基于嵌入式的車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計

一、前言

1.1 項目介紹

【1】項目背景

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和智能化技術(shù)的不斷突破，車載導(dǎo)航系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車不可或缺的一部分，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。它不僅能夠提供精確的路線導(dǎo)航，還能提供豐富的地理信息和娛樂服務(wù)，為駕駛者帶來了極大的便利和樂趣。

傳統(tǒng)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴于內(nèi)置的地圖數(shù)據(jù)和GPS定位技術(shù)，但隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及和智能設(shè)備的快速發(fā)展，用戶對車載導(dǎo)航系統(tǒng)的要求也在不斷提高。希望車載導(dǎo)航系統(tǒng)能夠具備更高的定位精度、更豐富的地圖信息、更便捷的操作體驗以及更強的可擴展性。

開發(fā)一款基于嵌入式技術(shù)的車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代用戶對高效、智能、個性化導(dǎo)航服務(wù)的需求，成為了當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的一個重要方向。本項目就是通過集成高性能的主控開發(fā)板、精準(zhǔn)的GPS定位模塊以及強大的Qt開發(fā)框架，實現(xiàn)一個功能豐富、性能穩(wěn)定、用戶體驗優(yōu)越的車載導(dǎo)航系統(tǒng)。

【2】設(shè)計實現(xiàn)的功能

（1）實時定位與地圖顯示：通過外接的北斗GPS模塊，系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收并解析衛(wèi)星信號，獲取車輛的精確位置信息。這些信息將實時顯示在基于Qt開發(fā)的主界面上，與百度地圖API無縫對接，為用戶呈現(xiàn)清晰、準(zhǔn)確的地圖畫面。

（2）路線規(guī)劃與導(dǎo)航：用戶可以通過主界面輸入目的地信息，系統(tǒng)根據(jù)百度地圖API提供的路徑規(guī)劃服務(wù)，計算出最優(yōu)的行駛路線，并在地圖上進(jìn)行高亮顯示。在導(dǎo)航過程中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r追蹤車輛位置，提供轉(zhuǎn)向、距離等導(dǎo)航指令，確保用戶能夠準(zhǔn)確、快速地到達(dá)目的地。

（3）地圖預(yù)覽與縮放：系統(tǒng)支持地圖的縮放和拖動功能，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整地圖的顯示范圍，查看不同級別的地理細(xì)節(jié)。同時，系統(tǒng)還提供了多種地圖視圖模式（如白天模式、夜間模式等），以滿足用戶在不同場景下的使用需求。

（4）語音提示與交互：為了提升用戶體驗，系統(tǒng)集成了語音提示功能，能夠在關(guān)鍵導(dǎo)航節(jié)點（如轉(zhuǎn)彎、路口等）給予用戶語音指令，減少用戶操作干擾。此外，系統(tǒng)還支持通過語音指令進(jìn)行簡單的交互操作，如查詢附近的餐飲、加油站等設(shè)施。

（5）個性化設(shè)置與偏好管理：用戶可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣，在系統(tǒng)設(shè)置中調(diào)整界面風(fēng)格、導(dǎo)航偏好等參數(shù)。系統(tǒng)還會記錄用戶的行駛歷史，為用戶提供個性化的推薦和服務(wù)。

（6）系統(tǒng)穩(wěn)定性與擴展性：基于嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)框架，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，開放式的架構(gòu)設(shè)計使得系統(tǒng)易于擴展和升級，能夠隨時集成新的功能模塊和服務(wù)，滿足用戶不斷增長的需求。

本項目設(shè)計的基于嵌入式的車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過集成高性能硬件和先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了實時定位、路線規(guī)劃、地圖預(yù)覽、語音提示、個性化設(shè)置等多項功能，為用戶提供了高效、智能、個性化的導(dǎo)航服務(wù)體驗。

【3】項目硬件模塊組成

（1）主控開發(fā)板：采用GEC6818開發(fā)板，該開發(fā)板搭載了三星Cortex-A53系列高性能八核處理器S5P6818，最高主頻高達(dá)1.4GHz。主控開發(fā)板作為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理導(dǎo)航定位系統(tǒng)的所有運算和控制任務(wù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（2）GPS模塊：采用北斗GPS模塊，該模塊負(fù)責(zé)接收并解析衛(wèi)星信號，獲取車輛的精確位置信息。通過與主控開發(fā)板的連接，將位置數(shù)據(jù)實時傳輸給系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示。

（3）顯示屏：用于呈現(xiàn)地圖、導(dǎo)航指令以及其他相關(guān)信息。顯示屏與主控開發(fā)板相連，通過Qt開發(fā)的界面，將系統(tǒng)的各項功能直觀地展示給用戶。

（4）網(wǎng)卡： 用于上網(wǎng)，調(diào)用百度地圖，這是開發(fā)板本身自帶。

（5）語音播報模塊： 利用開發(fā)板本身的聲卡播放導(dǎo)航提示。

1.2 設(shè)計思路

（1）需求分析：對車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)的需求進(jìn)行深入分析。確定系統(tǒng)需要具備的功能，如實時定位、路線規(guī)劃、地圖顯示、語音提示等。同時，考慮到用戶的操作習(xí)慣和駕駛過程中的安全性，對界面的設(shè)計、交互的流暢性等方面也進(jìn)行了充分考慮。

（2）硬件選型：根據(jù)需求分析的結(jié)果，選擇適合的硬件組件。主控開發(fā)板選用GEC6818開發(fā)板，其高性能的處理器和嵌入式Linux系統(tǒng)為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了有力支持。GPS模塊選用北斗GPS模塊，以確保定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時，選擇高質(zhì)量的顯示屏和其他輔助模塊，以滿足系統(tǒng)的各項需求。

（3）軟件架構(gòu)設(shè)計：采用Qt作為軟件開發(fā)框架，利用其強大的圖形界面開發(fā)能力和跨平臺特性，實現(xiàn)系統(tǒng)的主界面和各項功能。通過集成百度地圖API，實現(xiàn)地圖的加載、顯示和路徑規(guī)劃等功能。同時，設(shè)計合理的軟件架構(gòu)，確保各個模塊之間的協(xié)同工作和數(shù)據(jù)傳輸的高效性。

（4）功能模塊劃分：將系統(tǒng)劃分為多個功能模塊，如定位模塊、導(dǎo)航模塊、地圖顯示模塊、語音提示模塊等。每個模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)特定的功能，并通過接口與其他模塊進(jìn)行交互。這種模塊化的設(shè)計方式便于后期的維護(hù)和擴展。

1.3 系統(tǒng)功能總結(jié)

功能模塊	功能描述	技術(shù)實現(xiàn)與特點
實時定位	通過北斗GPS模塊獲取車輛精確位置信息。	利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、穩(wěn)定的定位服務(wù)。
地圖顯示	在顯示屏上呈現(xiàn)百度地圖，展示地理信息。	集成百度地圖API，實現(xiàn)地圖的加載、縮放、拖動等功能。
路線規(guī)劃	根據(jù)用戶輸入的目的地，計算最優(yōu)行駛路線。	利用百度地圖API的路徑規(guī)劃服務(wù)，提供多種路線選擇。
導(dǎo)航指引	提供轉(zhuǎn)向、距離等導(dǎo)航指令，輔助用戶駕駛。	實時追蹤車輛位置，根據(jù)規(guī)劃路線提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航指引。
語音提示	通過語音輸出導(dǎo)航指令和其他相關(guān)信息。	集成語音合成技術(shù)，實現(xiàn)人性化的交互體驗。
地圖預(yù)覽與縮放	支持地圖的預(yù)覽、縮放和拖動操作。	提供多種地圖視圖模式，滿足不同場景下的使用需求。
個性化設(shè)置	用戶可根據(jù)喜好設(shè)置系統(tǒng)界面和導(dǎo)航偏好。	提供豐富的設(shè)置選項，滿足用戶的個性化需求。
系統(tǒng)穩(wěn)定性	確保系統(tǒng)在各種環(huán)境下的穩(wěn)定運行。	基于嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，具備高度的穩(wěn)定性和可靠性。
擴展性	系統(tǒng)設(shè)計易于擴展和升級，適應(yīng)未來需求變化。	開放的架構(gòu)設(shè)計，支持新功能模塊和服務(wù)的集成。

1.4 原理圖

二、Linux下Qt開發(fā)環(huán)境搭建

養(yǎng)老院出行管理系統(tǒng)項目是在Linux下開發(fā)，接下來需要搭建Linux下的開發(fā)環(huán)境。

（1）第一步，安裝VM虛擬機

（2）第二步，在VM虛擬機里安裝Ubuntu18.04系統(tǒng)

（3）第三步，在Ubuntu18.04系統(tǒng)里安裝QT開發(fā)環(huán)境

2.1 安裝VMware虛擬機軟件

VMware軟件下載地址: https://www.vmware.com/products/workstation-pro/workstation-pro-evaluation.html

當(dāng)前電腦使用的vmware版本為: 15.5

2.2 安裝Ubuntu18.04系統(tǒng)

18.04最新長期支持版本: http://mirrors.aliyun.com/ubuntu-releases/18.04/

2.3 安裝Qt5.12開發(fā)環(huán)境

注意，安裝Qt之前要先安裝以下工具（如果之前安裝了就不用再安裝了）：

sudo apt install make
sudo apt install gcc
sudo apt install g++

Qt安裝包下載地址:http://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6/

2.4 Qt編譯常見問題解決

如果在編譯運行程序時， 提示缺少 cannot find -lGL 庫報錯， 可以按照下面方法解決：
在命令行執(zhí)行： locate libGL.so //這一步是查看本地系統(tǒng)里有沒有這個庫
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/mesa/libGL.so.1 //如果提示這兩行， 說明系統(tǒng)有這個庫
/usr/lib/x86_64-linux-gnu/mesa/libGL.so.1.2.0
下面只需要做一個鏈接即可：
sudo ln -s /usr/lib/x86_64-linux-gnu/mesa/libGL.so.1 /usr/lib/libGL.so
如果系統(tǒng)里沒有查找到庫， 就在命令行敲下面命令進(jìn)行在線安裝：
sudo apt-get install libgl1-mesa-dev

三、代碼設(shè)計

3.1 地圖API調(diào)用

下面使用Qt的網(wǎng)絡(luò)模塊來發(fā)送HTTP請求，并使用Qt的GUI模塊來顯示地圖圖片。 需要在百度地圖開放平臺上注冊應(yīng)用程序，并獲取到百度地圖API密鑰（AK）。

// mainwindow.h
#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H

#include <QMainWindow>
#include <QNetworkAccessManager>
#include <QNetworkRequest>
#include <QNetworkReply>
#include <QImage>
#include <QLabel>

class MainWindow : public QMainWindow
{
    Q_OBJECT

public:
    MainWindow(QWidget *parent = nullptr);
    ~MainWindow();

private slots:
    void onMapImageReceived(QNetworkReply *reply);

private:
    QLabel *mapLabel;
    QNetworkAccessManager *networkManager;
};

#endif // MAINWINDOW_H
cppCopy Code// mainwindow.cpp
#include "mainwindow.h"
#include <QUrl>

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
{
    mapLabel = new QLabel(this);
    mapLabel->setGeometry(10, 10, 600, 400);  // 設(shè)置地圖圖片顯示位置和大小

    networkManager = new QNetworkAccessManager(this);
    connect(networkManager, &QNetworkAccessManager::finished, this, &MainWindow::onMapImageReceived);

    QString mapUrl = "http://api.map.baidu.com/staticimage/v2";
    QUrl url(mapUrl);
    url.addQueryItem("ak", "your_baidu_map_api_key");  // 替換為你的百度地圖API密鑰
    url.addQueryItem("center", "北京");  // 地圖中心位置
    url.addQueryItem("width", "600");  // 圖片寬度
    url.addQueryItem("height", "400");  // 圖片高度
    url.addQueryItem("zoom", "11");  // 縮放級別

    QNetworkRequest request(url);
    networkManager->get(request);
}

MainWindow::~MainWindow()
{
}

void MainWindow::onMapImageReceived(QNetworkReply *reply)
{
    if (reply->error() == QNetworkReply::NoError) {
        QByteArray imageData = reply->readAll();
        QImage mapImage;
        mapImage.loadFromData(imageData);
        mapLabel->setPixmap(QPixmap::fromImage(mapImage));
    } else {
        qDebug() << "Error: " << reply->errorString();
    }

    reply->deleteLater();
}

創(chuàng)建了一個MainWindow類，其中包含一個用于顯示地圖圖片的QLabel和一個QNetworkAccessManager用于發(fā)送HTTP請求。在構(gòu)造函數(shù)中，通過QUrl構(gòu)建了百度地圖API接口的URL，并添加了必要的參數(shù)，例如地圖中心位置、圖片大小和縮放級別。使用QNetworkRequest發(fā)送了一個GET請求，并在onMapImageReceived槽函數(shù)中處理收到的地圖圖片數(shù)據(jù)，并將其顯示在QLabel上。

3.2 導(dǎo)航提示音播放

使用alsa-lib庫在Linux下調(diào)用聲卡驅(qū)動來播放聲音。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <alsa/asoundlib.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
    int err;
    int fd;
    snd_pcm_t *pcm_handle;
    snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
    unsigned int rate = 44100;
    unsigned int channels = 2;
    unsigned int buffer_time = 500000;  // 500ms
    unsigned int period_time = 100000;  // 100ms
    snd_pcm_uframes_t buffer_size;
    snd_pcm_uframes_t period_size;
    char *buffer;

    buffer = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
    if (!buffer) {
        printf("Error: Failed to allocate memory.n");
        return -1;
    }

    // 打開PCM設(shè)備
    err = snd_pcm_open(&pcm_handle, "default", SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to open PCM device. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }

    // 配置PCM設(shè)備參數(shù)
    snd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);
    err = snd_pcm_hw_params_any(pcm_handle, hw_params);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to get PCM device parameters. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params_set_access(pcm_handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device access mode. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params_set_format(pcm_handle, hw_params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device sample format. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params_set_channels(pcm_handle, hw_params, channels);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device channel count. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(pcm_handle, hw_params, &rate, 0);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device sample rate. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(pcm_handle, hw_params, &buffer_time, 0);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device buffer time. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(pcm_handle, hw_params, &period_time, 0);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device period time. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }
    err = snd_pcm_hw_params(pcm_handle, hw_params);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to set PCM device parameters. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }

    // 獲取PCM設(shè)備緩沖區(qū)大小和周期大小
    err = snd_pcm_get_params(pcm_handle, &buffer_size, &period_size);
    if (err < 0) {
        printf("Error: Failed to get PCM device buffer and period sizes. %sn", snd_strerror(err));
        return -1;
    }

    // 打開音頻文件
    fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        printf("Error: Failed to open audio file.n");
        return -1;
    }

    // 播放音頻
    while (1) {
        long frames = read(fd, buffer, BUFFER_SIZE);
        if (frames == 0) {  // 播放完成
            break;
        } else if (frames < 0) {  // 讀取錯誤
            printf("Error: Failed to read audio data.n");
            break;
        }
        while (frames > 0) {
            long n = snd_pcm_writei(pcm_handle, buffer, frames);
            if (n < 0) {  // 發(fā)生錯誤，重新配置PCM設(shè)備
                printf("Error: Failed to write audio data to PCM device. %sn", snd_strerror(n));
                snd_pcm_prepare(pcm_handle);
            } else {
                frames -= n;
                buffer += n * channels * 2;  // 每個采樣點為16位（2字節(jié)），乘以通道數(shù)
            }
        }
    }

    // 關(guān)閉PCM設(shè)備和音頻文件
    snd_pcm_close(pcm_handle);
    close(fd);
    free(buffer);

    return 0;
}

使用alsa-lib庫來調(diào)用Linux聲卡驅(qū)動來播放聲音。

（1）打開PCM設(shè)備并配置參數(shù)，然后通過snd_pcm_get_params函數(shù)獲取緩沖區(qū)大小和周期大小。

（2）打開音頻文件并循環(huán)讀取文件中的數(shù)據(jù)，每次將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寫入PCM設(shè)備進(jìn)行播放。在播放過程中，如果發(fā)生錯誤們需要重新配置PCM設(shè)備并重新開始播放。

3.3 GPS導(dǎo)航模塊

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <libserialport.h>

void parse_gps_data(char *data) {
    char *token;
    token = strtok(data, ",");
    int count = 0;
    double latitude, longitude;

    while (token != NULL) {
        if (count == 2) { // 緯度數(shù)據(jù)在第3個字段
            latitude = atof(token);
        } else if (count == 4) { // 經(jīng)度數(shù)據(jù)在第5個字段
            longitude = atof(token);
        }

        token = strtok(NULL, ",");
        count++;
    }

    printf("Latitude: %f, Longitude: %fn", latitude, longitude);
}

int main() {
    struct sp_port *port;
    int err;

    // 打開串口
    err = sp_get_port_by_name("/dev/ttyUSB0", &port);
    if (err != SP_OK) {
        fprintf(stderr, "Error: Failed to open serial portn");
        return -1;
    }

    err = sp_open(port, SP_MODE_READ);
    if (err != SP_OK) {
        fprintf(stderr, "Error: Failed to open serial port for readingn");
        sp_free_port(port);
        return -1;
    }

    // 設(shè)置串口參數(shù)
    struct sp_port_config *config;
    sp_new_config(&config);
    sp_set_config_baudrate(config, 9600);
    sp_set_config_bits(config, 8);
    sp_set_config_parity(config, SP_PARITY_NONE);
    sp_set_config_stopbits(config, 1);
    sp_set_config(port, config);

    // 讀取GPS數(shù)據(jù)
    char data[256];
    int bytes_read;
    while (1) {
        bytes_read = sp_input_waiting(port);
        if (bytes_read > 0) {
            sp_blocking_read(port, data, sizeof(data), 0);
            parse_gps_data(data);
        }
        usleep(100000); // 延時100ms
    }

    // 關(guān)閉串口
    sp_close(port);
    sp_free_port(port);

    return 0;
}

四、總結(jié)

隨著智能化和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代駕駛不可或缺的一部分。本項目通過集成高性能的GEC6818開發(fā)板、北斗GPS模塊以及百度地圖API，成功設(shè)計并實現(xiàn)了一個功能全面、性能穩(wěn)定的車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

在項目實施過程中，注重用戶體驗和系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過Qt開發(fā)框架打造了直觀易用的操作界面，并實現(xiàn)了實時定位、地圖顯示、路線規(guī)劃、導(dǎo)航指引以及語音提示等核心功能。同時，系統(tǒng)的模塊化設(shè)計和開放式架構(gòu)保證了其易于維護(hù)和擴展，能夠隨時適應(yīng)市場和用戶需求的變化。

通過本項目的實施，不僅提升了車載導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)水平，也為用戶提供了更加便捷、智能的出行體驗。