Hãy tưởng tượng một chiếc drone đang bay ổn định trên không, thực hiện mọi lệnh một cách chính xác. Đằng sau hoạt động liền mạch này là sự phối hợp của các bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) và động cơ, chuyển đổi các hướng dẫn của bộ điều khiển bay thành công suất thực tế. Việc lựa chọn và cấu hình các giao thức ESC đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt được hiệu suất drone tối ưu.
Trong các hệ thống drone PX4, động cơ không chổi than đóng vai trò là các thành phần đẩy quan trọng. Các động cơ này được điều khiển bởi các bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển bay. ESC giải thích các lệnh này để điều chỉnh việc cung cấp năng lượng cho động cơ, cho phép kiểm soát chính xác tốc độ quay.
Hệ thống điều khiển bay PX4 hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp ESC, mỗi giao thức có những ưu điểm riêng biệt và các trường hợp sử dụng lý tưởng:
Điều chế độ rộng xung (PWM) đại diện cho một giao thức truyền thống điều chỉnh công suất động cơ bằng cách thay đổi thời lượng xung. Mặc dù thường được sử dụng trong máy bay cánh cố định và xe cộ mặt đất, nơi độ trễ không quan trọng, hầu hết các ứng dụng đa rôto đều ưa chuộng các lựa chọn thay thế nhanh hơn như OneShot hoặc DShot do thời gian phản hồi vượt trội của chúng.
Các giao thức OneShot cung cấp phản hồi nhanh hơn đáng kể so với PWM, khiến chúng được ưa chuộng hơn cho máy bay đa rôto. Trong số các biến thể của nó, PX4 hiện chỉ hỗ trợ OneShot 125. Mặc dù vượt trội hơn PWM, OneShot phần lớn đã bị DShot thay thế trong các ứng dụng hiện đại.
Giao thức kỹ thuật số này mang lại độ trễ thấp, độ tin cậy đặc biệt và khả năng chống nhiễu mạnh. DShot chứng minh là lý tưởng cho các ứng dụng nhạy cảm với phản hồi như drone đua và máy bay VTOL. Các lợi ích bổ sung bao gồm loại bỏ các yêu cầu hiệu chuẩn và hỗ trợ phản hồi từ xa tùy chọn trong một số kiểu máy nhất định.
Được khuyến nghị cho các hệ thống sử dụng bus DroneCAN làm giao tiếp chính, giao thức này cung cấp tốc độ dữ liệu cao, kết nối ổn định, phản hồi từ xa và không cần hiệu chuẩn. Các triển khai PX4 hiện tại giới hạn tốc độ cập nhật ở mức 200Hz.
Hệ thống cũng hỗ trợ ESC PCA9685 (thông qua bus I2C) và một số ESC UART từ Yuneec.
PWM ESC điều khiển động cơ thông qua các xung định kỳ, trong đó độ rộng xác định mức công suất. Các phạm vi tiêu chuẩn sử dụng 1000μs cho công suất bằng không và 2000μs cho công suất tối đa. Tốc độ khung hình thường trải dài từ 50-490Hz, với mức tối đa theo lý thuyết gần 500Hz. Tốc độ cao hơn mang lại lợi ích cho hiệu suất ESC, đặc biệt khi cần phản hồi nhanh với các thay đổi điểm đặt.
Các hạn chế bao gồm:
Giao thức này làm giảm độ rộng xung xuống 8 lần so với PWM (phạm vi 125-250μs), cho phép chu kỳ làm việc ngắn hơn và tốc độ làm mới cao hơn. Trong khi PWM đạt tối đa gần 500Hz, OneShot về mặt lý thuyết đạt gần 4kHz, mặc dù hiệu suất thực tế phụ thuộc vào khả năng ESC cụ thể.
Giao thức kỹ thuật số này làm giảm đáng kể độ trễ đồng thời cải thiện độ mạnh mẽ. Cấu hình loại bỏ các yêu cầu hiệu chuẩn và cho phép đảo chiều quay động cơ. DShot cung cấp nhiều tùy chọn tốc độ (150, 300, 600, 1200), trong đó tốc độ cao hơn làm giảm độ trễ nhưng tốc độ thấp hơn sẽ tăng cường độ ổn định—đặc biệt có lợi cho các máy bay lớn hơn với hệ thống dây mở rộng.
Chia sẻ nhiều ưu điểm của DShot, DroneCAN vượt trội trong các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao với các kết nối đường dài mạnh mẽ. Giới hạn tốc độ cập nhật 200Hz vẫn là hạn chế chính của nó trong các triển khai PX4.
Việc chọn giao thức thích hợp phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể:
PWM và OneShot ESC yêu cầu hiệu chuẩn để đảm bảo phản hồi thích hợp với các tín hiệu điều khiển. Quá trình này liên quan đến việc đặt các giá trị ga tối thiểu và tối đa. Các triển khai DShot và DroneCAN loại bỏ yêu cầu này.
Việc lựa chọn và cấu hình đúng cách các giao thức ESC có tác động cơ bản đến hiệu suất drone. Việc hiểu các đặc tính kỹ thuật và yêu cầu vận hành cho phép người chế tạo tạo ra các hệ thống không người lái hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Việc kiểm tra các tùy chọn giao thức ESC của PX4 này cung cấp một nền tảng để đưa ra quyết định sáng suốt trong các dự án phát triển drone.
Hãy tưởng tượng một chiếc drone đang bay ổn định trên không, thực hiện mọi lệnh một cách chính xác. Đằng sau hoạt động liền mạch này là sự phối hợp của các bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) và động cơ, chuyển đổi các hướng dẫn của bộ điều khiển bay thành công suất thực tế. Việc lựa chọn và cấu hình các giao thức ESC đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt được hiệu suất drone tối ưu.
Trong các hệ thống drone PX4, động cơ không chổi than đóng vai trò là các thành phần đẩy quan trọng. Các động cơ này được điều khiển bởi các bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển bay. ESC giải thích các lệnh này để điều chỉnh việc cung cấp năng lượng cho động cơ, cho phép kiểm soát chính xác tốc độ quay.
Hệ thống điều khiển bay PX4 hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp ESC, mỗi giao thức có những ưu điểm riêng biệt và các trường hợp sử dụng lý tưởng:
Điều chế độ rộng xung (PWM) đại diện cho một giao thức truyền thống điều chỉnh công suất động cơ bằng cách thay đổi thời lượng xung. Mặc dù thường được sử dụng trong máy bay cánh cố định và xe cộ mặt đất, nơi độ trễ không quan trọng, hầu hết các ứng dụng đa rôto đều ưa chuộng các lựa chọn thay thế nhanh hơn như OneShot hoặc DShot do thời gian phản hồi vượt trội của chúng.
Các giao thức OneShot cung cấp phản hồi nhanh hơn đáng kể so với PWM, khiến chúng được ưa chuộng hơn cho máy bay đa rôto. Trong số các biến thể của nó, PX4 hiện chỉ hỗ trợ OneShot 125. Mặc dù vượt trội hơn PWM, OneShot phần lớn đã bị DShot thay thế trong các ứng dụng hiện đại.
Giao thức kỹ thuật số này mang lại độ trễ thấp, độ tin cậy đặc biệt và khả năng chống nhiễu mạnh. DShot chứng minh là lý tưởng cho các ứng dụng nhạy cảm với phản hồi như drone đua và máy bay VTOL. Các lợi ích bổ sung bao gồm loại bỏ các yêu cầu hiệu chuẩn và hỗ trợ phản hồi từ xa tùy chọn trong một số kiểu máy nhất định.
Được khuyến nghị cho các hệ thống sử dụng bus DroneCAN làm giao tiếp chính, giao thức này cung cấp tốc độ dữ liệu cao, kết nối ổn định, phản hồi từ xa và không cần hiệu chuẩn. Các triển khai PX4 hiện tại giới hạn tốc độ cập nhật ở mức 200Hz.
Hệ thống cũng hỗ trợ ESC PCA9685 (thông qua bus I2C) và một số ESC UART từ Yuneec.
PWM ESC điều khiển động cơ thông qua các xung định kỳ, trong đó độ rộng xác định mức công suất. Các phạm vi tiêu chuẩn sử dụng 1000μs cho công suất bằng không và 2000μs cho công suất tối đa. Tốc độ khung hình thường trải dài từ 50-490Hz, với mức tối đa theo lý thuyết gần 500Hz. Tốc độ cao hơn mang lại lợi ích cho hiệu suất ESC, đặc biệt khi cần phản hồi nhanh với các thay đổi điểm đặt.
Các hạn chế bao gồm:
Giao thức này làm giảm độ rộng xung xuống 8 lần so với PWM (phạm vi 125-250μs), cho phép chu kỳ làm việc ngắn hơn và tốc độ làm mới cao hơn. Trong khi PWM đạt tối đa gần 500Hz, OneShot về mặt lý thuyết đạt gần 4kHz, mặc dù hiệu suất thực tế phụ thuộc vào khả năng ESC cụ thể.
Giao thức kỹ thuật số này làm giảm đáng kể độ trễ đồng thời cải thiện độ mạnh mẽ. Cấu hình loại bỏ các yêu cầu hiệu chuẩn và cho phép đảo chiều quay động cơ. DShot cung cấp nhiều tùy chọn tốc độ (150, 300, 600, 1200), trong đó tốc độ cao hơn làm giảm độ trễ nhưng tốc độ thấp hơn sẽ tăng cường độ ổn định—đặc biệt có lợi cho các máy bay lớn hơn với hệ thống dây mở rộng.
Chia sẻ nhiều ưu điểm của DShot, DroneCAN vượt trội trong các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao với các kết nối đường dài mạnh mẽ. Giới hạn tốc độ cập nhật 200Hz vẫn là hạn chế chính của nó trong các triển khai PX4.
Việc chọn giao thức thích hợp phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể:
PWM và OneShot ESC yêu cầu hiệu chuẩn để đảm bảo phản hồi thích hợp với các tín hiệu điều khiển. Quá trình này liên quan đến việc đặt các giá trị ga tối thiểu và tối đa. Các triển khai DShot và DroneCAN loại bỏ yêu cầu này.
Việc lựa chọn và cấu hình đúng cách các giao thức ESC có tác động cơ bản đến hiệu suất drone. Việc hiểu các đặc tính kỹ thuật và yêu cầu vận hành cho phép người chế tạo tạo ra các hệ thống không người lái hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Việc kiểm tra các tùy chọn giao thức ESC của PX4 này cung cấp một nền tảng để đưa ra quyết định sáng suốt trong các dự án phát triển drone.
