水下输油管道巡检是确保管道正常使用的必要作业任务,对石油的开发和运输具有重要的影响。传统的巡检方式主要采用人工巡检,存在着成本高、效率低、范围小、安全性差等问题。近些年来,随着水下机器人的发展,上述问题得到了很好的解决,但目前应用较多的还是揽控式水下机器人,由于线缆的存在,使得水下机器人的灵活性、活动范围受到一定限制,而且线缆的存在对水下机器人来说也是一种安全隐患。本课题的研究对象是一款小型灵活并且具有一定自治能力的自主式水下机器人,其设计目的在于对水下输油管道的巡检和探测,不仅解决人工巡检效率低且安全性差的问题,而且相对缆控式水下机器人具有灵活性好、活动范围大等优势。本课题旨在完成对水下机器人运动学动力学模型建立、受力分析、流体分析、运动仿真以及水下机器人运动控制系统等方面的研究。数学建模是将实际问题转化为数学问题的重要桥梁,因此,本课题在生产出水下机器人样机的基础上,建立了机器人的运动学和动力学模型,并针对水下机器人的实际运动情况,对其进行了受力分析,建立了其在各个自由度上的运动模型。考虑到机器人在水下的运动具有较强的非线性、耦合性,导致建立精确的水下机器人控制模型具有较大的困难,本课题采用计算流体力学的方法对水下机器人进行运动仿真并做阻力分析,通过计算得到其运动速度与阻力的关系以及其他相关水动力性能,从而完善水下机器人的运动模型。在完成数学模型、流体分析的基础上,本课题对水下机器人的运动控制系统展开了研究,通过对比经典PID控制算法以及融入模糊控制的PID控制算法,得出自适应模糊PID控制算法具有更好的控制性能,基于此,本课题完成了对水下机器人深度控制器和姿态控制器的设计,并分析了控制器性能,通过Matlab仿真验证了控制器的有效性,使机器人满足定深稳定巡航的要求。为了使控制器的有效性进一步得到验证,本课题进行了大量的水池实验,通过采集传感器数据来分析控制器性能,并对控制器进行优化。