Stellen Sie sich eine Drohne vor, die gleichmäßig durch die Luft fliegt und jeden Befehl präzise ausführt. Hinter dieser nahtlosen Operation steht die koordinierte Arbeit von elektronischen Drehzahlreglern (ESCs) und Motoren, die die Anweisungen des Flugreglers in tatsächliche Leistung umwandeln. Die Auswahl und Konfiguration der ESC-Protokolle spielt eine entscheidende Rolle bei der Erzielung einer optimalen Drohnenleistung.

In PX4-Drohnensystemen dienen bürstenlose Motoren als wichtige Antriebskomponenten. Diese Motoren werden von elektronischen Drehzahlreglern (ESCs) angetrieben, die Signale vom Flugregler empfangen. Der ESC interpretiert diese Befehle, um die Leistungsabgabe an den Motor zu regulieren und so eine präzise Steuerung der Drehzahl zu ermöglichen.

Das PX4-Flugsteuerungssystem unterstützt mehrere ESC-Kommunikationsprotokolle, jedes mit unterschiedlichen Vorteilen und idealen Anwendungsfällen:

Die Pulsweitenmodulation (PWM) stellt ein traditionelles Protokoll dar, das die Motorleistung durch Variation der Impulsdauer anpasst. Während es häufig in Starrflüglern und Bodenfahrzeugen verwendet wird, bei denen die Latenzzeit nicht kritisch ist, bevorzugen die meisten Multirotor-Anwendungen schnellere Alternativen wie OneShot oder DShot aufgrund ihrer überlegenen Reaktionszeiten.

OneShot-Protokolle bieten eine deutlich schnellere Reaktion als PWM, was sie für Multirotor-Flugzeuge vorzuziehen macht. Unter seinen Varianten unterstützt PX4 derzeit nur OneShot 125. Obwohl OneShot PWM übertrifft, wurde es in modernen Anwendungen weitgehend durch DShot ersetzt.

Dieses digitale Protokoll bietet geringe Latenz, außergewöhnliche Zuverlässigkeit und hohe Störfestigkeit. DShot erweist sich als ideal für reaktionssensitive Anwendungen wie Renndrohnen und VTOL-Flugzeuge. Zusätzliche Vorteile sind der Wegfall von Kalibrierungsanforderungen und die optionale Telemetrie-Feedback-Unterstützung in bestimmten Modellen.

Empfohlen für Systeme, die den DroneCAN-Bus als primäre Kommunikation nutzen, bietet dieses Protokoll hohe Datenraten, stabile Verbindungen, Telemetrie-Feedback und keine Kalibrierungsanforderungen. Aktuelle PX4-Implementierungen begrenzen die Aktualisierungsrate auf 200 Hz.

Das System unterstützt auch PCA9685 ESCs (über I2C-Bus) und bestimmte UART-ESCs von Yuneec.

PWM ESCs steuern Motoren über periodische Impulse, wobei die Breite den Leistungspegel bestimmt. Standardbereiche verwenden 1000 µs für Nullleistung und 2000 µs für volle Leistung. Bildraten liegen typischerweise zwischen 50 und 490 Hz, mit theoretischen Maximalwerten nahe 500 Hz. Höhere Raten kommen der ESC-Leistung zugute, insbesondere wenn eine schnelle Reaktion auf Sollwertänderungen erforderlich ist.

Einschränkungen umfassen:

• Relativ langsame Reaktionszeiten
• Obligatorische Kalibrierung aufgrund von Abweichungen in den High/Low-Wertbereichen über ESCs hinweg
• Fehlen von Telemetrie-Feedback-Funktionen

Dieses Protokoll reduziert die Impulsbreiten um das 8-fache im Vergleich zu PWM (125-250 µs Bereich), wodurch kürzere Arbeitszyklen und höhere Bildwiederholraten ermöglicht werden. Während PWM sich bei etwa 500 Hz maximiert, nähert sich OneShot theoretisch 4 kHz, obwohl die tatsächliche Leistung von den spezifischen ESC-Fähigkeiten abhängt.

Dieses digitale Protokoll reduziert die Latenzzeit erheblich und verbessert gleichzeitig die Robustheit. Die Konfiguration eliminiert Kalibrierungsanforderungen und ermöglicht die Umkehrung der Motordrehrichtung. DShot bietet mehrere Geschwindigkeitsoptionen (150, 300, 600, 1200), wobei höhere Raten die Latenzzeit verringern, aber niedrigere Raten die Stabilität erhöhen – was besonders für größere Flugzeuge mit längeren Kabeln von Vorteil ist.

DroneCAN teilt viele DShot-Vorteile und zeichnet sich in Anwendungen mit hohen Datenraten und robusten Langstreckenverbindungen aus. Die Begrenzung der Aktualisierungsrate von 200 Hz bleibt seine Haupteinschränkung in PX4-Implementierungen.

Die Auswahl des geeigneten Protokolls hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab:

• Starrflügel-/Bodenfahrzeuge: PWM genügt oft
• Multirotor-Flugzeuge: OneShot 125 oder DShot (bevorzugt für Renndrohnen)
• DroneCAN-basierte Systeme: DroneCAN ESCs bieten eine optimale Integration

PWM- und OneShot-ESCs erfordern eine Kalibrierung, um eine korrekte Reaktion auf Steuersignale sicherzustellen. Dieser Vorgang beinhaltet das Einstellen der minimalen und maximalen Drosselwerte. DShot- und DroneCAN-Implementierungen eliminieren diese Anforderung.

Die Auswahl und korrekte Konfiguration der ESC-Protokolle hat grundlegende Auswirkungen auf die Drohnenleistung. Das Verständnis der technischen Eigenschaften und betrieblichen Anforderungen ermöglicht es den Entwicklern, effizientere und zuverlässigere unbemannte Systeme zu erstellen. Diese Untersuchung der ESC-Protokolloptionen von PX4 bietet eine Grundlage für fundierte Entscheidungen in Drohnenentwicklungsprojekten.