无人船是一种不依赖于人员控制,具有一定程度的自主航行能力、可实现实时环境感知、实时数据监测等任务的智能水面航行器,在军事上与民用方面都具有极其广泛的应用。无人船的自动驾驶系统是无人船实现无人驾驶功能、执行相关任务的关键。本文围绕着无人船运动过程中的路径规划以及路径跟踪问题展开研究,并对无人船的自动驾驶系统进行了系统设计与实现,设计出了具有自动驾驶能力的无人船自动驾驶系统。首先,为对无人船的控制问题进行深入研究,本文建立了无人船的平面3自由度数学模型,该模型是对无人船进行运动控制的基础,并通过仿真实验对该模型的有效性进行了验证。其次,通过描述无人船出入港口时的避障过程,引入了无人船的路径规划问题,针对传统人工势场法存在的目标不可达问题与局部极小值问题对算法进行了改进,并通过仿真对改进算法的有效性进行了验证。针对无人船的路径跟踪控制,本文引入了Serret-Frenet坐标系对无人船的路径跟踪问题进行了数学描述。针对航点约束下的路径跟踪问题,本文提出一种基于PID偏航距补偿的路径跟踪控制,将路径跟踪过程中的偏航距误差转换为补偿角补偿至期望角度进行跟踪控制;对于直线路径跟踪问题,本文基于无人船的一阶Nomoto模型将无人船的路径跟踪问题转换为线性状态方程形式,并设计模型预测控制器对直线路径进行跟踪;为解决一般化的路径跟踪问题,本文利用李亚普诺夫直接法设计了虚拟速度与角度控制律,并设计滑模控制器对其进行控制。最终通过仿真实验验证了算法的有效性。最后本文对无人船自动驾驶系统进行了设计与实现。基于无人船的功能需求完成了无人船自动驾驶系统的各个子系统的软硬件开发。并通过现场实验对设计的无人船自动驾驶系统进行了系统运行实验验证,实验结果表明本文设计的无人船自动驾驶系统具有较强的可行性。