随着人类对海洋环境探索的不断深入和开发需求的日益增加，水下作业机器人作为海洋开发的重要工具广泛应用于水下物体打捞、考古、抢险救援、海产品捕捞等。本文从仿生蹼推进水下作业机器人系统设计、水下地形预测与跟随控制、仿生本体与臂协调控制、扰流环境下的物体自主打捞等方面展开研究。主要研究内容包括：
一、针对水下自主作业任务，提出了一种仿生蹼推进水下作业机器人系统设计方案，并研制样机平台。首先，设计了仿生蹼推进器，并将其引入到水下作业机器人中。其次，根据作业任务的需求，搭载了轻量化四自由度机械臂，并安装了水下传感系统。此外，构建了水下作业机器人的底层控制系统和基于ROS(Robot Operating System)的软件系统。最后，通过系统软硬件集成及实验，验证了仿生蹼推进水下作业机器人样机的有效性及可靠性。
二、针对水下作业机器人在未知环境下的地形导航问题展开研究，提出了一种水下地形预测与跟随控制的方法。首先，针对未知的水下地形预测问题，给出了一种基于长短时记忆网络和非线性预测模型的地形预测方法。其次，根据所得到的地形预测信息，给出了一种基于非线性模型预测控制的地形跟随控制优化方法。然后，利用基于连续法的广义最小残量算法来提高优化方法的计算效率。最后，开展了基于 ROS 的水下地形预测与跟随控制的仿真实验和海洋环境下的水下地形预测与跟随实验，实验结果验证了所提方法的有效性。
三、针对水下作业机器人的动力学耦合问题展开研究，提出了一种基于非奇异终端滑模的仿生本体与臂协调控制方法。首先，给出了一种改进的非奇异终端滑模控制方法，将其作为仿生本体与臂协调控制的主控制器。通过引入滑模趋近运动控制律、自适应微分追踪器、状态观测器，来改善系统的抖振问题和提高收敛速度。然后，利用牛顿–欧拉模型实时估计作业臂瞬时运动对仿生本体的扰动影响，并将其补偿到主控制器中。最后，通过悬浮状态下的水下自主开门及物体抓取实验验证了所提方法的有效性。
四、针对水下物体搜索和扰流环境下的物体自主抓取任务，提出了一种局部水域内的水下作业机器人目标搜索策略和扰流环境下的自主抓取控制方法。首先，给出了一种结合避障声呐检测障碍物和水下地形跟随的目标物体搜索策略。然后，给出了一种基于径向基函数神经网络的扰流观测器，用于实时估计扰流值。其次，给出了一种基于长短时记忆网络的模型预测网络，它包括扰流预测网络和机器人状态预测网络，用于扰流下的机器人状态序列预测。将扰流下机器人状态序列作为优化算法的预测值，通过滚动优化，获得最优控制输入。最后，在基于 ROS 的水下仿真环境开展了水下目标物体搜索和自主抓取仿真实验，仿真结果验证了所提方法的有效性。