无人艇的自主航行在军用和民用方面得到高度重视,无人艇集群协同航行也是近期研究的热点。在军用领域,集群协同控制在舰队协同作战、搜捕营救、编队巡逻、等方面都具有广泛的应用。在海洋资源探测、环境监测等民用领域,使用多无人艇集群系统可以提高监测范围和监测效率。本文以集群为研究对象,对组成集群的各个成员艇稳定性和准确性进行优化。在此基础上,对集群协同路径跟踪、避障、多路径跟踪任务下集群分离与汇合方面做进一步研究。首先,建立了无人艇水面三自由度模型,完成了对系统控制输入量(即推力和喷口转角)的控制律设计,实现了无人艇航速和航向解耦控制。并针对无人艇航行过程中的侧偏角补偿问题,提出了一种基于神经网络的侧偏角预测LOS路径跟踪控制器,提高了无人艇路径跟踪的准确性;针对高海况下无人艇运动中水动力参数和喷口转角不确定性问题,采用自适应重构算法的思想,设计自适应重构控制律,进一步提高了无人艇路径跟踪的稳定性,在舵角驱动器发生故障以及水动力不确定参数状态下,使无人艇完成期望路径跟踪任务。随后在单艇运动控制算法精确性和稳定性优化的基础上,进一步开展了无人艇集群自主运动控制方法设计研究。针对无人艇集群协同航行问题,采用虚拟结构法来保持航行稳定,并提出了离散度的概念,使无人艇集群成员之间保持固定间距,并用李雅普诺夫稳定性定理证明集群协同方法的有效性;针对同一航行任务中多路径的集群路径跟踪问题,进一步设计试验,实现六个成员组成的无人艇集群路径分离与汇合,并开展了仿真验证试验。最后,针对无人艇集群航行中内部成员艇避碰问题,采用改进的人工势场法解决了集群内部避碰问题;针对外部障碍物的避障问题,将基于海事规则的避碰行为法与人工势场法相结合,以无人艇为圆心建立无人艇避碰区域,在不同的区域设计不同的避障策略,建立具有自主避障功能的集群控制系统,实现无人艇集群在路径跟踪过程中对静态障碍物和动态障碍船自主避障;在此基础上,在一次集群航行任务中设计多条路径及障碍物,将集群成员艇分离为两个子集群,分别执行不同的路径跟踪和避障任务,之后再汇合为同一集群继续航行,采用这种方法进一步提高无人艇集群的任务效率和航行效率。仿真结果表明,优化后在单艇航行中路径跟踪的精确性提高,超调量和响应时间减少,航行的稳定性进一步提高。在集群航行及避障仿真中,无人艇集群在遇到障碍物时,都能在保障安全性和可达性的基础上,灵活采用各自最佳的控制行为避障,并且在避障后能够快速汇合,继续保持集群航行。