利用ESP32-C6设计一款GNSS航点导航设备

一个月前，我手里拿着一个GNSS模块，心里在想：我可以开发一个导航设备，只要输入目的地的坐标，设备就能在我不走路时持续显示到目标的距离和方向吗?那个简单的问题成为了这个项目开始的起点。

我迅速用ESP32-C6、一个GNSS接收器和一块小型显示屏组装了一个初步原型。编写了一些测试代码后，当我移动时，惊讶地发现系统能够实时计算出到目的地的距离。

然而，有一个主要的局限性。

GNSS模块只有在用户正在主动移动时才能确定运动方向。如果停止行走，航向信息就会变得不可靠，因为接收器不再具备足够的移动数据来计算行进方向。

在研究解决方案的过程中，我发现早在智能手机导航普及之前，专用的航点导航设备就已经被广泛使用。这些设备将位置数据与指南针结合，持续指示目的地的方向。

这激励我为项目添加了一个数字指南针。

通过集成BMM350磁力计，导航仪现在即使在静止不动时也能确定自身方向。结果正是我所设想的：一个紧凑的手持设备，能够实时显示到预设航点的距离和方位角。

更令人印象深刻的是，该系统始终能实现约±5米的精度，这对于DIY导航项目来说非常出色。

本次构建所使用的硬件包括：

•DFRobot FireBeetle 2 ESP32-C6

•重力GNSS定位模块

•Gravity BMM350 三轴磁力计

•Fermion 1.54英寸 240×240 IPS TFT 显示屏

•用于用户输入的旋转编码器

•压电蜂鸣器用于反馈

•便携式使用的锂聚合物电池

为完成项目，所有部件都被封装在一个由Fusion 360设计的紧凑型定制外壳内，将原型机转变为一款实用的手持导航设备。

在本教程中，我将向你展示我是如何设计、组装、编程和测试这款DIY航点导航仪(Pathfinder)的，以便你能自己动手制作一个。

材料

电子产品

•1× DFRobot FireBeetle 2 ESP32-C6

•1× 重力GNSS定位模块

•1× Gravity BMM350 三轴磁力计

•1× Fermion 1.54英寸 240×240 IPS TFT 显示屏

•1× 旋转编码器

•1× 电容式蜂鸣器

•1× 锂聚合物电池

•1× 小型电源开关

硬件

•M2 螺丝套件

•M3螺丝套件

•螺丝刀

制造

•可使用3D打印机或

•预印封装部件

软件

•Arduino IDE

•Autodesk Fusion 360(用于机箱设计与修改)

步骤1：什么是GNSS，它是如何工作的?

在建造路径规划器之前，了解使其成为可能的技术会很有帮助。

什么是GNSS?

GNSS 是全球导航卫星系统的缩写，是用于卫星定位系统的统称，使地球上的接收设备能够确定自身位置。

目前全球正在运行多个GNSS星座：

•GPS(美国)

•GLONASS(俄罗斯)

•伽利略(欧盟)

•北斗(中国)

现代GNSS接收器可同时与多个卫星系统通信，从而提高定位精度，并缩短获取位置信息所需的时间。

GNSS是如何工作的?

每颗GNSS卫星持续广播包含以下信号的信号：

•其在空间中的精确位置

•确切的传输时间

•系统时间信息

GNSS接收器测量这些信号从多个卫星传到它所需的时间。

由于无线电波以光速传播，接收器可以计算出自己与每个卫星之间的距离。

通过结合至少四颗卫星的测量数据，接收器执行一种称为三边测量的过程，以确定：

•纬度

•经度

•海拔

•时间

接收器能接收到的卫星越多，定位精度通常就越好。

简化示例

想象一下，你站在地球的某个地方：

•一颗卫星告诉你，你位于一个大球体的某个位置。

•第二颗卫星缩小了可能的位置范围。

•第三颗卫星进一步降低了可能性。

•第四颗卫星提供了足够的信息，可计算出精确的三维位置。

这一过程持续不断地进行，通常每秒多次。

本项目中的GNSS

路径寻踪器使用一个连接到ESP32-C6的DFRobot重力GNSS定位模块。

GNSS模块持续提供：

•当前纬度

•当前经度

•海拔

•地速

•可见卫星数量

一旦输入目的地航点，ESP32 就会将当前的 GNSS 坐标与目的地坐标进行比较，并计算：

步骤2：到目的地的距离：哈弗斯线公式

一旦导航器知道你的当前位置坐标和目的地坐标，就需要计算这两个点之间的距离。

乍一看，这似乎很简单。然而，地球并非扁平的，而是近似球形的。因此，使用经纬度进行直线计算，在较长距离上会产生不准确的结果。

为了解决这个问题，固件使用了哈弗斯线公式，这是一种著名的导航公式，用于计算球面上两点之间的最短距离。

该公式需要四个输入：

•当前纬度

•当前经度

•目的地纬度

•目的地经度

使用这些坐标，它计算出大圆距离，即两点之间沿地球表面的最短路径。

随着用户移动，此距离会持续更新，使导航器能够实时显示到选定航点的剩余距离。

在固件中，计算出的距离以以下方式显示：

•附近目的地的米数

•长途行驶的公里数

这提供了一种简单直观的方式来跟踪实现目标的进度。

步骤3：前往目的地

只知道距离是不够的，你还得知道该朝哪个方向前进。

这就是轴承计算发挥作用的地方。

轴承是从一个位置到另一个位置的罗盘方向，从地理上的北点顺时针测量。

例如：

•0° = 北

•90° = 东

•180° = 南

•270° = 西

如果导航仪计算出的方位角为90°，则目的地位于你当前位置的正东方向。

如果计算出的方位角为225°，则目的地位于西南方向。

固件使用当前的GNSS坐标和目的地坐标来计算该航向。

示例

想象你站在：

•纬度：17.4000°

•经度：78.5500°

您的目的地是：

•纬度：17.4100°

•经度：78.5600°

轴承计算用于确定从当前位置到航点的方向。在此示例中，目的地大致位于你位置的东北方向。

步骤4：将轴承与数字指南针结合

计算出的方位角告诉我们目的地相对于真北的位置，但无法告诉我们设备当前朝向的方向。

这正是BMM350磁力计发挥作用的地方。

磁力计持续测量设备的朝向，使ESP32能够确定其当前的方向。

固件随后进行比较：

•目标轴承

•当前标题

确定目标位置相对于设备的位置。

例如：

•目标轴承 = 90°(东)

•设备朝向 = 45°(东北)

目的地位于你当前方向的右侧45度。

显示屏上的导航箭头会根据这个差值进行旋转，从而实时引导用户朝向选定的航点前进。

这种结合了GNSS定位、方位计算和数字指南针航向的方式，使Pathfinder即使在用户静止不动时，也能持续指向目的地。

步骤5：我为何选择 FireBeetle 2 ESP32-C6

该项目的核心是DFRobot FireBeetle 2 ESP32-C6，它非常适合用于便携式导航设备。

我选择它主要有三个原因：

•价格实惠——约5.90美元，性价比极高。

•电池友好型——内置锂聚合物电池接口和充电电路，无需额外的充电模块。

•性能强劲——ESP32-C6 能够轻松处理 GNSS 数据、罗盘计算、显示更新和用户输入，且不会因任务过重而影响性能。

另一个主要优势是其内置的Wi-Fi和蓝牙连接功能。无需在设备上直接输入坐标(硬编码)，我只需创建一个简单的网页界面，即可通过本地网络无线传输航点的经纬度值。

这显著提升了用户体验，同时保持了硬件的简单和紧凑。

总体而言，FireBeetle 2 ESP32-C6 为这款 Pathfinder 提供了成本、功能、性能和功耗管理之间的完美平衡。

步骤6：在Fusion 360中设计外壳

我在 Fusion 360 中设计了一个定制外壳，将原型转化为一个紧凑的手持设备。

该装置由三个3D打印部件组成：

主机箱

主机箱包含所有主要部件的安装点，包括：

•FireBeetle 2 ESP32-C6

•GNSS模块

•BMM350 磁力计

•旋转编码器

•压电蜂鸣器

•电源开关

顶部区域还设有专门的GNSS天线安装区，以确保良好的卫星信号接收。侧面设有开口，便于访问ESP32-C6的USB Type-C接口，方便编程和充电。

封面

前面板通过安装螺丝固定1.54英寸TFT显示屏。

还包括：

•旋转编码器切割

•前面板上的装饰性图形

•集成式登山扣环，用于将导航仪固定在背包或装备上

编码器旋钮

第三部分是一个定制设计的旋转编码器旋钮，通过3D打印制成，并压入编码器轴上。

所有外壳部件均设计为无需支撑材料即可轻松打印，并可根据需要进行修改，以适配不同的硬件配置。

您可以从本项目下载 Fusion 360 设计文件和 STL 文件，并根据自身需求进行定制。

步骤7：3D打印零件

CAD设计完成后，是时候打印外壳了。

本次构建中，我使用了：

•外壳和旋钮用橙色PLA

•用于装饰图形和旋钮的黑色PLA

待打印零件

打印以下组件：

•1× 住房

•1× 前封面

•1× 编码器旋钮

我使用标准PLA打印参数，0.4毫米喷嘴和0.2毫米层高打印了所有部件。无需特殊打印设置，所有部件均可在无支撑材料的情况下打印。

步骤8：安装模块

封装完成后，就是将电子元件安装到外壳中的时候了。

安装ESP32-C6：

首先将 FireBeetle 2 ESP32-C6 放置到外壳内的指定安装位置。

确保USB Type-C接口与机箱侧面的开口正确对齐。

对齐后，使用以下方法固定板子：

•2× M2 螺丝

安装GNSS和磁力计模块：

接下来，将GNSS定位模块和BMM350磁力计模块安装到各自指定的安装位置上。

将每个模块上的安装孔与外壳中的凸台对齐，并使用以下方式固定：

•2× M3 螺丝用于 GNSS 模块

•BMM350 模块用 2× M3 螺丝

在拧紧螺丝之前，请确保两个模块都平直地紧贴安装表面。

步骤9：安装编码器、蜂鸣器和电源开关

安装好主模块后，现在是时候安装用户界面组件了。

安装旋转编码器

将旋转编码器安装到外壳内部提供的两个支架上。

对准安装孔，并使用以下方式固定编码器：

•2× M2 螺丝

确保编码器轴在前面板开口处居中，并能自由旋转。

安装蜂鸣器

将压电蜂鸣器轻轻按入外壳上专门设计的插槽中。

蜂鸣器应能紧密安装，无需额外硬件。

安装电源开关

接下来，将电源开关插入外壳上的开关开口。

用力将其压入到位，直到牢固地卡入槽中。

如果开关感觉松动，请涂抹少量速干胶将其固定。注意不要让胶水进入开关内部，以免影响其正常工作。

步骤10：安装GNSS天线

将GNSS天线安装到外壳内的专用天线舱中，如图所示。该外壳设计可牢固固定天线，同时保持其位于设备顶部。

将天线安装到位后，将天线电缆连接到GNSS模块的天线接口上。将接口向下按压，直到听到“咔哒”一声固定到位。

连接器较小且较脆弱，安装时请小心操作。避免拉扯电缆本身，应始终用手握住连接器本体进行操作。

步骤11：将所有线路连接起来

到目前为止，组装过程相当干净且简单。现在是将所有部分连接起来的关键环节：布线和焊接。

GNSS模块和BMM350磁力计

GNSS接收器和BMM350磁力计均通过I²C接口与ESP32-C6通信。

连接以下引脚：

•模块到ESP32-C6

•GND~ GND

•VCC~ 3.3V

•SDA~ SDA

•SCL~ SCL

由于两个模块都使用I²C，因此可以共享相同的SDA和SCL线路。

旋转编码器

按以下方式连接旋转编码器：

•编码器转ESP32-C6

•GND~ GND

•VCC~3.3V

•A~ GPIO 6

•B~ GPIO 7

•C~ GPIO 2

蜂鸣器

按以下方式连接压电蜂鸣器：

•蜂鸣器到ESP32-C6

•GND~ GND

•信号(+)～ GPIO 4

电池与电源开关

将锂聚合物电池连接到ESP32-C6上的电池接口。

为了使设备能够开关，将电源开关与电池的正极线串联。

接线顺序：

•电池(+)→ 开关 → ESP32 电池(+)

•电池(-)→ ESP32 电池(-)

这使得当设备未使用时，开关可以切断整个系统的电源。

所有连接完成后：

•检查所有焊点。

检查相邻导线之间是否有短路。

•在为设备通电前，请确认电池极性正确。

•线路整齐铺设，以防止最终组装时干扰外壳。

一切接线和测试完成后，即可安装显示屏并关闭机箱。

步骤12：安装显示屏

所有内部组件接线完成后，现在可以将显示屏安装到前面板上了。

将1.54英寸TFT显示屏安装在前面盖板的显示屏开口后方，并将显示屏的安装孔与盖板上提供的安装柱对齐。

对齐后，使用以下方式固定显示屏：

•2× M2 螺丝

确保显示屏平贴在盖板上，并居中放置于显示窗口内，以获得最佳外观效果。

安装完成后，前盖组件已准备好与主壳体连接，并可进行最终装配。

步骤13：将显示屏连接到ESP32

由于显示屏和FireBeetle ESP32-C6使用了GDI(通用显示接口)连接器，这一步在整个构建过程中是最简单的之一。

只需使用显示屏附带的GDI数据线，将一端连接到显示屏，另一端连接到ESP32-C6上的GDI接口即可。

由于电源和通信信号都通过同一根电缆传输，因此无需额外布线。

在连接电缆之前，请仔细检查连接器的方向，并与参考图进行对比。错误连接电缆可能导致显示屏无法正常工作。

步骤14：最终组装

所有电子元件安装并测试完毕后，现在可以关闭机箱，完成整机组装。

将锂聚合物电池小心地放入外壳中，并整齐排列电线，以防止外壳关闭时电线被夹住。

接下来，将前面板安装到外壳上，并检查以下内容：

•两部分之间没有电线被卡住。

•显示电缆已安全布设。

•编码器轴可顺利穿过盖板开口。

一切就位后，使用以下方法固定盖子：

•3× M3 螺丝

从盖子背面插入螺丝，并均匀拧紧，直到机箱牢固闭合。

组装完成后，将3D打印的编码器旋钮安装到编码器轴上，并确认其旋转顺畅。

您的DIY路径探测器现已完全组装完毕，可进行电源启动、配置和现场测试。

步骤15：刷写固件

硬件组装完成后，最后一步是将Pathfinder固件上传到ESP32-C6。

下载Pathfinder固件：

在上传代码之前，请从 GitHub 下载最新的 Pathfinder 固件：Pathfinder GitHub 仓库

•下载压缩包。

•解压ZIP文件。

•在Arduino IDE中打开Pathfinder.ino项目。

安装 Arduino IDE：如果尚未安装，请从官方网站下载并安装 Arduino IDE：

•下载 Arduino IDE

•使用默认设置进行安装

安装ESP32板载软件包：

•打开 Arduino IDE

•前往“文件”→“首选项”

•在附加的管理板 URL 中，添加：

•点击确定

•前往工具 → 板件 → 板件管理器

•搜索ESP32

•通过 Espressif Systems 安装 ESP32

安装所需库

DFRobot GNSS 库：

•开放库管理器

•草图 → 包含库 → 管理库

•搜索：

•点击安装

DFRobot GDL 显示库：

搜索：

并安装最新版本。

安装 BMM350 库：

目前必须手动安装 BMM350 库。

•访问 DFRobot BMM350 GitHub 仓库：DFRobot BMM350 GitHub 仓库

•点击代码 → 下载ZIP

•在 Arduino IDE 中，前往：Sketch → 包含库 → 添加 ZIP 库

•选择已下载的ZIP文件。

该库现在将被添加到您的Arduino安装中。

选择正确的电路板：

使用 USB Type-C 数据线将 FireBeetle 2 ESP32-C6 连接到电脑。

然后配置Arduino IDE：

•主板：DFRobot FireBeetle 2 ESP32-C6

•端口：选择与您的设备对应的COM端口

•点击上传。

•等待编译和刷写完成。

上传成功后，路径查找器将自动重启并显示启动界面。

步骤16：连接到接入点并配置Pathfinder

刷入固件后，现在是时候配置你的Pathfinder了。

连接到Pathfinder Wi-Fi网络：

使用电源开关打开Pathfinder。

启动后，设备将自行创建Wi-Fi接入点。

•打开手机或电脑上的Wi-Fi设置。

•寻找路径探测器热点。

•使用密码登录：

打开配置门户：

连接到Pathfinder网络后，打开网页浏览器并访问以下地址：

你应该看到路径规划器的配置界面。

添加途经点：

通过网页界面，输入您要保存的每个位置的详细信息：

•地点名称

•纬度

•经度

点击保存以存储航点。

您可以添加多个位置，这些位置之后将直接在路径规划器中可用。

设置您的时区：

网页界面还提供时区选择菜单。

简单来说：

•选择您所在时区。

•点击保存。

这可确保设备显示正确的本地时间。

持久化存储：

所有航点和时区信息均存储在ESP32的非易失性存储器(NVS)中。

这意味着即使设备关闭，您的设置仍会保存。

保存后，位置将自动加载，并在路径规划器菜单系统中可用。

校准指南针：

在使用路径导航前，必须先校准指南针。

开始校准

•双击编码器旋钮以打开菜单。

•使用旋转编码器滚动。

•选择设置。

•打开校准指南针。

校准过程将引导您完成八个方向的指南针设置：

•北(N)

•东北(NE)

•东(E)

•东南(SE)

•南(S)

•西南(SW)

•西(W)

•西北(NW)

每个方向：

•身体朝向指定方向。

•按下编码器旋钮以记录测量值。

•移动到下一个方向并重复。

这通常是一次性设置，除非设备被移动到新环境或指南针性能发生变化。

故障排除：

如果发现导航箭头没有准确指向目的地：

•重复罗盘校准过程。

•在每次校准步骤中，请确保面向正确的方向。

•校准时请将设备远离大型金属物体或强磁场。

开始导航：

当您的位置已添加并校准好指南针后：

•双击编码器旋钮以打开菜单。

•选择一个已保存的位置。

主屏幕现在将显示：

•到所选目的地的距离

•指向目标的箭头方向

•附加导航信息

移动时，距离会实时更新，而指南针则会持续将导航箭头指向你选定的航点。

步骤17：路径查找器代码的工作原理

路径规划器固件结合GNSS接收器和BMM350磁力计的数据，实现实时航点导航系统。

从总体上看，固件执行以下五项主要任务：

1. 读取GNSS数据

GNSS模块持续提供：

•纬度

•经度

•海拔

•速度

卫星数量

•UTC 时间

此信息用于确定设备在地球任何位置的当前位置。

2. 加载已保存的航点

设备启动时，会从ESP32的非易失性存储(NVS)加载所有已保存的航点和设置。

包括：

•已保存的位置

•纬度和经度值

•所选时区

•设备设置

由于数据存储在NVS中，即使设备关闭后仍可保留。

3. 计算距离和方位角

一旦选择了一个航点，固件就会进行比较：

•当前GNSS坐标

•目的地坐标

使用哈弗斯线公式，可计算地球表面两点之间的最短距离。

该代码还计算了方位角，表示目的地相对于真北方向的方向。

结果是：

•到目标的距离

•目标方向

4. 读取磁力计

BMM350 持续测量地球磁场。

利用这些读数，固件计算设备的当前航向。

与GNSS航向不同，指南针即使在用户静止站立时也能继续工作。

这使得路径寻路者始终知道它朝向的方向。

5. 绘制导航箭头

最终的导航箭头是通过以下方式计算得出的：

•如果目的地在正前方，箭头则指向直上。

•如果目标在左侧或右侧，箭头将相应旋转。

这一过程持续不断，提供实时导航指引。

调试方向问题

根据磁力计在机箱内的安装方式，指南针方向可能与预期方向不一致。

常见症状包括：

•箭头指向相反方向

•箭头显示为镜像

•南北互换

•东与西互换

为了解决此问题，Pathfinder 包含两种指南针配置设置：

heading_offset：此值用于旋转整个指南针方向。

示例：

未应用旋转。

指南针旋转了90度。

指南针旋转180度。

如果指南针持续以固定的角度指向错误的方向，请调整此数值。

典型值：

•0°

•90°

•180°

•270°

反向指南针：此设置可反转指南针的旋转方向。

正常运行。

反向标题计算。

如果使用此选项：

•向左转弯会使箭头向右移动。

•向右转会使箭头向左移动。

指南针行为似乎被镜像了。

快速调试步骤

上传固件后：

测试1：面向北方

使用手机的指南针，朝北方向前进。

路径导航仪的朝向应显示约为：0° 或 360°

测试2：顺时针旋转

缓慢顺时针旋转。

标题应平滑递增：

如果数值反而减少，请尝试：

反向指南针 = !反向指南针;

测试3：检查方向

如果北方看起来像南方：

如果北面出现为东面：

如果北面显示为西面：

这两种设置可使固件在无需更改硬件的情况下，补偿不同磁力计安装方向的影响。

本文编译自hackster.io