无人水面船舶系统的轨迹跟踪问题是控制领域中的一个研究热点。因船舶自身特性及其作业的环境,不可避免地会出现模型不确定性、未知扰动、输入饱和、输入延迟等问题,这些因素会显著降低无人水面船舶系统的动态和稳态性能,使得无人水面船舶系统轨迹跟踪控制器设计问题极富挑战性。因此,研究无人水面船舶系统的轨迹跟踪控制具有重要的理论意义和应用价值。本文主要以全驱动无人水面船舶系统为研究对象,分别针对模型不确定性、未知扰动、输入饱和、状态和输入延迟等问题,采用误差符号鲁棒积分（robust integration of the signal of the error,RISE）方法,与双曲正切函数、偏微分方程（partial differential equation,PDE）和最优控制等结合,设计无人水面船舶系统的轨迹跟踪控制器。主要成果包括:1.针对具有未知扰动和输入饱和的无人水面船舶系统,研究其轨迹跟踪问题。基于RISE和积分反推相结合的方法,利用双曲正切函数,提出一种新的辅助滤波器结构,有效补偿输入饱和,并且抑制未知扰动。为了处理跟踪误差系统所包含的不连续动态,本文利用Filippov解和微分包含理论,在所设计的连续跟踪控制器下,实现无人水面船舶系统的半全局渐近跟踪。2.针对具有未知扰动、模型不确定性、状态和输入延迟的无人水面船舶系统,研究其轨迹跟踪问题。采用RISE和PDE相结合的方法,设计轨迹跟踪控制器,实现补偿输入和状态延迟,抑制未知扰动和模型不确定性。构造Lyapunov-Krasovskii（LK）泛函,分析闭环系统的稳定性,实现轨迹跟踪误差的一致最终有界。3.针对具有未知扰动和模型不确定性的无人水面船舶系统,研究其轨迹跟踪最优控制问题。首先,假定系统所有动态项已知,利用反馈线性化,并基于Hamilton-Jacobi-Bellman（HJB）优化方法设计控制器,使得给定二次性能指标达到最小。其次,当系统中存在参数不确定性和未知扰动,控制器被修正为带有用于抑制不确定性和未知扰动的RISE反馈控制器。最后,通过Lyapunov稳定性分析,保证控制器渐近地收敛于最优控制器,实现并优化无人水面船舶系统的半全局渐近跟踪。