智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在现代海洋开发中占有重要地位。欠驱动AUV的运动存在高度的非线性、非完整性以及控制输入的约束，因此针对于欠驱动AUV的研究将直接关系到AUV在实际运动中操控性能的好坏。针对于这一工程应用的背景，本文重点研究了欠驱动AUV的镇定控制和轨迹跟踪。首先，分析智能水下机器人受力情况，建立水下机器人的运动学和动力学模型。在此基础上对AUV进行非完整性和可控性分析，并且对AUV的物理约束进行了相应的研究。AUV的非完整性和可控性表明可以设计时变的控制律进行AUV相应的运动控制，为后续的镇定控制和轨迹跟踪打下基础。在欠驱动AUV的镇定控制方面，本文分别从二维平面和三维空间进行了镇定设计。镇定设计的目的就是使AUV从任意初始位置通过控制输入稳定在稳定点。针对于二维镇定设计，基于微分同胚变换，将运动方程转化为级联系统，应用李亚普诺夫直接法设计得到一种较为简单的控制律，并应用微分理论进行了证明。三维镇定设计，基于四元数理论将六自由度空间运动方程进行了转化，设计虚拟的中间变量，得到控制律并进行了证明。针对于欠驱动AUV的轨迹跟踪问题，本文也从二维平面和三维空间进行了跟踪设计。轨迹跟踪问题就是在控制输入的作用下使得AUV沿设定的轨迹运动。相对于镇定控制问题，轨迹跟踪分为两部分进行：轨迹跟踪误差方程的获得；轨迹跟踪误差方程的镇定收敛；其难点就在于跟踪误差方程的获得。二维轨迹跟踪，首先假设虚拟的AUV运动方程，得到误差方程，通过微分同胚变化得到跟踪误差的级联系统，利用李亚普诺夫稳定性理论反步推导提出控制律。三维轨迹跟踪的复杂性表现在运动方程的耦合性，在不计入横滚运动的影响下，通过设计期望的艏向角、纵倾角，将运动方程变为几个子系统，通过合适的形式得到级联系统，则直线轨迹跟踪转化为级联系统的镇定问题。采用李亚普诺夫函数设计得到控制律，应用级联系统定理证明了控制律的有效性。曲线轨迹跟踪首先设计使受驱动方程速度误差稳定的控制律，再根据轨迹跟踪误差，通过线性理论分析得到控制律中的虚拟参考量。仿真实验验证了提出的控制律的有效性，并具有良好的控制性能。在获得AUV的控制律的基础上，即可以得到运动过程中AUV所受的推力以及转矩的大小变化曲线，将对应的推力和转矩反馈在AUV的螺旋桨转速和舵翼的操舵角上这一工程应用，在文中对三维直线轨迹跟踪的推力反馈问题进行了探讨。