近年来随着人类对陆地资源需求的与日俱增，海洋资源将逐渐成为世界各国竞相开采与利用的目标之一。作为一种能够实现海底资源勘探，海底管道维修，海域环境侦察，海上援潜救生等工作的特种机器，自主式水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)是现代海洋开发的常见工具。在执行相关的作业任务时都需要系统能够高效精确的跟踪上特定的曲线，因此欠驱动AUV的航迹跟踪能力是其完成任务的前提保障。与此同时，AUV的模型是一个集合了非线性，耦合性，与不确定性等的复杂系统，这些因素都会给控制设计造成困难。于是，设计出性能优良的非线性鲁棒控制器具有很高的理论价值与工程意义。本文的主要研究内容及创新点如下：
　　首先，介绍了惯性坐标系与载体坐标系之间的转化关系与相应的运动参数，并建立起AUV的运动学模型；然后对系统的动力学特性进行分析，明确了各项动力学参数的物理意义与相应的表达式，包括静力，恢复力，主动力等，并给出欠驱动AUV的六自由度动力学模型。在此基础上根据实际需要对六自由度的物理模型进行简化，解耦成三自由度的水平面模型与忽略横滚影响的五自由度模型。
　　然后，针对欠驱动AUV二维情况下的水平面航迹跟踪控制问题，在忽略被控模型的不确定性与外界干扰的情况下，提出了一种基于级联系统的状态反馈控制方法，该控制策略考虑了控制输入存在饱和限制的影响。首先将全局跟踪误差系统划分为两个级联的部分，然后利用Lyapunov直接法设计出饱和的转向力矩?r，使得偏航系统的跟踪误差镇定到零点。在此基础上利用一种矩阵的转化关系设计出纵向推力?u，使得位置系统的跟踪误差渐近收敛到零点附近的一个有界范围内。最后通过SIMULINK平台的仿真模拟试验也验证了该方法的有效性与鲁棒性。
　　最后，航迹跟踪问题从二维情况升级到三维空间情形，采取了一种饱和控制方法。首先利用视线法设定了参考角度，从而保证了航迹跟踪目标的合理性；然后通过定义一种虚拟速度控制信号的方法以避免控制设计中引起的奇异值问题，接着引进二阶滤波器的形式对虚拟信号进行近似以消除因对控制量求导而引起的微分爆炸的不利影响；在此基础上，通过引进光滑有界的Nussbaum函数构成了饱和动力学控制器；最终根据Lyapunov稳定性理论证明了该方法在控制输入饱和有界的情况下，所有的控制信号最终将一致有界，仿真案例也验证了该方法在同等条件下所具有的优越性。