近年来,无人艇系统在海洋监测、海洋测绘、矿产开发、科学考察、军事应用等领域展现出了广阔的应用前景,引起了众多研究人员的重视和关注。良好的运动控制性能是无人艇能够完成各项任务的前提,因此运动控制问题作为无人艇平台研发的核心内容引起关注。并且由于无人艇需要执行各种任务,对无人艇续航能力提升的要求越来越高。然而在设计无人艇时由于对速度、耐波能力和有效载荷等方面的权衡,提升无人艇续航能力受到制约。因此在保障无人艇运动控制性能的同时,如何设计无人艇运动控制器以减少能量损耗成为我们需要研究的问题。由电力驱动的无人艇为典型的电能和机械能变换系统,我们可以将其看成由机械端口和电气端口结合组成的二端口能量变换的装置:机械能由机械端口输出,电能由电气端口输入。因此通过能量的变换分析来判断系统运行状态,实现基于能量控制的无人艇运动控制系统,从而优化整个无人艇系统的输入能量、输出能量和损耗能量,从而实现无人艇电能利用效率的提升。从能量的角度和观点研究无人艇的运动控制,有着重要的理论意义和工程实际价值。本文主要研究工作如下:(1)无人艇的端口受控哈密顿运动模型为从能量的角度处理无人艇的运动控制问题的基础。我们在标准的船舶六自由度运动模型的基础上,简化得到无人艇水面运动三自由度的数学模型。在无人艇数学模型中考虑了非线性阻尼与模型及环境的不确定性的影响,应用端口受控哈密顿理论,建立了无人艇的端口受控哈密顿运动模型。对模型的耗散性、无源性及能量平衡等特性进行分析,无人艇运动系统可以描述为无源性系统。(2)针对欠驱动无人艇航速航向问题,提出了一种能量控制与信号控制混合的协调控制方法。端口哈密顿系统控制子系统优化了无人艇的能量消耗;反步法控制子系统使无人艇系统获取更好的动态性能。此外,当闭环系统在稳态时,能量控制器起主要作用;当闭环系统动态调节时,信号控制器起主要作用。这样可以发挥每个子控制器的优势。因此,协调控制器可以克服单独使用能量控制器时不能快速跟踪动态信号或单独使用信号控制器时不能进行能量优化的缺点。提出的控制方法具有很好的实际意义和工程价值。仿真结果验证了所提控制算法的有效性和稳定性。闭环系统不仅可以快速跟踪信号的变化,而且具有很好的稳态性能和稳定性。(3)针对无人艇镇定控制问题,设计了一种加入积分环节的能量成形镇定控制器。首先设计了基于哈密顿控制方法的镇定控制器,可以使无人艇镇定到期望的平衡点处。然后在第一步提出的设计方法中,加入积分环节实现无人艇的镇定控制,改善了控制器的稳态性能。通过稳定性分析表明设计的控制器可以保证无人艇系统的稳定性。通过仿真设计,验证了算法的有效性,可以最终实现无人艇在平衡点处渐近镇定控制。(4)针对全驱动无人艇系统的轨迹跟踪问题,提出了基于能量控制的轨迹跟踪控制器。首先构建了扰动观测器来估计未知的时变环境扰动,然后基于能量成形和阻尼注入控制原理提出了无人艇轨迹跟踪控制器。通过理论分析表明,闭环系统在平衡点处为渐近稳定的。为了应对扰动估计器不容易构造的问题,我们在能量成形和阻尼注入控制器的基础上结合L2扰动抑制理论形成了易于实现的无人艇轨迹跟踪控制器。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪鲁棒控制器可以有效抑制系统模型摄动和外界的干扰的影响,具有强鲁棒性和更好的稳态性能,同时闭环系统的能量损耗最小。(5)针对欠驱动无人艇系统的路径跟踪问题,改进了自适应视线法(Line of Sight,LOS)路径跟踪能量控制器。通过自适应LOS导航算法解决了欠驱动无人艇的期望路径点的航向跟踪问题,将自适应LOS导航算法得到的期望航向角作为能量航速航向控制器的期望输入,解决了欠驱动无人艇的路径跟踪问题。通过理论分析表明,闭环系统在平衡点处为渐近稳定的。仿真结果表明,自适应LOS导航算法路径跟踪能量控制器可以较好的进行路径跟踪,同时闭环系统的能量损耗最小。通过理论分析和仿真验证验证了所提算法的有效性。本文使用基于哈密顿控制方法对受复杂海洋环境干扰及模型不确定性等因素影响的无人艇的运动控制问题进行了深入讨论,主要包含:航速航向控制问题、位置镇定控制问题、轨迹跟踪控制问题、路径跟踪控制问题,为无人艇的运动控制系统设计提供了新的解决思路,优化了无人艇推进系统的能量损耗,有效的提升了无人艇的续航能力。