广义坐标维数多于控制输入维数的系统被称作欠驱动系统。欠驱动机械臂具有工作效率高,灵活性强,重量轻,能在极端环境作业等优点,广泛应用于工业、医学、军事等领域。针对欠驱动机械臂的轨迹规划和鲁棒控制技术研究是机器人、人工智能、控制理论与技术等研究领域的热点之一,既能提供安全有效的机械臂末端控制方案,也能促进非线性非完整系统控制理论与技术的发展与完善。由于欠驱动系统状态之间相互耦合或伴随非完整约束,对其规划运动轨迹和设计控制算法都是具有挑战性的任务。本文的研究对象为三自由度直升机系统,若把其两个驱动系统的中心位置看成机械臂末端的被控位置,则该系统是一个典型的欠驱动二阶非完整系统,该系统非常适用于先进控制理论与技术的教学和实验验证。本文首先建立了三自由度直升机的多刚体动力学模型,然后简化多刚体模型表达式,分别对偏航、升降、俯仰三个通道进行了参数拟合。搭建仿真和实验环境,进行系统的响应对比。结果表明:辨识得到的模型能准确地描述三自由度直升机平台的动力学特性,相比于原始的系统模型,辨识的模型精确度有很大提升;但相对于实际平台的响应,辨识模型的响应在瞬态和稳态精度方面依然存在一定的偏差。然后针对该二阶非完整系统,采用虚拟完整约束(VHC)方法,构造原广义坐标之间的虚拟约束关系,将辨识模型降阶,得到虚拟受限系统。存在反馈控制律使得约束关系沿着该闭环系统的解不变。根据期望的直升机运动定义了三种完整约束关系,离线规划了直升机的三种典型轨迹,作为跟踪控制的参考信号。基于辨识的模型和轨迹规划模块输出的参考轨迹,设计了末端轨迹鲁棒高精度跟踪控制器。先将系统反馈线性化,然后采用内外环控制结构,根据期望的误差轨迹模型,确定控制器参数;结合不确定与干扰估计器(UDE)设计了一种新的鲁棒控制器,以补偿未准确建模和辨识的因素对系统控制精度的影响。证明了闭环系统的稳定性,分析了影响系统跟踪误差值的关键因素。对轨迹规划方案和鲁棒轨迹跟踪控制方案进行了数值仿真验证和实验验证。首先,在Matlab/Simulink搭建仿真模型,验证了鲁棒控制律的有效性和对干扰的抑制能力。并通过仿真对比设计参考信号的不同方式,说明了非完整系统轨迹规划环节的必要性和离线规划结合在线规划方法的优点。最后在固高三自由度直升机平台上运行了设计的方案,进行了系统的闭环实验和结果对比。实验结果表明:对规划的三种不同轨迹,被控系统跟踪误差都有界;采用不确定与干扰估计器有利于减小稳态误差,验证了鲁棒控制律的有效性;进一步验证了辨识模型的可靠性和适用性,基于辨识模型规划的轨迹是安全可行的。