无人艇因其尺寸小、吃水浅和功能多样等特点,被广泛用在内河和近海场景执行无人任务,例如水质采样、岛礁测绘等。本文以课题组的“精海8-b”无人艇为研究对象,对无人艇的路径点跟踪任务进行了研究。针对无人艇在急转弯等极端场景存在的跟踪误差大、误差收敛缓慢等问题,提出了基于LOS(Line-ofSight)制导与广义预测控制(generalized predictive control,GPC)的路径规划方法和基于滑模控制(sliding mode control,SMC)的轨迹跟踪方法,并将两种方法结合提出LOS-GPC-SMC控制策略,实现了无人艇的路径点跟踪控制。在此基础上,开展了编队控制研究,采用跟随者独立控制的方法,通过编队控制运动学将编队控制问题转化为轨迹跟踪问题,最终实现了领航者-跟随者的编队控制。本文的主要研究内容如下:在无人艇运动建模方面,为了简化控制难度,在考虑外界干扰的情况下,建立了只考虑船纵荡、横荡和艏摇三个方向的运动的无人艇水动力模型。为了使后续生成的虚拟轨迹中包含船体的机动性能约束,建立了“精海8-b”无人艇的Nomoto模型。此外,因为“精海8-b”无人艇采用的是双螺旋桨驱动,推力通过两个螺旋桨产生,转艏依靠两个螺旋桨之间的差速实现,为给后续仿真做铺垫,建立了前进推力和转艏力矩与两个螺旋桨推进器油门值之间的数学关系。在任务路径规划方面,提出了一种基于LOS制导和GPC算法(LOS-GPC方法)的虚拟轨迹生成策略,通过LOS制导将路径点跟踪问题转化为艏向跟踪问题,之后将得出的虚拟艏向输入给控制器采用GPC算法设计的虚拟无人艇,从而生成虚拟轨迹,最后通过仿真实验证明了所提方法的可行性。在轨迹跟踪控制方面,针对无人艇在具有参数不确定以及风浪流等外界干扰情况下的轨迹跟踪问题,通过设计运动学回路中纵向和横向的虚拟控制律将轨迹跟踪问题转换成速度跟踪问题,之后采用滑模控制方法设计无人艇的纵向速度控制器和艏向控制器对虚拟控制律进行跟踪,此外为了有效解决滑模控制律所存在的状态抖动问题,论文设计了一种新的自适应切换律来减弱系统的抖动,最后通过仿真实验验证了所提方法的有效性。在编队控制应用方面,针对环境干扰和参数摄动场景中的编队控制问题,提出采用领航者-跟随者编队控制方法,结合编队运动学,将编队控制问题转化为跟踪控制问题。对于领航者,其期望路径通过工作人员以点的形式给出,然后采用LOS-GPC的方式生成一条包含无人艇机动性能约束的虚拟轨迹,通过提出的滑模控制方法对领航者的控制器进行设计进而对虚拟轨迹进行跟踪。针对跟随者,其期望轨迹通过结合领航者航行的轨迹与领航者之间的相对位置产生,采用滑模控制方法对跟随者的控制器进行设计,最后通过仿真实验证明了所提方法的可行性。通过路径点跟踪控制的实现和编队控制案例的应用,表明提出的LOS-GPCSMC控制策略能有效实现对路径点的跟踪控制,所提出的滑模控制方案能在参数存在摄动以及外界存在干扰的情况下能较好地实现轨迹跟踪,并且将提出的路径规划方法和滑模控制方案与编队运动学相结合能很好地实现编队运动控制。