水面无人船能够提高海上作业的自动化水平,在民用和军事领域方面有着广阔的应用前景。路径跟踪和轨迹跟踪控制问题是无人船顺利执行各种任务的保障。目前USV多设计为欠驱动形式,本身存在强耦合非线性,加上复杂恶劣的海况,使得USV航迹跟踪控制成为研究的热点、难点。因此,本文展开对路径跟踪、轨迹跟踪控制和实际跟踪控制系统的研究工作。主要研究内容如下:考虑多种不确定性,建立水平面三自由度无人船运动摄动干扰模型,为后续章节自主式无人船路径跟踪与轨迹跟踪控制,以及自抗扰控制技术的应用奠定基础和提供理论支撑。针对欠驱动无人船的路径跟踪问题,提出了基于视线制导的滑模自抗扰控制律。首先,考虑单个无人船,使用视线法导引律得出期望的航向角;然后,利用扩张状态观测器估计无人船运动过程中的多种不确定性,设计出了基于滑模自抗扰控制的航向角和航速控制器,并进行了稳定性分析。对比仿真验证可知所设计的控制器能够有效减轻滑模控制的抖振现象,并能提高整个系统的鲁棒性能。进而考虑多个无人船协同跟踪同一路径,使用降阶扩张状态观测器作为导引律,求出了期望的航速;利用滑模自抗扰技术控制航速,使得在此航速下各无人船的前后距离保持一致,实现了协同路径跟踪。针对欠驱动无人船的轨迹跟踪问题,提出了基于导引律的轨迹跟踪控制律,并使用自抗扰控制改进了动态面控制算法。首先,设计了基于期望航向角和前向速度的轨迹跟踪导引律;进而采用降阶扩张观测器估计整个系统的不确定性,并在动态面控制中加以补偿;然后,使用动态面控制,考虑到实际控制系统多为离散系统,将非线性跟踪微分器代替普通一阶滤波器跟踪中间变量并获取导数值;在仿真实验中,调整导引律所得到的期望航向角和航速值,并结合了自抗扰控制中安排过渡过程的思想,实现了输入饱和限制下的轨迹跟踪控制仿真,仿真结果验证了使用该算法能够有效应对输入饱和限制。为便于将路径跟踪和轨迹跟踪控制算法向实际应用转化,首先分析了整个无人船系统的构成及其功能,为整个无人船系统的搭建提供了依据;然后,重点考虑航行控制模块。最后,根据本文无人船采用的柴油机和喷泵的推进方式,设计了航速和航向的离散自抗扰控制算法。