Wyobraź sobie drona lecącego równomiernie w powietrzu i precyzyjnie wykonującego każde polecenie. Za tym płynnym działaniem kryje się skoordynowana praca elektronicznych regulatorów prędkości (ESC) i silników, przekładająca instrukcje kontrolera lotu na rzeczywistą moc wyjściową. Wybór i konfiguracja protokołów ESC odgrywają kluczową rolę w osiągnięciu optymalnej wydajności drona.

W systemach dronów PX4 silniki bezszczotkowe służą jako istotne elementy napędowe. Silniki te napędzane są przez elektroniczne regulatory prędkości (ESC), które odbierają sygnały z kontrolera lotu. ESC interpretuje te polecenia w celu regulacji dostarczania mocy do silnika, umożliwiając precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej.

System kontroli lotu PX4 obsługuje wiele protokołów komunikacyjnych ESC, każdy z wyraźnymi zaletami i idealnymi przypadkami użycia:

Modulacja szerokości impulsu (PWM) to tradycyjny protokół, który reguluje moc silnika poprzez zmianę czasu trwania impulsu. Choć powszechnie stosowane w stałopłatach i pojazdach naziemnych, gdzie opóźnienie nie jest krytyczne, większość zastosowań wielowirnikowych preferuje szybsze alternatywy, takie jak OneShot lub DShot, ze względu na ich lepszy czas reakcji.

Protokoły OneShot oferują znacznie szybszą reakcję niż PWM, co czyni je preferowanymi w przypadku samolotów wielowirnikowych. Wśród swoich wariantów PX4 obsługuje obecnie tylko OneShot 125. Chociaż OneShot przewyższa PWM, został w dużej mierze zastąpiony przez DShot w nowoczesnych aplikacjach.

Ten protokół cyfrowy zapewnia niskie opóźnienia, wyjątkową niezawodność i dużą odporność na zakłócenia. DShot idealnie sprawdza się w zastosowaniach wymagających szybkiej reakcji, takich jak drony wyścigowe i samoloty VTOL. Dodatkowe korzyści obejmują eliminację wymagań dotyczących kalibracji i opcjonalną obsługę sprzężenia zwrotnego telemetrii w niektórych modelach.

Zalecany do systemów wykorzystujących magistralę DroneCAN jako podstawową komunikację. Protokół ten zapewnia wysokie szybkości transmisji danych, stabilne połączenia, sprzężenie zwrotne telemetrii i brak konieczności kalibracji. Obecne implementacje PX4 ograniczają częstotliwość aktualizacji do 200 Hz.

System obsługuje także ESC PCA9685 (poprzez magistralę I2C) i niektóre ESC UART firmy Yuneec.

Układy PWM ESC sterują silnikami za pomocą okresowych impulsów, których szerokość określa poziom mocy. Standardowe zakresy wykorzystują 1000 μs dla mocy zerowej i 2000 μs dla pełnej mocy. Liczba klatek na sekundę zazwyczaj obejmuje zakres 50–490 Hz, z teoretycznymi wartościami maksymalnymi w pobliżu 500 Hz. Wyższe szybkości są korzystne dla wydajności ESC, szczególnie gdy wymagana jest szybka reakcja na zmiany wartości zadanej.

Ograniczenia obejmują:

• Stosunkowo powolny czas reakcji
• Obowiązkowa kalibracja ze względu na różnice w zakresach wysokich/niskich wartości w ESC
• Brak możliwości przesyłania informacji zwrotnej telemetrii

Protokół ten zmniejsza szerokość impulsów 8 razy w porównaniu z PWM (zakres 125–250 μs), umożliwiając krótsze cykle pracy i wyższe częstotliwości odświeżania. Podczas gdy PWM osiąga maksymalną częstotliwość w pobliżu 500 Hz, OneShot teoretycznie zbliża się do 4 kHz, chociaż rzeczywista wydajność zależy od konkretnych możliwości ESC.

Ten protokół cyfrowy znacznie zmniejsza opóźnienia, poprawiając jednocześnie niezawodność. Konfiguracja eliminuje wymagania dotyczące kalibracji i umożliwia odwrócenie obrotów silnika. DShot oferuje wiele opcji prędkości (150, 300, 600, 1200), gdzie wyższe szybkości zmniejszają opóźnienia, ale niższe szybkości zwiększają stabilność – szczególnie korzystne w przypadku większych samolotów z rozbudowanym okablowaniem.

Dzieląc wiele zalet DShot, DroneCAN wyróżnia się w zastosowaniach wymagających dużej szybkości transmisji danych z solidnymi połączeniami na duże odległości. Ograniczenie szybkości aktualizacji 200 Hz pozostaje głównym ograniczeniem w implementacjach PX4.

Wybór odpowiedniego protokołu zależy od konkretnych wymagań aplikacji:

• Stałopłat/pojazdy naziemne:Często wystarcza PWM
• Samolot wielowirnikowy:OneShot 125 lub DShot (preferowany do dronów wyścigowych)
• Systemy oparte na DroneCAN:Sterowniki DroneCAN ESC zapewniają optymalną integrację

Sterowniki PWM i OneShot ESC wymagają kalibracji, aby zapewnić właściwą reakcję na sygnały sterujące. Proces ten polega na ustaleniu minimalnej i maksymalnej wartości przepustnicy. Implementacje DShot i DroneCAN eliminują ten wymóg.

Wybór i właściwa konfiguracja protokołów ESC ma zasadniczy wpływ na wydajność drona. Zrozumienie właściwości technicznych i wymagań operacyjnych umożliwia konstruktorom tworzenie bardziej wydajnych i niezawodnych systemów bezzałogowych. To badanie opcji protokołu ESC PX4 stanowi podstawę do podejmowania świadomych decyzji w projektach rozwoju dronów.