无人水面艇是一种依靠艇载传感器实现自主航行的智能化小型水面平台。作为无人系统的重要组成部分,无人水面艇的研究对于国家海洋事业的发展以及海洋权益的维护至关重要。为了确保无人水面艇能够搭载不同任务荷载以顺利完成各项任务,无人水面艇需具备快速准确的航向、航迹控制性能以及较强的抗干扰能力。本文以“蓝信”号无人水面艇为研究对象,考虑到未建模动态以及风、浪、流等外界干扰对其运动的影响,进行了航向与航迹控制器的设计与验证工作。具体的研究内容如下所示:首先,本文建立了“蓝信”号无人水面艇的线性数学模型、非线性数学模型以及艉机模型,为航向以及航迹控制器的分析与设计奠定了基础。考虑到风、浪、流等外界干扰会对无人水面艇的运动产生影响,故又建立了干扰数学模型。针对无人水面艇航向控制问题,本文在轨迹线性化控制算法的基础上引入非线性干扰观测器,设计了基于非线性干扰观测器的快慢回路时标分离的轨迹线性化航向控制器并利用Lyapunov理论给出了相应的稳定性分析。为了避免传统轨迹线性化控制算法利用一阶惯性环节及伪微分器求取微分信号时可能出现的峰值现象,本文利用二阶最速离散跟踪微分器为指令信号及其微分信号安排了合理的过渡过程。仿真结果表明,该航向控制器能够实现精确的航向跟踪控制且具有较好的鲁棒性。针对无人水面艇航迹控制问题,本文在基于非线性干扰观测器的轨迹线性化控制算法基础上分别利用LOS制导算法和非线性坐标变换设计了间接与直接航迹控制器。仿真结果表明,间接航迹控制器能够在不确定因素存在条件下实现直线及曲线航迹控制,直接航迹控制器则能够实现直线航迹控制且具备一定的抗干扰能力。最后,为了验证设计的航向控制器的有效性,本文在自主设计的实验系统基础上进行了航向控制实船实验。实船实验结果表明,基于轨迹线性化的航向控制器能够在真实海洋环境中实现良好的航向控制,为无人水面艇航向控制提供了一种有效的控制方法。