2. 划分飞控软件模块边界

任务定义

本案例针对eVTOL飞控软件，基于“高内聚、低耦合”原则完成模块划分，并定义模块间接口。目标产物为：一份模块划分清单（含职责边界）、一份接口定义表（含数据流方向与关键字段）、以及一份可编译的接口头文件（C语言），用于约束后续各模块的独立开发。

模块划分与职责边界

依据功能内聚原则，将飞控软件划分为六个模块，每个模块只处理单一领域职责，模块间通过显式接口通信，禁止跨模块直接访问内部数据。

模块名	职责边界（只做这些）	不负责（边界外）
传感器管理	IMU/GPS/气压计/磁力计数据采集、时间戳对齐、异常值剔除、工程单位转换	姿态解算、位置滤波
导航	姿态/位置/速度估计（融合滤波）、航向计算	原始传感器驱动、轨迹规划
控制	姿态环/速度环/位置环控制律计算，输出期望推力和力矩	舵机/电机PWM生成
执行机构管理	混控分配（力矩→各执行机构指令）、执行机构健康反馈、PWM/总线输出	控制律计算
任务管理	飞行模式状态机（手动/定高/悬停/返航）、任务调度与模式切换逻辑	具体控制算法
健康监测	模块心跳监控、传感器数据合理性检查、执行机构卡死/超限检测、故障上报与降级策略触发	故障后的具体控制重构

模块间接口定义

接口设计遵循以下耦合约束：单向数据流为主，避免循环依赖；控制模块只依赖导航输出的状态估计，不直接读取传感器；任务管理只向控制模块发送模式指令，不干预控制律内部参数。接口数据均通过结构体传递，定义于公共头文件 fc_interface.h 中。

接口头文件实现

以下头文件定义了模块间传递的核心数据结构。每个结构体对应一条接口数据流，字段命名与单位在注释中明确标注，避免歧义。

// fc_interface.h — eVTOL飞控模块间接口定义
#ifndef FC_INTERFACE_H
#define FC_INTERFACE_H

#include <stdint.h>

// 传感器管理 → 导航：经过校准和异常剔除后的传感器数据
typedef struct {
    uint32_t timestamp_ms;      // 数据采集时间（单调时钟）
    float accel_mps2[3];        // 加速度计，m/s²，机体坐标系
    float gyro_radps[3];        // 陀螺仪，rad/s，机体坐标系
    float mag_ut[3];            // 磁力计，μT，机体坐标系
    float baro_alt_m;           // 气压计高度，m
    float gps_lat_deg;          // 纬度，度（1e7缩放）
    float gps_lon_deg;          // 经度，度（1e7缩放）
    float gps_vel_mps[2];       // 水平速度（北/东），m/s
    uint8_t gps_fix_type;       // 0=无, 2=2D, 3=3D
    uint8_t sensor_status;      // 位0:IMU有效 位1:GPS有效 位2:气压计有效
} sensor_data_t;

// 导航 → 控制：融合后的状态估计
typedef struct {
    uint32_t timestamp_ms;
    float quat[4];              // 姿态四元数 [w,x,y,z]
    float ang_vel_radps[3];     // 角速度（机体）
    float pos_m[3];             // 位置 NED，m
    float vel_mps[3];           // 速度 NED，m/s
    float vel_body_mps[3];      // 速度（机体坐标系）
    uint8_t nav_mode;           // 0=无效, 1=AHRS, 2=GPS融合
    uint8_t nav_health;         // 0=正常, 1=降级, 2=无效
} nav_state_t;

// 任务管理 → 控制：飞行模式指令
typedef struct {
    uint32_t timestamp_ms;
    uint8_t flight_mode;        // 0=手动, 1=定高, 2=悬停, 3=返航
    float target_pos_m[3];      // 目标位置 NED（悬停/返航时有效）
    float target_yaw_rad;       // 目标偏航角
    uint8_t mode_ack_required;  // 1=需要控制模块回执
} mode_cmd_t;

// 控制 → 执行机构管理：期望力矩与推力
typedef struct {
    uint32_t timestamp_ms;
    float thrust_N;             // 总推力指令，N
    float torque_Nm[3];         // 机体轴力矩指令，Nm
    uint8_t ctrl_mode;          // 当前控制模式（与mode_cmd一致）
    uint8_t ctrl_health;        // 0=正常, 1=饱和, 2=无效
} actuator_cmd_t;

// 各模块 → 健康监测：心跳与状态（统一结构）
typedef struct {
    uint32_t timestamp_ms;
    uint8_t module_id;          // 0=传感器, 1=导航, 2=控制, 3=执行, 4=任务
    uint8_t status;             // 0=正常, 1=警告, 2=错误
    uint16_t exec_time_us;      // 最近周期执行耗时
    uint16_t loop_period_us;    // 模块运行周期
    uint8_t error_code;         // 模块自定义错误码
} module_health_t;

#endif // FC_INTERFACE_H

模块间调用关系约束

为保证低耦合，各模块只能调用下方接口函数（示意性声明，具体实现由各模块独立完成）：

// 模块间允许的函数调用（供架构评审使用）
// 传感器管理模块提供：
void sensor_mgmt_get_data(sensor_data_t *out);       // 导航模块调用

// 导航模块提供：
void nav_get_state(nav_state_t *out);                // 控制模块调用

// 任务管理模块提供：
void mission_get_mode_cmd(mode_cmd_t *out);          // 控制模块调用

// 控制模块提供：
void ctrl_get_actuator_cmd(actuator_cmd_t *out);     // 执行机构管理调用

// 健康监测模块提供：
void health_monitor_report(module_health_t *report); // 所有模块周期调用

落地与验证方法

落地步骤：

新建 fc_interface.h，将上述头文件内容完整保存。
各模块开发时 #include "fc_interface.h"，只通过结构体指针接收输入、通过函数接口输出结果。
在代码评审中，对照模块划分表检查：传感器管理是否只输出 sensor_data_t；控制模块是否只读取 nav_state_t 和 mode_cmd_t，不直接访问传感器结构体。

验证方法与判定标准：

编译验证：编写一个空测试文件 #include "fc_interface.h"，用 gcc -fsyntax-only fc_interface.h 编译，无报错即通过类型定义检查。
耦合规则检查：在代码评审中逐文件核对 include 关系——导航模块不得 include 执行机构管理头文件，控制模块不得 include 传感器驱动头文件。若出现反向依赖，判定架构违规。
数据流完整性测试：编写桩函数模拟传感器数据输入，调用 sensor_mgmt_get_data() 后检查输出结构体字段是否与输入一致（仅验证接口通路，不验证算法精度）。
判定通过标准：上述编译通过、include 方向正确、桩函数数据通路无丢失，即视为模块边界划分有效。

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