自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)由于无电缆制约,活动范围广,且体积小,重量轻,在大范围海洋探测领域发挥着重要作用。随着海洋利用区域不断扩大,人类的探索不断向深海、远海延伸,因此对自治水下机器人的航行范围、航行深度和航行时间提出了更高的要求。对此,水下机器人的续航能力和航行安全面临着巨大的挑战。基于此,各国研究人员陆续提出自主水下对接回收系统,通过AUV与对接装置对接,实现充电、数据更新,用于解决AUV远距离、长航时、高深度作业时的能源供应与数据通信问题,提供AUV更大续航力和安全航行保障。本论文以水下对接需求为背景,针对对接回收关键技术,研究AUV的水下入坞导引与航行运动控制技术,即引导与控制欠驱动自治水下机器人,使其准确进入圆锥导筒式水下回收平台。传统的长航程AUV,主要是进行水下大范围的巡航,对导航精度和航行精度要求并不是很高。本课题研究的AUV自主入坞技术要求其导航定位精确、路径跟随精准、目标点就位稳定,这对AUV的自治性和控制性能提出了更高的要求。若实现自主入坞技术,AUV需具备高精度位置测量系统和精确水下航行控制系统。因此,AUV的自主定位导航技术和航行控制技术成为了入坞成功的关键,也是本课题重点研究的技术问题。在导航定位系统中,本课题采用超短基线(USBL,Ultrashort Baseline)水声定位系统。通过对定位基阵与应答器间的水声信号进行方位解算,并进行Kalman滤波处理,使AUV获取入坞目标点的精确位置,完成入坞路径规划和水声导引。根据水下回收过程中相对距离的远近,将入坞过程划分为两个阶段:第一阶段为远距离导引,采用纯定点跟踪制导方式;第二阶段为近距离精确控制,采用横向误差制导方式。在航行控制上,通过对AUV进行运动学和动力学分析,得出不同运动形式的驱动力特性,从而完成动力系统改进和航行控制算法优化。这是本文的研究重点。针对自主入坞航行过程中AUV不同的运动状态,本文将航行控制性能划分为水平路径跟随精准、垂向定深/变深稳定和定点动力悬停,分别对其展开控制研究。主要是对控制算法进行改进与优化,以期实现精确的航行控制。通过在MATLAB/Simulink中搭建AUV运动模型,进行运动仿真与控制算法可行性验证。最后通过湖上试验,得出实际航行控制效果。本课题采用的AUV平台为细长回转体外形,其长度为8.86m,直径为534mm,空气中重量2t。在回收平台上,拟选用圆锥导向式对接装置,其上搭载相应的定位、锁紧机构和电力接口,以便于准确对接,完成数据传输和能源补给。在后期课题验证中,在满足功用性的基础上,将对接装置简化处理,采用方形对接口形式。在完成导航定位系统设计和精确航行控制系统改进后,课题组在湖上进行了 AUV的自主入坞试验,得出本论文提出的水声导引方法和航行控制技术可以很好的实现AUV的自主入坞回收。