统可以根据高清摄像头实时采集的水下图像，通过使用图像预处理、阈值分割法以及“九宫格”的定位算法，有效地对水下目标进行定位跟踪。最后，论文对自主设计的AUV控制系统各部分功能分别进行了实验。通过对运动控制系统的稳定性、AUV定深性能、视觉跟踪准确性以及通信和电源系统的稳定性进行了大量实验，验证了控制系统的稳定性和鲁棒性。