作为海洋机器人的一种,水面机器人集机械设计、人工智能和运动控制等多种技术于一体,具有很高的军用和民用价值。在此背景下,本文自主研发设计了基于双体船模的水面机器人实验平台,并以此为研究对象,探究水面机器人的感知与避障系统。本文对水面机器人感知与避障系统进行了总体架构的设计。通过船模的选型分析,制作了浮筒式双机双桨水面机器人系统,并将整个系统分为下位机、上位机和应急遥控三个部分进行单独设计。进一步,阐述了硬件结构设计方案,并提出了该水面机器人的导航、制导、控制算法架构。本文进行了水面机器人感知与避障系统基础实验平台的搭建。针对整个系统硬件设计需求,采用模块化的思想,基于STM32处理器搭建了水面机器人避障系统基础实验平台。在软件设计方面,将程序进行了层次划分,分别为顶层、中间层和底层。水面机器人感知与避障系统实验平台的搭建为后续理论研究和海试实验奠定了基础。在完成系统实验平台搭建的基础上,本文探究了水面机器人避障算法。针对水面机器人动态受限以及环境无法预测的问题,本章提出了全局-局部混合的避障策略。基于Theta*算法的全局路径规划策略不仅可以有效地减少航路点的数量,还可以缩短路径长度。考虑执行效率、能源利用率、跟踪精度等问题,本文采用LOS制导策略来跟踪文中算法规划的全局路径。为了实现航行过程对静态和动态障碍物的躲避,本文设计了包含高效模糊层和精准动态窗口层的局部分层避障策略,其中高效模糊层实现了远距离的任务快速执行;精准动态窗口层充分考虑了机器人的可行性、可达性以及可执行性的限制,实现了近距离的精准避障。另外,通过设计一个虚拟航路点,使得全局路径规划和局部避障算法完美地结合在一起。在运动控制方面,采用了抗积分饱和PID航向控制器来提高机器人转向效率和稳定性。为验证本文所设计基础实验平台的稳定性以及所提避障算法的有效性,本文进行了海试实验和仿真研究。其中,包含航路点制导、循岸路径跟踪以及自主返航的全局路径跟踪实验证明了制导控制系统具有良好的稳定性以及较强的实用性,为全局避障算法的执行奠定了坚实的实验基础。另外,激光雷达岸基实验为动态感知和局部避障算法的实现奠定了硬件基础。最终,在真实场景地图中进行了避障算法仿真研究以及综合性对比分析,验证了本文提出的全局-局部混合避障策略的有效性和优越性。