一种水下机器人矢量推进器的控制系统、控制方法及矢量角度选择方法

技术领域

本发明涉及水下勘探与水下作业设备及配套技术，具体是涉及一种水下机器人矢量推进器的控制系统、控制方法及矢量角度选择方法。

背景技术

随着目前对海洋进行合理的地开发，可以极大缓解当前面临的资源短缺问题。当需要进行水下探测与水下作业时，水下机器人的优势就得以体现，尤其是在人类无法到达的深水领域。但由于水下环境恶劣，故而对水下机器人的运行稳定性以及控制性能提出了很高的要求。

现有技术中，如公开号为CN113002744A的专利申请公开了一种四旋翼水下航行器，该专利申请公开了一种重心调节装置和用于驱动重心调节装置的驱动装置，通过驱动重心调节装置运动改变四旋翼水下航行器重心位置，从而提高四旋翼水下航行器的工作效率；但其需要通过重心调节装置与推进器配合完成多自由度运动，此时航行器本体姿态会产生大幅度转动，使航行器整体稳定性大大降低，不利于水下探测与水下作业。如期刊“工业控制计算机”中公开的四旋翼水下航行器运动控制及可视化仿真，其公开了一种水下机器人四个推进器投影在两个铅锤平面形成两个“V”形状，称V形推进器，能够驱动机器人完成六个自由度的运动，从而提高水下机器人机动性；但其在运动过程中，存在推进器部分推力分量相互抵消，增加能量消耗的问题。

再如公开号为CN110065606A的专利申请公开了一种矢量推进的流线型四旋翼水下航行器，其公开了一种水下航行器推进器转动机构，将推进器安装在外壳端盖，外壳端盖与转动机构中的防水导电滑环连接，通过防水导电滑环转动以带动推进器旋转，从而完成水下航行器运动或者姿态保持，该装置相较于传统四旋翼航行器，其推力方向灵活性可变，可实现纵荡、升沉、横倾、纵倾、偏航等五个自由度运动，但是四个推进器固定安装于转动机构上，难以实现推进器单独方向调节，且多自由度运动时，航行器姿态发生改变，导致稳定性降低，不适合水下作业。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种提高水下机器人运动稳定性的矢量推进器控制系统。

本发明还提供一种水下机器人矢量推进器的控制方法以及矢量推进器矢量角度的选择方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种水下机器人矢量推进器的控制系统，包括用于驱动水下机器人运动的矢量推进器、若干检测水下机器人状态的电压型传感器、上位机、控制模块，所述上位机用于发送控制电压信号，所述控制模块包括信号采集模块、信号接收模块、信号输出模块和控制信号调节模块，所述信号采集模块用于采集所述电压型传感器的电压输出信号，所述信号接收模块用于接收上位机发送的控制电压信号以及信号采集模块采集的电压输出信号，所述控制信号调节模块用于根据信号接收模块接收的信号进行电压PID闭环计算得到闭环输出控制电压，且控制信号调节模块用于调节闭环输出控制电压的输出速度；所述信号输出模块用于将控制信号调节模块调节之后的闭环输出控制电压转换成矢量推进器的控制信号，并对矢量推进器进行控制。

进一步的，所述水下机器人包括外框架、固定于外框架内的电子舱，所述外框架两侧对称设置四个矢量推进器，所述电压型传感器、信号采集模块、控制模块均设置于电子舱内。

进一步的，所述矢量推进器包括水下推进器和水下舵机，所述水下舵机输出端与水下推进器侧面连接，水下舵机调节水下推进器的推进角度。

本发明还采用一种矢量推进器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采集水下机器人的状态信息并上传至上位机；

步骤2：上位机根据水下机器人的状态信息发送控制电压信号；

步骤3：根据上位机发送的控制电压信号以及采集的水下机器人状态信息的电压信号，进行电压PID闭环计算得到闭环输出控制电压；

步骤4：调节闭环输出控制电压的输出速度；

步骤5：将调节之后的闭环输出控制电压转换成矢量推进器的控制信号，并对矢量推进器进行控制。

进一步的，所述步骤3中电压PID闭环计算公式为：

其中，u

进一步的，所述步骤4中将闭环输出控制电压u

u

其中，u

本发明还采用一种矢量推进器的矢量角度选择方法，通过分析得到矢量推进器矢量角度的选择对水下机器人运动的影响规律，选取满足水下机器人运动需求的矢量角度；具体包括：

理论计算分析矢量推进器矢量角度及推力对水下机器人各自由度运动的控制；

仿真分析矢量推进器在推力相同、矢量角度变化时，水下机器人各自由度运动的变化规律；

进行水下机器人水下运动的水池实验，并通过实验结果分析矢量推进器在矢量角度变化时，水下机器人各参数的变化规律。

进一步的，所述水下机器人水下运动的水池实验包括定值跟踪实验和动态跟踪实验；所述定值跟踪实验为改变矢量推进器的矢量角度，并采集每个矢量角度下水下机器人由初始状态运动至目标状态过程中的参数；所述动态跟踪实验为改变矢量推进器的矢量角度，并采集每个矢量角度下水下机器人保持周期性运动过程中的参数。

进一步的，所述定值跟踪实验中采集的水下机器人参数包括响应时间、超调量、稳态误差和平均功率；所述响应时间为水下机器人的实际角度或深度由初始状态到达第一个峰值所需要的时间；所述超调量为水下机器人的实际角度或深度的最大值与目标值的差值；所述稳态误差为水下机器人的实际角度或深度稳定后的值与目标值之间差值的平均值；所述平均功率为矢量推进器中水下推进器的控制电压的平方和与时间的比值。

进一步的，所述动态跟踪实验包括目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪实验和目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验；所述目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪实验中，采集的水下机器人参数包括平均误差、平均功率；所述目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验中，采集的水下机器人参数包括幅值比、平均功率；所述平均误差为若干周期内水下机器人的实际角度或深度的值与目标值之间差值的平均值；所述幅值比为一个周期内同一时间下水下机器人实际角度或深度的当前值与目标最大值的比值。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用矢量推进器实现推力方向沿X轴的推进器绕Y轴转动，改变推进器推力方向，从而轻松实现水下机器人纵荡、升沉、横倾、纵倾和偏航的五自由度运动，设备灵活性和推进器利用率提高、能耗降低。通过电压PID闭环计算实现输出电压数字量平稳；通过调节闭环输出控制电压的输出速度，防止因控制电压大幅度变化而烧毁水下舵机，提高输出控制电压稳定性，增强水下机器人的运行稳定性，同时避免因通讯野点而烧毁矢量推进器。根据分析得到的矢量角度对水下机器人控制性能的影响规律，在水下机器人特定运动方式时优选矢量角度，从而在提高水下机器人运行稳定性的同时降低整体能耗。

附图说明

图1所示为本发明中矢量推进式四旋翼水下机器人的整体结构示意图；

图2所示为本发明中电子舱的主视图；

图3所示为本发明中电子舱的剖视图；

图4所示为本发明中矢量推进器与外框架连接的结构示意图；

图5所示为本发明中四个水下推进器布置方向的示意图；

图6所示为本发明中电子舱内部的结构示意图；

图7所示为本发明中电子舱内部结构的俯视图；

图8所示为本发明中电子舱内部结构的仰视图；

图9所示为本发明控制系统的结构框图；

图10所示为本发明控制方法的流程图；

图11所示为本发明矢量推进器控制电压闭环/缓变调节方法流程图；

图12所示为本发明中调节与不调节控制电压输出速度的对比图；

图13所示为本发明中采用与不采用控制电压闭环/缓变调节方法的对比图；

图14所示为本发明中矢量推进器矢量角度选择方法的流程图；

图15所示为本发明中推进器推力最大时各自由度力/力矩随矢量角度变化规律图；

图16(a)所示为本发明定值跟踪实验的水平面运动定值跟踪实验中推进器控制电压随时间变化的关系图；图16(b)所示为本发明定值跟踪实验的垂直面运动定值跟踪实验中推进器控制电压随时间变化的关系图；

图17(a)所示为本发明定值跟踪实验的水平面运动定值跟踪实验中水下机器人角度随时间变化的关系图；图17(b)所示为本发明定值跟踪实验的垂直面运动定值跟踪实验中水下机器人深度随时间变化的关系图；

图18(a)(b)(c)(d)所示分别为本发明定值跟踪实验中水下机器人响应时间、超调量、稳态误差、平均功率随矢量角度变化的关系图；

图19(a)所示为本发明动态跟踪实验的水平面运动动态跟踪实验中推进器控制电压随时间变化的关系图；图19(b)所示为本发明动态跟踪实验的垂直面运动动态跟踪实验中推进器控制电压随时间变化的关系图；

图20(a)所示为本发明动态跟踪实验的水平面运动动态跟踪实验中水下机器人角度随时间变化的关系图；图20(b)所示为本发明动态跟踪实验的垂直面运动动态跟踪实验中水下机器人深度随时间变化的关系图；

图21(a)(b)所示分别为本发明动态跟踪实验的目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪实验中水下机器人平均误差、平均功率随矢量角度变化的关系图；

图22(a)(b)所示分别为本发明动态跟踪实验的目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验中水平运动动态跟踪实验的水下机器人幅值比、平均功率随矢量角度变化的关系图；

图23(a)(b)所示分别为本发明动态跟踪实验的目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验中垂直运动动态跟踪实验的水下机器人幅值比、平均功率随矢量角度变化的关系图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例中的一种水下机器人矢量推进器的控制系统，水下机器人包括外框架1、电子舱2，外框架1采用铝型材搭建，电子舱2为铝制圆筒形，固定安装于外框架1的内部，在本实施例中外框架1两侧对称固定四个矢量推进器3，且矢量推进器设置于靠近外框架1竖直方向的中部，四个矢量推进器分别为左前矢量推进器3a、右前矢量推进器3b、左后矢量推进器3c、右后矢量推进器3d。

如图2和图3所示，电子舱2为圆筒型，电子舱2外壳体包括圆筒形外壳主体2a、前端盖4a、阶梯端盖4b、后端盖4c，位于电子舱2头部前端盖4a外侧装旋钮开关13，用于水下机器人整体通断电，电子舱2尾部后端盖4c上设有水密插头14，水密插头14用于与上下位机通讯线缆连接。前端盖4a、阶梯端盖 4b、后端盖4c的密封槽内分别嵌入有第一密封圈5a、第二密封圈5b、第三密封圈5c，以完成电子舱2端面密封，实现电子舱2整体防水，此密封方式整体性高，防水密封性好，可有效地保护电子舱2内部能源系统、控制系统和传感器系统。

如图4所示，矢量推进器3由水下推进器21和水下舵机19组合而成，水下推进器21通过推进器安装板20固定安装于水下舵机19的输出端，水下舵机19 通过矢量推进器安装板18固定安装于外框架1上；供电线与信号线与电子舱2 尾部的水密插头14连接，由控制系统完成矢量推进器3的矢量角度调节与转速控制，当水下舵机19旋转时，会连带水下推进器21一起转动，从而调整水下机器人的推力矢量角度。

如图5所示，本实施例中矢量推进式四旋翼水下机器人四个矢量推进器可独立控制，定义机器人质量中心为原点，通过右手定则确定OX、OY、OZ轴，OX 轴指向为水下机器人前进方向，OY轴指向为水下机器人正向横移方向，OZ轴指向为水下机器人下潜方向，四个矢量推进器3对称分布于机器人两侧，矢量推进器3绕OY轴转动，推力方向为X轴方向，通过调节推进器21螺旋桨转向实现正向与反向推力，水下机器人中轴线与水下推进器21中轴线形成矢量角度。

如图6至图9所示，电子舱2内包括电子罗盘6、电池组7、模拟量采集模块(A/D模块)8、模拟量输出模块(D/A模块)9、下位机10、姿态传感器11，分体式深度传感器12(包括传感器12a和传感器12b)、继电器组15(包括继电器15a和继电器15b)、矢量推进器驱动器(A-PWM模块)16和电压调节系统 17，按其功能可分为能源系统、传感器系统和控制系统。水下机器人能源系统包括电池组7、继电器组15和电压调节系统17，可以为水下机器人提供5v-12v的宽幅电压，通过继电器组15与矢量推进器3相连，为矢量推进器3提供12v供电电压；通过保险丝与控制系统相连，为控制系统各电子元件提供5v-12v供电电压；通过与传感器系统相连，为各传感器提供12v供电电压；继电器组15作水下机器人的电子开关，通过输入信号判断开关通断，以控制矢量推进器3得电与否。

水下机器人传感器系统包括电子罗盘6、姿态传感器11和分体式深度传感器12，电子罗盘6设置于电子舱2前端，可作罗盘使用，寻求绝对角度，并将点角度信息通过串口传输给下位机10；姿态传感器11实时监测水下机器人的运动姿态，并将姿态信号通过串口传输给下位机10；分体式深度传感器12获取水下机器人的深度数据，以模拟量电压信号形式输出，此时模拟量电压信号通过模拟量采集模块(A/D模块)8转换为数字量信号传输至下位机10中。

水下机器人控制系统(控制模块)包括下位机10、模拟量采集模块(A/D 模块)8、模拟量输出模块(D/A模块)9和矢量推进器驱动器(A-PWM模块) 16，下位机10为水下机器人核心控制器，负责采集串口型传感器数据信号，如电子罗盘6和姿态传感器11，并通过通信线缆连接水密插头14与上位机通讯，上位机负责传感器参数显示与运动控制指令发送，下位机10中包含信号的接收、调节和输出模块，下位机10接收到上位机指令后对控制信号进行调节，然后将调节的控制信号输送至各个系统，完成运动控制；模拟量采集模块(A/D模块)8负责采集电压型传感器的电压输出信号，如分体式深度传感器12，并将采集到的电压模拟量信号转换为数字量信号传送至下位机10中；模拟量输出模块(D/A 模块)9负责输出0v-5v模拟量电压和电压开关量信号，模拟量电压输出端口与矢量推进器驱动器(A-PWM模块)16连接，通过改变输出电压量调节矢量推进器驱动器(A-PWM模块)16输出PWM控制信号量，以完成对矢量推进器3的矢量角度与转速调节，电压开关量作继电器组15的输入信号；矢量推进器驱动器(A-PWM模块)16为矢量推进器控制单元，通过输入电压变化调节输出PWM 控制信号变化，以调节矢量推进器3的矢量角度与转速。电子舱2内的电子元件均采用栈式安装方式，极大提高电子舱2内部空间的利用率，同时提升电子元器件散热性能，以保证矢量推进式四旋翼水下机器人运行稳定。

如图10所示，上位机内闭环控制器通过RS232通讯线缆实时发出控制电压数值给下位机10，下位机10将接收到的控制信号压数值以及采集的电压型传感器的电压输出信号电压数值，进行电压PID闭环计算得到闭环输出控制电压，并调节闭环输出控制电压的输出速度，调节后输出控制电压数字量，控制电压数字量实时发送至模拟量输出模块(D/A模块)9中，将控制电压数字量转化为控制电压模拟量，然后通过矢量推进器驱动器(A-PWM模块)16输出PWM控制信号至水下推进器21和水下舵机19，完成矢量推进器3转速与矢量角度控制，进而完成四旋翼水下机器人运动控制；此时下位机10通过传感器系统实时采集水下机器人各项数据，并将采集数据发送至上位机闭环控制器内，以完成矢量推进器控制。

实施例2

如图11所示，本实施例中的一种水下机器人矢量推进器的控制方法，用于提高水下舵机19控制稳定性，包括以下步骤：

步骤1：采集水下机器人的状态信息并上传至上位机；

步骤2：上位机根据水下机器人的状态信息发送控制电压信号；

步骤3：如图11虚线框A中，下位机10接收后将控制电压数值转变为闭环输入电压u

其中，u

步骤4：调节闭环输出控制电压的输出速度，如图11虚线框B中，将闭环输出控制电压u

u

其中，u

步骤5：调节之后的闭环输出控制电压转换为控制电压数字量u

如图12所示，为验证电压缓变调节函数在控制水下舵机19时的有效性，采用模拟量输出模块(D/A模块)9的两个端口进行测试。首先不采用电压缓变调节函数对控制电压输出速度进行调节时，将目标电压由2.55v调节至4.55v，在运行至2.5s时开始调节电压，此时调节电压响应迅速，水下舵机迅速旋转至75°，调节后电压稳定在4.55v左右，如图12所示，电压曲线形成阶跃，由于响应速度过快，会导致水下舵机19内部工作电流猛增，存在一定几率烧毁水下舵机19。

采用电压缓变调节函数对控制电压输出速度进行调节时，此时设定缓变参数 k

如图13所示，为验证矢量推进器控制电压闭环缓变调节方法在控制水下舵机19时的有效性，采用模拟量输出模块(D/A模块)9的两个端口进行测试。将目标电压设定为0.417v，前6.3s中，使用电压闭环调节函数优化后，控制电压输出较为平稳，方差为1×10

实施例3

如图14所示，一种矢量推进器的矢量角度选择方法，通过分析得到矢量推进器矢量角度的选择对水下机器人运动的影响规律，选取满足水下机器人运动需求的矢量角度；包括理论计算、仿真分析与水池实验。通过理论计算分析各水下机器人各自由度控制；通过仿真分析得推进器推力相同时，各自由度力/力矩随矢量角度变化规律；水池实验中，通过调节矢量推进器矢量角度β的测试方法完成水池实验，调节矢量角度β并实时采集水下机器人的实时姿态、深度数据。

水池实验可分为定值跟踪实验和动态跟踪实验，定值跟踪实验又可分为水平面运动定值跟踪实验和垂直面运动定值跟踪实验，可得响应时间、超调量、稳态误差、平均功率随矢量角度变化规律；动态跟踪实验可分为目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪实验和目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验，目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪实验又可分为水平面运动动态跟踪实验和垂直面运动动态跟踪实验，可得平均误差、平均功率随矢量角度变化规律；目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验又可分为水平面运动动态跟踪实验和垂直面运动动态跟踪实验，可得幅值比、平均功率随矢量角度变化规律；在矢量角度优选时，将各参数与矢量角度变化规律同运动需求相结合，选取满足运动需求的矢量角度。

(一)理论计算

本实施例中进行分析的矢量推进式四旋翼水下机器人与实施例1中的水下机器人结构一致，在此不再赘述，该水下机器人可完成前后运动、垂向运动、横摇运动、俯仰运动和艏向运动，由于推进器推力在OY轴上无分力，因此无法实现横移运动，各自由度控制分析如下：

1)纵向运动

令推进器推力F

F

F

M

M

F

M

当F

F

2)垂向运动

令推进器推力-F

F

F

M

M

F

M

当F

3)横摇运动

令推进器推力F

F

F

M

M

F

M

当F

4)俯仰运动

令推进器推力F

F

F

M

M

F

M

当F

5)艏向运动

令推进器推力F

F

F

M

M

F

M

当F

(二)仿真分析

仿真分析矢量推进器在推力相同、矢量角度变化时，水下机器人各自由度运动的变化规律；本实施例中采用矢量推进器最大推力4.5N为例，且推力降低变化规律与最大推力规律相同，仿真时将矢量推进器矢量角度由0°调整至90°，通过仿真分析可得推进器推力最大时各自由度力/力矩随矢量角度变化规律：如图 15所示，当矢量角度小于42°时，水下机器人受到的纵向推力大于其余力，艏向力矩大于其余力矩，说明此角度范围将有利于水下机器人水平面(XOY面)运动；当矢量角度大于52°时，水下机器人受到垂向推力、横摇力矩与俯仰力矩大于纵向推力和艏向力矩，说明此角度范围将有利于水下机器人垂直面(XOZ和YOZ面) 运动；当矢量角度为42°～52°时，此角度范围为力与力矩过渡区。

(三)水池实验

首先将矢量推进器式四旋翼水下机器人放入水池中，当机器人入水后，进行各项实现时，上位机实时读取并保存推进器21的控制电压、姿态传感器11的角度数据和分体式深度传感器12的深度数据。

(1)定值跟踪实验

定值跟踪实验中采集参数包括响应时间、超调量、稳态误差、平均功率，响应时间为实际角度/深度曲线从0到达第一个峰值所需的时间；超调量为实际角度/深度曲线的最大值与目标曲线值差；稳态误差为实际角度/深度曲线趋于稳定后的值与目标曲线值做差，取绝对值并累加后得平均值；平均功率定义为左前推进器控制电压(矢量推进器3a中水下推进器21的控制电压)平方和再除时间。本实施例中，在水平面运动定值跟踪实验时，取矢量角度为75°为例，在垂直面运动定值跟踪实验时，取矢量角度为25°为例，推进器控制电压以2.5v为界，大于2.5v推进器正向旋转，小于2.5v推进器反向旋转，此时采集的参数如图16(a)、16(b)、17(a)、17(b)所示。

1)水平面运动定值跟踪实验

首先对水下机器人设定一个目标角度，并从一个固定初始角度开始实验，水下机器人将从初始角度水平面运动至目标角度并趋于稳定，实验过程中调节矢量推进器的矢量角度β，调节范围为0°～75°，每间隔3°完成一组实验，共计26组实验，实时记录这26组实验的时间、推进器控制电压和矢量角度数据；

2)垂直面运动定值跟踪实验

首先对水下机器人设定一个目标深度，并从深度为0cm开始实验，水下机器人将垂直面(下潜)运动至目标深度并趋于稳定，实验过程中调节矢量推进器的矢量角度β，调节范围为25°～75°，每间隔2°完成一组实验，共计26组实验，实时记录这26组实验的时间、推进器控制电压和深度数据。

实验结果如图18(a)(b)(c)(d)所示，如图18(a)从定值跟踪时响应时间随矢量角度变化规律中分析，矢量角度在53°时，会存在曲线交点；因此从水下机器人响应时间分析，当矢量角度小于53°时，水平面运动性能好，垂直面运动性能差；当矢量角度大于53°时，水平面运动性能差，垂直面运动性能好；当矢量角度取53°时，为运动性能综合点。

如图18(b)从定值跟踪时超调量随矢量角度变化规律中分析，矢量角度在59°时，会存在曲线交点；因此从水下机器人超调量分析，当矢量角度小于59°时，水平面运动性能差，垂直面运动性能好；当矢量角度大于59°时，水平面运动性能好，垂直面运动性能差；当矢量角度取59°时，为运动性能综合点。

如图18(c)从定值跟踪时稳态误差随矢量角度变化规律中分析，矢量角度在59°时，会存在曲线交点；因此从水下机器人稳态误差分析，当矢量角度小于59°时，水平面运动性能差，垂直面运动性能好；当矢量角度大于59°时，水平面运动性能好，垂直面运动性能差；当矢量角度取59°时，为运动性能综合点。

如图18(d)从定值时跟踪平均功率随矢量角度变化规律率中分析，矢量角度在51°时，会存在曲线交点；因此从水下推进器的平均功率分析，当矢量角度小于51°时，水平面运动性能好，垂直面运动性能差；当矢量角度大于51°时，水平面运动性能差，垂直面运动性能好；当矢量角度取51°时，为运动性能综合点。

(2)动态跟踪实验

动态跟踪实验中采集参数包括动态误差(平均误差)、平均功率和幅值比，动态误差为三个周期内实际角度/深度曲线的值与目标曲线值做差，取绝对值并累加后得平均值；平均功率定义为左前推进器控制电压(矢量推进器3a中水下推进器21的控制电压)平方和再除时间；幅值比为一个周期内同一时间下实际角度/深度曲线的当前值与目标曲线最大值的比。在本实施例中，在水平面运动动态跟踪实验中，取矢量角度为75°为例，在垂直面运动动态跟踪实验中，取矢量角度为25°为例，推进器控制电压以2.5v为界，大于2.5v推进器正向旋转，小于2.5v推进器反向旋转，此时采集的参数如图19(a)、19(b)、20(a)、20 (b)所示.

1)目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪实验

①首先设定一个定频率周期信号作目标量，从目标量初始角度开始实验，水下机器人将持续运动以跟踪周期信号直至信号截止，实验过程中调节矢量推进器的矢量角度β，调节范围为0°～75°，每间隔3°完成一组水平面动态跟踪实验，共计26组实验，实时记录这26组实验的时间、推进器控制电压和矢量角度数据；

②首先设定一个定频率周期信号作目标量，从目标量初始深度开始实验，水下机器人将持续运动以跟踪周期信号直至信号截止，实验过程中调节矢量推进器的矢量角度β，调节范围为25°～75°，每间隔2°完成一组垂直面动态跟踪实验，共计26组实验，实时记录这26组实验的时间、推进器控制电压和深度数据。

2)目标跟踪轨迹频率变化动态跟踪实验

①采用输入频率为1/90Hz～1/10Hz的周期信号作目标量，每间隔10Hz做一组实验，共计9组，实验过程中调节矢量推进器的矢量角度β，调节范围为 0°～75°，每间隔3°完成一组水平面动态跟踪实验，共计9×26组实验，实时记录这9×26组实验的时间、推进器控制电压和矢量角度数据；

②采用输入频率为1/90Hz～1/10Hz的周期信号作目标量，每间隔10Hz做一组实验，共计9组，实验过程中调节矢量推进器的矢量角度β，调节范围为 25°～75°，每间隔2°完成一组垂直面动态跟踪实验，共计9×26组实验，实时记录这9×26组实验的时间、推进器控制电压和深度数据。

实验结果如图21(a)(b)、22(a)(b)、23(a)(b)所示，如图21(a) 从目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪平均误差随矢量角度变化规律中分析，矢量角度在58°时，会存在曲线交点；因此从平均误差分析，当矢量角度小于58°时，水平面运动性能差，垂直面运动性能好；当矢量角度大于58°时，水平面运动性能好，垂直面运动性能差；当矢量角度取58°时，为运动性能综合点。

如图21(b)从目标跟踪轨迹频率恒定动态跟踪平均功率随矢量角度变化规律中分析，矢量角度在46°时，会存在曲线交点；因此从平均功率分析，当矢量角度小于46°时，水平面运动性能好，垂直面运动性能差；当矢量角度大于46°时，水平面运动性能差，垂直面运动性能好；当矢量角度取46°时，为运动性能综合点。

如图22(a)从目标跟踪轨迹频率变化时水平运动动态跟踪幅值比随矢量角度变化规律中分析，当幅值比为1时，说明实际值可以跟上目标值。输入频率从 1/90Hz逐步调整至1/10Hz时，艏向动态跟踪幅值比曲线在1/90Hz～1/20Hz时缓慢上升，说明当频率加快时，水下机器人能够快速响应，达到目标值，但存在超调，导致幅值比曲线呈现总体大于1的现象，当达到1/10Hz时，存在推进器性能限制，此时将无法接近目标值，但矢量角度较小时，幅值比更接近于1。

如图22(b)从目标跟踪轨迹频率变化时水平运动动态跟踪平均功率随矢量角度变化规律中分析，当矢量角度从0°调整至75°时，频率1/90Hz～1/40Hz时平均涨幅缓慢，频率1/30Hz且矢量角度为0°～45°时平均功率涨幅不明显，当大于 45°时功率急剧增加，频率1/20Hz～1/10Hz的功率较大且涨幅明显；结合图22 (a)分析，在频率1/90Hz～1/20Hz范围内，频率越大，幅值比越低且趋近于1，整体运动性能更优，在频率1/20Hz～1/10Hz范围内，可通过减小矢量角度，来获得更良好的运动性能，综合分析发现当矢量角度45°以内且频率为1/90Hz～1/30Hz范围时，平均功率较低且涨幅平缓，为运动性能综合区间。

如图23(a)从目标跟踪轨迹频率变化时垂直运动动态跟踪幅值比随矢量角度变化规律中分析。输入频率从1/90Hz逐步调整至1/10Hz时，矢量角度45°～75°时幅值比曲线在1/90Hz～1/20Hz时缓慢下降，矢量角度35°时幅值比曲线在 1/90Hz～1/20Hz时较为平稳，矢量角度25°时幅值比曲线在1/90Hz～1/20Hz时缓慢上升，综上当频率加快时，水下机器人能够快速响应，达到目标值，但存在超调，导致幅值比曲线呈现总体大于1的现象，当达到1/10Hz时，存在推进器性能限制，此时将无法接近目标值，但矢量角度较大时，幅值比更接近于1.

如图23(b)从目标跟踪轨迹频率变化时垂直运动动态跟踪平均功率随矢量角度变化规律中分析，当矢量角度从25°调整至75°时，频率1/90Hz～1/10Hz的功率总体呈现下降趋势，当矢量角度小于35°时，频率为1/20Hz～1/10Hz时平均功率明显大于其他频率时平均功率，所有角度中频率为1/90Hz～1/30Hz时平均功率较为集中；结合图23(a)分析，在频率1/90Hz～1/20Hz范围内，减小矢量角度后，幅值比降低且趋近于1，整体运动性能更优，在频率1/20Hz～1/10Hz范围内，可通过增大矢量角度，来获得更良好的运动性能，综合分析发现在矢量角度为35°～55°时，平均功率伴随角增大而降低，为运动性能综合区间。

在实际应用中，当需要水下机器人进行水平面定值回转运动，且回转目标角度为70°时，在考虑要求水下机器人快速响应、平均功率较低，但不要求水下机器人的超调量及稳态误差时，此时矢量推进器优选小于45°的矢量角度；在考虑要求水下机器人运行稳定且较少超调，不要求水下机器人的响应速度及平均功率时，此时矢量推进器优选大于55°的矢量角度；如需各参数较为平均时，矢量推进器优选45°～55°的矢量角度。