在海洋工程领域,自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是实现海洋科学调查、海洋目标监测、深水探查、和海下油气勘探的重要工具。AUV的运动控制技术是其完成多种作业任务的基础,轨迹跟踪则是运动控制领域的热点课题。本文针对欠驱动AUV的轨迹跟踪问题,以非线性控制理论和方法为科研工具,开展课题研究。研究围绕以下几方面进行:(1)在参考相关文献的基础上,详述了欠驱动AUV运动控制仿真模型的建立过程。同时围绕本课题研究对象特点对AUV运动模型进行了适当简化。然后,分析了各种扰动量对欠驱动AUV运动的影响,并给出了各种非线性约束的表达模型。最后,对欠驱动AUV的运动特性和控制特性进行了论述。(2)在所建立运动模型的基础上,针对欠驱动AUV的水平面轨迹跟踪控制和深度跟踪控制这两个典型的二维运动跟踪问题,提出一种固定时间收敛的非奇异快速终端滑模控制方法。首先以水面船的跟踪研究成果为依托,采用虚拟速度控制策略将位置误差镇定控制转化为速度误差镇定控制。然后,采用固定时间收敛快速终端滑模设计了轨迹跟踪、深度跟踪控制器;同时设计补偿控制律对参数摄动问题进行补偿。最后,进行数值仿真验证了所设计控制器的可行性与稳定性。(3)在欠驱动AUV的平面轨迹跟踪研究的基础上进行拓展,并针对不足之处进行了改进。针对欠驱动AUV在模型参数摄动以及外界海流影响下的三维轨迹跟踪问题,提出一种基于非线性干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制方法。首先,采用虚拟速度控制策略将误差镇定问题转化。为了避免反步法由于位置误差而导致的虚拟控制量的跳变问题,采用动态面技术求取虚拟速度的导数。然后采用快速终端滑模控制设计了一种轨迹跟踪控制器,同时设计补偿控制律解决参数摄动问题。接下来,设计非线性干扰观测器观测外界海流干扰并进行补偿。最后,仿真验证了控制器的有效性及鲁棒性。(4)考虑到更为复杂的海洋环境,针对欠驱动AUV在模型参数不确定性、外界海流干扰以及输入受限下的三维轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的反步积分滑模控制方法。首先,采用虚拟速度控制策略将误差镇定问题转化,同时利用动态面对虚拟速度指令进行滤波。然后,引入线性扩张状态观测器补偿欠驱动AUV系统的模型不确定性以及外界干扰所构成的复合扰动项;并且设计辅助动态系统解决欠驱动AUV的输入受限问题。最后,仿真验证了所设计控制器的有效性。