水下航行器是一种新型的无人自主水下机器人,它通过浮力驱动系统中内外皮囊造成的压力差来改变浮力的大小,从而改变了重心的位置,利用尾部四螺旋桨转速差产生的力矩来实现对姿态的控制,以自身携带的高能电池为主要动力来源,内部可根据具体任务要求灵活配置传感元件。由于目前发展的技术较为成熟,其优点明显,工作稳定可靠、灵活应用性高、作业范围广等特点,主要应用于海洋资源探测和军事领域,前景广阔。本文首先对水下航行器总体进行了概述,介绍了水下航行器的机械结构、工作原理以及运动方式。然后为了实现对水下航行器功能的精确控制,对其采用了矢量矩阵法、动量定理、刚体转动定理等,建立了动力学模型。针对简化的机理模型和水下航行器试验数据,采用基于交叉验证可行度分析的灰箱系统辨识的方法,在Matlab系统辨识工具箱中辨识得到了航行器垂直面运动过程中俯仰和偏航通道的传递函数,并对得到了传递函数的准确性进行了验证,匹配度高,满足设计要求。之后在动力学模型的基础上设计了PID控制器,对于航行器这一不确定模型系统采用了PID算法进行了研究,通过对四螺旋桨在不同工作模式下转速的差异控制,实现了俯仰和偏转,其次根据建立的PID系统通过Matlab进行了仿真,包括俯仰和偏转的过程,对其参数进行了整定,结果显示PID参数的合理选取,使得系统超调量较小,稳态误差几乎为零,响应速度快,验证了PID控制的有效性。最后分别进行了拖曳水池和千岛湖试验,多次试验之后将数据导出进行分析和比较,完善和改良了系统的控制性能。