Φανταστείτε ένα drone να πετάει σταθερά στον αέρα, εκτελώντας κάθε εντολή με ακρίβεια. Πίσω από αυτή την απρόσκοπτη λειτουργία βρίσκεται το συντονισμένο έργο των ηλεκτρονικών ελεγκτών ταχύτητας (ESCs) και των κινητήρων, μεταφράζοντας τις οδηγίες του ελεγκτή πτήσης σε πραγματική ισχύ εξόδου. Η επιλογή και η διαμόρφωση των πρωτοκόλλων ESC διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην επίτευξη βέλτιστης απόδοσης του drone.

Στα συστήματα drone PX4, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες χρησιμεύουν ως τα ζωτικά εξαρτήματα πρόωσης. Αυτοί οι κινητήρες οδηγούνται από ηλεκτρονικούς ελεγκτές ταχύτητας (ESCs) που λαμβάνουν σήματα από τον ελεγκτή πτήσης. Το ESC ερμηνεύει αυτές τις εντολές για να ρυθμίσει την παροχή ισχύος στον κινητήρα, επιτρέποντας τον ακριβή έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής.

Το σύστημα ελέγχου πτήσης PX4 υποστηρίζει πολλαπλά πρωτόκολλα επικοινωνίας ESC, το καθένα με διακριτά πλεονεκτήματα και ιδανικές περιπτώσεις χρήσης:

Η Διαμόρφωση Πλάτους Παλμού (PWM) αντιπροσωπεύει ένα παραδοσιακό πρωτόκολλο που προσαρμόζει την ισχύ του κινητήρα μεταβάλλοντας τη διάρκεια του παλμού. Ενώ χρησιμοποιείται συνήθως σε αεροσκάφη σταθερών πτερύγων και οχήματα εδάφους όπου η λανθάνουσα κατάσταση δεν είναι κρίσιμη, οι περισσότερες εφαρμογές πολλαπλών στροφών προτιμούν ταχύτερες εναλλακτικές λύσεις όπως το OneShot ή το DShot λόγω των ανώτερων χρόνων απόκρισης.

Τα πρωτόκολλα OneShot προσφέρουν σημαντικά ταχύτερη απόκριση από το PWM, καθιστώντας τα προτιμότερα για αεροσκάφη πολλαπλών στροφών. Μεταξύ των παραλλαγών του, το PX4 υποστηρίζει επί του παρόντος μόνο το OneShot 125. Ενώ ξεπερνά το PWM, το OneShot έχει σε μεγάλο βαθμό αντικατασταθεί από το DShot σε σύγχρονες εφαρμογές.

Αυτό το ψηφιακό πρωτόκολλο παρέχει χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση, εξαιρετική αξιοπιστία και ισχυρή αντίσταση στις παρεμβολές. Το DShot αποδεικνύεται ιδανικό για εφαρμογές ευαίσθητες στην απόκριση, όπως τα αγωνιστικά drones και τα αεροσκάφη VTOL. Πρόσθετα οφέλη περιλαμβάνουν την εξάλειψη των απαιτήσεων βαθμονόμησης και την προαιρετική υποστήριξη ανατροφοδότησης τηλεμετρίας σε ορισμένα μοντέλα.

Συνιστάται για συστήματα που χρησιμοποιούν το δίαυλο DroneCAN ως κύρια επικοινωνία, αυτό το πρωτόκολλο προσφέρει υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, σταθερές συνδέσεις, ανατροφοδότηση τηλεμετρίας και καμία ανάγκη βαθμονόμησης. Οι τρέχουσες υλοποιήσεις PX4 περιορίζουν τον ρυθμό ενημέρωσης στα 200Hz.

Το σύστημα υποστηρίζει επίσης ESCs PCA9685 (μέσω διαύλου I2C) και ορισμένα UART ESCs από την Yuneec.

Τα PWM ESCs ελέγχουν τους κινητήρες μέσω περιοδικών παλμών, όπου το πλάτος καθορίζει το επίπεδο ισχύος. Τα τυπικά εύρη χρησιμοποιούν 1000μs για μηδενική ισχύ και 2000μs για πλήρη ισχύ. Οι ρυθμοί καρέ συνήθως κυμαίνονται από 50-490Hz, με θεωρητικά μέγιστα κοντά στα 500Hz. Οι υψηλότεροι ρυθμοί ωφελούν την απόδοση του ESC, ιδιαίτερα όταν απαιτείται γρήγορη απόκριση στις αλλαγές του σημείου ρύθμισης.

Οι περιορισμοί περιλαμβάνουν:

• Σχετικά αργούς χρόνους απόκρισης
• Υποχρεωτική βαθμονόμηση λόγω διακύμανσης στα υψηλά/χαμηλά εύρη τιμών σε όλα τα ESCs
• Έλλειψη δυνατοτήτων ανατροφοδότησης τηλεμετρίας

Αυτό το πρωτόκολλο μειώνει τα πλάτη παλμού κατά 8x σε σύγκριση με το PWM (εύρος 125-250μs), επιτρέποντας μικρότερους κύκλους λειτουργίας και υψηλότερους ρυθμούς ανανέωσης. Ενώ το PWM φτάνει κοντά στα 500Hz, το OneShot πλησιάζει θεωρητικά τα 4kHz, αν και η πραγματική απόδοση εξαρτάται από τις συγκεκριμένες δυνατότητες του ESC.

Αυτό το ψηφιακό πρωτόκολλο μειώνει σημαντικά τη λανθάνουσα κατάσταση, βελτιώνοντας παράλληλα την ανθεκτικότητα. Η διαμόρφωση εξαλείφει τις απαιτήσεις βαθμονόμησης και επιτρέπει την αντιστροφή της περιστροφής του κινητήρα. Το DShot προσφέρει πολλαπλές επιλογές ταχύτητας (150, 300, 600, 1200) όπου οι υψηλότεροι ρυθμοί μειώνουν τη λανθάνουσα κατάσταση, αλλά οι χαμηλότεροι ρυθμοί ενισχύουν τη σταθερότητα—ιδιαίτερα επωφελής για μεγαλύτερα αεροσκάφη με εκτεταμένη καλωδίωση.

Μοιράζοντας πολλά πλεονεκτήματα του DShot, το DroneCAN υπερέχει σε εφαρμογές υψηλού ρυθμού δεδομένων με ισχυρές συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων. Ο περιορισμός του ρυθμού ενημέρωσης των 200Hz παραμένει ο κύριος περιορισμός του στις υλοποιήσεις PX4.

Η επιλογή του κατάλληλου πρωτοκόλλου εξαρτάται από τις συγκεκριμένες απαιτήσεις της εφαρμογής:

• Αεροσκάφη σταθερών πτερύγων/οχήματα εδάφους: Το PWM συχνά αρκεί
• Αεροσκάφη πολλαπλών στροφών: OneShot 125 ή DShot (προτιμάται για αγωνιστικά drones)
• Συστήματα που βασίζονται σε DroneCAN: Τα DroneCAN ESCs παρέχουν βέλτιστη ενσωμάτωση

Τα PWM και OneShot ESCs απαιτούν βαθμονόμηση για να εξασφαλιστεί η σωστή απόκριση στα σήματα ελέγχου. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη ρύθμιση των ελάχιστων και μέγιστων τιμών γκαζιού. Οι υλοποιήσεις DShot και DroneCAN εξαλείφουν αυτήν την απαίτηση.

Η επιλογή και η σωστή διαμόρφωση των πρωτοκόλλων ESC επηρεάζει θεμελιωδώς την απόδοση του drone. Η κατανόηση των τεχνικών χαρακτηριστικών και των λειτουργικών απαιτήσεων επιτρέπει στους κατασκευαστές να δημιουργήσουν πιο αποδοτικά, αξιόπιστα μη επανδρωμένα συστήματα. Αυτή η εξέταση των επιλογών πρωτοκόλλου ESC του PX4 παρέχει μια βάση για τη λήψη τεκμηριωμένων αποφάσεων σε έργα ανάπτυξης drone.