系统控制输入向量空间的维数小于系统自由度个数的系统称为欠驱动系统,该系统的特点是用维数少的控制输入驱动较多自由度的运动。欠驱动系统不仅可以降低系统成本、重量和体积,还可以为全驱动系统执行机构出现故障时提供应急控制策略,因此欠驱动系统的控制问题得到了广泛关注。仅配备纵向推力装置和航向转向力矩装置的无人水面艇,横向状态受二阶非完整约束,是典型的欠驱动系统。无人艇运行中受到模型摄动(参数不确定性和未建模动态)和外界环境扰动(风、浪、流等引起)影响;各状态之间耦合严重,非线性特性强;另外在狭窄水道航行、编队航行、多智能体协作航行时,需要对状态或输出进行较为严格的约束,以避免无人艇偏离期望航线而发生碰撞或通讯丢失,以上特性和因素给其运动控制带来了巨大的挑战。本文以具有欠驱动特性、状态约束、不确定性和受外界扰动欠驱动无人艇的镇定控制和轨迹跟踪控制为研究重点,通过基于级联系统理论、滑模降维动力学运动学一体化控制策略、在运动学回路和动力学回路中引入附加控制器的控制策略,逐步开展了研究,旨在实现欠驱动无人艇在状态约束下的运动稳定性和轨迹可控性。针对非对角结构(即惯性矩阵和阻尼矩阵为非对角形式)的无人艇,首先基于牛顿欧拉法,建立了运动学和动力学数学模型,模型中包含了必要的模型摄动和外界扰动等因素。由于非对角惯性矩阵和阻尼矩阵使系统状态之间耦合严重,使得该欠驱动系统的非线性特性更加凸显。针对非线性系统难以用传统线性可控制性理论分析其可控性的难点,本课题采用了小时间局部可控、微分几何相关理论,证明了此类具备强非线性特征的欠驱动无人水面艇是小时间局部可控的,为后续开展具有状态约束的无人艇镇定控制和轨迹跟踪控制提供了理论基础。针对欠驱动无人艇镇定控制中存在的状态约束问题,分析了基于传统反步法和Lyapunov直接法的局限性,提出了基于反步法的鲁棒控制律,开展了受状态约束的欠驱动无人艇鲁棒镇定控制问题研究。通过全局微分同胚变换和输入变换,将复杂的非对角形式的模型变换为两个级联形式的子系统,并证明了该级联系统的稳定性等价于原系统的稳定性。该级联系统的稳定性等价于包含控制输入的子系统的稳定性,简化了控制器设计和稳定性分析。继而提出干扰观测器对未知扰动进行在线估计。基于扰动估计结果,采用了 Barrier-Lyapunov函数和反步法相结合的控制律,优化暂态响应性能。为了避免反步法理论对虚拟控制输入引起的维数和次数爆炸,通过动态面理论获得虚拟变量的一阶导数估计值。对比仿真试验证明了本课题所提的基于级联理论和反步法的镇定控制律的有效性,解决了欠驱动无人艇的鲁棒镇定控制问题。为实现无人艇在欠驱动状态下的轨迹跟踪控制,从系统欠驱动轴和驱动轴的解耦特性出发,提出了具有鲁棒性的广义动力学逆和滑模的控制方法,无需分析欠驱动系统中各个状态之间的耦合关系即可实现跟踪控制目的。通过引入滑模面,将系统动力学方程和运动学方程化为一个整体,降低了系统维数。通过广义逆理论,将控制器构造为特解和辅助解两部分,特解部分能够保证欠驱动轴的稳定性,辅助解不会影响欠驱动轴的稳定性。为确保闭环系统稳定性,通过引入具有非奇异特性的扰动零向量矩阵,构造出能使驱动轴稳定的辅助解部分。该方法不需要将模型预处理化为链式形式或适合用反步法的形式,也不需要详细分析各个状态之间的耦合关系,从而能够扩展到更多的非完整系统。为后续解决一类欠驱动系统控制问题提供了可行的方法。针对无人艇轨迹跟踪控制中的欠驱动特性和鲁棒性问题,提出了自适应神经网络观测器,同时实现了对不确定性和系统状态的准确估计,该观测器的设计与控制器是独立的,状态和不确定性的估计结果不依赖于系统跟踪误差;在上述观测器的基础上,将轨迹跟踪控制器分为运动学回路和动力学回路两部分,提出了两种控制策略。第一种控制策略,在运动学控制律中引入附加控制量,在运动学控制器设计阶段解决欠驱动问题,将滑模控制用于动力学回路控制器设计,实现了镇定误差的有限时间收敛。第二种控制策略,在运动学控制器设计阶段,引入Barrier-Lyapunov函数处理跟踪误差的约束问题,在动力学控制器设计阶段引入附加控制量,解决了欠驱动问题。这两种控制策略都能够实现欠驱动无人艇的轨迹跟踪控制,第一种控制策略在动力学回路中不包含欠驱动信息,可以通过现有全驱动控制方法进行控制。第二种控制策略保证了运动学回路的完备信息,便于处理状态约束问题。