自主水下航行器作为一种新型智能化海洋作业装备,已在海洋资源开发、环境监测和海域侦查等领域发挥出越来越重要的作用。一方面,水下航行器精确的轨迹跟踪能力是其完成既定任务的关键保障。另一方面,随着海洋开发的不断深入,多水下航行器协同控制逐渐成为目前研究的热点问题。与单个水下航行器相比,多水下航行器协同作业能够实现诸如排雷、搜救等大规模复杂水下任务。然而水下航行器通常具有欠驱动、非线性和强耦合等特性,以及易受复杂海浪洋流等外部干扰影响,这给水下航行器轨迹跟踪和多航行器协同控制带来极大的挑战。本文以新型的四旋翼水下航行器为对象,针对其三维轨迹跟踪控制和协同包围控制两个关键问题开展一系列研究。首先,本文构建了四旋翼水下航行器的运动学模型和动力学模型,详细介绍了航行器配置的“X”型驱动系统,并推导出完整的仿射非线性数学模型。基于非线性控制和几何控制方法分析了四旋翼水下航行器的非完整性、可稳性和可控性,为后续的控制器设计奠定基础。其次,针对受推力饱和约束和海浪洋流等外部时变干扰的四旋翼水下航行器三维轨迹跟踪控制问题,本文利用坐标偏置的方法设计了基于输入输出反馈线性化的运动学控制器,并基于干扰观测器,辅助动态系统和动态面控制方法设计了反步法动力学控制器。动态面控制方法能够避免传统反步法的微分爆炸问题,使控制器设计更为简洁。严格的理论分析证明了水下航行器轨迹跟踪闭环系统的信号一致最终有界。然后,针对四旋翼水下航行器协同包围控制问题,本文利用坐标偏置的方法设计了基于输入输出反馈线性化的运动学控制器,并设计了自适应反步法控制器和鲁棒反步法控制器分别处理航行器受到的未知常值干扰和时变干扰。两种控制器均无需事先指定包围队形,且无需任何绝对的位置信息。理论分析表明两种控制器均可保证移动目标被航行器包围至其凸包内部,且能够实现航行器之间的障碍规避和对移动目标的速度估计。最后,针对协同包围控制中四旋翼水下航行器简化子系统的过驱性,本文研究了在推进器饱和约束下,四旋翼水下航行器的约束控制分配问题。提出了一种基于零空间投影的直接分配策略。针对可达转矩向量,基于推进器能耗最小的优化指标设计了分配策略;针对不可达转矩向量,利用尺度缩放,将其映射到可达转矩集的边界上,保证最终的控制输出和虚拟控制指令方向一致。理论证明和仿真结果验证了分配算法的有效性。