自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,下面简称为AUV)是一种可以自主进行运动或作业的无人潜航器。它也称为无人海洋运载器,它能够完成水下地质勘测、海洋生物信息采集、水下军事作战以及海洋资源开发等特定任务,能够帮助人类完成人类无法直接参与的任务,所以自主水下航行器的应用前景十分广阔,同时也代表了水下航行器技术未来的发展方向。本文为了提高AUV控制系统的稳定性和鲁棒性,对AUV垂直面运动和水平面运动两部分分别进行了研究,还对滑模变结构控制、模糊滑模控制、自适应滑模控制和视线导引法(LOS法)以及它们在自主水下航行器控制器设计中的应用进行了研究。首先,对AUV进行了数学建模,包括其运动学和动力学模型,并且将具有六自由度运动的自主水下航行器模型解耦为垂直面运动控制模型和水平面运动控制模型。其次,对AUV的导引控制系统进行了设计,在AUV的路径跟踪过程中采用了LOS法作为导航算法,由于AUV在路径跟踪过程中会存在着水流的干扰,而常规的LOS导航法能够给系统带来稳态路径误差,使航向角偏离了期望的航行角度,因此在这里引入了侧滑角的概念,修正AUV路径跟踪中出现的航行轨迹误差;同时进行了仿真实验,检验了AUV导引控制系统的正确性。再次,对AUV的垂直面运动进行了定深控制的滑模控制器设计,同时采用了模糊控制输出替换滑模变结构控制的开关特性函数,削弱滑模变结构控制的抖振现象;并且分别设计了基于等效控制的模糊滑模控制器和基于指数趋近律的模糊滑模控制器,并对滑模控制器与模糊滑模控制器的控制效果作了对比;同时也考虑了水动力参数不同不确定性情况,最后进行了仿真实验,验证了所设计的两种模糊滑模控制器都有较好的响应效果和良好的鲁棒性,即控制系统具有较好的姿态控制能力。接下来,对自主水下航行器水平面路径跟踪滑模控制器进行了设计,考虑了水流的干扰建立了AUV水平面动力学方程,同时基于LOS法建立AUV水平面路径跟踪误差方程;基于解耦方法的控制理论,将AUV水平面上的路径跟踪控制系统分解如下:速度控制系统、位置控制系统和艏向角控制系统,并对它们分别进行控制律的设计,同时采用模糊控制输出替代滑模开关特性函数,最后进行了仿真实验,分别进行了曲线路径和直线路径跟踪研究,验证了控制器具有较好的路径跟踪效果。最后,进行了饱和约束下的自主水下航行器水平面路径跟踪自适应滑模控制器的设计,首先介绍了自适应控制的原理,接下来分析了自主水下航行器的饱和输入约束特性,设计了一种抗饱和补偿算法,用于解决航行器执行机构出现的控制输入饱和约束问题,从而提高航行器控制系统的控制性能;然后在Lyapunov稳定性理论的前提下,为了解决抖振的影响和路径跟踪精度问题,综合考虑了滑模控制器的切换增益与边界层厚度这两个因素,设计了一种自适应控制律;完成了自主水下航行器路径跟踪自适应滑模控制器的设计,从而使系统变得更加稳定,实现水下航行器精确的路径跟踪;最后进行了仿真实验,分别进行了曲线路径和直线路径跟踪研究,验证了控制器具有较好的路径跟踪效果和有效性。