随着全球陆地资源的日益减少,人类为了更好地开发海洋资源和保护海洋权益,已经设计出多种多样的水下机器人作为水下探索辅助工具。水下球形机器人是一种特殊构型的水下机器人,具有运动灵活,耐压性高,各向动力参数相同的优点,机器人结构简单、抗压能力强,可以很好的应用于水下作业。单个机器人在海洋里的探索能力比较薄弱,自然界的动物集群运动给科研人员带来启发,开始研究多水下球形机器人的编队运动,多水下球形机器人的编队协同作业能够完成宽领域和全方位的任务,如:水下协作围捕敌方目标、水下全方位监控等。本课题以BYSQ-3型水下球形机器人为对象,研究多个水下球形机器人在编队运动过程中的控制策略和控制方法。具体研究内容如下:首先,研究分析BYSQ-3型水下球形机器人的软硬件结构和运动学、动力学特性,为研究水下球形机器人编队运动过程的控制方法奠定基础。建立多水下球形机器人系统编队的几何模型,建立以领航机器人为参考原点的球形坐标系,简化了多水下球形机器人编队控制过程中涉及到的矩阵计算。其次,研究多水下球形机器人编队形成过程的控制方法,分析多水下球形机器人系统从初始无序状态到形成编队形状过程中所需要的任务分配算法和路径规划算法。研究了编队形成过程的逻辑策略,提出了基于市场拍卖法的优化任务分配方法和基于二维切线圆法的机器人三维空间内的路径规划算法,经过仿真验证了算法的有效性。再次,研究多水下球形机器人编队保持过程的控制方法,分析多水下球形机器人系统从形成编队形状时到编队避障过程中使用的编队保持控制算法。研究了编队保持过程的逻辑策略,改进了基于迭代学习法的编队保持控制算法,设计了迭代学习控制律,并设计了基于滑模控制算法的机器人路径跟踪控制算法,仿真结果验证了多水下球形机器人编队保持过程中的路径跟踪控制算法的正确性。最后,研究多水下球形机器人编队避障过程的控制方法,分析多水下球形机器人系统在遇到障碍物时所使用的控制方法,研究了编队避障过程的逻辑策略。为了使多水下球形机器人编队避障过程中仍然保持原编队队形形状约束,改进了基于传统人工势场法的编队避障算法。在此基础上提出基于人工势场法的编队避障模糊控制算法,提高多水下球形机器人系统避障的安全性,并进行了编队避障运动的仿真验证。以BYSQ-3型水下球形机器人为实验控制对象,经过水下球形机器人实验验证了多水下球形机器人编队控制算法的有效性。