无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)的轨迹跟踪是完成海洋勘探,编队航行,军事侦察等任务的不可或缺的重要手段。但由于USV所具有的欠驱动,非线性,高耦合等特性,再加上环境干扰等因素的影响,USV的轨迹跟踪控制就更加困难。基于上述原因,本文采用基于生物启发的反步法与反步滑模控制方法对控制器进行设计。对于USV轨迹跟踪控制器设计中存在的微分膨胀,输入饱和,环境干扰等问题进行了处理,并进行了仿真验证。本文具体的研究工作如下述所示:1.建立了欠驱动无人艇的数学模型。基于分离模型建模的思想,建立了北东坐标系和船体坐标系,并用其描述了USV的六自由度数学模型。为方便设计控制器,基于一系列假设条件,建立三自由度的USV数学模型。并对所建立的USV模型进行定常直航及定常回转仿真验证,进而证明了所建的USV数学模型的动力性能与操纵性能均能够满足要求,为下文的轨迹跟踪控制器设计的验证,打下了基础。2.完成生物启发模型的建立,并使用反步法设计了轨迹跟踪控制器。介绍了生物启发模型的基本原理及特性,并建立了相应的模型,通过仿真验证,验证了模型在微分替代特性和平滑输出信号的作用。而在用反步法设计USV轨迹跟踪控制器的过程中,本文采用生物启发模型代替其中的微分变量,从而减少了设计过程中的大量求导运算,简化了控制器设计过程,并且通过直线与圆形轨迹跟踪路径的仿真,验证了所设计的控制器能有效的跟踪所设定的轨迹。3.建立了基于生物启发模型的USV反步滑模轨迹跟踪控制器。针对在实际航行时存在的未知环境扰动,本文设计了指数收敛的扰动观测器,对环境扰动进行估计,并在控制器上进行补偿。在设计控制器时,首先采用反步法进行设计,并将实时位置误差及角度误差通入生物启发模型进行处理,使误差输出信号平滑有界,设计出虚拟的期望纵向速度与艏向角速度。之后,使用反步滑模法,将滑模面带入反步法设计步骤中去,并使用生物启发模型处理其中虚拟速度的微分项,镇定速度误差,从而求出控制率。最后,通过仿真实验,将本章算法与传统反步滑模法进行对比,证明了本文算法能够有效的避免输入饱和现象的产生。