第13讲：Outer Loop 的终点——为什么还要读取 Current Angular Rate（当前角速度）？

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本讲知识点

• Outer Loop（外环）已经结束了吗？
• Desired Angular Rate（目标角速度）为什么不能直接送给电机？
• 飞控为什么还要读取陀螺仪角速度？
• Current Angular Rate（当前角速度）在控制链中的职责
• Rate Error（角速度误差）的来源
• Outer Loop 与 Inner Loop 的控制职责交接
• 第一次进入 pidController() 的真正控制流程

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本讲对应 Betaflight 源码

文件：

src/main/flight/pid.c

函数：

pidController()

本讲涉及源码：

const float gyroRate = gyro.gyroADCf[axis];

float errorRate = currentPidSetpoint - gyroRate;

本讲重点讲解第一行源码：

const float gyroRate = gyro.gyroADCf[axis];

以及第二行源码为什么必须这样计算。

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本讲学习目标

这一讲，我们正式离开 Outer Loop（外环），进入 Inner Loop（内环）的入口。

上一讲结束时，Outer Loop 已经完成了自己的全部职责，并输出了：

Desired Angular Rate（目标角速度）

但是，仅仅知道“飞机应该转多快”还远远不够, 因为飞控仍然不知道 “飞机现在到底转得有多快”。

因此，本讲将建立：

Current Angular Rate（当前角速度）

这个变量，并理解它为什么会成为整个内环控制的起点。

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回顾上一讲

上一讲结束时，我们已经得到：

Desired Angular Rate（目标角速度）

它来自：

Angle Error

↓

Desired Angular Rate

也就是说，Outer Loop（外环）已经完成了自己的控制职责。

控制链推进到了：

RC Stick

↓

Target Angle

↓

Current Angle

↓

Angle Error

↓

Desired Angular Rate

很多人在这里都会产生一个疑问：

飞机已经知道自己应该每秒旋转多少度了，为什么还不能直接去控制电机？

答案就是：

因为"目标"永远不是"现实"。

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飞机知道"应该转多少"，并不代表它真的转了那么多

假设，飞手希望飞机快速向右滚转，经过外环计算以后：

Desired Angular Rate = 300°/s

这意味着：

飞控希望飞机每秒旋转 300°。

但是，这只是“希望值”，并不是“实际值”。

现实中的飞机受到很多因素影响，例如：

• 电机推力不足；
• 电池电压下降；
• 螺旋桨效率变化；
• 飞行中的空气阻力；
• 外界风力干扰。

因此，真实世界中的飞机，很可能正在以 220°/s 旋转，也可能 350°/s，甚至根本没有开始旋转。

于是，一个新的问题出现了：

飞控怎么知道，飞机现在到底转了多少？

这正是 Inner Loop（内环）首先要解决的问题。

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飞控必须先观察现实世界

任何控制系统，都必须同时拥有两类信息：

第一类：目标值（Target）

第二类：实际值（Current）

如果只有目标，没有实际值，控制器永远不知道自己有没有控制成功。

举一个生活中的例子：

假设汽车定速巡航设定 100 km/h，如果汽车 ECU（电子控制单元）不知道当前速度是多少，它还能控制油门吗？

当然不能，因为：它不知道现在是80？95？100？120？

所以，汽车必须实时读取当前速度，飞控也是完全一样。

Desired Angular Rate（目标角速度）只是应该转多少。

真正决定控制是否成功的，是现在转多少。

于是，飞控开始读取Current Angular Rate（当前角速度）

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第一行源码

于是，我们来到 pidController() 中真正进入内环后的第一行核心代码：

const float gyroRate = gyro.gyroADCf[axis];

这行代码非常短，但它完成了一件极其重要的事情：

把现实世界中的飞机旋转速度，带回控制器。

这里的 gyro.gyroADCf 表示陀螺仪实时测得的角速度。

注意，它不是目标角速度，也不是计算出来的角速度。

而是飞机此时此刻，真正正在旋转的角速度。

这是整个 Inner Loop 唯一相信的现实数据。

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为什么一定要相信陀螺仪？

因为，只有陀螺仪真正知道飞机现在发生了什么。

例如：

外环希望 300°/s，但是陀螺仪返回 225°/s，飞控立刻知道 飞机转慢了。

如果陀螺仪返回 330°/s，飞控马上知道 飞机转快了。

因此，陀螺仪不是在告诉飞控应该怎么控制，它是在告诉飞控现实已经发生了什么。

直到现在，控制系统终于同时拥有了：

Target

↓

Current

下一步，它们终于可以进行比较。

控制链继续推进：

Desired Angular Rate

↓

Current Angular Rate

↓

Rate Error

而这一步，正是下一讲要建立的：

Rate Error（角速度误差）。

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本讲小结

本讲正式完成了控制职责从 Outer Loop（外环）到 Inner Loop（内环）的交接。

Outer Loop 输出的是 Desired Angular Rate（目标角速度），它描述的是飞机"应该转多快"；而 Inner Loop 首先读取陀螺仪提供的 Current Angular Rate（当前角速度），获得飞机"现在实际转多快"。

至此，控制器第一次同时拥有了目标值和实际值，为下一步计算角速度误差做好了准备。

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下一讲预告

现在，飞控已经同时知道：

应该转多快；

现在转多快。

那么，它将如何判断：

还差多少？

下一讲，我们正式建立：

Rate Error（角速度误差）

这是整个 Rate PID（角速度控制器）真正开始工作的第一步。