感知融合与飞控系统接口控制文档

字段	内容
文档编号	ICD-09-V0.1
版本	V0.1
状态	草稿
作者	产品团队
日期	2026-04-17
审核人	—
接口双方	感知融合子系统 (PF) ↔ 飞控系统 (FC)

修订记录

版本	日期	修订人	修订内容
V0.1	2026-04-17	产品团队	初稿

1. 概述

1.1 目的

本文档定义感知融合子系统（PF）与飞控系统（FC）之间的接口规范，包括物理层连接、通信协议、消息格式、数据更新频率和安全约束。

为何独立于ICD-04：PF↔FC的数据特征与OA↔FC（ICD-04）有本质差异：

数据量大：PF输出包含协方差矩阵（6×6 float）、高程图（二维数组），远超CAN帧8字节限制
频率高：辅助观测量需50Hz输出，高于ICD-04的20Hz上限
物理层可能不同：PF若运行在独立计算板（Jetson/RK3588），优选Ethernet接口
消息集不重叠：PF消息（辅助观测量/协方差/高程图）与OA消息（障碍物/避障建议）完全不同

1.2 适用范围

适用于感知融合计算单元与飞控主控之间的通信
本文档定义的协议为自定义二进制协议（Ethernet方案）或MAVLink扩展消息（UART方案）

1.3 关联文档

文档编号	文档名称	关系
SUB-PF-V0.1	感知融合子系统PRD	接口一方（感知数据提供方）
SUB-FC-V0.1	飞控系统PRD	接口另一方（EKF2状态估计消费方）
ICD-04-V0.1	飞控与避障系统接口	参考文档（PF→OA的感知数据可通过PF直连OA或经FC转发）

1.4 术语定义

术语	定义
PF	感知融合子系统（Perception Fusion）
FC	飞控系统（Flight Controller）
辅助观测量帧	PF→FC，包含融合后的位置/速度/高度估计及协方差
高程图帧	PF→FC，局部地形高程图数据
PF状态帧	PF→FC，系统健康状态和传感器状态
飞控参考帧	FC→PF，GPS/IMU/飞行模式等参考数据

2. 物理层

2.1 接口类型

参数	方案A：Ethernet（推荐）	方案B：UART
接口	100BASE-T Ethernet	UART 921600bps
适用场景	PF运行在独立计算板（Jetson/RK3588）	PF复用飞控主控或轻量级MCU
带宽	100Mbps（远超需求）	~92KB/s（可能成瓶颈）
延迟	<1ms	<5ms
信号电平	IEEE 802.3 差分	3.3V TTL

选型建议：若PF-F-801决策为独立计算板，强烈推荐Ethernet——数据量（协方差+高程图）需要高带宽，且独立计算板天然支持Ethernet。若复用飞控主控，则内部总线直连，本ICD仅定义消息格式。

2.2 线束规格

参数	Ethernet方案	UART方案
线缆	Cat5e屏蔽双绞线	TX/RX/GND多芯线，≥0.2mm²
最大长度	≤50cm	≤50cm
屏蔽要求	带屏蔽层，屏蔽层单端接地	带屏蔽层

2.3 连接器

参数	规格
连接器类型	[TBD — 待硬件团队确认，航空级防水连接器]
防护要求	防水密封（匹配IP56），耐振动
锁紧机构	机械锁紧，防止振动脱落

3. 协议层

3.1 传输协议

Ethernet方案：UDP单播，端口号 [TBD]。选择UDP而非TCP，因为观测量数据对实时性要求高、丢帧可容忍（下一帧即覆盖）。

UART方案：自定义封包格式：

| 帧头(2B) | 消息ID(2B) | 数据长度(2B) | 数据域(N字节) | CRC32(4B) |
| 0xAA55   | MSG_ID     | LEN          | DATA[0..N-1] | CRC32     |

3.2 消息定义 — PF→FC（感知数据上报）

3.2.1 辅助观测量帧

MSG_ID: 0x0901 / UDP端口: [TBD]

字段	偏移(字节)	类型	单位	说明
timestamp	0-7	U8	μs	PF时间戳（微秒，与飞控时间同步）
seq_num	8-11	U4	—	单调递增序列号，用于丢帧检测
pos_x	12-15	F4	m	融合位置X（NED坐标系，相对起飞点）
pos_y	16-19	F4	m	融合位置Y
pos_z	20-23	F4	m	融合位置Z（向下为正）
vel_x	24-27	F4	m/s	融合速度X
vel_y	28-31	F4	m/s	融合速度Y
vel_z	32-35	F4	m/s	融合速度Z
agl_height	36-39	F4	m	对地高度（AGL，下视雷达测量）
cov_pos[9]	40-75	F4×9	m²	位置协方差矩阵（3×3，行优先）
cov_vel[9]	76-111	F4×9	(m/s)²	速度协方差矩阵（3×3，行优先）
agl_variance	112-115	F4	m²	对地高度方差
source_mask	116	U1	—	当前有效融合源位掩码：bit0=雷达高度, bit1=多普勒速度, bit2=VIO, bit3=LiDAR里程计, bit4=GPS参考
pf_status	117	U1	—	PF系统状态：0=正常, 1=降级, 2=故障
reserved	118-119	U2	—	保留

帧大小：120字节
更新频率：50 Hz（周期20ms）

说明：协方差矩阵使用对称矩阵的完整3×3表示（含冗余），简化飞控端解析。若带宽紧张，可优化为上三角6元素。

3.2.2 地形高程图帧

MSG_ID: 0x0902

字段	偏移(字节)	类型	单位	说明
timestamp	0-7	U8	μs	时间戳
seq_num	8-11	U4	—	序列号
origin_x	12-15	F4	m	高程图原点X（NED，相对飞行器当前位置）
origin_y	16-19	F4	m	高程图原点Y
resolution	20-23	F4	m	栅格分辨率（如0.5m）
grid_cols	24	U1	—	列数（左右方向，如40=±10m@0.5m分辨率）
grid_rows	25	U1	—	行数（前后方向，如80=前方40m@0.5m）
reserved	26-27	U2	—	保留
height_data[N]	28+	I2×N	cm	高程数据数组（N=grid_cols×grid_rows），相对飞行器海拔高度的偏移量
confidence[N]	28+2N+	U1×N	%	各栅格置信度（0-100，0=未扫描）

帧大小：可变，典型配置（40×80栅格）= 28 + 3200×2 + 3200 = 9628字节
更新频率：5 Hz（周期200ms）

注：高程图数据量大（~10KB/帧），仅Ethernet方案可直接承载。UART方案需分片传输或降低分辨率。

3.2.3 PF系统状态帧

MSG_ID: 0x0903

字段	偏移(字节)	类型	单位	说明
timestamp	0-7	U8	μs	时间戳
pf_status	8	U1	—	系统状态：0=正常, 1=降级, 2=故障
sensor_mask	9	U1	—	传感器在线位掩码：bit0=鱼眼视觉, bit1=LiDAR, bit2=前雷达, bit3=下视雷达, bit4=后视雷达, bit5=IMU源
sensor_health	10-15	U1×6	%	各传感器健康度（按sensor_mask位序：0-100，0=故障）
cpu_load	16	U1	%	PF计算板CPU负载
gpu_load	17	U1	%	PF计算板GPU负载（若有）
temperature	18	I1	°C	计算板温度
fault_code	19-20	U2	—	故障码（见故障码表）
reserved	21-23	U1×3	—	保留

帧大小：24字节
更新频率：2 Hz

故障码表：

故障码	含义
0x0000	无故障
0x0001	四目鱼眼视觉故障
0x0002	激光雷达故障
0x0004	前向相控阵雷达故障
0x0008	下视相控阵雷达故障
0x0010	后视相控阵雷达故障
0x0020	IMU数据源中断
0x0040	计算板过温（>70°C）
0x0080	融合算法异常（输出NaN/发散）
0x0100	视觉遮挡/脏污告警
0x0200	PF与GNSS位置偏差超限

3.3 消息定义 — FC→PF（参考数据下发）

3.3.1 飞控参考数据帧

MSG_ID: 0x0910

字段	偏移(字节)	类型	单位	说明
timestamp	0-7	U8	μs	飞控时间戳
gps_lat	8-11	I4	1e-7 deg	GPS纬度
gps_lon	12-15	I4	1e-7 deg	GPS经度
gps_alt	16-19	I4	mm	GPS海拔高度
gps_vel_n	20-23	I4	mm/s	GPS速度北向
gps_vel_e	24-27	I4	mm/s	GPS速度东向
gps_vel_d	28-31	I4	mm/s	GPS速度下向
gps_fix_type	32	U1	—	定位状态：0=无, 1=单点, 2=浮点解, 3=固定解
satellites	33	U1	—	可见卫星数
hdop	34-35	U2	0.01	水平精度因子（HDOP×100）
reserved	36-39	U4	—	保留

更新频率：10 Hz

3.3.2 IMU数据帧

MSG_ID: 0x0911

字段	偏移(字节)	类型	单位	说明
timestamp	0-7	U8	μs	IMU采样时间戳
acc_x	8-11	F4	m/s²	加速度X（机体系）
acc_y	12-15	F4	m/s²	加速度Y
acc_z	16-19	F4	m/s²	加速度Z
gyro_x	20-23	F4	rad/s	角速度X
gyro_y	24-27	F4	rad/s	角速度Y
gyro_z	28-31	F4	rad/s	角速度Z

帧大小：32字节
更新频率：200 Hz（周期5ms）

说明：仅在PF无独立IMU时需要此帧（对应PF-F-141/142）。若PF配备独立IMU，此帧可降为50Hz用于交叉校验。

3.3.3 飞行模式帧

MSG_ID: 0x0912

字段	偏移(字节)	类型	单位	说明
flight_mode	0	U1	—	飞行模式：0=待机, 1=普通挡, 2=姿态挡, 3=航线作业, 4=返航, 5=降落, 6=仿地作业
terrain_follow_enabled	1	U1	—	仿地使能：0=关, 1=开
terrain_target_height	2-3	U2	cm	仿地目标高度
pf_enable	4	U1	—	PF使能状态：0=关闭, 1=正常, 2=仅高度输出
reserved	5-7	U1×3	—	保留

帧大小：8字节
更新频率：1 Hz（模式变化时立即发送）

4. 时序与频率要求

4.1 上电初始化时序

t=0         飞控系统上电
t=0~500ms   飞控完成自检
t=500ms     飞控向PF计算板供电（若独立供电）
t=500~5s    PF计算板启动OS+传感器初始化+标定加载
t=5s        PF发送首帧PF系统状态帧（sensor_mask报告各传感器在线状态）
t=5s~       FC开始下发飞控参考数据帧+IMU数据帧
t=5~8s      PF融合估计器收敛（需累积GPS/IMU参考数据）
t=8s        PF开始输出辅助观测量帧（pf_status=正常）

注：PF启动时间（~8s）长于OA（~3s），因为独立计算板需启动OS。飞控在PF未就绪期间正常使用GNSS/IMU，PF就绪后渐进融合。

4.2 数据更新周期汇总

消息	方向	频率	周期	帧大小	带宽
辅助观测量帧	PF→FC	50 Hz	20ms	120B	6 KB/s
地形高程图帧	PF→FC	5 Hz	200ms	~10KB	50 KB/s
PF系统状态帧	PF→FC	2 Hz	500ms	24B	<1 KB/s
飞控参考数据帧	FC→PF	10 Hz	100ms	40B	<1 KB/s
IMU数据帧	FC→PF	200 Hz	5ms	32B	6.4 KB/s
飞行模式帧	FC→PF	1 Hz	1000ms	8B	<1 KB/s
合计					~65 KB/s

总带宽~65KB/s，Ethernet方案（100Mbps）毫无压力。UART 921600bps（~92KB/s）勉强可行但余量不足，不推荐。

4.3 延迟要求

指标	要求
PF传感器采集→辅助观测量输出	≤50ms
辅助观测量帧传输延迟（PF→FC）	≤5ms（Ethernet）/ ≤10ms（UART）
端到端：传感器采集→EKF2融合更新	≤60ms
IMU帧传输延迟（FC→PF）	≤5ms
高程图帧传输延迟	≤20ms（Ethernet）

5. 安全与故障处理

5.1 通信故障检测

编号	故障场景	检测机制	处理方式
ICD-09-S-001	PF→FC通信中断（辅助观测量帧停止）	飞控监测辅助观测量帧超时>200ms（10个周期）	飞控将PF观测量权重置0，切回纯GNSS/IMU，App告警"感知融合离线"
ICD-09-S-002	高程图帧停止（但观测量帧正常）	飞控监测高程图帧超时>1s	仿地控制使用最后有效高程图（标注为过时），若超过5s仍无更新则降级为气压定高
ICD-09-S-003	FC→PF通信中断（GPS/IMU数据停止）	PF监测飞控参考数据帧超时>1s	PF切换为纯感知模式（无GPS参考），输出相对位姿，协方差放大
ICD-09-S-004	PF输出pf_status=故障	飞控读取pf_status字段	飞控立即将PF权重置0，App告警
ICD-09-S-005	PF辅助观测量与GNSS位置偏差异常	飞控EKF2内部一致性检测	EKF2自动降低PF权重，若持续偏差则剔除PF源
ICD-09-S-006	数据帧校验错误（CRC32不匹配）	接收端CRC校验	丢弃错误帧，不影响后续数据

5.2 接口需求编号

编号	需求描述	优先级	验证方式
ICD-09-I-001	PF应在上电后≤8s内完成初始化并开始输出辅助观测量帧	P0	时序测试
ICD-09-I-002	飞控EKF2应在接收辅助观测量帧后≤10ms内完成融合更新	P0	延迟测试
ICD-09-I-003	辅助观测量帧丢帧率应≤0.1%（正常工作条件下）	P0	长时间运行丢帧统计
ICD-09-I-004	通信误码率应≤1e-6（电调全速运转EMI环境下）	P0	EMC环境测试
ICD-09-I-005	辅助观测量帧应具备单调递增序列号，飞控可据此检测丢帧和乱序	P0	丢帧统计测试

6. 接口验收标准

6.1 必须通过项

测试项	通过标准	对应编号
辅助观测量连续输出	50Hz连续输出1小时，丢帧率≤0.1%	3.2.1, ICD-09-I-003
EKF2融合验证	飞控EKF2正确接收并融合PF观测量，位置估计精度提升可量化	3.2.1
仿地高度联调	PF对地高度与实际高度误差≤±10cm（2-30m范围）	3.2.1(agl_height)
高程图传输	5Hz高程图帧完整送达，飞控仿地控制正常消费	3.2.2
PF故障降级	PF上报pf_status=故障后，飞控≤200ms内切回纯GNSS/IMU	ICD-09-S-001/004
通信中断恢复	断开连接重连后≤5s恢复正常通信	ICD-09-S-001
IMU数据下发	FC→PF的IMU数据200Hz稳定输出，延迟≤5ms	3.3.2

6.2 应当通过项

测试项	通过标准	对应编号
EMI环境稳定性	电机全速运转时通信无异常丢帧	ICD-09-I-004
高温运行	40°C环境下连续1小时通信正常	—
协方差有效性	PF输出的协方差矩阵正定且数值合理	3.2.1

7. 待决事项

编号	事项描述	责任人	影响范围
TBD-ICD09-001	物理层最终确认：Ethernet还是UART（依赖PF-F-801计算平台选型）	硬件+架构团队	2.1, 全文
TBD-ICD09-002	Ethernet方案UDP端口号分配	系统架构师	3.1
TBD-ICD09-003	连接器具体型号选型	硬件团队	2.3
TBD-ICD09-004	PF是否需要独立IMU（影响IMU数据帧是否为必需）	飞控+PF团队	3.3.2
TBD-ICD09-005	高程图栅格尺寸/分辨率最终确认（影响帧大小）	算法团队	3.2.2
TBD-ICD09-006	PF→OA感知数据是否经FC转发，还是PF直连OA	系统架构师	1.3

文档结束

感知融合与飞控系统接口控制文档 ​

修订记录 ​

1. 概述 ​

1.1 目的 ​

1.2 适用范围 ​

1.3 关联文档 ​

1.4 术语定义 ​

2. 物理层 ​

2.1 接口类型 ​

2.2 线束规格 ​

2.3 连接器 ​

3. 协议层 ​

3.1 传输协议 ​

3.2 消息定义 — PF→FC（感知数据上报） ​

3.2.1 辅助观测量帧 ​

3.2.2 地形高程图帧 ​

3.2.3 PF系统状态帧 ​

3.3 消息定义 — FC→PF（参考数据下发） ​

3.3.1 飞控参考数据帧 ​

3.3.2 IMU数据帧 ​

3.3.3 飞行模式帧 ​

4. 时序与频率要求 ​

4.1 上电初始化时序 ​

4.2 数据更新周期汇总 ​

4.3 延迟要求 ​

5. 安全与故障处理 ​

5.1 通信故障检测 ​

5.2 接口需求编号 ​

6. 接口验收标准 ​

6.1 必须通过项 ​

6.2 应当通过项 ​

7. 待决事项 ​