近年来,随着社会的不断发展,人们对于各类自然资源的需求急剧增大,而陆地资源产量已经逐渐无法满足这样的需求,因此各国将目光投向了海洋资源。在对海洋资源进行勘探开发的过程中,水面无人艇因具有机动灵活、自主性高及可拓展性强等优点获得了广泛的应用。目前,进一步提高系统的自主性是水面无人艇的发展趋势,为此我们必须在通信、智能决策以及轨迹跟踪控制等方面取得突破。其中,精准可靠的轨迹跟踪控制能够保证艇体沿期望轨迹航行,为水面无人艇高效地完成各项任务提供基础保障。因此,水面无人艇轨迹跟踪控制具有重要的研究价值。本文就水面无人艇轨迹跟踪控制器设计问题展开研究,主要内容如下:1.从运动学和动力学两方面介绍水面无人艇的动态特性,并结合轨迹跟踪控制器的设计需求,建立欠驱动水面无人艇的三自由度运动数学模型。对于本文所设计的轨迹跟踪控制器而言,神经动态模型是不可或缺的组成部分,因此本文也将对其做相应的介绍与分析。2.设计一种基于可变边界层的水面无人艇滑模轨迹跟踪控制器。该控制器的设计分为两个环节,分别为运动学回路控制律设计与动力学回路控制律设计。在运动学回路控制律设计环节,首先根据位置误差并结合双曲正切函数设计虚拟速度控制律;随后引入两个神经动态模型对虚拟速度控制律进行处理,以减少控制器的计算复杂度,并进一步保证虚拟速度的平滑有界。在动力学回路控制律设计环节,根据滑模控制原理并结合神经动态模型的输出,设计水面无人艇轨迹跟踪控制系统的实际控制律;在该环节控制律的设计过程中,为抑制系统抖振并保证跟踪精度,应用一种带有可变边界层的饱和函数代替传统滑模控制中所应用的符号函数,该饱和函数的边界层可随系统控制误差变化。最后,通过理论分析证明系统稳定性,并利用数值仿真验证控制器设计方法的有效性。3.提出一种基于扰动观测器的水面无人艇反步法轨迹跟踪控制器的设计方法。该控制器的设计同样分为运动学回路控制律设计和动力学回路控制律设计两个环节。在运动学回路控制律设计环节,首先利用微分同胚变换将惯性坐标系下的位置误差转换到艇体坐标系下;随后为提高系统的跟踪精度与动态性能,引入位置误差积分项设计虚拟速度控制律;另外,为避免出现微分爆炸情况并确保虚拟速度平滑,采用神经动态模型对虚拟速度控制律进行处理。在动力学回路控制律设计环节,根据Lyapunov函数设计系统实际控制律,并采用扰动观测器的观测值对控制量进行前馈补偿,以提高水面无人艇轨迹跟踪控制系统的抗扰动能力。最后,通过构造Lyapunov函数分析系统稳定性,并利用数值仿真验证控制器设计方法的有效性。