Stel je een drone voor die stabiel door de lucht vliegt en elke opdracht met precisie uitvoert. Achter deze naadloze werking ligt de gecoördineerde werking van elektronische snelheidsregelaars (ESCs) en motoren, die instructies van de vluchtcontroller omzetten in daadwerkelijke vermogensafgifte. De selectie en configuratie van ESC-protocollen spelen een cruciale rol bij het bereiken van optimale droneprestaties.

In PX4-dronesystemen dienen borstelloze motoren als de essentiële aandrijfcomponenten. Deze motoren worden aangedreven door elektronische snelheidsregelaars (ESCs) die signalen ontvangen van de vluchtcontroller. De ESC interpreteert deze commando's om de vermogensafgifte aan de motor te reguleren, waardoor precieze controle over de rotatiesnelheid mogelijk wordt.

Het PX4-vluchtcontrolesysteem ondersteunt meerdere ESC-communicatieprotocollen, elk met duidelijke voordelen en ideale gebruiksscenario's:

Pulse Width Modulation (PWM) vertegenwoordigt een traditioneel protocol dat het motorvermogen aanpast door de pulsduur te variëren. Hoewel veelgebruikt in vliegtuigen met vaste vleugels en grondvoertuigen waar latentie niet kritiek is, geven de meeste multirotor-toepassingen de voorkeur aan snellere alternatieven zoals OneShot of DShot vanwege hun superieure reactietijden.

OneShot-protocollen bieden aanzienlijk snellere respons dan PWM, waardoor ze de voorkeur hebben voor multirotor-vliegtuigen. Van de varianten ondersteunt PX4 momenteel alleen OneShot 125. Hoewel OneShot beter presteert dan PWM, is het in moderne toepassingen grotendeels vervangen door DShot.

Dit digitale protocol levert lage latentie, uitzonderlijke betrouwbaarheid en sterke interferentiebestendigheid. DShot blijkt ideaal voor responsgevoelige toepassingen zoals racedrones en VTOL-vliegtuigen. Extra voordelen zijn onder meer het elimineren van kalibratievereisten en optionele telemetrie-feedbackondersteuning in bepaalde modellen.

Aanbevolen voor systemen die DroneCAN-bus als primaire communicatie gebruiken, biedt dit protocol hoge datasnelheden, stabiele verbindingen, telemetrie-feedback en geen kalibratiebehoeften. Huidige PX4-implementaties beperken de updatesnelheid tot 200 Hz.

Het systeem ondersteunt ook PCA9685 ESC's (via I2C-bus) en bepaalde UART ESC's van Yuneec.

PWM ESC's besturen motoren via periodieke pulsen, waarbij de breedte het vermogensniveau bepaalt. Standaardbereiken gebruiken 1000μs voor nul vermogen en 2000μs voor vol vermogen. Framesnelheden variëren doorgaans van 50-490 Hz, met theoretische maximumsnelheden van bijna 500 Hz. Hogere snelheden komen de ESC-prestaties ten goede, met name wanneer een snelle reactie op setpointwijzigingen vereist is.

Beperkingen zijn onder meer:

• Relatief trage reactietijden
• Verplichte kalibratie vanwege variatie in hoge/lage waardebereiken over ESC's
• Gebrek aan telemetrie-feedbackmogelijkheden

Dit protocol vermindert de pulsbreedtes met 8x in vergelijking met PWM (125-250μs bereik), waardoor kortere duty cycles en hogere vernieuwingsfrequenties mogelijk zijn. Terwijl PWM maximaal bijna 500 Hz haalt, benadert OneShot theoretisch 4 kHz, hoewel de werkelijke prestaties afhankelijk zijn van specifieke ESC-mogelijkheden.

Dit digitale protocol vermindert de latentie aanzienlijk en verbetert de robuustheid. Configuratie elimineert kalibratievereisten en maakt motorrotatie-omkering mogelijk. DShot biedt meerdere snelheidsopties (150, 300, 600, 1200) waarbij hogere snelheden de latentie verminderen, maar lagere snelheden de stabiliteit verbeteren - vooral gunstig voor grotere vliegtuigen met uitgebreide bedrading.

DroneCAN deelt veel DShot-voordelen en blinkt uit in toepassingen met hoge datasnelheden met robuuste langeafstandverbindingen. De beperking van de updatesnelheid van 200 Hz blijft de belangrijkste beperking in PX4-implementaties.

Het kiezen van het juiste protocol hangt af van de specifieke toepassingsvereisten:

• Vliegtuigen met vaste vleugels/grondvoertuigen: PWM is vaak voldoende
• Multirotor-vliegtuigen: OneShot 125 of DShot (de voorkeur voor racedrones)
• DroneCAN-gebaseerde systemen: DroneCAN ESC's bieden optimale integratie

PWM- en OneShot-ESC's vereisen kalibratie om een juiste reactie op besturingssignalen te garanderen. Dit proces omvat het instellen van minimale en maximale gaswaarden. DShot- en DroneCAN-implementaties elimineren deze vereiste.

Het selecteren en correct configureren van ESC-protocollen heeft een fundamentele impact op de droneprestaties. Inzicht in de technische kenmerken en operationele vereisten stelt bouwers in staat om efficiëntere, betrouwbaardere onbemande systemen te creëren. Deze bespreking van de ESC-protocolopties van PX4 biedt een basis voor weloverwogen besluitvorming in drone-ontwikkelingsprojecten.