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近年来，随着机器人技术的发展，各种各样的移动机器人系统正在开始应用于工业、国防安全、公共安全、灾难救援、科学探测等领域；但是，遥控作业仍然是制约移动机器人广泛应用的一个核心问题。如何使机器人系统摆脱遥控的束缚而具有全自主行为能力，是目前机器人学领域重点研究的关键问题之一。
自主环境适应能力是移动机器人最基本的自主能力之一。机器人系统需要面对不可预知的、动态的、存在时变扰动和噪声的工作环境，这通常会导致机器人动力学参数的变化，从而使传统的机器人控制技术很难得到满意的控制效果并达到自主环境适应的目的。同时，目前的移动机器人系统大都受非完整约束的影响，由于其约束的不可积性，使其控制与规划变得异常困难，因此研究移动机器人在存在不确定情况下的鲁棒控制问题，以及存在非完整约束条件下的镇定问题和规划问题具有非常重要的理论意义和实际应用价值。
本文以沈阳自动化所与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人(UTV)这个典型的受不确定以及非完整约束影响的系统为背景，研究其在存在大量不确定因素及外界环境干扰条件下的鲁棒控制问题和其在受制于非完整约束情况下的镇定和运动规划问题，其中前者主要针对系统在受风、流、浪等外界干扰下的鲁棒控制问题；后者旨在解决满足非完整约束条件下的非线性系统规划与控制问题。本论文的具体内容安排如下：
第1章，简单介绍了非完整系统的概念，归纳出非完整系统在控制上的两方面核心问题，即：不确定性及扰动的抑制问题和运动规划与控制问题。对解决这两类问题的现有方法进行了深入分析和综述，包括动态模型的在线估计共性方法、非完整约束系统运动控制方法、以及优化与预测控制方法，同时，介绍了本文作为仿真与实验对象的三体船型水面平台的发展概况。针对现有方法存在的问题有针对性地提出了本论文的研究内容。
第2章，首先简要介绍了机器人学国家重点实验室与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人试验平台，作为本论文后续仿真与实验研究的对象，介绍了该平台的动力系统与控制系统。从运动控制的角度出发，综合考虑推力、水动力等对整个系统的动力学进行了分析，建立了完整的6自由度动力学模型以及水平面运动的简化模型。在此基础上，分析了三体船型水面移动机器人的非完整约束特性和能控性，为后续方法研究奠定了基础。
第3章，提出了一种基于主动建模的鲁棒控制设计方法。对于包含难以准确建模动力学以及外来扰动等不确定性的系统，可以将其动力学模型合理简化，而将所有不确定因素以模型差的形式引入到系统中：将引入的模型差与系统原有状态组合成增广状态，构造出联合估计模型；再利用在线佶计方法实时估计这个模型差；同时，将估计出的模型差利用某种控制策略反馈到控制量中，达到增强系统鲁棒性的目的。针对三体船型水面移动机器人，住理论上分析了上述方法的稳定性，并在实际三体船型水面机器人上开展了实验比较研究。实验结果表明此方法对系统中存在的各种不确定因素具有很好的抑制作用。
第4章，重点研究非线性系统在线估计以及将在线与控制相结合的问题。在简要介绍可以用于非线性估计的UKF方法的基础上，针对其性能严重依赖噪声先验知识的问题，提出了一种基于主从结构的自适应滤波器设计方法。同时针对三体船型水面机器人非线性系统模型中存在的不确定性因素，提出了一种基于自适应UKF的指数跟踪控制器设计方法。仿真结果验证了自适应UKF算法的性能提高，同时验证了基于在线估计的指数跟踪控制器对时变参数与扰动的抑制作用。
第5章，研究了非完整约束系统的镇定控制问题。提出了一种高维流形嵌入法；通过把二阶非完整约束系统嵌入到高维流形中，将在原空间中镇定到一个点的问题转化成在扩展的状态空间中镇定到一个子流形的问题；从而，可以将原空间不可连续反馈镇定的控制问题转化为高维流形中可连续反馈镇定控制问题，理论上证明了该方法的正确性和完备性。针对三体船型水面移动机器人的仿真结果验证了该方法的正确性。
第6章，针对非完整约束对移动机器人可执行轨迹的制约问题，提出了跟踪控制Lyapunov函数的概念，并将其引入到非完整系统地运动规划中，用跟踪控制Lyapunov函数来保证规划算法的收敛性和可执行性。该方法将非线性预测控制与基于跟踪控制Lyapunov函数的广义逐点最小范数控制相结合，得到了一种在保证闭环稳定性前提下的运动规划算法；理论上证明了该方法的正确性，并针对三体船型水面移动机器人动力学进行仿真验证。