本课题“带有飞轮转向装置的球形水下机器人控制系统的研究”属于“国家自然科学基金”项目“一种新型水陆两栖球形机器人的设计与研究”(项目批准号:51175048)的一部分研究内容,主要是针对带有飞轮转向装置的球形水下机器人的运动特性进行分析与研究,并设计出能够满足实际要求的控制系统。本文的主要研究内容如下:(1)通过对国内外现有水下机器人构型原理的研究与分析,结合球形水下机器人的结构原理,对两种新型球形水下机器人构型方案即摆式三推进器球形水下机器人结构和基于飞轮转向装置的球形水下机器人结构的各种优缺点进行了分析和比较。并对带有飞轮转向装置的球形水下机器人构型方案中的飞轮转向结构进行优化设计。(2)基于本文研究的带有飞轮转向装置的球形水下机器人的结构特性,运用牛顿欧拉法对其进行动力学建模,并进行直线运动仿真研究。(3)在所建立的动力学模型的基础上,设计一种转向速度快、超调量底、鲁棒性好、抗扰动能力强的指数趋近律滑模转向控制器,基于所设计的滑模转向控制器进行转向仿真研究。然后,研究球形水下机器人的轨迹跟踪控制方法,并进行仿真研究。(4)根据球形水下机器人的功能需求、结构特性,设计球形水下机器人的控制系统包括上位机控制界面、中间控制单元以及底层控制单元三部分,并对这三部分进行详细设计,以满足球形水下机器人的控制要求。(5)进行球形水下机器人的直线运动与转向运动实验研究,以验证所设计的控制律的有效性。