CN101332723A - 基于超声波定位技术的大幅面打印系统 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波定位技术的大幅面打印系统，完全不同于传统打印机的结构和模式，只需要将超声波定位器放置在打印区域四周，就可以实现对单台或多台移动打印设备进行定位和定向，从而完成不受幅面限制的打印。

Description

基于超声波定位技术的大幅面打印系统

所属技术领域

本发明涉及一种能在室内或室外进行大幅面、高清晰度、高速度的大幅面打印系统。

背景技术

目前，在大幅面打印领域，包括针式、喷墨、喷蜡、激光等打印技术，供纸方式通常都是采用纸辊，用以打印连续长度但宽度固定的幅面。其不足之处是：打印宽度仍然受限制；打印介质受限制；打印速度也很难更大幅度提高。

发明内容

针对目前大幅面打印的不足之处，本发明提出了一种基于超声波定位技术的打印系统。本系统采用超声波定位方式定位移动打印设备，可以使得一个或多个移动打印设备同时打印。本文所指的移动打印设备(2)或(3)，可以是一种程序控制的自动打印机器人，也可以是靠外力驱动的自动打印设备，该移动打印设备靠超声波进行定位，可以根据需要安装彩色打印头。

本发明要解决的主要技术问题是定位精度的问题，因为定位精度直接关系到打印精度。传统的超声波距离测量系统，由于受温度、气压、风速等诸多因素影响，测距系统需要对计算结果进行修正或补偿，但是精度通常只有到厘米级，这个精度无法进行高精度打印。本发明则采用三点定位原理，即平面上知道三点的位置，并测得另外某点分别距三点的距离，则该点的位置也就知道了。本系统采用3个或3个以上超声波定位器(1)，安排在打印区域四周。移动打印设备(2)或(3)通过计算同一时刻多个超声波定位装置的反馈时间来得到每个超声波定位器(1)距离移动打印设备(2)或(3)的相对距离，进而计算出移动打印设备(2)或(3)自身的坐标位置。由于通常情况下，温度、气压、风速等参数在同一地点同一时刻具有相同值，即使这些参数改变，对不同的超声波定位器(1)的影响也是相同的。故温度、气压、风速等因素对精度的影响就可以基本忽略。因此定位精度也可以很容易达到毫米级甚至更高，应用于大幅面打印，这个精度是可以接受的。

本发明的主要设备是超声波定位器(1)、移动打印设备(2)或(3)。本发明的思路是，采用3个或3个以上超声波定位器(1)，安排在打印区域(5)四周，放置超声波定位器(1)时，不用测量超声波定位器(1)的位置，只要分散开就可以。打印区域(5)的内部放置1台移动打印设备(2)或多台移动打印设备(3)，可以手动或自动打印。移动打印设备(2)或(3)与超声波定位器(1)之间通过超声波测量它们之间的相对距离。超声波定位器(1)与其它超声波定位器(1)之间也通过超声波测量它们之间的相对距离。移动打印设备(2)或(3)在打印之初只需要知道至少2个矩形打印区域(5)的端点位置。剩下的就是自动打印过程。

采用基于超声波定位技术的大幅面打印系统的有益效果是：可以实现在比较平整的大型平面，包括大幅面纸张、墙壁、广告牌等水平面上进行基本不受幅面限制的大幅面打印；可以实现单台设备或多台设备分布式自动打印；也可以实现手持设备在垂直的墙壁上进行大幅面打印，就像刷油漆一样。例如用于室内装饰，可以实现直接在墙壁上的印刷。如果是垂直的大型平面，如在大型户外广告牌上，则可以采用多台类似吸盘式爬壁机器人的设备进行大幅面高速度的自动图像打印，从而节省大量人力物力，节约成本。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明采用单台移动打印设备方案(以下称：方案一)的工作示意图。

图2是本发明采用多台移动打印设备方案(以下称：方案二)的工作示意图。

图3是本发明采用方案一时的超声波信号传递示意图。

图4是本发明采用方案二时的超声波信号和无线电信号传递示意图。

图5是超声波定位器(1)内部模块图。

图6是移动打印设备(2)内部模块图。

图7是移动打印设备(3)内部模块图。

图8是移动打印设备(2)或(3)的定位打印工作流程图。

图9是超声波定位器(1)工作流程图。

图10是超声波定位精度示意图。

图11是移动打印设备(2)或(3)初始化过程定位和定向原理图。

图12是移动打印设备(2)或(3)打印过程中定位和定向原理图。

图中：(1)为超声波定位器；(2)为方案一的移动打印设备；(3)为方案二的移动打印设备；(4)为计算机控制器；(5)为打印区域；(6)为超声波；(7)为无线电波；(8)为超声波定位器(1)的控制系统；(9)为超声波定位器(1)的超声波信号收发系统；(10)为移动打印设备(2)的控制系统；(11)为移动打印设备(2)的超声波信号收发系统；(12)为移动打印设备(2)的存储系统；(13)为移动打印设备(2)的打印系统；(14)为移动打印设备(2)的驱动系统；(15)为移动打印设备(3)的控制系统；(16)为移动打印设备(3)的超声波信号收发系统；(17)为移动打印设备(3)的无线电信号收发系统；(18)为移动打印设备(3)的存储系统；(19)为移动打印设备(3)的打印系统；(20)为移动打印设备(3)的驱动系统；(21)为移动打印设备(2)或(3)工作流程的初始化过程；(22)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之判断是否打印完成；(23)为移动打印设备(2)或(3)工作流程的发送和接收超声波定位器反馈信号过程；(24)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之判断反馈有效信息的超声波定位器数量是否不小于3；(25)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之判断超声波定位器(1)的反馈信号是否有效；(26)为移动打印设备(2)或(3)工作流程的计算当前位置过程；(27)为移动打印设备(2)或(3)工作流程的判断是否在直线移动的不同2点进行了不少于2次的定位；(28)为移动打印设备(2)或(3)工作流程的直线移动过程；(29)为移动打印设备(2)或(3)工作流程的计算当前方向过程；(30)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之判断是否方向正确；(31)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之判断是否无须改变方向；(32)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之判断是否无须改变自身位置到另一位置打印；(33)为移动打印设备(2)或(3)工作流程修正方向和位置过程；(34)为移动打印设备(2)或(3)工作流程之在可控制位置和方向精度的范围内进行打印的过程；(35)为超声波定位器(1)工作流程的初始化过程；(36)为超声波定位器(1)工作流程之接收超声波信号过程；(37)为超声波定位器(1)工作流程之判断信号是否是发给本定位器；(38)为超声波定位器(1)工作流程之反馈超声波信号过程；(39)所指的圆环宽度为超声波信号受温度、气压、风速等诸多因素影响后的误差范围；(40)所指的黑色实心圆的直径为移动打印设备(2)或(3)进行超声波定位时，打印区域内同一时刻不同的超声波定位器(1)与移动打印设备(2)或(3)之间进行超声波信号传输时受温度、气压、风速等诸多因素影响都不相同时的最大误差范围的直径。(41)是坐标原点位置，(41)(42)(43)(44)所围成的矩形区域就是打印区域(5)。(45)(46)(47)是超声波定位器(1)在坐标系中的位置。(48)(49)是打印过程中移动打印设备(2)或(3)在坐标系中直线移动过程中前后两次定位的位置。

具体实施方式

本发明的实施方案有两种，即单台移动打印设备的方案(以下称：方案一)(图1)和多台移动打印设备方案(以下称：方案二)(图2)。方案一，即图1所示，由1台移动打印设备(2)，3台或3台以上超声波定位器(1)组成。图像文件可以事先存储在移动打印设备(2)上，移动打印设备(2)确定自身的位置和方向之后便调用自身携带的图像文件进行打印。

方案二，即图2所示，由1台计算机控制器(4)，多台移动打印设备(3)，3台或3台以上超声波定位器(1)组成。图像文件存储在计算机控制器(4)内。计算机控制器根据需要，对每个移动打印设备(3)分配区域，并通过无线电信号把相应区域的部分图像数据传递给移动打印设备(3)。移动打印设备(3)确定自身的位置和方向之后便调用自身携带的部分图像文件在计算机控制器(4)所分配的区域进行打印。

设备配置和工作流程：

超声波定位器(1)：内部组成见图5，由控制系统(8)和超声波信号收发系统(9)组成。控制系统(8)可以是单片机系统。超声波信号收发系统(9)可以采用普通超声波收发模块。超声波收发系统的超声波传感器指向角应大于120度或者采用全向型超声波传感器。超声波定位器(1)采用电池供电。超声波定位器(1)的固定方法有很多种，例如其底座可以采用胶类物质，磁性物质，或者吸盘等方式将自身固定在打印区域(5)的四周。

超声波定位器(1)的工作流程见图9。系统初始化(35)之后，便开始循环接收信号(36)，辨别信号(37)和反馈信号(38)的过程。工作时的某一时刻，每个超声波定位器(1)会接收移动打印设备(2)或(3)发来的信号，即流程(36)，之后把这些信号反馈给移动打印设备(2)或(3)，即流程(38)。同时，在流程(38)中，每个超声波定位器(1)也会发射信号给其它超声波定位器(1)，一旦超声波定位器(1)收到其它超声波定位器(1)反馈的信号之后，即流程(36)，会把超声波定位器(1)与其它超声波定位器(1)之间的信号传送时间再反馈给移动打印设备(2)或(3)，流程(38)。发给不同设备的信号，以及接收到的信号和反馈信号的编码都是不相同的，这样有利于区分不同信号和避免信号相互干扰。本流程图中可以没有结束状态，这样可以简化流程和节约成本，打印完成之后可以直接关闭超声波定位器(1)的电源。

移动打印设备(2)：内部组成见图6，由控制系统(10)、超声波信号收发系统(11)、存储系统(12)、打印系统(13)、驱动系统(14)组成。控制系统(10)负责协调和控制其它系统，通常由单片机系统完成此任务。超声波信号收发系统(11)利用全向型超声波传感器进行与超声波定位器(1)之间的信息交互。存储系统(12)用于存储要打印的图像文件，并接受控制系统(10)的调用。该存储系统可以是使用读卡器读取存储卡的形式，也可以是使用USB(通用串行总线)存储器的形式，或者是使用内置可擦除存储器的形式等。打印系统(13)可以是喷墨，针式或者激光等打印部件。打印系统(13)接受控制系统(10)的指挥和调用。驱动系统(14)是移动打印设备(2)的负责移动的机电部件，如果是在水平面工作，可以采用2台步进电机分别控制2个主动轮进行转向和行走。如果是在垂直平面工作，则可以采用吸盘式行走机构。驱动系统(14)接受控制系统(10)的指挥。移动打印设备(2)由电池进行供电。

移动打印设备(2)的主要工作流程见图8。首先是系统初始化(21)，该过程完成设备自检，并初始化某些参数。例如，将移动打印设备(2)直线移动路径的不同位置的定位次数置0，将移动打印设备(2)在某时刻接收到的超声波定位器(1)的反馈有效定位信息的超声波定位器(1)的数量置0。这些参数在每计算一个新的位置或方向之前都会被清零。接着是判断当前环境下单位时间内超声波的传播距离和移动打印设备(2)的机械部分匀速行走的距离之间的关系，这个过程由设备打印前自动完成，目的是在打印过程中如果遇到温度、气压、风速等环境参数改变时，移动打印设备(2)可以自动调整所在坐标的位置，以保持打印精度。然后进入大循环，判断是否打印完成(22)，如果打印未完成，则开始确定自身目前所处的坐标位置(23)(24)(25)(26)和确定所面对的方向(27)(28)(29)，如果位置和方向不正确(30)(31)(32)则进行移动和修正(33)，直到到达指定位置和方向而且无须修正，才开始在可有效控制打印精度的一段路径上进行打印(34)。之后就会开始大循环的第二个循环，即到新的位置开始第二段路径的打印工作。这个大循环会一直持续到打印完成才结束。其中(23)是某一时刻每个超声波定位器(1)接收移动打印设备(2)和其它超声波定位器(1)发送的超声波信号，并反馈信号给移动打印设备(2)和其它超声波定位器(1)的过程。之所以要判断每个超声波定位器(1)之间的超声波信号传送周期，目的是为了把打印过程中超声波定位器(1)之间的超声波信号传送周期和设备初始化时的这个信号周期做比较，如果比较后不一致，则表示环境参数已经改变，相应地移动打印设备(2)要按变化比例调整自身坐标位置。(24)是判断是否有不少于3个超声波定位器反馈了信号，因为如果少于3个反馈信号就无法完成三点定位。如果有不少于3个信号得到了反馈，接着要检查信号是否有效(25)，例如时延过长或信号无法识别等情况，该信号就会被判为无效信号。如果有效信号的数量少于3个，就会再次进入超声波定位循环，直到得到了不少于3个的有效信号。得到不少于3个有效信号后，就开始优选3个最佳信号，并计算出移动打印设备(2)所处的位置(26)。计算过程(26)采用三点定位的方法，超声波定位器(1)相互之间的信号传送时间是已知的，移动打印设备(2)与所有超声波定位器(1)相互之间的信号传送时间也是已知的，设备初始化当时环境下单位时间内超声波的传播距离和移动打印设备(2)的机械部分匀速行走的距离之间的关系是已知的，所以有了这么多已知条件，很容易计算出移动打印设备(2)所在的当前坐标位置。流程(27)是判断是否已经进行了直线行走路线上的第二次定位，如果进行了两次定位，则根据两点确定一条直线的原理，移动打印设备(2)的行走方向与坐标轴的倾角就确定了，也就是确定了移动打印设备(2)所面对的方向，计算方向的流程是(29)。流程(30)是判断移动打印设备(2)所面对的方向是否在打印的直线方向上，这个方向通常是水平的。流程(31)是判断是否当前打印区域已经打印结束或遇到障碍等情况，需要改变方向到其它位置打印。流程(32)是判断是否当前打印区域已经打印结束或遇到障碍等情况，需要改变位置到其它位置打印。(30)(31)(32)中只要有一个流程需要改变移动打印设备(2)的方向或者位置就会进入流程(33)，流程(33)是移动并修正方向和位置的过程，并且重新计算方向和位置之前，将移动打印设备(2)直线移动路径的不同位置的定位次数置0，将移动打印设备(2)在某时刻接收到的超声波定位器(1)的反馈有效定位信息的超声波定位器(1)的数量置0。如果经过判断流程(30)(31)(32)的判断之后，可以在当前直线路径上继续打印，则进入打印流程(34)。打印流程(34)是在可以确定方向、位置以及精度的一段路径上边移动边打印的过程。之后系统会再次进入新的定位、定向和打印循环。

移动打印设备(2)在整个过程中除了打印之外，更多的是不断地的对位置和方向的确认，这样做的目的是保持较高的打印精度，并将机械移动带来的误差减到最小。

移动打印设备(3)：内部组成见图7。由控制系统(15)、超声波信号收发系统(16)、无线电信号收发系统(17)、存储系统(18)、打印系统(19)、驱动系统(20)组成。和移动打印设备(2)类似，只是增加了无线电信号收发系统(17)。无线电信号收发系统(17)接受控制系统(15)的控制和管理。移动打印设备(3)的内置存储器的存储系统(18)，和移动打印设备(2)的存储系统(12)类似，通常用来保存计算机控制器(4)分配过来的部分图像文件。工作中的移动打印设备(3)实时地把自身工作状态和进度通过无线电反馈给计算机控制器(4)。

除了通过无线电进行的信息反馈之外，每台移动打印设备(3)在所分配的区域的工作和移动打印设备(2)在整个打印区域(5)的工作流程是相同的，所以不再赘述。

计算机控制器(4)：计算机控制器(4)可以是普通的计算机，但需要配置相应的无线通信模块和管理软件。由于用于大幅面打印的图像文件大小通常是几兆字节至几百兆字节，甚至更大，所以无线传输的带宽不能太小。可以采用WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)，UWB(Ultra-Wideband，超宽带)或其它类型的高速无线传输模块和网络完成无线电通信。计算机控制器(4)负责协调和控制多个移动打印设备(3)。

计算机控制器(4)负责通过无线电信号给所有移动打印设备(3)分配工作区域，并将图像的部分或全部数据通过无线电发送给移动打印设备(3)。在一次打印任务中通常只进行一次任务分配，除非某台移动打印设备(3)遇到问题，例如：因故障停机、电池耗尽、打印耗材耗尽等等情况，计算机控制器(4)才会自动地重新对所有移动打印设备(3)进行区域规划和任务分配。

定位和定向过程：

见图11和图12。图中虚线代表超声波测量得到的两点间的信号的传送时间。

假设采用了方案一，即采用了移动打印设备(2)，因为方案二的计算过程与此相同。假设采用了三台超声波定位器，它们在坐标系中的位置分别为(45)、(46)和(47)。矩形打印区域(5)的四个角在坐标系的位置分别是(41)、(42)、(43)和(44)，其中(41)与坐标系原点O重合。(41)和(44)两点所确定的直线在X轴上，(41)和(42)两点所确定的直线在Y轴上。当然所有假设只是为了方便说明计算过程，并不代表不可以用其它坐标位置和方案。

开始打印之前，在打印区域外围比较分散地随意放置3台超声波定位器。这时移动打印设备(2)并不知道矩形打印区域的位置和超声波定位器的位置，整个打印系统并没有任何打印区域(5)和超声波定位器(1)在坐标系中的位置信息。打印系统初始化时，只需要人为地将移动打印设备(2)放置在位置(41)，并让移动打印设备(2)记录下此位置的信息，即图11中虚线代表的超声波信号传送时间的信息，也就是相对的距离信息。然后再将移动打印设备(2)放置在位置(44)，再次记录此时的位置信息。两次的位置信息确定了矩形打印区域(5)左上角和右上角在坐标系中的位置，即(41)和(44)。(42)和(43)的位置也可以自动确定下来。同时也确定了3台超声波定位器在坐标系中的位置，即(45)、(46)和(47)。剩余工作都是系统自动完成，不需要人为干预。移动打印设备(2)会自动测量(41)至(44)的实际路径长度，并与计算得到的(41)至(44)的超声波信号周期进行对应，换句话说，就是得到了单位时间内超声波的传播距离和移动打印设备(2)的机械部分匀速行走的距离之间的关系。如果在打印过程中遇到环境参数改变，也就是说由超声波定位器组成的三角形(45)(46)(47)会变大或变小，移动打印设备(2)则自动根据初始化时的测量的单位时间内超声波的传播距离和移动打印设备(2)的机械部分匀速行走的距离之间的关系做出调整，并得到正确的不受环境影响的数据信息。

图12是打印过程中用于计算位置和方向的原理图。(48)和(49)是打印区域(5)内某段打印路径上的两个端点。(48)和(49)的位置就像在确定(41)和(44)的位置时一样，可以很容易通过三点定位的原理计算出它们的位置。而(48)和(49)两点所确定的直线的方向也就很容易计算出来。所以(48)和(49)的位置和方向如果正确，移动打印设备(2)就会在(48)和(49)的区域内，以及它们的延长线的某段区域内进行打印。

定位精度：

由于系统采用了三点定位原理。所有超声波定位器(1)所组成的三角形或其它几何图形中的任意两个超声波定位器(1)的超声波信号传送周期会同步地变大或变小，而且系统会自动对照初始化时的信息进行调整，因此整个系统对温度等外界环境参数的改变不敏感。故整个打印系统的定位精度会很高。图10是对定位精度粗略研究的一个示意图，(39)表示的单向的1台移动打印设备(2)或(3)与1台超声波定位器进行信号周期测量时的误差，这个误差主要由温度导致。(40)所指的黑色实心圆的直径为(2)或(3)进行超声波定位时，打印区域内同一时刻不同的超声波定位器(1)与移动打印设备(2)或(3)之间进行超声波信号传输时受温度、气压、风速等诸多因素影响都不相同时的最大误差范围的直径。但是同一时刻不同路径上的温度、气压、风速等诸多因素都不同或不相关，这在几平方米甚至是几百平方米的打印区域范围内基本上都是不成立的，温度、气压、风速等在打印区域所在的范围内基本上都是同时发生相同的变化。所以实际的(40)所表示的误差范围会远远小于图10所示的误差范围。

操作过程：

第一步是将图像文件存储到移动打印设备(2)或计算机控制器(4)中。第二步是人工确定打印区域(5)的边界位置，并作标记。在打印区域(5)外侧放置或固定至少3个超声波定位器(1)，超声波定位器(1)的放置位置不需要很精确，只要大致分布在打印区域(5)的四周即可。第三步是让移动打印设备(2)或(3)知道边界的位置。例如：矩形的打印区域边界的确定，只需要让一台移动打印设备(2)或(3)确定四个端点的其中两个端点的位置即可，例如左上角和右上角的端点位置。这两个端点位置的确定可以通过人工将移动打印设备(2)或(3)放置在这两个点，让移动打印设备(2)或(3)自动记录着两个位置，并让移动打印设备(2)或(3)设为坐标原点和X轴的打印终点，同理也可以设置其它位置的两个点。矩形打印区域剩余的两个端点位置可以由移动打印设备(2)或(3)自动确定。第四步是将移动打印设备(2)或(3)放置到打印区域内。第五步是进行打印，整个打印过程由整套设备自动完成。操作过程非常简单。

Claims (3)

1.一种大幅面打印系统，主要由超声波定位器(1)和移动打印设备(2)或(3)构成，其特征是系统采用了超声波三点定位的原理对移动打印设备(2)或(3)进行定位和定向。

2.根据权利要求1所述的大幅面打印系统，其特征是超声波定位器(1)的数量不少于3个。

3.根据权利要求1所述的大幅面打印系统，其特征是超声波定位器(1)的位置可以比较随意地放置在打印区域周围。

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