感知融合子系统 产品需求文档
| 字段 | 内容 |
|---|---|
| 文档编号 | SUB-PF-V0.1 |
| 版本 | V0.1 |
| 状态 | 草稿 |
| 作者 | 产品团队 |
| 日期 | 2026-04-17 |
| 审核人 | [待定] |
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(Perception Fusion, PF)的产品需求,涵盖多源传感器数据融合、位置/速度/高度估计、仿地高程图构建及与飞控EKF2的接口,作为感知融合子系统设计、开发、测试的依据。
1.2 适用范围
- 适用产品型号:XX 农业无人机(内部代号待定)
- 适用版本:V1.0 种子用户版
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-FC-V0.1 | 飞控系统PRD | PF输出观测量至飞控EKF2 |
| SUB-NAV-V0.1 | 导航定位系统PRD | GNSS/RTK数据与PF输出共同输入EKF2 |
| SUB-OA-V0.1 | 避障系统PRD | PF提供深度图/点云,OA负责避障决策 |
| ICD-04-V0.1 | 飞控与避障系统接口 | PF→OA感知数据通路参考 |
| ICD-09-V0.1 | 感知融合与飞控接口 | PF↔FC接口协议定义 |
1.4 术语定义
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| PF | Perception Fusion,感知融合子系统 |
| VIO | Visual-Inertial Odometry,视觉惯导里程计,融合视觉与IMU数据估计相对位姿 |
| EKF2 | Extended Kalman Filter 2,飞控中的扩展卡尔曼滤波器,用于最终状态估计 |
| LiDAR | Light Detection and Ranging,激光雷达 |
| AESA | Active Electronically Scanned Array,有源相控阵雷达 |
| FOV | Field of View,视场角 |
| 6DoF | Six Degrees of Freedom,六自由度(3轴平移+3轴旋转) |
| 辅助观测量 | PF输出给飞控EKF2的位置/速度估计,与GNSS/IMU数据一起参与状态估计 |
| 仿地高程图 | 基于传感器扫描构建的局部地形高度地图,用于仿地飞行控制 |
| 协方差 | 估计值的不确定性度量,供飞控评估PF输出的可信度 |
2. 系统描述
2.1 子系统职责
感知融合子系统负责管理视觉、激光、雷达类传感器,运行独立的融合估计器,输出位置/速度/高度估计作为辅助观测量送入飞控EKF2,同时为避障系统提供深度图和点云数据。
关键原则:
- PF是独立计算单元,运行自己的融合算法,不依赖飞控的控制算法
- PF的输出同时服务于:①飞控EKF2(导航增强/GNSS降级备份)②避障系统(环境感知数据)
- PF不负责GNSS/RTK链路(由SUB-NAV承担),也不负责避障决策(由SUB-OA承担)
2.2 系统边界
┌─────────────────────────────────┐
[四目鱼眼视觉] ────→ │ │ 融合位置/速度/高度(辅助观测量)
[激光雷达] ────→ │ 感知融合子系统(PF) │ ─────────────────────→ [飞控EKF2]
[前向相控阵雷达] ──→ │ │
[下视相控阵雷达] ──→ │ · 多源传感器管理 │ 深度图/点云
[后视相控阵雷达] ──→ │ · 融合估计器 │ ─────────────────────→ [避障系统]
│ · 仿地高程图构建 │
[飞控GPS/IMU参考] ──→ │ │ 系统状态/置信度
└─────────────────────────────────┘ ─────────────────────→ [飞控/App]输入:
- 传感器原始数据:四目鱼眼图像、激光雷达点云、相控阵雷达距离/速度数据
- 飞控参考数据:GPS位置/速度、IMU加速度/角速度、飞行模式状态
输出:
- 飞控方向:融合后的位置/速度/高度估计(辅助观测量)+ 协方差 + 系统状态
- 避障方向:深度图、障碍物点云
- 仿地方向:地面高度精确值、局部地形高程图
2.3 工作环境
- 工作温度:-10°C ~ 50°C
- 存储温度:-20°C ~ 60°C
- 湿度:≤95% RH(无凝结)
- 防护等级:计算单元≥IP56,传感器模块≥IP67
- 特殊环境因素:
- 振动:飞行器电机振动,传感器需防振安装
- 农药喷雾:视觉传感器表面可能附着雾滴,需检测遮挡并降级
- 粉尘:田间作业扬尘影响光学传感器
- 强光/低光:农田作业覆盖清晨到傍晚,视觉系统需适应宽动态范围
3. 功能需求
3.1 传感器硬件配置(PF-F-1xx)
T100参考规格(来源:ag.dji.com/t100/specs,2025.09):
| 传感器 | FOV | 功耗 | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| 四目鱼眼视觉系统 | 水平360°,垂直180° | — | 全向视觉感知/VIO基础 |
| 激光雷达 | 垂直272°,水平60° | 6.5W | 精确测距+局部地图 |
| 前向有源相控阵雷达 | 水平360°,垂直±45° | 18W | 全向障碍物检测 |
| 下视有源相控阵雷达 | 左右±12.5°,前后±22.5° | 5W | 仿地定高 |
| 后视有源相控阵雷达 | 左右±45°,前后±45° | 5W | 后向障碍物检测 |
| FPV摄像头 | 水平±86°,垂直108° | — | 图传+前向视觉(非PF管辖) |
注:T100无独立光流传感器、无ToF。仿地靠下视相控阵雷达,VIO视觉来源为四目鱼眼。
3.1.1 四目鱼眼视觉系统
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-101 | 系统应配备四目鱼眼视觉系统,水平FOV覆盖360°,垂直FOV覆盖180°,实现全向视觉感知 | P0 | 实物检查+FOV测试 | T100参考规格 |
| PF-F-102 | 四目鱼眼图像帧率应≥30fps,满足VIO视觉里程计最低帧率要求 | P0 | 帧率测试 | VIO算法要求 |
| PF-F-103 | 四目鱼眼与飞控IMU应实现硬件时间同步,时间戳精度≤1ms | P0 | 同步精度测试 | VIO算法要求 |
| PF-F-104 | 各目相机应提供完整的内参/外参标定数据,包括鱼眼-IMU外参 | P0 | 标定精度验证 | VIO算法要求 |
| PF-F-105 | 相机应支持鱼眼畸变模型(等距投影或KB模型),VIO算法需适配鱼眼镜头(如VINS-Fisheye模型) | P0 | 算法精度测试 | 鱼眼镜头特性 |
| PF-F-106 | 相机动态范围应≥100dB(HDR),适应农田强光(正午)到低光(傍晚/树荫)场景 | P1 | 不同光照条件测试 | 作业环境要求 |
3.1.2 激光雷达 [TBD-V1.0是否配置需讨论]
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-111 | [TBD-需讨论] 若V1.0配置激光雷达,应参考T100规格:垂直FOV 272°,水平FOV 60°,功耗≤6.5W | P1 | 实物检查+FOV测试 | T100参考规格 |
| PF-F-112 | 激光雷达测距精度应≤±3cm(10m范围内),支持高精度局部地图构建 | P1 | 测距精度测试 | 地图构建精度要求 |
| PF-F-113 | 激光雷达应具备≥100m最大探测距离 | P1 | 探测距离测试 | T100参考 |
| PF-F-114 | 激光雷达输出应与PF时间基准同步,时间戳精度≤1ms | P1 | 同步精度测试 | 融合算法要求 |
V1.0决策依据:激光雷达单价约3000-8000元,重量约200-500g。若V1.0不配置,仿地和里程计退化为仅靠雷达+视觉,精度下降但可工作。建议在种子用户版评估成本效益后决定。
3.1.3 有源相控阵雷达
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-121 | 下视有源相控阵雷达FOV应覆盖左右±12.5°、前后±22.5°,功耗≤5W,用于仿地高度测量 | P0 | FOV+功耗测试 | T100参考规格 |
| PF-F-122 | 下视雷达测高精度应≤±10cm(2m~30m高度范围) | P0 | 测高精度测试 | 仿地飞行精度要求 |
| PF-F-123 | 下视雷达应支持多普勒测速功能(若硬件支持),提供低空地面速度估计,可替代光流传感器 | P1 | 多普勒测速精度测试 | 速度估计冗余 |
| PF-F-124 | 前向有源相控阵雷达应覆盖水平360°、垂直±45°,功耗≤18W,主要服务避障系统,辅助提供速度估计 | P0 | FOV+功耗测试 | T100参考规格 |
| PF-F-125 | 后视有源相控阵雷达应覆盖左右±45°、前后±45°,功耗≤5W | P0 | FOV+功耗测试 | T100参考规格 |
| PF-F-126 | 所有雷达数据应与PF时间基准同步,时间戳精度≤1ms | P0 | 同步精度测试 | 融合算法要求 |
3.1.4 光流传感器 [V1.5规划]
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-131 | V1.0不配置独立光流传感器(与T100策略对齐:无独立光流,仿地靠下视相控阵雷达) | — | 设计审查 | T100参考 |
| PF-F-132 | 若下视相控阵雷达不支持多普勒测速,V1.5应评估增配光流传感器的必要性 | P2 | 选型评审 | 速度估计冗余 |
3.1.5 IMU数据来源
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-141 | [TBD-需与飞控团队确认] PF使用飞控IMU数据(通过接口获取)还是配备独立IMU | P0 | 接口/硬件审查 | 架构决策 |
| PF-F-142 | 若使用飞控IMU:飞控应以≥200Hz频率向PF输出IMU原始数据(加速度+角速度),延迟≤5ms | P0 | 接口延迟测试 | VIO算法要求 |
| PF-F-143 | 若配备独立IMU:采样率应≥400Hz,需与四目鱼眼实现硬件时间同步 | P0 | 采样率+同步测试 | VIO算法要求 |
3.2 感知融合估计器(PF-F-2xx)
3.2.1 VIO视觉惯导里程计 [V1.5规划,V1.0不实现]
V1.0策略:与T100对齐——农田场景GPS可用概率高,GPS失效时切换姿态模式(飞手接管),V1.0不实现VIO自主导航。VIO列入V1.5规划,为未来GNSS拒止场景(树林、高压线下)提供能力储备。
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-201 | [V1.5] VIO应基于四目鱼眼+IMU实现6DoF相对位姿估计 | P2 | 精度测试 | GNSS降级备份 |
| PF-F-202 | [V1.5] VIO算法框架选型 [TBD-需讨论]:候选方案包括VINS-Mono/OpenVINS/MSCKF/ORB-SLAM3,需支持鱼眼模型 | P2 | 算法评估 | 架构决策 |
| PF-F-203 | [V1.5] VIO位置漂移应≤1%飞行距离(GNSS拒止,100m内飞行) | P2 | GNSS拒止测试 | 导航精度要求 |
| PF-F-204 | [V1.5] VIO激活条件:GNSS信号质量低于阈值(如卫星数<6或HDOP>5)时自动激活 | P2 | GNSS遮蔽测试 | 降级策略 |
| PF-F-205 | [V1.5] GNSS→VIO切换应在≤500ms内完成,无位置跳变 | P2 | 切换平滑性测试 | 导航连续性 |
3.2.2 激光里程计 [依赖LiDAR选型]
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-211 | 若配置激光雷达,应运行激光里程计算法,输出高精度6DoF位姿增量 | P1 | 位姿精度测试 | LiDAR能力利用 |
| PF-F-212 | 激光里程计算法框架选型 [TBD-需讨论]:候选LOAM/LIO-SAM/FAST-LIO | P1 | 算法评估 | 架构决策 |
| PF-F-213 | 激光里程计输入应为LiDAR点云+IMU数据 | P1 | 数据流验证 | 算法要求 |
3.2.3 雷达测速与测高
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-221 | V1.0应基于下视相控阵雷达实现精确对地高度测量,精度≤±10cm(2m~30m) | P0 | 测高精度测试 | 仿地飞行要求 |
| PF-F-222 | 若下视雷达支持多普勒测速,应提取地面速度估计(X/Y/Z三轴),作为融合估计器的速度观测量 | P1 | 多普勒测速精度测试 | 速度估计冗余 |
| PF-F-223 | 前向/后视雷达的速度估计数据应可选输入融合估计器,用于辅助速度校验 | P2 | 数据流验证 | 速度估计冗余 |
3.2.4 多源融合滤波器
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-231 | PF应运行独立的多源融合滤波器,融合所有可用观测源输出统一的位置/速度/高度估计 | P0 | 融合精度测试 | 核心功能 |
| PF-F-232 | V1.0最低融合源:下视雷达高度 + GPS参考位置 + IMU数据;V1.5增加VIO/激光里程计 | P0 | 源切换测试 | 版本策略 |
| PF-F-233 | 融合滤波器框架选型 [TBD-需讨论]:候选扩展卡尔曼滤波(EKF)/图优化,需评估计算开销 | P0 | 算法评估 | 架构决策 |
| PF-F-234 | 融合输出频率应≥50Hz,与飞控EKF2的辅助观测量接收频率匹配 | P0 | 输出频率测试 | FC-F-041参考 |
| PF-F-235 | 融合输出应包含协方差矩阵(至少位置/速度各3轴),供飞控EKF2评估PF输出的可信度并调整融合权重 | P0 | 协方差输出验证 | EKF2融合要求 |
| PF-F-236 | 融合滤波器应支持传感器源动态增减:某传感器故障时自动剔除,恢复后自动纳入 | P0 | 故障注入测试 | 鲁棒性要求 |
3.3 仿地高程图(PF-F-3xx)
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-301 | PF应基于下视相控阵雷达(及激光雷达,若配置)构建局部地形高程图,用于仿地飞行控制 | P0 | 高程图精度测试 | SYS-F-026 |
| PF-F-302 | 高程图分辨率应≤0.5m×0.5m(水平),高度分辨率≤5cm | P0 | 分辨率验证 | 仿地精度要求 |
| PF-F-303 | 高程图覆盖范围应至少覆盖飞行器前方≥20m,左右各≥10m(满足航线规划预瞄需求) | P0 | 覆盖范围测试 | 航线作业要求 |
| PF-F-304 | 高程图更新频率应≥5Hz,保证飞行器在最大飞行速度(13.8m/s)下地形数据不过时 | P0 | 更新率测试 | 飞行速度要求 |
| PF-F-305 | 高程图应包含地形置信度信息,对未扫描区域或数据稀疏区域标注低置信度 | P1 | 置信度输出验证 | 安全性要求 |
| PF-F-306 | 系统应具备地形陡变检测功能:当前方地形坡度超过阈值(如>30°)时,向飞控发送告警 | P0 | 地形陡变模拟测试 | SYS-S安全要求 |
| PF-F-307 | 高程图数据应按需推送给飞控,支持飞控的仿地控制模块直接消费 | P0 | 接口数据流验证 | FC仿地控制需求 |
3.4 与飞控的接口(PF-F-4xx)
从飞控接收(参考输入)
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-401 | PF应从飞控接收GPS位置/速度数据,作为融合估计器的绝对参考 | P0 | 接口数据流验证 | 融合算法要求 |
| PF-F-402 | PF应从飞控接收IMU原始数据(加速度+角速度),用于VIO惯导积分(若PF无独立IMU) | P0 | 接口数据流验证 | PF-F-141/142 |
| PF-F-403 | PF应从飞控接收当前飞行模式状态,用于动态调整融合策略(如仿地模式下提高高度估计权重) | P1 | 模式切换测试 | 融合策略需求 |
| PF-F-404 | 飞控向PF的数据更新频率:IMU≥200Hz,GPS≥10Hz,飞行模式≥1Hz | P0 | 频率测试 | 融合算法要求 |
向飞控输出(辅助观测量)
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-411 | PF应向飞控EKF2输出融合后的位置增量/速度估计,作为辅助观测量参与状态估计 | P0 | EKF2融合验证 | 核心功能 |
| PF-F-412 | PF应向飞控输出精确地面高度(对地AGL),用于仿地飞行高度控制 | P0 | 仿地精度测试 | SYS-F-026 |
| PF-F-413 | PF应向飞控输出地形高程图数据,用于仿地控制模块的预瞄规划 | P0 | 数据格式验证 | PF-F-307 |
| PF-F-414 | PF应向飞控输出系统状态码:正常/降级/故障,飞控据此调整PF观测量的置信权重 | P0 | 状态码切换测试 | 安全要求 |
| PF-F-415 | PF向飞控的辅助观测量输出频率应≥50Hz;地形高程图按需推送(≥5Hz) | P0 | 频率测试 | PF-F-234/304 |
| PF-F-416 | PF输出应附带协方差矩阵,飞控EKF2据此与GNSS/IMU数据动态加权融合 | P0 | 协方差验证 | PF-F-235 |
接口通路
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-421 | PF↔飞控的接口类型 [TBD]:参考ICD-04(飞控↔避障)定义的接口风格,评估是否合并至ICD-04或新建ICD-09 | P0 | 接口设计审查 | 架构决策 |
| PF-F-422 | 物理连接方式 [TBD-依赖计算平台选型]:候选Ethernet/CAN/UART,需满足50Hz高频数据传输带宽要求 | P0 | 带宽测试 | PF-F-415 |
3.5 与避障系统的接口(PF-F-5xx)
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-501 | PF应向避障系统(SUB-OA)输出深度图(基于四目鱼眼立体匹配和/或LiDAR生成) | P0 | 深度图质量测试 | SUB-OA避障输入 |
| PF-F-502 | PF应向避障系统输出障碍物点云数据(LiDAR点云和/或雷达检测点) | P0 | 点云完整性测试 | SUB-OA避障输入 |
| PF-F-503 | PF→OA的接口应与ICD-04保持兼容:PF负责感知数据生成,OA负责避障决策 | P0 | 接口兼容性审查 | ICD-04 |
| PF-F-504 | 深度图输出频率应≥10Hz,点云输出频率应≥10Hz | P0 | 频率测试 | OA避障响应时间要求 |
| PF-F-505 | PF应标注各传感器数据的置信度/有效性标志,OA据此选择性使用 | P1 | 置信度标注验证 | 鲁棒性要求 |
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 |
|---|---|---|---|---|---|
| PF-P-001 | 融合输出频率 | ≥50Hz | — | P0 | 输出频率测试 |
| PF-P-002 | 地面高度精度(AGL) | ≤±10cm(2m~30m) | — | P0 | 多高度对比测试 |
| PF-P-003 | 系统端到端延迟(传感器采集→融合输出) | ≤50ms | — | P0 | 时间戳差值测量 |
| PF-P-004 | VIO位置漂移 [V1.5] | ≤1%飞行距离(GNSS拒止,100m内) | — | P2 | GNSS拒止对比测试 |
| PF-P-005 | GNSS降级切换时间 [V1.5] | ≤500ms(RTK→VIO无跳变) | — | P2 | 切换平滑性测试 |
| PF-P-006 | 高程图更新频率 | ≥5Hz | — | P0 | 更新率测量 |
| PF-P-007 | 深度图/点云输出频率 | ≥10Hz | — | P0 | 输出频率测试 |
| PF-P-008 | 传感器功耗总预算(PF管辖) | ≤35W(含雷达+LiDAR,不含计算板) | T100雷达合计约28W | P0 | 功耗测试 |
| PF-P-009 | 计算板功耗 | ≤15W [TBD-依赖平台选型] | — | P1 | 功耗测试 |
| PF-P-010 | 工作温度范围 | -10°C ~ 50°C | T100: -20°C~45°C | P0 | 高低温测试 |
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 |
|---|---|---|---|---|---|
| PF-S-001 | PF系统完全故障时,飞控应切回纯GNSS/IMU状态估计,告警但不停机 | PF系统状态=故障 | 飞控降低PF权重至0,App告警,允许继续飞行 | P0 | 故障注入测试 |
| PF-S-002 | 视觉传感器遮挡检测:四目鱼眼被农药雾滴/泥污遮挡时,PF应自动检测并将视觉相关输出置信度清零 | 图像质量评分低于阈值(如模糊度/遮挡率) | 视觉输出置信度→0,降级为仅雷达模式,告警 | P0 | 遮挡模拟测试 |
| PF-S-003 | PF输出异常检测:PF融合位置与GNSS位置偏差超过阈值(如>5m)时,PF应自动将自身协方差放大,通知飞控降低权重 | 位置偏差超过动态阈值 | PF协方差放大→飞控自动降权,App告警 | P0 | 位置偏差注入测试 |
| PF-S-004 | 单传感器故障隔离:任一传感器(LiDAR/雷达/相机)故障时,PF应自动剔除该源并继续运行降级模式 | 传感器数据中断>500ms或数据异常 | 剔除故障源,告警,继续降级输出 | P0 | 逐传感器故障注入 |
| PF-S-005 | 下视雷达故障时,仿地高度数据应标注为不可用,飞控切换至气压定高模式 | 下视雷达数据中断>500ms | 仿地高度置信度→0,飞控切换气压定高,App告警 | P0 | 故障注入测试 |
| PF-S-006 | PF启动自检:上电后PF应对所有传感器进行健康检查,不通过的传感器标注为不可用 | 系统上电/重启 | 输出传感器健康状态表,故障传感器告警 | P0 | 上电测试 |
6. 合规需求
| 编号 | 法规/标准 | 需求描述 | 优先级 | 认证周期预估 |
|---|---|---|---|---|
| PF-C-001 | 无线电管理规定 | 有源相控阵雷达工作频率和发射功率应符合当地无线电管制及法律规定(同SUB-OA OA-C-002) | P0 | 需确认频段合规 |
| PF-C-002 | EMC标准 | PF计算单元和传感器的电磁辐射不应干扰飞控、导航、通信等其他子系统 | P0 | EMC测试周期约1-2个月 |
| PF-C-003 | 激光安全标准 | 若配置激光雷达,应符合IEC 60825-1 Class 1激光安全等级,确保对人眼无害 | P0 | 激光安全认证 |
7. 接口需求
| 接口编号 | 对端子系统 | 接口类型 | 数据方向 | 详细定义文档 |
|---|---|---|---|---|
| PF-I-001 | 飞控系统(SUB-FC) | 数据接口 [TBD: Ethernet/CAN/UART] | PF→FC:辅助观测量/高度/高程图/状态 | ICD-09 |
| PF-I-002 | 飞控系统(SUB-FC) | 数据接口 | FC→PF:GPS/IMU/飞行模式 | ICD-09 |
| PF-I-003 | 避障系统(SUB-OA) | 数据接口 | PF→OA:深度图/点云/置信度 | ICD-04 |
| PF-I-004 | 传感器硬件 | 物理接口 | 传感器→PF:原始数据 | 硬件设计文档 |
ICD决策说明:PF与飞控的接口可能合并至ICD-04(飞控↔避障接口),也可能新建ICD-09(感知融合与飞控接口)。建议在本文档评审后,对比ICD-04现有接口定义后决定。
8. 计算平台需求
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-801 | [TBD-需讨论] PF应运行在独立计算平台还是复用飞控主控算力 | P0 | 架构评审 | 架构决策 |
方案对比:
| 维度 | 方案A:独立边缘计算板 | 方案B:飞控主控兼顾 |
|---|---|---|
| 候选平台 | Jetson Orin NX / RK3588级别 | STM32H7 + 算法裁剪 |
| 算力 | GPU加速,可运行VIO/LiDAR-SLAM等复杂算法 | 有限,仅能运行轻量级滤波 |
| 功耗 | 10-15W(计算板本身) | 增量功耗<2W |
| 重量 | 约50-150g(含散热) | 无额外重量 |
| 物理接口 | Ethernet/USB3.0连接飞控 | 内部总线直连 |
| V1.0适用性 | 适合:V1.0以雷达测高+基础融合为主,但为V1.5 VIO预留算力 | 适合:V1.0功能简单时可行,但V1.5升级需更换硬件 |
| 成本 | 约500-2000元 | 无额外成本 |
| 开发复杂度 | 需独立OS+通信协议 | 与飞控共享固件,耦合风险 |
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|
| PF-F-802 | PF计算平台功耗预算应≤15W(不含传感器) | P0 | 功耗测试 | 整机功耗约束 |
| PF-F-803 | PF计算平台与飞控的物理连接 [TBD]:候选Ethernet(高带宽,推荐)/PCIe/USB3.0 | P0 | 接口带宽测试 | 数据量要求 |
| PF-F-804 | PF计算平台重量应≤200g(含散热结构),以控制整机重量 | P1 | 称重 | 整机重量约束 |
9. 约束与假设
9.1 设计约束
- 硬件约束:PF模块(含传感器+计算板)总重量应≤2kg,总功耗应≤50W,以配合整机重量和电池续航约束
- 软件约束:V1.0融合算法应可在选定计算平台上实时运行(50Hz输出),不依赖云端计算
- 成本约束:PF传感器+计算板的BOM成本目标 [TBD-需与产品经理确认]
- 构型约束:当前为四旋翼构型(参见项目总纲),传感器安装位置需适配四旋翼机架
9.2 假设条件
- 飞控系统(SUB-FC)能够以≥200Hz频率向PF输出IMU数据,以≥10Hz输出GPS数据
- 飞控EKF2支持接收外部辅助观测量并动态调整融合权重(PX4 EKF2已支持此功能)
- V1.0种子用户测试主要在开阔农田进行,GNSS可用概率高,VIO不是V1.0必需功能
- 避障系统(SUB-OA)能够消费PF输出的深度图和点云数据格式
- 传感器硬件选型将在PRD评审后启动,本文档中的规格为目标要求,实际可能根据选型结果调整
10. 验收标准
10.1 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 |
|---|---|---|
| 下视雷达仿地测高 | 2m~30m范围内精度≤±10cm | PF-F-121/122, PF-P-002 |
| 融合输出频率 | ≥50Hz稳定输出 | PF-P-001 |
| 系统端到端延迟 | ≤50ms | PF-P-003 |
| 飞控EKF2集成 | PF辅助观测量被飞控EKF2正确接收和融合 | PF-F-411/416 |
| 深度图/点云输出 | 避障系统可正常接收和使用PF输出的感知数据 | PF-F-501/502 |
| 地形陡变告警 | 前方地形坡度>30°时正确触发告警 | PF-F-306 |
| PF故障降级 | PF故障时飞控平滑切回纯GNSS/IMU,无坠机风险 | PF-S-001 |
| 传感器遮挡检测 | 视觉遮挡时自动降级为仅雷达模式 | PF-S-002 |
| 启动自检 | 上电后所有传感器健康状态正确报告 | PF-S-006 |
10.2 应当通过项
| 测试项 | 通过标准 | 对应需求编号 |
|---|---|---|
| 高程图精度 | 分辨率≤0.5m×0.5m,覆盖前方≥20m | PF-F-302/303 |
| 多普勒测速 | 若雷达支持,速度估计精度≤±0.5m/s | PF-F-123 |
| 单传感器故障隔离 | 逐传感器断开后系统继续降级运行 | PF-S-004 |
| EMC合规 | 不干扰飞控/导航/通信 | PF-C-002 |
10.3 可延后项
| 测试项 | 计划版本 | 对应需求编号 |
|---|---|---|
| VIO视觉惯导里程计 | V1.5 | PF-F-201~205 |
| GNSS→VIO无缝切换 | V1.5 | PF-P-005 |
| 激光里程计 | V1.5(依赖LiDAR选型) | PF-F-211~213 |
| 光流传感器集成 | V1.5 | PF-F-132 |
11. 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-001 | V1.0是否配置激光雷达(成本3000-8000元,重量200-500g) | 产品经理+系统架构师 | PRD评审后 | PF-F-111~114, PF-F-211~213 |
| TBD-002 | PF计算平台选型:独立边缘计算板 vs 飞控主控兼顾 | 系统架构师+飞控团队 | PRD评审后 | PF-F-801~804, 整体架构 |
| TBD-003 | PF使用飞控IMU还是配备独立IMU | 飞控团队+PF团队 | 硬件选型前 | PF-F-141~143 |
| TBD-004 | 融合滤波器框架选型(EKF vs 图优化) | 算法团队 | 算法原型阶段 | PF-F-233 |
| TBD-005 | VIO算法框架选型(VINS/OpenVINS/MSCKF/ORB-SLAM3) | 算法团队 | V1.5规划阶段 | PF-F-202 |
| TBD-006 | 激光里程计算法选型(LOAM/LIO-SAM/FAST-LIO) | 算法团队 | 依赖TBD-001 | PF-F-212 |
| TBD-007 | PF↔飞控接口建议新建ICD-09(数据量/物理层/消息集均与ICD-04不兼容,详见ICD-09) | 系统架构师 | 本文档评审后 | PF-F-421, PF-I-001/002 |
| TBD-008 | 下视相控阵雷达是否支持多普勒测速 | 硬件选型团队 | 雷达选型后 | PF-F-123, PF-F-132 |
| TBD-009 | PF传感器+计算板BOM成本目标 | 产品经理 | PRD评审后 | 整体选型 |
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 |
|---|---|---|---|
| PF-F-101~106 | T100参考规格 | 传感器测试 | 未验证 |
| PF-F-121~126 | T100参考规格, SYS-F-026 | 传感器测试 | 未验证 |
| PF-F-231~236 | 核心功能 | 融合精度测试 | 未验证 |
| PF-F-301~307 | SYS-F-026 | 高程图测试 | 未验证 |
| PF-F-411~416 | FC-F-038~041 | EKF2集成测试 | 未验证 |
| PF-F-501~505 | SUB-OA避障输入 | 接口测试 | 未验证 |
| PF-S-001~006 | 安全要求 | 故障注入测试 | 未验证 |
