人类的发展离不开海洋,探索海洋需要工具,自治潜水器是一种高效的海洋探索工具,能够自动完成信息搜集和水下作业,因此得到了广泛运用。然而,目前的潜水器很少同时具备高航速、长航程、抗干扰和原位定点作业的能力。因此,本文提出一种倾转推进重于水型潜水器,特点是没有配备浮力材料,水中重量大于浮力,在水中运行需要推进器推力或水翼产生的升力维持深度,具备定点悬停和高速水平巡航的能力。将倾转推进重于水型潜水器的运行分为三个模式:悬停模式(含一般悬停模式和机身倾转悬停模式两种)、过渡模式和水平巡航模式。在倾转推进重于水型潜水器的运动控制中,受到各种内部和外部的干扰,如内部机构的转动,外部紊流的干扰,以及各种未建模动态,都影响着控制的精度和鲁棒性。因此,本文针对各个运行模式的特点,分别设计了抗干扰控制器,实现倾转推进重于水型潜水器在整个运行过程中的高精度、抗干扰控制。本文的主要研究工作和创新点包括:(1)针对倾转推进重于水型潜水器的运行特点,将其运动控制分为三个顺序执行的模式:悬停模式、过渡模式和水平巡航模式,提出了三倾转推进器和四倾转推进器两种倾转推进重于水型潜水器构型,并对两种构型进行了分析。(2)针对悬停模式下水动力参数不确定问题进行了研究,提出了基于浸入与不变方法的非线性自适应悬停模式姿态控制器。对悬停模式进行了动力学建模,推导出姿态跟踪误差模型,设计了未知水动力参数估计器和非线性姿态控制器,理论上证明了系统的稳定性。实验结果表明,基于浸入与不变方法的非线性控制器,可以提高系统的刚性和响应速度,增强系统的抗干扰能力。(3)针对机身倾转悬停模式下的姿态稳定和跟踪问题进行了研究。机身倾转悬停模式具有大角度机动的特点,且在倾转过程中受到周围流场干扰,因此建立了无奇异点的四元数动力学姿态跟踪模型,提出了基于干扰观测器的的姿态跟踪控制框架,理论分析了闭环系统的稳定性。实验结果表明,基于干扰观测器的非线性姿态控制器能够准确估计干扰,提高姿态跟踪精度。(4)针对过渡模式下内部和外部干扰力矩对姿态的影响,提出了只有单一参数的线性扩张状态观测器,实现对内外总干扰的估计,基于反步法设计了姿态跟踪控制器,理论分析了闭环系统的稳定性。实验结果表明,单一参数线性扩张状态观测器便于调节,能够准确估计内外总干扰,提高姿态控制精度。(5)针对水平巡航模式主要由水翼提供升力和操控力的特点,建立了巡航模式下的动力学非线性模型,基于小扰动方法,推导出水平巡航模式线性化模型。分析了线性化模型纵向运动的长短周期特性,并针对短周期运动设计了俯仰角控制器。(6)针对干扰下的路径跟踪问题进行了研究。基于几何方法推导了视线法制导律的运动学方程,提出了一种海流干扰侧滑角估计器,对系统稳定性进行了分析,仿真实验显示,所提的非线性自适应视线法与积分视线法相比,具有更快的响应速度。