遥控潜水器(ROV)与处于运动状态的车库式中继器在水下环境中的对接一般采用人工遥控操作,依赖操作人员的经验,危险性较高。故有必要实现ROV与中继器的自动对接,本文主要针对其中的关键技术进行研究,即ROV自动跟踪中继器运动轨迹的问题,提出了如下方案:基于单目视觉技术估计ROV与中继器相对位置和姿态,再利用滑模变结构控制实现ROV对中继器轨迹的跟踪。该方案具有成本低、精度较高等优点,其中涉及图像处理、控制律设计和建模仿真等技术,本文的主要研究内容如下:基于刚体理论建立了ROV运动学和动力学的一般方程,分析了ROV在运动中的受力情况,并将方程归纳为矩阵形式的系统状态方程。针对11000米“龙皇”号ROV的水动力系数,在V-REP仿真环境中建立了仿真模型,并预留了与外部程序同步仿真的通信接口。针对基于单目视觉获取ROV与中继器相对位置和姿态的问题,基于Visual Studio开发环境,采用阈值处理、形态学操作和边界提取等方法识别中继器上特征光源的位置,并提出了一种判断边界是否为光源边界的方法。通过对真实水下图像的处理,验证了该算法可以准确识别安装于水下结构物上的特征光源。然后采用张正友方法标定了摄像机内部参数后,通过求解PnP问题得到ROV与中继器之间的相对位姿,通过物理试验分析了位姿估计算法的稳定性和精度。针对ROV的轨迹跟踪控制,基于简化的控制律设计模型,为纵向、横向和垂向三个自由度的运动设计了鲁棒滑模控制律,并通过李雅普诺夫稳定性理论分析了其控制性能;艏向采用基于离散化干扰观测器的滑模控制。然后介绍了通过极点配置法确定控制参数的过程。MATLAB仿真试验表明两个控制器均可有效地抵抗干扰,跟踪目标轨迹。为了验证控制台程序(集成了图像处理和控制模块)的有效性,设计了该程序与V-REP环境同步仿真的架构,进行了两者的同步仿真试验,进一步验证了轨迹跟踪程序可以基于视觉信息的引导,有效地控制ROV跟踪中继器的运动轨迹。