欠驱动无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）完成任务之后，需要返回母船（艇）进行数据回放、下载新的使命任务等工作，因此航行器的回收作业是不可缺少的过程，而欠驱动UUV的运动控制是完成其自主回收的重要技术保障，针对欠驱动UUV回收过程中的运动控制研究具有重要的理论价值和工程应用价值。本文分析了欠驱动UUV的运动控制特性，对航行器航迹跟踪控制和回收技术的研究现状进行了总结和分析，在此基础上，针对欠驱动UUV自主回收任务，考虑到欠驱动UUV的非完整性约束条件、运动模型的强非线性和强耦合性以及水动力系数的不确定性等特点，将轨迹跟踪控制与欠驱动UUV的自主回收相结合，应用非线性方法设计先进的轨迹跟踪控制器，实现航行器从任务点到回收平台“空间与时间”的跟踪任务，为成功实现航行器的回收作业奠定基础。主要研究内容如下：首先，建立欠驱动UUV回收过程中的空间运动学模型和动力学模型，并通过对航行器的典型性运动进行数值模拟仿真，验证模型的正确性和操纵性。根据航行器的物理结构和工作环境提出合理假设，并保留对欠驱动UUV的空间运动起主导作用的水动力参数，在不影响航行器主要运动特征的前提下对欠驱动UUV的运动模型进行简化，得到欠驱动UUV水面回收过程中的三自由度运动简化模型和水下回收过程中的六自由度运动简化模型，从而简化了轨迹跟踪控制器的结构。其次，确立欠驱动UUV回收过程中轨迹跟踪方法，引入参考轨迹上的虚拟UUV作为被控航行器的跟踪目标，将整个轨迹跟踪控制分为虚拟UUV的轨迹规划模块和被控UUV对虚拟目标UUV的跟踪控制模块两个部分，从而使得被控UUV脱离对参考轨迹的直接依赖，降低轨迹跟踪控制器的复杂性，提高了控制器的控制效果。联合虚拟UUV的状态变量和被控UUV状态变量得到轨迹跟踪误差，从而将欠驱动UUV的轨迹跟踪问题转化成轨迹跟踪误差的稳定性和收敛性问题。以简化的运动模型作为被控UUV的运动模型，同时引入辅助控制变量将误差方程部分线性化，降低控制器的复杂性，并应用反步法技术与李雅普诺夫函数以及杨氏不等式等控制理论和数学工具分别设计欠驱动UUV水面回收和水下回收过程中的轨迹跟踪控制器，从而使得轨迹跟踪误差渐进收敛到原点，以确保航行器的成功回收。再次，针对欠驱动UUV水面回收过程中的轨迹规划模块，根据参考轨迹上参考点与虚拟UUV位置一致以及参考点的切向速度与虚拟UUV的合速度相等，建立关于参考轨迹变量与虚拟UUV状态变量之间的微分方程，结合欠驱动UUV的水平面动力学模型，得到虚拟UUV状态变量关于参考轨迹变量的表达式，从而将参考轨迹信息映射为虚拟UUV的位姿和速度信息，完成被控UUV水平面轨迹跟踪的轨迹规划工作。针对欠驱动UUV水下回收过程中的轨迹规划模块，引入弗雷涅-塞雷（Frenet-Serret）坐标系、参考坐标系、船体坐标系以及固定坐标系，利用各个坐标系之间的旋转关系将三维参考轨迹上参考点处的姿态角转化成虚拟UUV的姿态角；同时，根据空间三维参考轨迹上参考点与虚拟UUV位置一致以及参考点的切向速度与虚拟UUV的合速度相等，以及欠驱动UUV的六自由度动力学模型，推导出虚拟UUV的速度关于参考轨迹变量之间的表达式，从而完成被控UUV水下回收空间三维轨迹规划工作。最后，为验证轨迹跟踪控制器的有效性，搭建半实物仿真平台，分别对欠驱动UUV的水面回收过程进行圆轨迹跟踪仿真，对水下回收过程进行空间正弦轨迹跟踪仿真，结果表明利用虚拟UUV作为被控UUV跟踪目标的跟踪方法和应用反步法与李雅普诺夫函数相结合的方法设计出的轨迹跟踪控制器能够实现航行器在圆轨迹条件下的水面回收作业和空间正弦轨迹条件下的水下自主回收作业，同时，利用三维仿真视景计算机显示航行器的运动状态，提高了欠驱动UUV回收过程中轨迹跟踪的可视化效果。