第27讲：PID Output 如何进入 Mixer —— 从控制需求到 motorMix

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本讲知识点

• PID Output 在控制链中的位置；
• pidData[].Sum 代表什么控制需求；
• Roll / Pitch / Yaw PID Output 为什么需要限制；
• PID Mixer Scaling 的作用；
• scaledAxisPidRoll / Pitch / Yaw 的形成过程；
• PID 输出如何通过 motorMixer_t 转换为 motorMix；
• Mixer 如何完成控制需求到电机修正量的转换。

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本讲对应 Betaflight 源码

主要函数：

mixTable(timeUs_t currentTimeUs)

核心代码：

const float scaledAxisPidRoll =
    constrainf(pidData[FD_ROLL].Sum,
               -currentPidProfile->pidSumLimit,
               currentPidProfile->pidSumLimit)
    / PID_MIXER_SCALING;

const float scaledAxisPidPitch =
    constrainf(pidData[FD_PITCH].Sum,
               -currentPidProfile->pidSumLimit,
               currentPidProfile->pidSumLimit)
    / PID_MIXER_SCALING;

float scaledAxisPidYaw =
    constrainf(pidData[FD_YAW].Sum,
               -yawPidSumLimit,
               yawPidSumLimit)
    / PID_MIXER_SCALING;

以及：

float mix =
    scaledAxisPidRoll  * activeMixer[i].roll +
    scaledAxisPidPitch * activeMixer[i].pitch +
    scaledAxisPidYaw   * activeMixer[i].yaw;

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本讲学习目标

理解 Mixer 接收到的不是"某个电机应该转多少",

而是"飞机需要多少 Roll、Pitch、Yaw 控制力"。

Mixer 的职责是：将飞机级控制需求，通过每个电机不同的权重，转换为每个电机需要增加或者减少多少输出。

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回顾上一讲

上一讲分析了 calculateThrottleAndCurrentMotorEndpoints(), 它负责建立 Mixer 使用的油门输出空间。

也就是说, Mixer 在计算电机输出之前，需要先知道当前油门应该映射到哪个电机输出范围。

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为什么 PID Output 不能直接给电机？

PID Controller 输出的是：飞机需要的控制量。

例如：飞机发生向右倾斜，PID Controller 计算以后得到：

Roll PID Output = +50

这个 50 表示：飞机需要一个 Roll 修正力。

但是它没有说明：

• 哪个电机增加？
• 哪个电机减少？
• 增加多少？
• 减少多少？

控制链：

姿态误差

↓

PID Controller

↓

Roll / Pitch / Yaw 控制需求

↓

Mixer

↓

Motor Output

所以，PID Output 是： "飞机需要什么"，

而 Mixer 输出的是："每个电机应该做什么"

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pidData[].Sum —— PID 输出来源

在 mixTable() 中：

pidData[FD_ROLL].Sum
pidData[FD_PITCH].Sum
pidData[FD_YAW].Sum

分别代表：

Roll PID 总输出

Pitch PID 总输出

Yaw PID 总输出

这里的 "Sum" 表示 PID Controller 最终合成后的输出。

它已经包含 P项 + I项 + D项 的计算结果。

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PID Output 为什么需要限制？

观察源码：

constrainf(pidData[FD_ROLL].Sum, -currentPidProfile->pidSumLimit, currentPidProfile->pidSumLimit)

这里进行了限制。

原因是：PID 输出理论上可以无限增大, 比如：飞机受到强烈扰动。

PID Controller 可能认为：需要非常大的修正力量。

但是电机存在物理限制：最大输出有限。

如果 PID 输出过大，进入 Mixer 后，可能导致：

• 某些电机超过最大输出；
• 某些电机被压到最低输出；
• 三轴控制互相抢夺电机能力。

因此，Mixer 输入之前，需要限制 PID 输出范围。

控制思想：

无限控制需求 -> 限制到飞控允许范围 -> 进入 Mixer

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PID Mixer Scaling —— 为什么需要缩放？

限制以后，源码继续：

/ PID_MIXER_SCALING

例如：

scaledAxisPidRoll = pidData[FD_ROLL].Sum / PID_MIXER_SCALING;

作用是：将 PID Controller 输出单位，转换为 Mixer 使用的控制空间。

因为PID Controller 内部使用的是PID 计算尺度，而 Mixer 使用的是电机输出混合尺度，二者不是同一个范围。

因此需要：

PID Output -> 缩放 -> Mixer 输入

最终得到：

scaledAxisPidRoll

scaledAxisPidPitch

scaledAxisPidYaw

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scaledAxisPidRoll / Pitch / Yaw

经过限制和缩放以后，Mixer 得到三个核心输入：

scaledAxisPidRoll

表示：飞机需要多少 Roll 修正，

例如，正值：需要向正方向 Roll；负值：需要向反方向 Roll

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scaledAxisPidPitch

表示：飞机需要多少 Pitch 修正

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scaledAxisPidYaw

表示：飞机需要多少 Yaw 修正

注意：这里仍然不是电机输出，而是飞机级控制需求。

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motorMix —— 控制需求转换为电机修正量

现在进入 Mixer 核心：

float mix =
    scaledAxisPidRoll  * activeMixer[i].roll +
    scaledAxisPidPitch * activeMixer[i].pitch +
    scaledAxisPidYaw   * activeMixer[i].yaw;

这就是 Mixer 数学模型。

对于第 i 个电机：

Motor Mix = Roll需求 × Roll权重
          + Pitch需求 × Pitch权重
          + Yaw需求 × Yaw权重

例如：某个电机，

roll = 0.5
pitch = -0.5
yaw = 1.0

那么：

motorMix = Roll × 0.5 + Pitch × (-0.5) + Yaw × 1.0

这个结果表示：该电机需要因为姿态控制，增加多少，或者减少多少输出。

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为什么每个电机需要不同权重？

因为电机的位置不同。

例如，

Roll 控制：左侧电机增加，右侧电机减少 -> 产生滚转力矩;

Pitch 控制：前后电机产生推力差 -> 产生俯仰力矩;

Yaw 控制：不同旋向电机改变输出 -> 改变反作用力矩。

所以，每个电机对应一个：

Roll 权重

Pitch 权重

Yaw 权重

Mixer 并不是创造控制需求。

它只是按照飞机结构，重新分配控制需求。

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控制链推进

到这里，Mixer 已经完成：

PID Output -> motorMix

转换。

此时, motorMix[]里面保存的是：每个电机由于姿态控制产生的 "修正量"。

但是，它还没有加入 "Throttle", 也没有转换成最终 ESC 输出值。

下一步的问题, 如何把：

Throttle + motorMix

合成为真正的：

Motor Output

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本讲小结

本讲完成了 Mixer 输入控制量的建立。

源码中的 pidData[].Sum 是 PID Controller 输出的三轴控制需求，它描述飞机需要多少 Roll、Pitch、Yaw 修正，而不是直接描述电机输出。

Mixer 首先对 PID 输出进行限制和缩放，形成 scaledAxisPidRoll、scaledAxisPidPitch、scaledAxisPidYaw，然后通过 motorMixer_t 中保存的权重，将三轴控制需求转换为每个电机对应的 motorMix 修正量。

至此，控制链完成了：

PID Controller

↓

Roll / Pitch / Yaw 控制需求

↓

Mixer 分配

↓

motorMix

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下一讲预告

下一讲继续分析 mixTable()。

重点：

motorMix + Throttle -> Motor Output

也就是：Mixer 如何把姿态修正量和油门基础输出合成为最终电机输出。