3. ROV姿态控制执行机构与传感器
在进入PID参数整定之前，必须先弄清楚两件事：控制器输出的控制量最终由谁执行，姿态反馈又从哪里来。执行机构决定了“能不能控得住”，传感器决定了“控得准不准”。本节围绕推进器布局与推力分配、姿态相关传感器、以及噪声与安装误差三方面展开，为后续整定建立物理与测量层面的基础。
一、推进器布局与推力分配
中小型作业型ROV常见六推进器布局：四个水平推进器呈“X”形或矩形布置，负责纵荡、横荡与艏摇；两个垂向推进器左右对称布置，负责升沉与纵倾、横滚。姿态控制中真正关键的是垂向推进器与水平推进器的差动组合。以本课程示例ROV为例，定义机体坐标系：X轴指向艏部，Y轴指向右舷，Z轴向下；纵倾角pitch以抬艏为正，横滚角roll以右舷下沉为正，艏摇角yaw以右转为正。全文与图示均采用这一约定。
推力分配的本质是把控制器输出的三轴力矩需求映射为各推进器推力。设左、右垂推推力分别为TL、TR，垂推横向间距为L（示例取0.6 m），则横滚力矩Mroll≈(TL−TR)·L/2，纵倾力矩由前后垂推差动产生。若控制器算出需要0.8 N·m的横滚修正力矩，则左右垂推需产生约2.7 N的推力差。这里有两个工程约束：一是推进器存在死区与最小启动推力，小力矩需求可能被死区吞掉，表现为姿态在小角度附近“抖而不动”；二是推力饱和，当姿态偏差大时分配结果超出单机推力上限，需要做归一化缩放，否则力矩方向正确但幅值失真。实际实现中通常先按伪逆或几何关系求基础分配，再对结果做限幅与死区补偿，最后才下发到电调。
二、姿态相关传感器
姿态闭环的反馈链通常由三类传感器构成。IMU（惯性测量单元）提供三轴角速度与加速度，经姿态解算后输出纵倾、横滚与艏摇角速度，是姿态内环的主力，更新率高（常见100～200 Hz），但存在零偏漂移。罗经（磁力计或光纤罗经）提供绝对艏向，用于抑制艏摇角的长期漂移，但易受电机磁场与结构铁磁干扰。深度计提供Z向绝对位置，在定深与升沉控制中作为外环反馈，压力式深度计分辨率通常为厘米级，响应较慢。
工程上常采用互补滤波或卡尔曼滤波融合：以IMU角速度积分获得短时姿态，用罗经与加速度计的重力方向做长期修正。整定PID时要注意，不同传感器的更新率与延迟不同，若把深度外环和姿态内环放在同一采样周期里整定，容易出现外环“等不到新数据”而反复超调。合理做法是内外环分频：内环按IMU周期运行，外环按深度计或罗经周期降频运行。
三、传感器噪声与安装误差的影响
噪声与安装误差是姿态控制中最容易被忽视、却直接决定PID能否收敛的因素。噪声方面，IMU角速度噪声会经微分环节放大，若PID的D项直接对含噪角速度求导，输出会剧烈抖动，表现为推进器高频“打舵”。处理方式包括：对反馈量做低通滤波、限制D项增益、或直接用陀螺角速度作为D项输入而非对角度差分。罗经噪声则更多表现为艏向缓慢摆动，宜用较长的时间常数滤波，避免把磁干扰当成真实转向去响应。
安装误差主要有三类。第一是IMU安装偏角：若IMU轴线与机体轴线存在几度偏差，解算出的纵倾与横滚会互相耦合，控制器以为在修正横滚，实际却引入了纵倾。示例中若偏角为3°，在10°横滚时会产生约0.5°的虚假纵倾读数，足以让积分项缓慢累积出错误配平。第二是传感器安装位置偏离重心：加速度计测到的不仅是重力，还包含旋转产生的切向与向心加速度，位置越远、角速度越大，误差越明显。第三是罗经靠近大电流线缆或推进器，产生固定或随推力变化的磁偏差。对应措施是：安装后做静态水平标定与轴向对齐检查，记录零偏；罗经远离动力线并做罗差补偿；整定前先做“静止悬停记录”，观察各传感器在无控制输出时的噪声幅值与漂移速率，以此设定滤波器截止频率和PID的积分限幅。
把执行机构与传感器放在一起看，姿态控制的质量上限在整定之前就已部分确定：推力分配是否线性、有无死区，传感器是否对齐、噪声是否可控，决定了PID能调到的极限。后续整定中遇到的持续小幅振荡、积分饱和、响应迟滞，往往要回到本节这些物理与测量环节排查，而不是一味修改增益。