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Datenübertragung bei Multikoptern

Nicht nur die Sensoren und Prozessoren entwickeln sich ständig weiter, sondern auch die Datenschnittstellen. Ältere Kopter haben spürbare Nachteile durch Verzögerungen und Ungenauigkeiten im gesamten Signalweg. Aktuelle Technologien machen zum Glück alles besser.

Funkkontakt

Am Anfang der Signalkette steht natürlich der Bediener. Der Modellflugpilot bewegt Sticks und Schalter, in der Hoffnung, dass der Kopter entsprechend reagiert.

Sticks

Schon das Auslesen der Stickpositionen ist bei den meisten Funksendern eine grobschlächtige Angelegenheit. Zwei über kreuz angeordnete Potis werden ausgemessen und anhand des Widerstands wird abgeschätzt, was die Position auf jeder Achse sein müsste. Dass dies ein nur begrenzt genaues Verfahren ist, merkt man schon daran, dass eine brandneue Taranis zunächst einmal korrekt eingestellt werden muss, damit die Randpunkte und die Mitten passen. Wer viel fliegt, muss auch ab und zu nachjustieren, denn Potis unterliegen einem gewissen Verschleiß, der sich in leicht abweichenden Widerstandskurven bemerkbar macht.

Als Alternative gibt es mittlerweile Gimbals mit Hall-Sensoren. Davon verspricht man sich, dass es keine nennenswerten Verschleißerscheinungen gibt und die Präzision soll ebenfalls höher sein.

Funkprotokolle

Grundsätzlich hat jeder Hersteller sein eigenes Funkprotokoll, mit denen die Funksender die Werte zum Empfänger im Kopter übertragen. Ältere Protokolle verteilen die Frequenzen fest per DSSS, was in Deutschland leider eine gesetzliche Begrenzung der Sendeleistung auf 10mW impliziert. Mit FHSS hingegen sind 100mW erlaubt, was in den meisten Fällen völlig ausreichend ist.

Ansonsten unterscheiden sich die Protokolle v.a. hinsichtlich Störanfälligkeit und Jitter. Moderne Funkprotokolle wie FrSky oder FASST sind da grundsätzlich besser als die älteren. Durch das schnelle Frequenzwechseln bei FHSS ist diese Übertragungstechnik auch bei gleicher Sendeleistung zuverlässiger als DSSS, da punktuelle Auslöschung des Funksignals durch Interferenzen frequenzabhängig ist. Wird die betroffene Frequenz nur sehr kurz genutzt, ist auch das Empfangsproblem sehr schnell wieder vorbei. Deswegen sind die modernen Protokolle allein deswegen besser, weil sie FHSS haben.

Im Kopter

Die beste Flugsteuerung bringt nicht viel, wenn die Datenübertragung unsauber ist. Sowohl das Signal, das vom Empfänger aus ankommt, als auch das, das die ESCs ansteuert können das Flugverhalten deutlich verschlechtern.

Vom Empfänger zur Flugsteuerung

Nachdem der Empfänger das Funksignal entgegengenommen hat, leitet er es entsprechend an die Flugsteuerung weiter. Die primitivste Methode ist PWM und eine etwas praktischere Variante davon ist PPM. In der Praxis unterscheiden die beiden sich nur dadurch, dass PPM mehrere Kanäle über ein Kabel leitet, statt wie PWM ein Kabel für jeden einzelnen Kanal zu brauchen. Ansonsten sind die Eigenschaften identisch.

Obwohl es auf den ersten Blick vielleicht nicht so aussehen mag, ist PWM/PPM Analogtechnik. Die Interpretation des Signals erfolgt, indem die Dauer der Spannungsebenen gemessen wird. Das ist an sich schon ungenau, da die scharfen Signalflanken, wie sie auf Konzeptzeichnungen gerne zu sehen sind, in der Realität durch die Kapazität der Leitungen und elektrischen Bauteile etwas geglättet werden.

Außerdem ist bei Multikoptern davon auszugehen, dass Stromspitzen und ähnliche Phänomene regelmäßig auftreten und somit zusätzliche Störquellen darstellen, die die PWM/PPM Signale ebenfalls verfälschen. In Cleanflight wird bei PWM und PPM deswegen ein gleitender Mittelwert mit Fenstergröße 3 berechnet. Das verursacht im Endeffekt eine Latenz von ca. 80ms. Da man sowieso nicht von extremer Genauigkeit ausgeht, werden bei der Digitalwandlung auch nur 8 Bit breite Werte, also 256 Regelstufen weitergegeben.

Digitale Übertragungstechniken wie S.Bus sind entsprechend konzipiert, dass sie die Probleme mit denen PWM/PPM zu kämpfen hat, lösen. Ungenauigkeiten im Timing spielen eine untergeordnete Rolle. Solange die Bits richtig erkannt werden, kommen die Daten korrekt an. Wenn nicht, fällt dies aufgrund einer Prüfsumme auf. Die Latenz ist wesentlich geringer, normalerweise unter 20ms, da der aktuelle Wert direkt genutzt werden kann. Die Genauigkeit ist ebenfalls höher. FrSky S.Bus überträgt 11 Bit pro Datum, also 2048 Regelstufen. Das fällt zwar meistens nicht direkt als präzisere Interpretation des Steuersignals auf, macht es dem PID-Controller aber einfach, da der Input weniger sprunghaft ist.

Von der Flugsteuerung zu den Reglern

Auch hier gibt es mittlerweile analoge und digitale Verfahren. PWM ist bei der Schnittstelle von der Flugsteuerung zum Regler ebenfalls ein weitverbreitetes Verfahren. Nur sehr alte Kopter nutzen niedrigere Frequenzen als 500Hz. Die Übertragungsdauer für ein Signal entspricht dem Kehrwert, also 2ms. Da moderne Flugsteuerungen besser regeln, wenn man die schnellen Prozessoren durch kurze Looptimes ausreizt, sind 2ms eine enorm lange Zeit. Schneller als die PWM Frequenz können die ESC Updates aber nicht übertragen werden, also ist ein schnelleres Protokoll nötig, um bessere Performance zu erreichen.

OneShot125 erreicht das auf zwei Arten: Die Dauer der hohen Spannungsebene wird durch 8 geteilt und man wartet nicht unbedingt die komplette dauer der niedrigen Ebene ab. Damit erreicht man einen best case von 125µs und einen worst case von 250µs. Schon funktionieren Looptimes von 500µs problemlos.

OneShot42 und Multishot(12) führen die Reihe mit jeweils noch kürzeren Signalen fort. Im Endeffekt bleiben aber die Nachteile von PWM bestehen, nur dass man an dieser Stelle das Jittering in Kauf nimmt, um die niedrige Latenz erreichen zu können. Man kann sich etwas behelfen, indem man die ESC Updates asynchron laufen lässt, sodass sie so oft updaten wie möglich. Wenn der PID-Controller zwischenzeitlich noch kein neues Ergebnis berechnet hat, wird das alte wiederholt, sodass die Abweichungen etwas geglättet werden.

DShot ist eine digitalte Alternative, die es in 3 Varianten gibt: DShot150, DShot300 und DShot600. Die Zahl steht für die Datenrate in kBit/s. Jeder Wert besteht aus 16 Bit (4 davon Prüfsumme, also wieder 2048 Regelstufen). Umgerechnet kommt man ungefähr auf folgende Latenzen:

  • DShot150: 107µs
  • DShot300: 54µs
  • DShot600: 27µs

Interessanterweise ist die Latenz der schnellsten Variante etwas höher als der worst Case von MultiShot (24µs). Da die Geschwindigkeit von MultiShot aber eher selten komplett ausgereizt wird, dürften die Vorteile überwiegen.

Fazit

Die Datenübertragung zu und in Multikoptern muss gut funktionieren, um ein zuverlässiges, präzises Fliegen zu ermöglichen. Ich finde es großartig, dass sich die digitale Übertragung durchsetzt, denn die archaische PWM-Technik ist einfach nicht zeitgemäß. Ein komplett digital arbeitender Kopter ist mittlerweile auch nicht mehr extrem teuer, weswegen ich jedem Selbstbauer empfehle, sich nach entsprechenden Komponenten umzusehen.

Ziel des Koptertunens ist für mich grundsätzlich, dass der Kopter so genau wie möglich meinem Input folgt. Wie gut das klappen kann, hängt von der Übertragungsqualität ab. Deswegen finde ich es sinnvoll, möglichst die besten Technologien zu verwenden.

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