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水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)具有模块化、无人化以及智能化等优势,通过搭载不同的传感器或执行设备,可以执行各种复杂的作业任务,在海洋探索开发和军事应用领域得到了广泛的应用。USV相关领域的研究受到越来越多的关注,其中USV自主导航技术作为决定USV智能化程度的关键要素,逐渐成为研究的热点问题。能够在复杂的海洋环境中完成各种特殊作业任务,是USV智能化行为的重要体现,智能化意味着USV可以和作业环境进行自主交互,自主规划安全可行的作业航迹,并根据作业环境变化实时自主调整航行状态。本文主要围绕实现USV自主导航所涉及到的几个关键技术展开相关研究。论文的主要工作包括:针对传统方法解决USV全局航迹规划问题的局限性,提出一种基于邻域智能水滴算法(Neighbourhood Intelligent Water Drops,NIWD)的USV自主全局航迹规划方法。首先对基本智能水滴算法(Intelligent Water Drops,IWD)收敛速度慢并且容易陷入局部最优解的缺陷进行算法改进,提出NIWD算法。通过引入扩张机制增加解的多样性,从而避免算法陷入局部最优情况;通过引入最优解强调机制,减小无效解的重复搜索概率,从而有效提高算法的收敛速度。然后对NIWD算法值收敛性进行了理论证明,并通过一系列标准测试函数对算法性能进行对比测试。最后将NIWD算法应用于USV全局航迹规划问题,并开发USV自主航迹规划软件对所提方法进行测试,结果表明该方法能够根据已知环境信息规划出满足作业性能要求的最优无碰航迹。针对船舶碰撞威胁度(Collision Risk Incidence,CRI)具有模糊性、不确定性以及实时性的特点,充分利用证据推理(Evidential reasoning,ER)在处理不确定以及不完整信息融合问题时的优势,提出了一种基于ER理论的船舶CRI评估方法,为USV威胁规避行为采取时机以及多船会遇情况下的避让优先级的决策提供客观依据。首先对船舶CRI评估问题进行描述,对船舶CRI值影响较大的关键要素进行分析,给出各关键要素相应隶属度值计算方法。然后根据各要素对船舶CRI影响程度利用层次分析(Analytic Hierachy Process,AHP)方法为其赋权重。最后给出基于ER理论的CRI评估方法详细执行步骤,通过一系列仿真实验对所提方法的有效性进行分析和验证。针对现有USV实时威胁规避方法主要存在的问题,提出了一种基于拓展最优交互避碰算法(Optimal Reciprical Collision Avoidance,ORCA)的USV实时威胁规避方法。首先对USV在海上作业时可能遇到的几种典型会遇情况进行分析,并给出相应符合《国际海上避碰规则》(Convention on the International Regualtions for Preventing Collision at Sea,COLREGs)的避碰措施。然后根据USV实时威胁规避问题的特点,对传统ORCA算法进行拓展。对障碍物运行信息获取时由于传感器测量导致的不确定性进行处理,并将COLREGs规则作为计算可行避碰速度的制约条件,而且在计算USV最优避碰速度时充分考虑到障碍物可能采取的避碰措施。最后给出了基于拓展ORCA算法的USV实时威胁规避方法的操作流程,并通过仿真实验对方法的可靠性和安全性进行了验证。针对模型参数具有不确定性且容易受到外界干扰的非线性系统设计了基于前件不匹配(Imperfect Premise Matching,IPM)模糊控制器的H?跟踪控制律。首先研究了基于并行分布补偿(Pafallel Distributed Compensation,PDC)模式以及IPM模式的模糊模型(Fuzzy-Model-Based,FMB)系统,并分析了PDC模式下的FMB系统的缺陷。其次利用Takagi-Sugeno(T-S)模糊方法对非线性系统进行建模,在建模时考虑到系统参数摄动以及外界干扰导致的不确定性,并针对系统状态不可测的问题设计了相应的状态观测器对系统状态进行估计。然后提出基于IPM模式的H?跟踪控制律,给出系统满足H?性能指标要求的稳定性条件,并通过理论推导给出了该条件的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities,LMI)形式。最后通过小车倒立摆实验对所提跟踪控制方法进行验证,结果表明该方法对模型参数摄动及外部干扰具有一定的鲁棒性,并且实时性较好。针对USV首先研究了USV的动力学模型和运动学模型,并将其根据USV航迹跟踪问题的特点进行简化,给出了水面三自由度USV运动模型。然后分别对USV系统动态方程以及期望系统动态方程进行全局微分同胚变换,得到跟踪误差动态系统,并利用级联系统理论将航迹跟踪误差的镇定问题转换为两个独立误差子系统的镇定问题。最后通过仿真实验验证了所设计的USV航迹跟踪控制律的有效性。