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水面无人船是一个拥有机器人技术的小艇或者舰船，它可以对环境改变作出反应，并且在最少的人力干涉下完成任务。水面无人船可以广泛应用于智能监视侦查任务，对测量、科研、搜寻和营救方面的工作是非常有帮助的，也可以用来进行商业捕鱼。和其他一些民用的高级系统相似，水面无人船技术最初也是开始于军事方面的应用，由于水面无人船所具有的这些特性，其已经成为如今各国家研究的热点。本文主要的研究工作是设计水面无人船的轨迹跟踪控制问题的非线性控制律。首先，论文说明了水面无人船在当今世界中一些具体的应用场所，对国内外水面无人船技术的发展做了简要的介绍，并且进行了一些举例说明。同样也表明了国内水面无人船相关技术的研究还处于空白阶段，这迫切的需要我们展开相关方面的技术探索，而轨迹跟踪控制正是无人船技术的关键所在。在合理的假设条件下，建立了欠驱动船舶水平面三自由度数学模型，并通过建立的数学模型研究欠驱动水面船舶的控制特性，进行船模仿真实验等一系列工作，目的是为后续控制器的设计做以铺垫。其次，研究轨迹跟踪控制方法。考虑三自由度的水面无人船的数学模型，对非线性控制和非完整系统做了回顾，并且介绍了滑模控制方法,设计了水面无人船轨迹跟踪滑模控制器。这些控制器需要很少的计算量，并且可以应用在小规模的水面无人船系统上。滑模变结构控制可以为其提供鲁棒控制律，然而，这些控制器的控制参数的调整是非常不直观的，并且在不同的初始化的条件下，在某个初始条件下的最优化的参数往往表现不佳。再次，一个新的模型预测控制方法被应用到轨迹跟踪控制。模型预测控制是基于解决在每个采样时刻的一个开环最优控制问题，其结果是，无论在任何的约束或者干扰的初始条件下，均可以实现开环的最优性能。然而，这个控制器需要大量的计算时间，这令它应用在小规模的并且动态性能较快的水面无人船上是比较具有挑战性的。最后，考虑到无人船轨迹跟踪数学模型中所具有的级联特性，在轨迹跟踪控制器的设计中，引入了级联系统理论。结合滑模控制与模型预测控制各自的优点，设计了一种多速率的级联控制结构，它用模型预测控制器最优的调整了滑模控制器的参数，有效地将滑模跟踪控制器的快速计算性能，与模型预测控制器的最优化性能相结合。为了对控制器的性能以及特点进行进一步的比较，在相同的仿真情况下，分别对所设计的三种无人船轨迹跟踪控制器进行了仿真实验，通过对仿真结果进行分析可知，这种级联结构考虑到了最优性能并且提供了可以被实时计算的，而且满足输入饱和约束的控制律。