在碳中和大背景下,船舶可以采用混合动力系统减少碳排放。船舶采用高效的能量管理技术,智能算法优化出最佳的航行路径,使总消耗成本最小,可以进一步减少碳排放。文本主要针对自主航行船舶路径规划、欠驱动轨迹跟踪控制和高效能量管理展开研究,其主要内容如下:（1）自主航行船舶操纵数学模型建立。引入了欠驱动3自由度船舶操纵性模型,根据原型船对船舶操纵水动力导数及模型参数进行了计算。随后为模拟真实环境对环境干扰进行设计,最后为了验证船舶操纵性模型的准确性和稳定性,进行船舶操纵性仿真试验。（2）自主航行船舶路径规划设计。对墨西哥湾电子海图栅格化处理并基于改进型A*算法的全局路径规划进行设计,该算法能够搜索出最佳路径并有效避开障碍物。采用改进型人工势场法对船舶穿越海峡过程进行局部路径规划设计,通过仿真结果表明所设计的算法能够实时有效的规避障碍物。（3）考虑操纵性约束的自主航行船舶轨迹跟踪控制设计。针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统具有非线性、大惯性、时滞、局部线性不可控等特点,结合扩展卡尔曼滤波器和序列二次规划算法,设计基于非线性模型预测控制的船舶轨迹跟踪控制策略。同时设计具有一定复杂度的参考轨迹,用于测试船舶的各种工况及工况切换情况。通过对一艘监测船进行仿真试验,验证所设计轨迹跟踪控制器的有效性。（4）基于规则的速度规划和混合动力系统能量管理策略设计。针对船舶航速限制法规做了相应的速度规划,对船舶启动、制动和避碰过程进行速度控制。之后对船舶混合动力系统运行模式进行设计,最后基于确定规则的船舶能量管理策略进行设计并结合所设计的运行工况进行试验仿真,结果表明相较于传统柴油机推进系统,燃油消耗降低了23.82%。本文深入研究了混合动力自主航行船舶欠驱动操纵性模型建立、路径规划、轨迹跟踪控制、速度规划和能量管理策略,具有一定的学术价值和工程应用实践意义。