欠驱动水面艇以其日渐凸显的商业价值和军事价值及其欠驱动控制特性,近年来得到了持续的关注。本文围绕欠驱动水面艇航迹控制器设计及其仿真系统开发,从欠驱动水面艇单艇模型建立及航迹控制器设计与仿真、多艇编队航迹控制器设计和仿真、整个仿真系统的开发与验证三个方面展开了研究。首先,结合典型坐标系定义与一般船舶三自由度模型,建立了欠驱动水面艇覆盖纵荡、横荡和艏摇三自由度的简化数学模型;对海风和海浪进行了建模,为带扰动情况下的控制系统设计提供扰动模型;针对已构建的欠驱动水面艇综合模型,完成了基于视线法的航迹跟踪PID控制器;并对单艇的航迹控制器进行了仿真验证和对其仿真结果进行了分析。其次,针对带外部扰动情况下欠驱动水面艇多艇编队控制问题,设计了基于引导—跟随法的欠驱动水面艇多艇编队航迹控制器。在领航船位置和艏向角已知以及航速有界且上界已知的假设下,将控制目标分解为运动学环路控制子任务和动力学环路控制子任务,结合反步法与滑模变结构方法,完成了一种欠驱动水面艇编队非奇异滑模鲁棒控制器的理论设计,并进行了控制器稳定性分析;随后利用欠驱动水面艇仿真系统开展了无干扰情况下和不同海况下的多艇编队控制仿真,仿真结果表明:无干扰时,跟随船在编队控制器作用下,能快速准确到达领航船指引的预期相对位置,即使在航迹转角处,跟随船仍能以很小的误差对领航船进行位置跟随;引入1级海况和3级海况后,跟随船对领航船的跟随性能受风浪影响,相对于领航船的位置虽不固定,但仍能保持总体稳定。仿真结果综合验证了前文研究内容与成果,包括欠驱动水面艇数学模型、多艇编队航迹控制器设计以及仿真系统。最后,为对前文理论设计结果进行仿真验证,开发了欠驱动水面艇仿真系统。展示的水面艇仿真系统各组成部分和开发流程。仿真系统采用上位机和下位机结构,上位机程序利用Matlab的Simulink模块开发,实现了水面艇航迹控制任务的数值仿真和结果分析;下位机采用VC++和VegaPrime开发,实现了水面艇数值仿真结果的三维可视化显示,上下位机采用网络通信进行数据交换。此系统可对理论设计结果进行仿真验证并提供可视化仿真结果。