[BF学院_卷1] -- 第27讲：PID Output 如何进入 Mixer —— 从控制需求到 motorMix
第27讲：PID Output 如何进入 Mixer —— 从控制需求到 motorMix
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。
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;
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。
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。
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"
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。
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
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
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
scaledAxisPidPitch
表示：飞机需要多少 Pitch 修正
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。
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。
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。
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
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
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。
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