本文是在国家自然科学基金“一种新型水陆两栖球形机器人的设计与研究”课题(编号:51175048)的资助下完成,研制出一种带有推进器、飞轮和重摆驱动机构的球形水下观测机器人,分析机器人的水动力特性、构型特点和水下运动特性,同时也对水下观测控制策略进行了研究。该种球形水下观测机器人具有抗压性能好,运动效率高,运动灵活等优点,同时具备螺旋桨水中推进和水底滚动两种运动方式,在深水观测方面具有广泛的应用前景。主要研究以下几个方面内容:(1)完成球形水下观测机器人的水动力特性分析。根据我国沿海水域环境状况及水下机器人应用条件,归纳分析球形水下观测机器人的性能指标和设计原则。为了得到机器人优异的形体结构,首先在水动力特性方面展开深入研究,将机器人的形体结构简化成三种等效模型,采用有限元方法计算分析其在水中运动时的水阻力、附加质量以及机器人壳体周围压强分布与流体速度分布特点。通过搭建螺旋桨和球体装配一体化模型,仿真分析得出球壳参数和螺旋桨工作参数对机器人水阻力的影响规律,提高了水动力系数计算的准确性。(2)得出球形水下观测机器人总体构型并完成关键结构的性能分析。提出一种既可以在水中游动又可以在水底滚动的球形水下观测机器人总体构型方案,包括重摆俯仰和飞轮转向姿态调整机构,以及能够实现螺旋桨水中推进和水底滚动的复合机构。对飞轮驱动结构进行转向性能和惯量匹配分析;基于机器人水中推进性能分析结果,在体积和质量双重约束的条件下得出机器人的球管结构参数曲线;结合水下观测应用对传感器进行配置;依据中国造船规范标准,对机器人的球壳结构抗压强度和稳定性进行理论计算分析;研制出BYSQ3试验样机并验证推进性能。(3)总结球形水下机器人水中运动耦合波动特点并提出一种重摆摆动抑制方法。结合机器人受到的外部水动力和内部刚体力,着重研究重摆式俯仰机构的水中动力学特性,用数学方程来描述球形机器人在水下的运动状态,并在此基础上建立重摆的摆动数学模型。分析和总结在不同的结构参数和运动参数下,重摆的摆动对机器人速度波动的影响规律。为了进一步提高机器人水下运动的稳定性,提出一种基于神经网络的两级滑模方法对机器人重摆的摆动进行抑制,通过仿真和实验证明了该方法的有效性。(4)建立球形机器人的水底着落高度函数模型并完成水底滚动特性分析。提出了一种基于高度函数的水底着落控制方法,确保机器人安全平稳着落水底,并通过仿真进行验证;运用牛顿欧拉法建立球形机器人水底滚动数学模型,同时也搭建Adams虚拟样机仿真平台对球形机器人在水底滚动的影响因数进行分析,总结出机器人的水底滚动的特点。对研制出的BYSQ3实验样机进行水底滚动试验,进一步对机器人在水底滚动的规律进行总结和验证。(5)提出适合球形机器人的水中运动控制方法和水下观测策略。针对其既可以在水中游动又可以在水底滚动的特点,提出一种水中运动和水底定点观察相结合的水下观测策略,运用一种基于视线角的方法来实现机器人水中航线控制,仿真和实验结果进一步证明了机器人的转向运动的灵活性;开发出基于BYSQ3样机的水下观测系统并进行实验验证,球形机器人能将水下图片和重要传感器数据回传到地面控制台。