控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG)在航天航空有关工程控制领域已经得到了广泛的应用和长足的发展。CMG能够以低能耗输出较大力矩,占用空间较小且可以进行分布式安装。基于上述优点,CMG适合应用在空间受限的水下航行器上。考虑水下航行器需要保持一定的姿态进行水下作业,所以姿态控制是水下航行器研究领域的一个重要课题。水下航行器在工程应用时将受到复杂水下环境所造成的不确定干扰,以及由于负载变化引起的惯量矩阵的摄动等影响,其控制系统在数学上的表达为六自由度复杂非线性方程。上述因素要求其控制器应该具备强鲁棒性。作者针对上述问题对本文研究对象的姿态控制进行了有关研究并概括如下:首先,建立了固定和随艇坐标系,并给出了基于CMGs的欠驱动水下航行器数学模型。阐述了反步法,终端滑模控制技术,有限时间稳定的相关定义及定理。随后,考虑水下航行器的设备尺寸受限并研究了CMGs的整体构型,采用了较为复杂的金字塔构型所组成的CMGs最小冗余系统。研究了若干典型CMGs操纵律,将本文所使用的混合操纵律与其中两种典型CMGs操纵律做了对比仿真实验。通过分析实验结果,验证了本文所使用的混合操纵律适合CMGs金字塔构型下的欠驱动水下航行器模型。其次,本文基于欧拉角表示的数学模型,通过引入扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO),结合滑模控制技术,设计了闭环控制系统。具体来说,考虑模型中存在未建模项和外部干扰等影响,将其视作系统的复合扰动项,采用二阶扩张状态观测器进行实时估计和补偿。做出合理假设,将反步思想引入至控制器的设计中,递推至整体,并证明了控制系统渐进稳定。通过MATLAB进行仿真实验,分析结果表明所设计的控制器可以准确有效的对被控对象进行姿态跟踪控制,面对复合干扰体现出有较强的鲁棒性。控制系统简单,易于实现,为实际应用给出了较为有效的控制方法。最后,考虑到一般的控制技术的收敛速度不可控,引入了终端滑模控制技术,从而使得被控系统收敛时间有限可控,从而极大地增强了系统的快速性。为避免发生奇异现象的同时又能实现大角度姿态跟踪控制,本文使用了基于误差四元数表示的数学模型,设计了基于FTCESO(Finite Time Convergent ESO)的终端滑模控制器。考虑了惯量矩阵的摄动和不确定动态干扰,并进行了仿真实验。根据实验结果可以看出水下航行器可以在上述因素的影响下完成大角度姿态跟踪控制,从而验证了基于有限时间收敛的闭环控制系统的有效性和正确性。该闭环控制系统相比基于ESO的反步滑模控制系统,具有收敛时间可控的优势,仿真效果良好,提升了本课题对于实际工程应用的意义。