Qt5 互动地图，实现无人机地面站效果

taciturn丶2024-05-22 16:36

一、概述

本文主要通过Qt5+opmapcontrol实现一个简单的无人机地面站效果。opmapcontrol是一个比较古老的QT开源地面站库，可选择谷歌地图，必应地图， 雅虎地图，GIS等。可直接使用源码，也可以编译生成库进行调用。
实现效果：

二、环境

Qt：5.15.2

编译器： Qt 5.15.2 MinGW 64-bit

系统：windows 10

三. 功能特点

（1） 支持缓存地图

（2）支持选择各厂商地图，以及切换街道地图

（3）支持地图互动：拖动、放大缩小

（4）支持添加航点，以及航点的编辑、删除、保存、加载、航点信息显示

（5）支持设置home，以及安全区域

（6）支持显示运动轨迹

四.opmapcontrol

从github上下载下来的源码包调用的时候，不同版本的Qt会有些小bug，可以直接搜opmapcontrol。
CSDN免积分下载链接 （包含编译好的库、和简单的调用demo）：
https://download.csdn.net/download/ever__ever/89290882?spm=1001.2014.3001.5503
（以下为opmapcontrol中mapwidget子项目各个类的功能讲解，只想知道如何使用的话可以跳过本节，直接前往第五节）
这个库中我们主要看mapwidget子项目，里面提供了对地图、无人机、航点、轨迹、home等相关操作的接口。

  1. OPMapWidget类

这个类主要继承QGraphicsView，提供一个地图交互场景视图。
（1）void SetShowDiagnostics(bool const & value)

设置是否显示诊断信息。当传入的值为true 时，会创建定时器用于刷新诊断信息，同时创建GPS对象（如果不存在），并设置透明度。当传入的值为false 时，会清除诊断信息、定时器、GPS对象等。
（2）void SetUavPic(QString UAVPic)

用于设置无人机的图片。如果无人机对象存在，会调用其SetUavPic函数设置图片。
（3）UAVItem* AddUAV(int id)

用于添加一个新的无人机对象，并将其添加到地图中。它返回指向新添加的无人机对象的指针。
（4）void AddUAV(int id, UAVItem* uav)

用于添加一个已存在的无人机对象，并将其添加到地图中。
（5）void DeleteUAV(int id)

用于删除指定ID的无人机对象。
（6）UAVItem* GetUAV(int id)

用于获取指定ID的无人机对象。
（7）const QList<UAVItem*> GetUAVS()

用于获取所有无人机对象的列表。
（8）WayPointLine *WPLineCreate(WayPointItem *from, WayPointItem *to, QColor color, bool dashed, int width)

用于创建两个航点之间的连线。
（9）WayPointLine *WPLineCreate(HomeItem *from, WayPointItem *to, QColor color, bool dashed, int width)

用于创建Home点到航点之间的连线。

  1. Configuration类
    它主要用于集中管理地图控件的大部分配置选项。

这个类包含了一些成员变量，如EmptytileBrush 、EmptyTileText 、EmptyTileBorders 等，用于配置地图空白瓦片的绘制、文本、边框等样式。同时，它还包含了一些成员函数，用于设置和获取地图的访问模式、语言、内存缓存使用情况、缓存文件的位置等。

总的来说，Configuration类的作用是提供一个集中管理地图控件配置选项的地方，使得在代码中可以方便地对这些配置进行设置和获取。

  1. GPSItem类

继承自QObject 和QGraphicsItem 的类，用于在地图上表示一个无人机（UAV ）。提供了一系列函数用于管理无人机的位置、轨迹以及到达状态等属性，以及相应的信号与槽机制用于与其他对象进行交互。

这个类的作用主要有以下几点：

  • **表示无人机：**GPSItem类用于在地图上绘制表示无人机的图形元素，可以根据给定的参数设置无人机的位置、高度和朝向。
  • **设置无人机轨迹：**可以根据不同的轨迹类型设置无人机的轨迹显示方式，包括按时间间隔绘制轨迹点或按距离间隔绘制轨迹点等。
  • **管理轨迹显示：**可以设置是否显示无人机的轨迹以及轨迹线，并提供相应的函数来控制轨迹的显示和清除。
  • **自动设置到达状态：**可以设置无人机自动根据距离到达航点，并根据设定的距离自动设置航点到达状态。
  1. HomeItem类

继承自QObject 和QGraphicsItem 的类，用于在地图上表示一个home 点的位置。提供了一系列函数用于管理home的位置、安全区域以及相应的交互功能。

这个类的作用主要有以下几点：

  • **表示home的位置：**HomeItem类用于在地图上绘制表示home的图形元素，可以设置home的位置坐标和海拔高度。
  • **显示安全区域：**可以设置是否显示home的安全区域，并提供相应的函数进行控制。
  • **提供信号与槽机制：**通过信号与槽机制，可以实现当home的位置发生变化时通知其他对象，以及当home位置被双击时触发相应的事件。
  • **提供鼠标事件处理：**可以处理鼠标的移动、按下、释放和双击等事件，以便实现交互功能。
  1. MapGraphicItem类
    MapGraphicItem     类是一个用于地图显示和交互的主要图形项。它是一个继承自 QObject 和 QGraphicsItem 的类，是地图小部件中核心的图形项，负责管理地图的显示和交互，以及地图相关的逻辑处理。

这个类的作用主要有以下几点：

  • **显示地图：**负责在地图小部件上绘制地图，并处理地图的显示逻辑。
  • **地图交互：**处理鼠标事件（移动、点击、滚动等）和键盘事件，以实现地图的交互功能，如拖拽、缩放、选择区域等。
  • **地图坐标转换：**提供方法将经纬度坐标转换为本地坐标，以及将本地坐标转换为经纬度坐标。
  • **地图操作：**包括设置地图的缩放级别、旋转角度、地图类型等。
  • **地图重绘：**在需要更新地图显示时，负责重新绘制地图。
  • **地图逻辑：**处理地图的逻辑操作，如获取地图类型、设置当前位置、设置鼠标滚轮缩放类型等。
  1. TrailItem类

用于在地图上显示路径轨迹的图形项，它可以根据传入的经纬度坐标和颜色刷，在地图上绘制路径。

  1. UAVItem类

表示无人机（UAV）的图形项，用于在地图上显示无人机的位置、航向、速度等信息。可以根据无人机的位置和状态信息进行绘制，同时提供了一系列方法和信号，用于处理与无人机相关的逻辑。

这个类的作用主要有以下几点：

  • **初始化无人机项：**通过构造函数初始化无人机项，传入地图图形项、父部件指针和无人机图片路径等参数。
  • **设置无人机信息：**提供一系列方法，用于设置无人机的位置、NED（北东地）坐标、地面速度、空速、航向角速度等信息。
  • **绘制无人机：**实现 paint 方法，用于在地图上绘制无人机。绘制时可以根据当前无人机的位置、航向等信息进行绘制。
  • **边界矩形：**实现 boundingRect 方法，返回无人机项的边界矩形，用于在场景中定位无人机项的位置。
  • **类型标识：**定义了 type 方法，返回无人机项的类型标识，方便识别无人机项。
  • **信号与槽：**提供多个槽函数，用于处理无人机位置更新、透明度设置等操作。还定义了一些信号，用于与其他部件进行通信，如当无人机达到航点时发出信号等。
  1. WayPointItem类

表示航点的图形项，用于在地图上显示航点的位置、描述和相关信息。可以根据航点的位置和状态信息进行绘制，同时提供了一系列方法和信号，用于处理与航点相关的逻辑。

这个类的作用主要有以下几点：

  • **初始化航点项：**提供多个构造函数，用于初始化航点项，可以传入航点的经纬度坐标、海拔高度、描述信息等参数。
  • **设置航点信息：**提供一系列方法，用于设置和获取航点的描述、是否到达、航点编号、经纬度坐标、海拔高度等信息。
  • **绘制航点：**实现 paint 方法，用于在地图上绘制航点的图标，并根据航点是否到达以及是否显示航点编号进行绘制。
  • **边界矩形：**实现 boundingRect 方法，返回航点项的边界矩形，用于在场景中定位航点项的位置。
  • **类型标识：**定义了 type 方法，返回航点项的类型标识，方便识别航点项。

五.主程序结构

├── UAVMapDemo

├── UAVMapDemo.pro

├── main.cpp （程序入口：加载样式表）

├── mainwindow.h （主界面，没什么操作）

├── mainwindow.cpp

├── mainwindow.ui

├── 3rdparty (包括opmapcontrol的头文件和库文件）

│ ├── opmapcontrol

│ │ └── include

│ │ └── MinGW

├── MapControl

│ ├── MapControl.pri

│ ├── MapWidget.h （继承OPMapWidget，调用opmapwidget相关接口实现地图和无人机操作）

│ ├── MapWidget.cpp

│ ├── UAS_types.h （存放一些数据类型和转化）

│ ├── UAS_types.cpp

├── Robot

│ ├── Robot.pri

│ ├── uavmanagerwidget.h （无人机地面站界面，实现模型飞行、起飞、降落等接口）

│ ├── uavmanagerwidget.cpp

│ ├── uavmanagerwidget.ui

│ ├── mapsetmiddleform.h （一个小界面，不用关心）

│ ├── mapsetmiddleform.h

│ ├── mapsetmiddleform.h

├── res

│ ├── image （图片资源）

│ ├── styleSheet （样式资源）

│ │ └── default.qss

六.程序源码主要部分说明

  1. pro文件

添加opmapcontrol相关头文件和库文件

cpp 复制代码 
CONFIG(debug, debug|release){
    win32-g++ {
    }
    else:msvc {
        }
}
else {
    win32-g++ {
        INCLUDEPATH += $$PWD/3rdparty/opmapcontrol/include/mapwidget

            LIBS += -L$$PWD/3rdparty/opmapcontrol/MinGW -lopmapwidget
            }
    else:msvc {
        }
}
  1. UAVManagerWidget 无人机地面站界面

initWidget () ： 新建一个配置文件，存放经纬度、home点经纬度、缩放比例、添加一个无人机类，编号为0，不显示无人信息，设置无人机的位置为home位置。
handleUISignals () : 处理界面上的一些ui信号，加了一个定时器，用于模拟飞行。
flySimulation() : 模拟飞行，随机经纬度。

cpp 复制代码 
void UAVManagerWidget::initWidget()
{
    m_mapSetForm = new MapSetMiddleForm();
    m_mapSetForm->setRobotBtnName(u8"无人机");

    m_conf = new QSettings("./MapControl/data/UAV.ini", QSettings::IniFormat);

    int zoom;
    m_homeLat = m_conf->value("mapWidget_home_lat", 34.257287).toDouble();
    m_homeLng = m_conf->value("mapWidget_home_lng", 108.888931).toDouble();
    m_uavLat = m_homeLat;
    m_uavLng = m_homeLng;
    zoom = m_conf->value("lastZoom", 13).toInt();

    internals::PointLatLng p(m_homeLat, m_homeLng);
    ui->widget_map->SetCurrentPosition(p);
    ui->widget_map->SetZoom(zoom);
    ui->widget_map->setConf(m_conf);

    uav = ui->widget_map->AddUAV(0);
    uav->SetNumber(0);
    uav->SetShowUAVInfo(false);
    uav->SetMapFollowType(mapcontrol::UAVMapFollowType::Types::CenterMap);
    uav->SetUAVPos(p, 10);
}

void UAVManagerWidget::handleUISignals()
{
    // 连接
    connect(ui->btn_connect, &QPushButton::clicked, this, &UAVManagerWidget::connectUav);
    // 起飞
    connect(ui->btn_takeoff, &QPushButton::clicked, this, &UAVManagerWidget::uavTakeoff);
    // 降落
    connect(ui->btn_land, &QPushButton::clicked, this, &UAVManagerWidget::uavLand);
    // 返回
    connect(ui->btn_back, &QPushButton::clicked, this, &UAVManagerWidget::uavGoHome);
    // plan
    connect(ui->btn_plan, &QPushButton::clicked, this, &UAVManagerWidget::flyByWaypoint);
    // 地图中心点
    connect(ui->btn_home, &QPushButton::clicked, this, [=]() {
        m_mapSetForm->setCurrentPos(ui->widget_map->CurrentPosition().Lng(),
            ui->widget_map->CurrentPosition().Lat());

        QPoint buttonPos = ui->btn_home->mapToGlobal(ui->btn_home->rect().center());
        int dialogX = buttonPos.x() + ui->btn_home->width() - 15;
        int dialogY = buttonPos.y() - m_mapSetForm->height() / 2;
        m_mapSetForm->showWidget(QPoint(dialogX, dialogY));
    });
    // 置于home
    connect(m_mapSetForm, &MapSetMiddleForm::signal_setHome, this, [=]() {
        ui->widget_map->SetCurrentPosition(internals::PointLatLng(m_homeLat, m_homeLng));
    });
    // 置于无人机
    connect(m_mapSetForm, &MapSetMiddleForm::signal_setRobot, this, [=]() {
        if (uav) {
            ui->widget_map->SetCurrentPosition(internals::PointLatLng(m_uavLat, m_uavLng));
        }
    });
    // 置于自定义中心
    connect(m_mapSetForm, &MapSetMiddleForm::signal_setCustom, this, [=](double lng, double lat) {
        if (uav) {
            ui->widget_map->SetCurrentPosition(internals::PointLatLng(lat, lng));
        }
    });
    // 无人机超出home设定安全范围
    connect(uav,
        SIGNAL(UAVLeftSafetyBouble(internals::PointLatLng)),
        this,
        SLOT(uavWarnning(internals::PointLatLng)));

    // 用于模拟飞行的定时器，随机生成无人机位置
    timer = new QTimer(this);
    connect(timer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(flySimulation()));
    // 模拟飞行按钮
    connect(ui->btn_simFly, &QPushButton::clicked, this, [=]() {
        if (ui->btn_simFly->isChecked()) {
            timer->start(100);
        } else {
            timer->stop();
        }
    });
}

void UAVManagerWidget::flySimulation()
{
    m_uavLat += 0.000001;
    m_uavLng += QRandomGenerator::global()->bounded(0.000001) - 0.000005;
    internals::PointLatLng ll(m_uavLat, m_uavLng);
    uav->SetUAVPos(ll, 10);
}
  1. MapWidget 地图窗口，继承OPMapwidget。

MapWidget() : 构造函数,选择必应地图，其他的需要科学上网。

cpp 复制代码 
MapWidget::MapWidget(QWidget* parent)
    : mapcontrol::OPMapWidget(parent)
{
    m_conf = NULL;

    configuration->SetAccessMode(core::AccessMode::CacheOnly);
    configuration->SetTileMemorySize(200);
    configuration->SetCacheLocation("./data/");

    SetZoom(4);
    SetMinZoom(4);
    // 地图选择必应
    SetMapType(MapType::BingHybrid);
    // 显示罗盘
    SetShowCompass(true);
    // set initial values
    m_bSelectArea = 0;
    m_pSelectArea1.SetLat(-9999);
    m_pSelectArea1.SetLng(-9999);
    m_pSelectArea2.SetLat(-9999);
    m_pSelectArea2.SetLng(-9999);

    m_homeShow = 1;
    m_homeAlt = 440;
    m_homePos.SetLat(-9999);
    m_homePos.SetLng(-9999);
    m_homeSafearea = 100;

    m_flightHeight = 20;

    // setup menus
    setupMenu();
}

*setConf(QSettings conf) : **配置文件设置，地图加载接口（服务器、缓存）、地图类型、缓存位置、home点和安全区域设置。

cpp 复制代码 
void MapWidget::setConf(QSettings* conf)
{
    m_conf = conf;

    if (m_conf == NULL)
        return;

    // map type & access mode
    {
        MapType::Types mapType;
        core::AccessMode::Types accessMode;
        QString cacheLocation;

        // load settings
        accessMode = (core::AccessMode::Types)m_conf->value("mapWidget_accessMode",
                                                        (int)(core::AccessMode::CacheOnly))
                         .toInt();
        mapType = (MapType::Types)m_conf->value("mapWidget_mapType",
                                            (int)(MapType::GoogleSatellite))
                      .toInt();
        cacheLocation = m_conf->value("mapWidget_cacheLocation", "./MapControl/data/").toString();

        // set configurations
        configuration->SetAccessMode(accessMode);
        configuration->SetCacheLocation(cacheLocation);
        SetMapType(mapType);

        // set accessMode actions
        if (accessMode == core::AccessMode::ServerAndCache) {
            m_actMapAccess_ServerAndCache->setChecked(true);
            m_actMapAccess_Cache->setChecked(false);
        } else if (accessMode == core::AccessMode::CacheOnly) {
            m_actMapAccess_ServerAndCache->setChecked(false);
            m_actMapAccess_Cache->setChecked(true);
        }
    }

    // home & safe area
    {
        m_homeShow = m_conf->value("mapWidget_home_show", m_homeShow).toInt();
        m_homePos.SetLat(m_conf->value("mapWidget_home_lat", m_homePos.Lat()).toDouble());
        m_homePos.SetLng(m_conf->value("mapWidget_home_lng", m_homePos.Lng()).toDouble());
        m_homeAlt = m_conf->value("mapWidget_home_alt", m_homeAlt).toDouble();
        m_homeSafearea = m_conf->value("mapWidget_home_safeArea", m_homeSafearea).toDouble();

        m_flightHeight = m_conf->value("mapWidget_flightHeight", m_flightHeight).toDouble();

        if (m_homeShow) {
            this->SetShowHome(true);
            this->Home->SetCoord(m_homePos);
            this->Home->SetAltitude((int)(m_homeAlt));
            this->Home->SetSafeArea((int)(m_homeSafearea));

            m_actHome_ShowHide->setChecked(true);
        } else {
            m_actHome_ShowHide->setChecked(false);
        }
    }
}

**setupMenu() **: 右键菜单，提供对地图、航点、home、安全区域等各个功能的接口。

cpp 复制代码 
int MapWidget::setupMenu(void)
{
    // setup actions
    m_actMapType = new QAction(tr(u8"地图类型"), this);
    connect(m_actMapType, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actMapType_SelectMap()));

    m_actMapAccess_ServerAndCache = new QAction(tr(u8"服务器和缓存"), this);
    m_actMapAccess_ServerAndCache->setCheckable(true);
    m_actMapAccess_ServerAndCache->setChecked(false);
    connect(m_actMapAccess_ServerAndCache, SIGNAL(triggered()),
        this, SLOT(actMapAccess_ServerAndCache()));

    m_actMapAccess_Cache = new QAction(tr(u8"缓存"), this);
    m_actMapAccess_Cache->setCheckable(true);
    m_actMapAccess_Cache->setChecked(true);
    connect(m_actMapAccess_Cache, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actMapAccess_Cache()));

    m_actWaypoint_add = new QAction(tr(u8"航点添加"), this);
    connect(m_actWaypoint_add, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actWaypoint_add()));
    m_actWaypoint_del = new QAction(tr(u8"航点删除"), this);
    connect(m_actWaypoint_del, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actWaypoint_del()));
    m_actWaypoint_edit = new QAction(tr(u8"航点编辑"), this);
    connect(m_actWaypoint_edit, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actWaypoint_edit()));
    m_actWaypoint_clear = new QAction(tr(u8"航点清除"), this);
    connect(m_actWaypoint_clear, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actWaypoint_clear()));
    m_actWaypoint_save = new QAction(tr(u8"航点保存"), this);
    connect(m_actWaypoint_save, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actWaypoint_save()));
    m_actWaypoint_load = new QAction(tr(u8"航点加载"), this);
    connect(m_actWaypoint_load, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actWaypoint_load()));

    m_actSelectArea_beg = new QAction(tr(u8"选择区域起点"), this);
    connect(m_actSelectArea_beg, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actSelectArea_beg()));
    m_actSelectArea_end = new QAction(tr(u8"选择区域终点"), this);
    connect(m_actSelectArea_end, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actSelectArea_end()));
    m_actSelectArea_clear = new QAction(tr(u8"选择区域清除"), this);
    connect(m_actSelectArea_clear, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actSelectArea_clear()));

    m_actHome_Set = new QAction(tr(u8"设置Home"), this);
    connect(m_actHome_Set, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actHome_Set()));
    m_actHome_Safearea = new QAction(tr(u8"设置Home安全区域"), this);
    connect(m_actHome_Safearea, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actHome_Safearea()));
    m_actHome_ShowHide = new QAction(tr(u8"显示/隐藏Home"), this);
    m_actHome_ShowHide->setCheckable(true);
    m_actHome_ShowHide->setChecked(true);
    connect(m_actHome_ShowHide, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actHome_ShowHide()));

    m_actCacheMap = new QAction(tr(u8"缓存地图"), this);
    connect(m_actCacheMap, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actCacheMap()));

    m_actTrail_clear = new QAction(tr(u8"清除轨迹"), this);
    connect(m_actTrail_clear, SIGNAL(triggered()), this, SLOT(actClearTrail()));

    // setup menu
    m_popupMenu = new QMenu("Menu");

    QMenu* menuAccessMode = m_popupMenu->addMenu(u8"接口类型");
    m_popupMenu->addAction(m_actMapType);
    m_popupMenu->addAction(m_actCacheMap);
    m_popupMenu->addSeparator();
    m_popupMenu->addAction(m_actTrail_clear);
    m_popupMenu->addSeparator();
    m_popupMenu->addAction(m_actWaypoint_add);
    m_popupMenu->addAction(m_actWaypoint_del);
    m_popupMenu->addAction(m_actWaypoint_edit);
    m_popupMenu->addAction(m_actWaypoint_clear);
    m_popupMenu->addAction(m_actWaypoint_save);
    m_popupMenu->addAction(m_actWaypoint_load);
    m_popupMenu->addSeparator();
    m_popupMenu->addAction(m_actSelectArea_beg);
    m_popupMenu->addAction(m_actSelectArea_end);
    m_popupMenu->addAction(m_actSelectArea_clear);
    m_popupMenu->addSeparator();
    m_popupMenu->addAction(m_actHome_Set);
    m_popupMenu->addAction(m_actHome_Safearea);
    m_popupMenu->addAction(m_actHome_ShowHide);

    menuAccessMode->addAction(m_actMapAccess_ServerAndCache);
    menuAccessMode->addAction(m_actMapAccess_Cache);

    return 0;
}

七.最终效果

八.源代码链接

https://download.csdn.net/download/ever__ever/89291117?spm=1001.2014.3001.5503

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