基于Qt 的自主航行系統(tǒng)終端設計與實現(xiàn)

陳珍銳 劉 鑫

（1、山東交通學院，山東 威海264209 2、威海海洋信息科學與技術研究院，山東 威海264207）

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，船舶自主航行是未來船舶發(fā)展的主要方向[1]。船舶自主航行主要包括兩種：一是無人駕駛船舶。該型船舶研究得重點和難點是智能控制技術，其必須能夠自主進行環(huán)境探測、目標識別、自主避障、路徑自主規(guī)劃等。盡管無人駕駛技術已經(jīng)被成功運用于飛機和汽車，而將其運用于大型商業(yè)船舶還沒有先例，直到今年9 月份，由海洋研究組織ProMare 牽頭建造一艘無人駕駛全自主船舶“Mayflower AutonomousShip”號（MAS）計劃完成橫跨大西洋航行[2]；二是輔助駕駛船舶。該型船舶能夠?qū)崿F(xiàn)部分開闊海域的自助航行功能，需要船員設定船舶的航行路線，監(jiān)視船舶的航行方向，對于復雜的水面環(huán)境，需要船員操控，其技術難度明顯低于無人駕駛船舶；另外該型船舶也能夠讓船員通過信息終端遠程操作船舶的航行，本文所設計終端系統(tǒng)也主要用于該型船舶。

Qt 作為一種跨平臺的基于C++的GUI 系統(tǒng)，用于開發(fā)圖形用戶界面和多平臺應用程序，這些應用程序可以運行在包括電腦，手機，平板，嵌入式系統(tǒng)等多種平臺，該系統(tǒng)成為世界上很多成功的圖形用戶應用所使用的主要系統(tǒng)。Qt 具有如下特點：Qt 是類MFC的面向?qū)ο蟮腃++開發(fā)包；具有信號與槽的事件驅(qū)動機制；Qt 支持各種編譯器，包括GCC C++編譯器和VisualStudio套件；并具有廣泛的國際化支持[3]。

本軟件主要工作是實現(xiàn)船舶自助航行過程中的船舶信息展示，主要包括GPS定位信息，船只的航向航速以及從單片機中采集到的其他信息。通過利用GPS定位信息，能夠?qū)崟r的展示出當前船只所在位置，為當前船只航行參數(shù)提供展示。另外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)船只的自主航行，實現(xiàn)了船只自主航行中的圖形接口，船員點擊地圖中目標位置后，軟件能夠確定當前位置與目標之間的距離及方向，船只可以自主的朝向目標位置航行。除此之外，軟件還實現(xiàn)了用戶終端與單片機之間得多種通信方式，包括有線串口，藍牙等，為數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供了保障。另外本軟件能夠運行于電腦，平板，手機等多種平臺，以對船只的實時航行信息進行監(jiān)視。

1 系統(tǒng)設計

本軟件總體結構包括四個部分，分別為航行數(shù)據(jù)通信模塊、用戶界面設計、電子地圖顯示以及自主導航實現(xiàn)。圖1 給出了軟件的整體基本架構。

軟件整體的運行流程如圖2 所示。當用戶打開軟件后，軟件的操作界面會顯示電子地圖，并自動檢測通訊線路是否處于開啟狀態(tài)，如果通訊線路沒有開啟，需要用戶手動配置通訊線路，如果已開啟通訊線路，那么開始接受來自通訊線路中的GPS和其它傳感器的信息，并對獲得的這些數(shù)據(jù)解析，從中提取出經(jīng)、緯度，航向，速度等信息，并將這些信息實時的顯示到系統(tǒng)終端界面。在軟件利用這些信息進行導航時，需要實時的檢測用戶是否設置了航行目標位置，如果用戶沒有設置目標位置，那么系統(tǒng)只運行在航行信息展示狀態(tài)，當用戶從終端地圖中選取了目標位置之后，并開啟自助導航后，系統(tǒng)會提取出目標位置相關信息，包括目標位置經(jīng)緯度，所處方向，當前位置與目標位置之間的距離等，利用這些信息實現(xiàn)自主導航功能。自主導航結速后，系統(tǒng)就會重新進入信息展示狀態(tài)，等待用戶退出系統(tǒng)或設置新的目標位置。

圖1 自助航行系統(tǒng)終端整體功能圖

圖2 基本流程圖

1.1 用戶界面設計

本系統(tǒng)在用戶界面設計時，考慮到軟件需要具有跨平臺得特點，使用Qt Quick 開發(fā)。要使用Qt Quick，就要用到QML語言，QML 實現(xiàn)并擴展了ECMAScript，是一種說明性腳本語言，用來描述基于Qt 對象系統(tǒng)得用戶界面。QML提供了高可讀性、聲明式的、類似CSS得語法，支持動態(tài)屬性綁定的ECMAScript 表達式[4]。本軟件在使用QML設計用戶界面時主要包含三大模塊，分別為電子地圖展示、軟件菜單設置選項和自主航行信息顯示。

1.1.1 電子地圖展示。電子地圖的正確顯示是自助航行系統(tǒng)的基礎，如果不能正確顯示地圖信息，用戶在配置目標位置信息時就可能是錯誤的，從而會導致不能準確得到達目標位置，甚至會發(fā)生事故。為了能夠正確顯示地圖，Qt 提供了位置應用程序接口（Qt Location），該接口可以用于訪問第三方地圖開放平臺，借助于它們可以顯示電子地圖，提高開發(fā)的效率。然而，Qt 在使用第三方地圖時需要借助于插件，目前Qt 提供的插件只能使用國外地圖服務，比如ESRI，HERE，OSM等，對于國內(nèi)的地圖開放平臺百度、高德等，我們需要制作專門插件，用于接入到國內(nèi)地圖服務平臺。

本軟件使用了高德地圖的插件，雖然Qt 官方?jīng)]有直接提供該插件，但是開發(fā)該插件的過程也并不困難，我們可以根據(jù)網(wǎng)上的一些開源項目如QGroundControl 中所包含Qt 位置插件源碼，制作高德地圖插件。當插件制作完成后需要將其放到Qt 的插件目錄geoservice 目錄，然后就可以通過使用QML 中plugin 元素來訪問該插件，將地圖嵌入到應用程序中。其代碼如下：

其中"amap"是制作的高德地圖服務名稱。

QML語言風格類似于用于描述網(wǎng)頁格式的CSS 樣式表，它提供了很多基本元素和控件來幫我們構建Qt 應用程序，這里的Item是QML提供基本元素的基類，QML會將我們使用到的控件組織成樹型結構，這里我們使用Item元素來作為界面的根元素。plugin 元素可以使用name 屬性訪問地圖插件，這里我們的插件名為amap。最后，我們可以使用Map 控件在終端顯示地圖界面，并實現(xiàn)對地圖操作的控制。

1.1.2 菜單選項。在軟件啟動后，需要對其進行特殊配置，軟件才能夠正常工作，這就要用到菜單選項。菜單設計可以采用Qt 提供的Button 控件，在QML中使用Button 標簽可在用戶界面顯示對應按鈕，用戶點擊按鈕會觸發(fā)一個clicked（）信號，在QML 文件中可以直接指定clicked（）信號處理器，響應用戶操作。這里按鈕除了用于配置軟件以外，還可以用于與地圖之間交互，如開啟導航，實現(xiàn)定位等。

1.1.3 航行信息。在用戶界面中，另外重要部分就是系統(tǒng)信息展示，船只在航行中的信息能夠以直觀的方式展示給用戶，以便于用戶根據(jù)實時檢測到的船只信息，能夠做出適當?shù)谜{(diào)整。使用QML展示信息的最簡單方法是使用Text 控件，Text 控件可以用于顯示文本，并且能夠使用屬性項對顯示方式進行配置。這里可以應用Text 控件顯示經(jīng)緯度信息，錨（anchors）屬性可以用來控制Text 元素顯示位置。在軟件中除了使用Text 元素外，我們還使用了QML中提供的CircularGauge 控件。CircularGauge 控件是計量儀工具，使用指針來顯示某個輸入值，用于模擬機械儀表盤。軟件中我們使用該工具實現(xiàn)船只航行方向和速度的指示。另外，在CircularGauge 控件中有一個style 屬性可以設置儀表盤的風格，這里需要注意的是在設置style 屬性時，需要使用CircularGaugeStyle 元素創(chuàng)建儀表盤的風格，該元素主要用于繪制儀表盤使用。軟件在顯示速度和角度時都是用到了CircularGaugeStyle 元素，主要用于繪制儀表盤上不同刻度，比如在指南針中只有東西南北四個標記，而在速度顯示中需要使用適當?shù)乃俣乳g隔標記速度。

1.2 數(shù)據(jù)通信模塊

為了能夠?qū)崿F(xiàn)船只的自助航行，需要單片機來檢測船只得航行狀態(tài)，這些狀態(tài)信息使用通信模塊傳遞給信息終端。本軟件實現(xiàn)與單片機通信方式有兩種，分別是有線串口和藍牙串口通信。

首先，有線串口通信是本軟件的主要通信方式，單片機可以通過串口線連接到終端傳遞信息。Qt 中提供串口模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。要使用串口模塊，需要在工程文件中加入serialport 模塊，并在源代碼中引入串口的頭文件。一般來說，在使用串口時主要分以下四個步驟：

（1）獲取當前終端中可連接的所有串口信息。QSerialPortInfo類提供了提供現(xiàn)有串行端口的信息，使用該類的availablePorts 方法會返回系統(tǒng)上可用串行端口列表，該列表的每個QSerialPortInfo對象表示一個串行端口，可以查詢端口名稱、系統(tǒng)位置、描述和制造商等。

（2）根據(jù)串口列表信息，選擇適當串口打開。在打開串口時，需要使用QSerialPort 完成與單片機的通信，要使用該類除了需要配置步驟（1）中設置的串口信息外，還需要配置波特率、數(shù)據(jù)位和校驗位等信息用于控制通信數(shù)據(jù)。最后使用Qt 中的信號槽機制將串口設備信號與處理過程連接，當單片機的數(shù)據(jù)到達串口時會發(fā)送readyRead 信號,根據(jù)該信號我們可以定義個槽函數(shù)解析數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)交互。當成功打開串口后，就可以實現(xiàn)串口通信。串口通信終端（Qt 程序）除了上面所說得利用Qt 中得信號槽機制處理單片機中的數(shù)據(jù)外，還可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機以實現(xiàn)船舶航行路線控制。Qt 程序向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)過程比較簡單，只需要使用QSerialPort 對象的write 方法即可，當調(diào)用該方法后，數(shù)據(jù)會被寫入到串口并交給單片機進行處理。

（4）關閉串口。使用完串口后，可以使用QSerialPort 對象的close（）方法關閉串口。串口可以通過有線連接的方式與船載終端通信，考慮到手機、平板終端訪問需要使用到無線傳輸，所以在設計時除了使用有線串口之外，還可以使用無線WiFi 和藍牙通信。對于WiFi 通信，我們可以利用其將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器存儲，然而對于海域中沒有網(wǎng)絡或網(wǎng)絡信號較差的海域，并不能夠完全監(jiān)視船只航行情況，所以無線WiFi 只作為備用通信方式，需要用戶選擇連接，這里我們只介紹藍牙通信。要使用藍牙通信，需要給單片機增加藍牙模塊，這里我們使用HC-08 模塊[5]。HC-08 藍牙串口通信模塊采用藍牙4.0 通信協(xié)議，可以實現(xiàn)80m 距離通信，能夠滿足距離需求。其實使用藍牙串口與有線串口發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)相同，不同的是軟件配置方式。在Qt 中使用藍牙模塊需要在工程中引入bluetooth 模塊，并在源代碼中引入藍牙頭文件。使用藍牙通信方式與串口操作步驟基本相同。首先，需要打開藍牙并掃描附近藍牙設備。Qt 中的QBluetoothLocalDevice 提供了訪問本地藍牙的方法，可以用于獲取藍牙設備地址和名稱，設置設備的可見性用于其 它 設 備 連 接 。 同 QBluetoothLocalDevice 相 似 ，QBluetoothDeviceInfo 用于訪問遠程藍牙信息。我們可以使用QBluetoothDeviceDiscoveragent 自動搜索可連接范圍內(nèi)的可見藍牙設備，當搜索到附近的藍牙設備后，QBluetoothDeviceDiscoveragent類會產(chǎn)生deviceDiscovered（QBluetoothDeviceInfo）信號，其次，通過對應的槽函數(shù)處理該信號即可。接著，建立藍牙設備之間的連接，并通過該連接使用虛擬串口建立藍牙socket 服務通信。QBluetoothSocket 類可以創(chuàng)建socket 對象，要注意的是在構造函數(shù)中的參數(shù)需要設定模式為RfcommProtocol 以模擬RS232 串口模式，通過connectToService 方法建立連接。同樣在socket 中也提供了豐富的信號，比如成功建立連接信號，成功斷開信號，可以定義槽函數(shù)處理這些信號。最后，發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。當藍牙成功的建立連接后，就可以利用藍牙發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，使用socket 中的write方法可以將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給單片機。當終端設備中接受到來自單片機得數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生readyRead（）信號，我們只需要定義槽函數(shù)處理該信號即可。

1.3 自主航行模塊

本軟件中自主航行模塊主要完成的任務是當船員設置目標位置之后，船只能夠自助航行到該目標位置。Qt 終端主要完成船只航行定位和設置目標位置兩種功能。

要實現(xiàn)船只的自主航行功能，首先很重要的一點是利用GPS信號對船只定位，并且需要獲得船只航行方向和速度等基本信息。單片機中包含有GPS 模塊，用于接受GPS 信號，常用的GPS 模塊大多采用NMEA-0183 協(xié)議，在Qt 中我們需要做的是從GPS 信號中解析出這些基本信息后進行終端顯示。這里我們主要利用GPS推薦定位信息輸出語句（$GPRMC）,下面是一幀GPS定位的主要數(shù)據(jù)，其標準格式為：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12> * hh

該項目主要需要使用的是：<3> 緯度（格式為ddmm. mmmm，即dd 度，mm. mm mm 分）；<5>經(jīng)度（格式為dddmm. mmmm，即ddd 度，mm. mmmm 分）；（7）地面速率（000.0～999.9 節(jié)）；（8）地面航向（000.0～359.9 度，以真北為參考基準）。當成功提取出這些信息后，就可以利用QML中得控件將它們顯示到Qt 終端，具體顯示方法可以參考2.1 中的航行信息模塊。

設置目標位置時需要從地圖中選擇要到達的目標位置，軟件會給出目標位置的經(jīng)緯度，偏向和距離當前位置的相關信息，當確定相關信息后，船只會自動航行到目標位置。在Qt 中我們可以使用MapQuickItem元素將QML中得組件在地圖上展示，這里我們主要使用該組件顯示目標位置的標記。另外在用戶用鼠標點擊目標位置后，還需要獲得地圖上得坐標，Qt 中提供了不可見元素MouseArea 來實現(xiàn)，該元素可以設置鼠標作用域，在此作用域內(nèi)可以用于響應鼠標點擊事件，并產(chǎn)生點擊信號，這里我們處理的是onPressed 信號，通過該信號我們可以獲得當前鼠標得坐標位置，然后使用map 對象中的toCoordinate 方法將獲得的坐標位置轉換為經(jīng)緯度信息。有了目標位置的經(jīng)緯度信息之后就可以根據(jù)當前船只所在的位置信息和Haversine 公式[6]計算出目標位置距離和航向角。在船只自主航行時，會根據(jù)航向角調(diào)整船只航行方向。

2 軟件測試

本軟件系統(tǒng)在測試中需要使用到底層單片機硬件環(huán)境，主要用于Qt 軟件終端從單片機中接受GPS 信號并能夠向單片機中寫入信息以實現(xiàn)控制。本軟件設計和實現(xiàn)各個模塊過程中已經(jīng)對這些子模塊進行了調(diào)試，各模塊基本符合要求，使用Qt5 設計的自助導航顯控界面如圖3 所示。最后開發(fā)過程中的模擬實驗以及真實環(huán)境下的實際應用，信息顯示、界面操控以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性完全能滿足船用導航各方面的需要。

圖3 基于Qt 的自主航行終端界面

3 結論

本文詳細介紹了使用Qt5 設計自主航行終端的基本過程，包括用戶界面設計、數(shù)據(jù)通信模塊、自主航行模塊等，實現(xiàn)了船只定位，自主導航等功能。通過實驗模擬和實際應用發(fā)現(xiàn)，使用Qt 設計終端界面上的顯示功能及該系統(tǒng)性能完全滿足船用導航終端的需求。然而要實現(xiàn)一個功能完善、界面友好的導航系統(tǒng)還有很多工作要做，本系統(tǒng)還有很多不足，例如可以依據(jù)實際的用戶需求，豐富界面外觀，完善導航系統(tǒng)，加入語音提示以及利用多種傳感器設備為用戶提供更多、更方便的導航信息等。