水面无人艇USV(Unmanned Surface Vehicle)运动控制系统是一个欠驱动、不稳定的非线性系统,对其自主航迹跟踪控制研究依然是现阶段国内外研究的一大挑战。水面无人艇具有机动性强、体积小、隐蔽性强等独特的优点,使其在军事和民用领域都具有广阔的应用潜力。因此研究开发水面无人艇自主航行控制系统具有重要的理论意义和实际应用价值。虽然目前国内对水面无人艇的建模和运动控制已有不少的研究,但是大部分是停留在理论研究阶段。本文将采用理论分析与模型仿真相结合的方式,对水面无人艇的运动数学模型进行研究和航行控制器进行设计,同时构建水面无人艇运动控制的软硬件平台实现自主航迹跟踪。根据控制系统设计的要求,本文主要分为模型建立、控制器设计与仿真、实验平台搭建和软硬件设计、航迹跟踪的实现四部分。首先在前人研究的基础上,采用传统的船舶机理建模的方法建立水面无人艇三自由度运动数学模型并通过系统参数辨识法验证了模型的准确性;接着根据运动数学模型分别设计了PID控制器、鲁棒PID控制器和鲁棒PID滑模控制器,并在Matlab环境下对不同控制器的控制效果进行仿真;然后在实验室现有软硬件平台的基础上,自主搭建水面无人艇实验平台和设计软硬件系统;最后设计点对点自主航迹跟踪和直线航迹跟踪实验,验证了鲁棒PID控制器在水面无人艇航迹跟踪中的可行性。本文的重点研究在于水面无人艇自主航迹跟踪控制系统的搭建和基本航迹跟踪的实现,为后续水面无人艇的自主避障和平台的应用奠定了基础。