在海洋工程领域,自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)作为一种高机动多用途的水下作业平台而日益受到广泛关注。AUV的运动控制技术是其完成多种作业任务的基础,轨迹跟踪控制则是AUV运动控制领域的热点课题,其对于机动目标跟踪、时敏目标打击和编队协同作战等对实时性要求较高的任务有着重要的研究意义和应用价值。本文即以欠驱动AUV为研究对象,以轨迹跟踪控制为研究目标,以非线性控制理论和方法为研究工具,开展了课题研究。完成了以下主要研究内容:(1)基于相关文献给出了欠驱动AUV运动数学模型的建立过程,进而结合本课题研究对象的特点对AUV的数学模型进行了合理简化,得到了欠驱动AUV运动控制仿真模型。同时,对欠驱动AUV的本质特性和运动控制特性进行了较为全面的论述。(2)针对欠驱动AUV的水平面轨迹跟踪控制和垂直面深度跟踪控制这两个典型的水下作业控制问题分别进行了研究。采用积分滑模控制方法设计控制器并分别实现了欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制和深度跟踪控制,并将仿真结果与一般反步法控制器做了充分的对比和控制效果分析,为其后续的三维轨迹跟踪控制研究奠定了基础。(3)针对欠驱动AUV在模型参数摄动影响下的三维轨迹跟踪控制问题进行了研究。提出了一种虚拟速度控制策略,并基于生物启发神经动态模型和自适应积分滑模控制设计了一种轨迹跟踪控制器,避免了一般反步法控制中易出现的虚拟控制量跳变问题,并有效抑制了模型参数摄动的影响。数值仿真表明该控制器不仅有效,且控制器输出较为平滑并具备一定鲁棒性。(4)针对欠驱动AUV在模型不确定和海流扰动的复合影响下的三维轨迹跟踪控制进行了研究。采用虚拟速度控制策略,并利用动态面控制对虚拟速度指令进行滤波,降低了控制器计算复杂度;利用RBF神经网络对模型不确定项进行逼近和估计,进而结合积分滑模控制设计了海流干扰自适应律和动力学控制律,最终得到了一种鲁棒自适应轨迹跟踪控制器。最后,将所设计控制器与滤波反步法控制器在同等条件下做数值仿真对比,充分说明了所设计控制器的有效性和鲁棒性。本文的结论部分,对学位论文研究工作进行了较为全面的总结,对本文仍存在的不足进行了客观的分析,同时也对该领域的未来发展进行了展望。