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飞控系统 产品需求文档 ​

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文档编号SUB-FC-V0.1
版本V0.1
状态草稿
作者产品团队
日期2026-04-14
审核人—

修订记录 ​

版本日期修订人修订内容
V0.12026-04-14产品团队初稿
V0.22026-04-16产品团队构型修订：8旋翼→4旋翼(V1)，失一/失二容错标注为V2未来版本

1. 概述 ​

1.1 目的 ​

本文档定义飞控系统（Flight Controller, FC）的产品需求，作为飞控硬件设计、固件开发、系统集成与测试的依据。飞控系统是整机的"大脑"，负责飞行姿态控制、航线执行、任务管理、安全保护等核心功能。

1.2 适用范围 ​

  • 适用产品型号：XX 农业无人机
  • 适用版本：V1.0 种子用户版（2025年10月交付）
  • 飞控基于 PX4 开源飞控平台二次开发，硬件自研已完成

1.3 关联文档 ​

文档编号文档名称关系
PRD-MASTER-V0.1总体产品需求文档上位需求来源
SUB-ESC-V0.1电调系统PRD下游子系统
SUB-SP-V0.1喷洒系统PRD下游子系统
SUB-OA-V0.1避障系统PRD协作子系统
SUB-NAV-V0.1导航定位系统PRD协作子系统
SUB-RC-V0.1遥控器系统PRD上游输入
SUB-APP-V0.1操控App系统PRD上游输入
ICD-01-V0.1飞控与电调接口接口定义
ICD-02-V0.1飞控与遥控器接口接口定义
ICD-03-V0.1飞控与导航定位接口接口定义
ICD-04-V0.1飞控与避障系统接口接口定义
ICD-05-V0.1飞控与喷洒系统接口接口定义
ICD-07-V0.1飞控与App远程接口(4G)接口定义

1.4 术语定义 ​

术语定义
PX4开源飞控软件平台，提供姿态控制、位置控制、EKF状态估计等标准模块
EKF扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter），用于多传感器融合的状态估计
MAVLink轻量级无人机通信协议（Micro Air Vehicle Link）
IMU惯性测量单元（Inertial Measurement Unit），包含加速度计和陀螺仪
RTK实时动态差分定位（Real-Time Kinematic），厘米级精度
RTH返航（Return To Home）
GEO地理围栏系统，限制飞行区域
FOC磁场定向控制（Field Oriented Control），电机驱动算法
CAN控制器局域网络（Controller Area Network），工业级通信总线
PWM脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）
仿地飞行地形跟随飞行，飞行器自动跟随地形起伏保持恒定离地高度
断点续喷作业中途退出后从中断位置恢复继续喷洒

2. 系统描述 ​

2.1 子系统职责 ​

飞控系统是飞行器的核心控制单元，负责飞行姿态稳定控制、航线执行、任务管理、喷洒协调、安全保护逻辑总控。基于 PX4 开源飞控平台进行二次开发，标准飞行控制模块复用 PX4 成熟实现，任务管理和喷洒控制相关模块自研开发。

2.2 系统边界 ​

                    [遥控器指令]          [导航定位数据]
                    (MAVLink)            (MAVLink/串口)
                        │                     │
                        ▼                     ▼
[避障数据] ──────→ ┌──────────────────────────────┐ ──────→ [电调×4转速指令（V2预留×8）]
(自定义协议)       │                              │         (CAN总线)
                   │       飞控系统 (FC)           │
[电池状态] ──────→ │                              │ ──────→ [喷洒控制指令]
(电池通信)         │  ·姿态控制（复用PX4）          │         (自定义协议)
                   │  ·位置控制（复用PX4）          │
                   │  ·EKF状态估计（复用PX4）       │ ──────→ [遥测数据上报]
                   │  ·任务管理器（自研）           │         (MAVLink)
                   │  ·喷洒控制器（自研）           │
                   │  ·航线执行引擎（自研）         │ ──────→ [飞行日志存储]
                   │  ·安全状态机（自研）           │         (SD卡/eMMC)
                   └──────────────────────────────┘

关键输入：

  • 遥控器指令：摇杆控制量、飞行模式切换、返航/急停指令（通过MAVLink）
  • 导航定位数据：GNSS/RTK位置、速度、航向（通过MAVLink/串口）
  • 避障数据：多方向障碍物距离（通过自定义协议）
  • 电池状态：电压、电流、温度、SOC（通过电池通信接口）
  • App作业参数：航线数据、喷洒参数、地块边界（通过遥控器转发）

关键输出：

  • 电调转速指令：4路电机转速控制（通过CAN总线）（V2预留8路）
  • 喷洒控制指令：流量设定、开关控制（通过自定义协议）
  • 遥测数据：飞行状态、传感器数据、告警信息（通过MAVLink上报遥控器/App）
  • 飞行日志：飞行轨迹、传感器原始数据、故障记录（本地存储）

2.3 工作环境 ​

参数要求来源/备注
工作温度-20°C ~ 60°C飞控板载环境温度，飞行器整机工作温度0~40°C（T100手册p28）
存储温度-40°C ~ 85°C电子元器件工业级标准
湿度5% ~ 95% RH（无凝露）—
防护等级飞控模块≥IP67T100参考：核心模块IP67（T100手册p29注[4]）
振动环境应通过飞行状态下振动测试（参考MIL-STD-810G）需配合减振安装
特殊环境因素农药腐蚀性气雾、高湿度、粉尘农业作业场景
电磁环境抗电磁干扰≥10 V/mT100手册p29

3. 功能需求 ​

3.1 硬件平台 ​

状态：自研已完成。 以下需求用于对齐已有硬件设计，确保硬件满足飞控软件运行要求。

3.1.1 主控芯片 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-001主控芯片应具备实时操作系统（RTOS）运行能力，支持NuttX RTOS（PX4默认RTOS）P0固件运行验证PX4架构要求
FC-F-002主控芯片算力应满足400Hz姿态控制环+50Hz位置控制环+EKF融合+任务管理并发运行需求，推荐ARM Cortex-M7及以上P0负载率测试SYS-F-001~007
FC-F-003主控芯片应具备FPU（浮点运算单元），支持EKF和控制算法的浮点运算P0固件编译验证PX4架构要求
FC-F-004主控应具备≥1MB Flash、≥512KB RAM，支持PX4固件及自研模块的存储和运行P0资源占用分析PX4架构要求

3.1.2 惯性测量单元（IMU） ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-005飞控应集成至少2组IMU（加速度计+陀螺仪），实现冗余备份P0硬件检查+传感器健康监测FC安全冗余要求
FC-F-006IMU采样率应≥1kHz，满足400Hz姿态控制环的数据输入需求P0传感器数据率测试FC-P-001
FC-F-007IMU安装应配备机械减振结构，振动隔离频率≥100HzP0振动频谱分析飞行品质要求
FC-F-008双IMU应支持在线交叉校验与自动故障切换P0故障注入测试FC-S-001

3.1.3 气压计与磁力计 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-009飞控应集成气压计用于高度辅助估计，分辨率≤10cmP0高度精度测试SYS-P-020/021
FC-F-010气压计应具备防风隔离设计，避免旋翼下洗气流导致气压波动P0悬停高度稳定性测试飞行品质要求
FC-F-011飞控应集成磁力计用于航向辅助估计，支持校准流程（参考T100手册p35）P0航向精度测试SYS-F-044
FC-F-012磁力计应支持软铁/硬铁补偿校准P0校准后航向精度验证SYS-F-044

3.1.4 硬件接口 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-013飞控应提供≥2路CAN接口（CAN 2.0B或CAN FD），用于电调通信和扩展P0硬件接口测试ICD-01
FC-F-014飞控应提供≥4路UART/串口，分别用于：导航模块、遥测数据、调试口、预留扩展P0接口通信测试ICD-02/03
FC-F-015飞控应提供≥1路SPI接口，用于高速传感器（IMU）数据读取P0传感器数据读取验证FC-F-005
FC-F-016飞控应提供≥1路I2C接口，用于气压计、磁力计等低速传感器P0传感器数据读取验证FC-F-009/011
FC-F-017飞控应提供PWM输出×4路（V2预留8路），在CAN通信失效时可切换至PWM控制电调P1PWM信号测试ICD-01降级方案
FC-F-018飞控应提供≥2路ADC输入，用于电池电压/电流模拟量采集P0电压/电流采集精度验证SYS-F-030
FC-F-019飞控应提供GPS/RTK接口（串口或专用接口），支持外接RTK定位模块P0RTK模块联调SYS-F-041
FC-F-020飞控应预留≥2路扩展接口（GPIO/UART/I2C），用于未来功能扩展P2硬件检查扩展性要求
FC-F-021飞控应提供USB接口（Type-C或Micro-B），用于固件升级和调试日志导出P0连接测试开发调试需求
FC-F-022飞控应提供MicroSD/eMMC存储接口，用于飞行日志记录，容量≥8GBP0日志写入测试SYS-C-004

3.2 PX4复用标准模块 ​

标注：复用PX4标准实现。 以下模块直接复用PX4成熟代码，仅做参数调优和必要适配。

3.2.1 姿态控制模块 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-030复用PX4 mc_att_control 模块，实现多旋翼姿态（俯仰/横滚/偏航）闭环控制P0飞行姿态响应测试SYS-F-004
FC-F-031姿态控制器应支持4旋翼布局的混控矩阵配置（V1四旋翼；V2升级为8旋翼Y型布局）P0各电机响应验证机型配置
FC-F-032姿态控制环频率应≥400HzP0控制环计时测量FC-P-001
FC-F-033姿态控制器PID参数应针对本机型（空机73kg级、满载149kg级）进行调优P0飞行品质评估机型适配

3.2.2 位置控制模块 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-034复用PX4 mc_pos_control 模块，实现多旋翼位置（水平/垂直）闭环控制P0定点悬停精度测试SYS-F-003
FC-F-035位置控制环频率应≥50HzP0控制环计时测量FC-P-002
FC-F-036位置控制器应支持速度前馈，确保航线飞行时速度跟踪精度≤0.3m/sP0航线速度偏差测试SYS-P-022
FC-F-037位置控制器应支持高度保持和定点悬停（普通挡/N挡模式，参考T100手册p16）P0悬停精度测试SYS-F-003/005

3.2.3 EKF状态估计模块 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-038复用PX4 EKF2模块，融合IMU、气压计、磁力计、GNSS/RTK数据，输出飞行器位置/速度/姿态估计P0状态估计精度测试SYS-P-020~022
FC-F-039EKF应支持多传感器源切换：RTK优先→GNSS→气压计+IMU推算P0传感器遮蔽测试SYS-S-006
FC-F-040EKF应支持传感器健康监测，自动检测并剔除异常传感器数据P0故障注入测试FC-S-001
FC-F-041EKF更新频率应≥200HzP0更新率测量状态估计精度要求

3.2.4 日志记录模块 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-042复用PX4 logger 模块，以ULog格式记录飞行日志P0日志文件解析验证SYS-C-004
FC-F-043飞行日志应记录：IMU原始数据、位置/速度/姿态估计、电机输出、电池状态、GPS/RTK数据、喷洒状态、告警事件P0日志字段完整性检查SYS-C-004
FC-F-044飞行日志记录频率应≥50Hz（关键通道）、≥10Hz（辅助通道）P0日志数据率验证事后分析需求
FC-F-045飞行日志应支持通过app或USB导出至电脑（参考T100手册p41/p66）P0日志导出流程验证SYS-C-004
FC-F-046故障日志应独立于飞行日志，记录所有告警/故障事件及时间戳，掉电不丢失P0掉电恢复测试故障追溯需求

3.2.5 参数系统 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-047复用PX4参数系统框架，支持参数的在线读写、持久化存储和恢复默认P0参数读写测试PX4架构要求
FC-F-048自研模块的参数应遵循PX4参数命名规范，以 XX_ 前缀扩展（如 SP_ 喷洒参数、TM_ 任务管理参数）P0代码审查代码规范
FC-F-049参数系统应支持通过MAVLink远程读写（App/遥控器设置参数）P0远程参数设置测试SYS-F-024

3.3 飞行模式定义 ​

标注：复用PX4标准实现 + 自研扩展。 飞行模式框架复用PX4，部分农业作业模式需自研。

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-050系统应支持以下飞行模式，可通过遥控器挡位开关和App切换P0模式切换测试SYS-F-005

飞行模式定义表：

模式名称实现方式描述对应T100挡位
手动/姿态模式（S挡）复用PX4 Manual/Stabilized遥控器直接操控，无GPS定点，仅提供姿态增稳。松杆后飞行器不悬停，会漂移（参考T100手册p16）姿态挡（S）
定高模式复用PX4 Altitude油门摇杆控制升降速度，松杆保持当前高度，水平方向需手动控制—
定点模式（N/F挡）复用PX4 Position精确悬停，RTK启用时悬停精度水平±10cm、垂直±10cm（参考T100手册p16/p28）普通挡（N/F）
航线模式复用PX4 Mission + 自研扩展按预规划航线自动飞行，支持大田航线、AB点航线、果树航线自动作业
返航模式（RTH）复用PX4 RTL + 自研扩展返回返航点，支持智能返航/低电量返航/失控返航（参考T100手册p39-40）返航
降落模式复用PX4 Land自动下降并着地停机（参考T100手册p40降落保护）降落
紧急降落模式自研-需详细设计严重低电量/多传感器故障时强制原地降落，不可取消紧急降落
编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-051遥控器挡位切换默认锁定为普通挡（N/F），切换至姿态挡（S）需在App中解锁（参考T100手册p16）P0模式切换测试SYS-F-005
FC-F-052飞行过程中模式切换应无缝过渡，切换瞬间飞行器不应出现明显抖动或高度/位置跳变P0飞行测试飞行品质要求
FC-F-053系统应支持一键起飞：飞行器自动上升至预设高度（默认1.5m）并悬停（参考T100）P0飞行测试SYS-F-001
FC-F-054系统应支持一键降落：飞行器自动下降并着地停机P0飞行测试SYS-F-002
FC-F-055系统应支持电机启动（双摇杆打杆或单杆解锁）和停止（油门最低保持）操作（参考T100手册p36）P0飞行测试SYS-F-006
FC-F-056系统应支持空中停机：通过急停按键组合（C1+C2+急停键）立即停止所有电机（参考T100手册p36）P0飞行测试SYS-F-007

3.4 自研模块——任务管理器 ​

标注：自研-需详细设计。 任务管理器是飞控自研的核心模块，负责作业任务的解析、调度和执行。

3.4.1 航线加载与解析 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-060任务管理器应能接收并解析App下发的作业任务，包括：地块边界、航线航点、喷洒参数、作业模式P0任务加载测试SYS-F-010~012
FC-F-061应支持大田航线作业：接收地块边界多边形，按设定行距和航向自动生成蛇形喷洒航线（参考T100手册p49-51）P0航线生成验证SYS-F-010
FC-F-062应支持AB点作业：接收A/B两点坐标，按设定行距自动生成平行航线（参考T100手册p52-53）P0航线生成验证SYS-F-011
FC-F-063应支持手动作业模式：遥控器手动操控飞行，通过左拨轮控制喷洒流量，喷洒按键手动开关（参考T100手册p53-54）P0手动作业测试SYS-F-012
FC-F-064应支持果树航线作业：接收三维航线数据，按航点顺序执行飞行和喷洒（参考T100手册p50）P1航线执行验证SYS-F-013
FC-F-065航线数据应支持持久化存储，掉电或重启后可恢复P0掉电恢复测试断点续喷要求

3.4.2 航线执行引擎 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-066航线执行引擎应按航点顺序控制飞行器飞行，航线跟踪精度偏航距≤0.4m（参考T100手册p28）P0航线跟踪测试SYS-P-022
FC-F-067航线飞行速度应可设定（范围1~10m/s），默认作业速度7m/s，速度偏差≤0.3m/sP0速度跟踪测试SYS-P-011/022
FC-F-068航线端点转弯时应自动关闭喷洒，进入下一条航线时自动开启喷洒（参考T100手册p51）P0转弯喷洒控制测试SYS-S-013
FC-F-069应支持多地块连续作业：按地块顺序自动切换并执行（参考T100手册p53）P1多地块作业测试SYS-F-016
FC-F-070航线执行中应实时监测作业进度（已作业面积/百分比），通过遥测上报App显示P0App进度显示验证用户体验要求

3.4.3 断点续喷逻辑 ​

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-071中途退出作业时（低电量返航/手动退出/无药返航），任务管理器应自动记录断点坐标和作业状态P0断点记录验证SYS-F-015
FC-F-072断点信息应包括：当前航线编号、航点序号、精确坐标、喷洒状态、已完成区域边界P0断点数据完整性检查SYS-F-015
FC-F-073支持从断点恢复作业：飞行器飞至断点位置后继续执行剩余航线，断点坐标偏差≤0.5mP0断点续喷精度测试SYS-F-015
FC-F-074应支持智能断点续航：根据断点位置和飞行器当前位置计算最优返回点，减少空载飞行（参考T100手册p55）P1路径优化验证SYS-F-017
FC-F-075断点数据应持久化存储，支持更换电池后恢复作业P0换电池恢复测试SYS-F-015

3.5 自研模块——喷洒控制器 ​

标注：自研-需详细设计。 喷洒控制器负责将飞行状态与喷洒动作联动，实现精准均匀喷洒。

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-080喷洒控制器应根据用户设定的亩用量和航线参数，自动计算目标喷洒流量P0流量计算验证SYS-P-030~032
FC-F-081应实现速度-流量联动算法：飞行速度变化时自动调节喷洒流量，保持单位面积施药量恒定（参考T100智能喷洒逻辑）P0变速喷洒均匀度测试SYS-P-033
FC-F-082速度-流量联动的响应延迟应≤200msP0延迟测量喷洒均匀度要求
FC-F-083应支持通过左拨轮手动调节喷洒流量（手动作业模式，参考T100手册p20）P0手动调节测试SYS-F-012
FC-F-084应实现地块边界检测：飞行器飞出作业地块边界时自动关闭喷洒，防止药液浪费和环境污染P0边界检测测试SYS-S-013
FC-F-085应支持无药告警：根据流量积分计算剩余药量，药液不足时通过App告警，药液耗尽时自动关闭喷头（参考T100手册p56）P0无药告警测试SYS-F-018
FC-F-086应支持作业箱药液余量预估：根据剩余药量和航线计算预计无药点坐标，在App地图上显示（参考T100手册p56）P0预估精度验证SYS-S-012
FC-F-087喷洒控制指令应通过自定义协议发送至喷洒系统（详见ICD-05）P0接口联调ICD-05
FC-F-088应接收喷洒系统回报的实际流量数据，与目标流量进行闭环校验P0流量闭环验证SYS-S-014

3.6 自研模块——地形跟随 ​

标注：自研-需详细设计。 仿地飞行高度控制，依赖下视测距传感器（雷达/视觉）数据。

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-090应支持仿地飞行模式：飞行器根据下视测距数据自动调节飞行高度，保持恒定离地高度（AGL）P0起伏地形飞行测试SYS-F-026
FC-F-091仿地飞行高度设定范围1.5~30m（默认3m），可在App中设置（参考T100手册p14）P0高度设定验证SYS-F-026
FC-F-092仿地飞行高度控制精度应≤±0.3m（平坦地形）P0高度跟踪测试喷洒均匀度要求
FC-F-093应根据作业场景（平地/山地/果树/水面）自动选择仿地或绕行策略（参考T100手册p14）P1场景切换测试SYS-F-026
FC-F-094定高功能不可用时（如下视传感器故障），高度应相对于起飞点计算，并通过App提示用户（参考T100手册p14）P0传感器故障测试SYS-F-026

3.7 自研模块——避障响应 ​

标注：自研-需详细设计。 飞控接收避障子系统的障碍物数据后，执行飞行决策。

编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-095飞控应接收避障系统的多方向障碍物距离数据（前/后/左/右/上/下），更新频率≥10HzP0数据接收验证ICD-04
FC-F-096自动刹停：前方障碍物距离≤安全阈值时，飞行器应自动减速至刹停（参考T100手册p13）P0障碍物模拟测试SYS-F-025
FC-F-097自动绕行：在作业模式下开启全向避障后，检测到障碍物时飞行器应尝试绕行继续作业（参考T100手册p13）P0绕行路径测试SYS-F-025
FC-F-098返航避障：返航路径上遇到障碍物时，自动绕行或升高避让（参考T100手册p40）P0返航避障测试SYS-F-027
FC-F-099手动作业模式下仅支持定高功能（不自动绕行），App应提示用户手动控制飞行方向避开障碍物（参考T100手册p14）P0手动模式避障行为验证SYS-F-025
FC-F-100避障功能可在App中按作业场景开启/关闭（参考T100手册p13）P0设置功能验证SYS-F-025
FC-F-101有效避障速度范围应≤13.8m/s（参考T100手册p28）P0高速避障测试SYS-P-010

3.8 自研模块——安全状态机 ​

标注：自研-需详细设计。 安全状态机是飞控安全保护的总控逻辑。

状态定义与转换规则：

                    传感器正常 & 电量充足 & 通信正常
                    ┌───────────────────────────┐
                    │                           │
                    ▼                           │
              ┌──────────┐    单传感器异常/     ┌──────────┐
              │  正常状态  │───通信弱信号──────→│  预警状态  │
              │ (NORMAL)  │                    │ (WARNING) │
              └──────────┘                    └─────┬────┘
                    │                               │
                    │  严重低电量/多传感器故障/        │  预警升级/
                    │  通信完全丢失                   │  情况恶化
                    │                               │
                    ▼                               ▼
              ┌──────────┐                    ┌──────────┐
              │  保护状态  │←─────────────────│  保护状态  │
              │(PROTECTED)│                   │(PROTECTED)│
              └─────┬────┘                    └──────────┘
                    │
                    │  电机失效/姿态不可控/
                    │  严重低电量不可飞行
                    ▼
              ┌──────────┐
              │ 紧急着陆   │
              │(EMERGENCY) │
              └──────────┘
编号需求描述优先级验证方式来源
FC-F-110安全状态机应定义四级状态：正常(NORMAL)→预警(WARNING)→保护(PROTECTED)→紧急着陆(EMERGENCY)P0状态机测试SYS-S-001~007
FC-F-111正常→预警触发条件：单个IMU异常、单个GPS天线异常、遥控器信号RSSI低于阈值、电池电量降至普通低电量阈值、单个电调通信异常P0故障注入测试SYS-S-001~006
FC-F-112预警→保护触发条件：遥控器信号丢失超3秒（触发失控返航，参考T100手册p40/43）、电量降至严重低电量阈值、RTK+GNSS均丢失、双IMU异常P0故障注入测试SYS-S-001~006
FC-F-113保护→紧急着陆触发条件：电量极低（无法维持飞行）、多电机失效（飞行器不可控）、所有定位源丢失P0故障注入测试SYS-S-002~004
FC-F-114各状态对应的系统响应：预警→App/遥控器声光告警；保护→自动执行返航或降落；紧急着陆→强制原地降落，不可取消P0系统响应验证SYS-S-001~007
FC-F-115状态转换事件应全部记录至故障日志P0日志完整性检查FC-F-046

4. 性能需求 ​

编号性能指标我方目标值T100参考值优先级验证方式
FC-P-001姿态控制环频率≥400 Hz—P0控制环计时测量
FC-P-002位置控制环频率≥50 Hz—P0控制环计时测量
FC-P-003EKF状态估计更新频率≥200 Hz—P0更新率测量
FC-P-004定位精度（配合RTK）水平±2cm，垂直±3cm（原始定位）—P0RTK精度测试
FC-P-005悬停精度（RTK开启）水平±10cm，垂直±10cm水平±10cm，垂直±10cmP0悬停精度测试（T100手册p28）
FC-P-006悬停精度（RTK关闭）水平±60cm，垂直±30cm水平±60cm，垂直±30cmP0悬停精度测试（T100手册p28）
FC-P-007航线跟踪精度（偏航距）≤0.4m≤0.4mP0航线飞行GPS轨迹分析（T100手册p28）
FC-P-008航线飞行速度偏差≤0.3 m/s≤0.3 m/sP0速度记录分析（T100手册p28）
FC-P-009故障检测响应时间（传感器故障→状态机转换）≤100 ms—P0故障注入+时间戳分析
FC-P-010紧急停机响应时间（急停信号→电机停转）≤50 ms—P0急停信号→电机停转时间测量
FC-P-011飞控系统启动时间（上电→就绪）≤30 s—P1启动计时
FC-P-012速度-流量联动响应延迟≤200 ms—P0速度变化→流量变化时间测量
FC-P-013仿地飞行高度控制精度≤±0.3m（平坦地形）—P0仿地飞行高度记录分析
FC-P-014飞行日志记录丢帧率≤1%—P1日志连续性分析
FC-P-015MCU CPU负载率（正常飞行）≤70%—P0运行时负载监测
FC-P-016MCU CPU负载率（峰值，全功能运行）≤85%—P0全功能压力测试

5. 安全需求 ​

编号安全需求描述触发条件系统响应优先级验证方式
FC-S-001传感器冗余与故障切换：双IMU在线交叉校验，单IMU故障时自动切换至备份IMU继续飞行单IMU数据异常（噪声/漂移/无响应）切换备份IMU，预警告警P0故障注入测试
FC-S-002[V2-未来版本] 电机失效降级飞行（失一）：8旋翼中单个电机/电调失效时，飞控自动调整混控矩阵，向失效电机对侧偏航维持可控飞行并安全降落（参考T100手册p43）。V1四旋翼不支持失一容错。单个电调反馈丢失或转速异常V1：告警+立即降落；V2：降级飞行+告警+建议降落P0(V2)模拟故障飞行测试
FC-S-003[V2-未来版本] 电机失效降级飞行（失二）：两个非相邻电机失效时，飞控应尽量维持可控飞行；两个相邻电机失效导致不可控时，应立即关闭所有电机减少伤害（参考T100手册p43）。V1四旋翼不适用。多个电调反馈丢失V2：失二可控→降级降落；失二不可控→关闭电机P0(V2)模拟故障测试
FC-S-004地理围栏（GEO）：飞控应执行地理围栏限制——禁飞区自动降落、限高区限制高度、授权区需解锁（参考T100手册p32-33）飞行器进入/接近限制区域按区域类型执行对应限制P0GEO系统联调
FC-S-005最低电量强制返航：普通低电量阈值触发时，App告警并建议返航，用户可选择继续飞行电池SOC降至普通低电量阈值告警+可选返航P0电量模拟测试
FC-S-006最低电量强制降落：严重低电量阈值触发时，强制原地降落，用户不可取消（参考T100手册p40/43）电池SOC降至严重低电量阈值强制降落，不可取消P0电量模拟测试
FC-S-007失控返航：遥控器信号丢失超3秒后，自动执行预设动作（返航/降落/悬停），默认返航（参考T100手册p40/43）遥控器MAVLink心跳超时>3s执行预设失控保护动作P0信号屏蔽测试
FC-S-008定位丢失处理：RTK丢失时自动切换GNSS；GNSS也不可用时切换姿态模式并提示用户谨慎飞行（参考T100手册p43）RTK/GNSS信号丢失逐级降级定位源+告警P0信号屏蔽测试
FC-S-009过热保护：电池严重过热告警时，App提示并建议立即降落或返航（参考T100手册p43）电池温度超过过热阈值告警+建议降落P0温度模拟测试
FC-S-010高度和距离限制：飞控应执行App中设置的最大飞行高度（默认30m）和最远飞行距离（默认2000m），到达限制时自动刹停（参考T100手册p33）飞行高度/距离达到限制值刹停/无法继续飞行P0飞行测试
FC-S-011返航高度安全：返航时飞行器高度低于设定返航高度时先爬升，高于时以当前高度返航（参考T100手册p40）触发返航按规则调整返航高度P0返航测试
FC-S-012降落保护：到达返航点上方后下降至3m悬停，等待用户确认后降落（参考T100手册p40）返航到达返航点上方3m悬停等待确认P1返航降落测试

6. 合规需求 ​

编号法规/标准需求描述优先级认证周期预估
FC-C-001国务院令第761号飞控系统在设计上应确保整机最大起飞重量可控≤150kg，飞控应支持起飞前载荷预检和超重告警P0（硬性）—
FC-C-002GB/T 43071-2023飞控相关的安全功能（失控保护、低电量保护、地理围栏）应满足国标技术要求P0—
FC-C-003飞行数据记录飞控应完整记录飞行数据（轨迹、时间、速度、高度、作业参数），支持监管检查和事后追溯P0—
FC-C-004实名登记支持飞控应存储飞行器唯一序列号，支持通过民航局系统完成实名登记（参考T100手册p3）P0—

7. 接口需求 ​

接口编号对端子系统接口类型通信协议详细定义文档
FC-I-001电调系统（ESC×4，V2扩展×8）CAN总线（有线）自定义CAN协议ICD-01-V0.1
FC-I-002遥控器系统（RC）直连数据链（AR8131）MAVLinkICD-02-V0.1
FC-I-003导航定位系统（NAV）UART串口（有线）MAVLink / NMEAICD-03-V0.1
FC-I-004避障系统（OA）UART/CAN（有线）自定义协议ICD-04-V0.1
FC-I-005喷洒系统（SP）UART/CAN（有线）自定义协议ICD-05-V0.1
FC-I-006操控App（远程4G）4G LTE网络MAVLink over 4GICD-07-V0.1
FC-I-007动力电池（PS）电池通信接口（SMBus/I2C/自定义）电池协议ICD-08-V0.1
FC-I-008DJI Assistant 2 / USB调试USB Type-C（有线）USB CDC / MAVLink—

8. 约束与假设 ​

8.1 设计约束 ​

  • 硬件约束：飞控硬件已自研完成，软件需求需与已有硬件能力对齐。硬件变更需走变更评审流程。
  • 软件约束：基于PX4（NuttX RTOS）开发，自研模块应遵循PX4模块架构规范（uORB消息机制）。PX4版本应锁定主线稳定版，避免频繁跟随上游更新。
  • 成本约束：飞控主板BOM成本应控制在合理范围内（具体目标待与硬件团队确认）。
  • 重量约束：飞控模块（含所有板载传感器和连接器）重量应≤200g，以配合整机≤150kg的硬性约束。

8.2 假设条件 ​

  • 假设遥控器与飞行器之间的通信链路由遥控器子系统负责，飞控仅处理已解码的MAVLink数据。
  • 假设导航定位模块直接输出高精度位置数据，飞控不负责RTK差分解算。
  • 假设避障系统输出的是经过融合处理的障碍物距离数据，飞控不参与传感器原始数据处理。
  • 假设电池BMS直接输出SOC/电压/温度等状态数据，飞控不负责电池状态估算。
  • 假设App已完成航线规划和参数设定，飞控只负责接收和执行。

9. 验收标准 ​

9.1 种子用户版（V1.0，10月交付）必须通过项 ​

测试项通过标准对应需求编号
基本飞行控制起飞/悬停/降落/航向控制正常，无异常抖动FC-F-030~037, FC-F-053~056
RTK定位悬停RTK开启后悬停精度水平±10cmFC-P-005
大田航线作业自动航线飞行+喷洒完成，航迹偏差≤0.5mFC-F-061/066~068
AB点作业AB点航线生成+自动飞行喷洒正常FC-F-062/066~068
手动作业遥控器操控+手动喷洒正常FC-F-063/083
断点续喷断点记录→恢复飞行→断点坐标偏差≤0.5mFC-F-071~075
低电量返航普通低电量告警+严重低电量强制降落FC-S-005/006
失控返航信号丢失3秒内触发返航FC-S-007
避障刹停正面障碍物自动刹停，距离≥1mFC-F-096
紧急停机急停按键组合→电机立即停止FC-F-056, FC-P-010
传感器冗余单IMU故障自动切换，飞行不中断FC-S-001
电机失效降级单电机失效时可控降落FC-S-002
安全状态机四级状态转换正确，响应动作正确FC-F-110~115
飞行日志日志完整记录+可导出FC-F-042~046

9.2 应当通过项 ​

测试项通过标准对应需求编号
果树航线作业三维航线执行基本可用FC-F-064
多地块连续作业多地块自动顺序执行FC-F-069
智能断点续航最优返回路径计算正确FC-F-074
地形跟随仿地飞行高度误差≤±0.3mFC-F-090~094
返航避障返航路径上自动绕行FC-F-098
降落保护3m悬停等待确认后降落FC-S-012

9.3 可延后项 ​

测试项计划版本对应需求编号
航测模式飞行支持V1.5—
多机协同任务管理V1.5—
处方图变量喷洒控制逻辑V1.5—
高海拔（4500m）飞行验证V1.5—

10. 待决事项 (TBD) ​

编号事项描述责任人期望决定日期影响范围
TBD-FC-001飞控主控芯片具体型号确认（目前已选型完成，需文档对齐）硬件工程师2025-05FC-F-001~004
TBD-FC-0024旋翼布局混控矩阵参数需通过飞行测试确定（V2升级8旋翼Y型布局时需重新标定）飞控工程师2025-06FC-F-031/033
TBD-FC-003普通低电量/严重低电量/极低电量的SOC阈值需确定系统工程师2025-05FC-S-005/006, FC-F-113
TBD-FC-004避障系统与飞控之间的具体协议格式待定义（依赖避障子系统选型）避障/飞控工程师2025-06FC-F-095~101, ICD-04
TBD-FC-005喷洒控制的速度-流量联动算法具体实现方案待确定飞控/喷洒工程师2025-06FC-F-081/082
TBD-FC-006电池BMS通信协议待确定（依赖电池供应商选型）电池/飞控工程师2025-05FC-I-007
TBD-FC-007失控保护预设动作的默认值和用户可配置范围待确定产品经理2025-05FC-S-007
TBD-FC-008飞控主板BOM成本目标待确认硬件/采购2025-058.1设计约束

附录 ​

附录A：需求追溯矩阵 ​

子系统需求编号系统级需求来源验证方式验证状态
FC-F-001~004PX4架构要求固件运行验证未验证
FC-F-005~008FC安全冗余要求传感器测试未验证
FC-F-030~033SYS-F-004/005飞行测试未验证
FC-F-034~037SYS-F-003/005, SYS-P-022飞行测试未验证
FC-F-038~041SYS-P-020~022, SYS-S-006状态估计测试未验证
FC-F-050~056SYS-F-001~007飞行测试未验证
FC-F-060~065SYS-F-010~015航线/任务测试未验证
FC-F-066~070SYS-F-010~016, SYS-P-022航线执行测试未验证
FC-F-071~075SYS-F-015/017断点续喷测试未验证
FC-F-080~088SYS-F-018, SYS-P-030~033, SYS-S-012~014喷洒控制测试未验证
FC-F-090~094SYS-F-026仿地飞行测试未验证
FC-F-095~101SYS-F-025/027避障测试未验证
FC-F-110~115SYS-S-001~007安全状态机测试未验证
FC-S-001~012SYS-S-001~007, SYS-F-020~028安全测试未验证
FC-C-001~004SYS-C-001~004合规审查未验证

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