自主水下机器人（autonomous underwater vehicle,AUV）作为人类探索、认识海洋的重要工具,在海洋科学研究和实际工程应用中发挥着重要作用。随着海洋探索的逐渐深入,海洋作业任务日益繁杂,对于海洋环境监测、海事救援、海底管道巡检等作业,单艘AUV的工作能力有限,需要多AUV编队协作来完成。实际工程中,AUV大都是欠驱动的,其控制输入的个数少于它的自由度。而且,AUV在航行过程中,其所处的海洋环境是时刻变化的,它的非线性的运动数学模型中的参数也存在着明显的不确定性。此外,考虑到AUV推进系统的物理限制,它所能提供的控制力和力矩均是受限的。因此,开展欠驱动AUV三维编队鲁棒控制研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文首先建立欠驱动AUV的五自由度运动数学模型;然后考虑AUV的模型参数不确定及所遭受到的未知时变海洋环境扰动,通过输出重定义方法解决AUV的欠驱动问题;构造线性扩张状态观测器,估计由AUV的模型参数不确定和未知时变海洋环境扰动构成的总扰动;并结合积分滑模控制方法,设计欠驱动AUV的三维编队鲁棒控制律,使多AUV能够以期望的三维编队队形运动。进一步,构造有限时间扩张状态观测器,在有限时间内估计AUV的总扰动;并结合非奇异快速终端滑模控制方法,设计欠驱动AUV的三维编队有限时间鲁棒控制律,使多AUV能够以期望的三维编队队形运动,并保证每艘AUV的编队跟踪误差均在有限时间内收敛到零。接着,综合考虑AUV的输入饱和、模型参数不确定及所遭受到的未知时变海洋环境扰动,设计一个能够在预定时间到达终值的性能函数作为包络线来约束编队跟踪误差;构造误差映射函数,将编队跟踪误差约束问题转换为映射后误差变量的有界性问题;构造有限时间扩张状态观测器,在有限时间内估计AUV的总扰动;构造辅助设计系统解决输入饱和问题;并结合动态逆控制方法,设计欠驱动AUV的三维编队预定时间鲁棒控制律,使多AUV能够以期望的三维编队队形运动,并保证每艘AUV的编队跟踪误差均在预定时间内收敛到由性能函数的终值确定的误差容许带内。特别地,该预定收敛时间可直接灵活地预先设定,独立于控制律的设计参数和AUV的初始状态。最后,以某一欠驱动AUV为仿真对象,利用MATLAB/Simulink对上述所有控制律的有效性进行仿真验证。