CN107718896B - 大地打印系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大地打印系统和方法。该大地打印系统包括基站计算机和多个移动打印站。该基站计算机向多个移动打印站分配和发送相应的大地路径文件，并且多个移动打印站根据被分配的大地路径文件以及由全球定位系统导航器和电子罗盘提供的信息在大地上进行打印。该大地路径文件包含打印图案的点线位置信息、尺寸信息、颜色信息，以及移动打印站的路径规划信息。

Description

大地打印系统和方法

技术领域

本申请涉及打印领域。更具体地，本申请涉及用于在大地上进行打印的系统和方法。

背景技术

目前的办公室打印机一般用于在纸张(如A4、B5大小的纸张)上进行打印。晒图机或数码蓝图机用于打印蓝图，打印尺度一般小于10米。平板打印机，也称万能打印机，可以在木材、石材、金属、塑料、玻璃等表面进行彩色打印，打印尺度一般是2～3米。UV喷绘机能够在多种材料表面进行彩色喷绘，打印尺度一般为3～4m。

发明内容

本发明提供一种大地打印系统，该大地打印系统包括：多个移动打印站，所述多个移动打印站中的每个均包括电动车辆底盘、用于提供电力的直流电源、嵌入式处理设备、通信模块、第一智能手机、全球定位系统导航器、电子罗盘、两个电机驱动器、两个直流无刷电机、两个驱动轮、多个颜料储存器以及多个颜料投放器；以及基站计算机，用于根据CAD格式文件生成大地路径文件，并且将所述大地路径文件传送给所述多个移动打印站，其中所述大地路径文件包含打印图案的点线位置信息、尺寸信息、颜色信息以及用于所述多个移动打印站的路径规划信息，其中所述全球定位系统导航器、所述通信模块和所述两个电机驱动器通过串口连接至所述嵌入式处理设备，所述电子罗盘通过SPI接口连接至所述嵌入式处理设备，所述颜料投放器通过I/O端口连接至所述嵌入式处理设备，所述两个直流无刷电机用于在所述两个电机驱动器的控制下驱动所述两个驱动轮，所述多个颜料投放器中的每个包括电磁阀和功放模块，所述电磁阀用于控制所述颜料储存器中的颜料的投放，并且所述第一智能手机通过无线局域网与所述通信模块通信并且通过移动通信网络与所述基站计算机通信，其中所述嵌入式处理设备通过所述第一智能手机以及所述通信模块从所述基站计算机接收所述大地路径文件并且从所述全球定位系统导航器和所述电子罗盘接收位置和航向信息，并且根据所述大地路径文件和所述位置和航向信息指示所述两个电机驱动器控制所述两个直流无刷电机的转速和旋转方向，并且其中所述嵌入式处理设备进一步输出开关信号来通过所述多个颜料投放器中每个颜料投放器的所述功放模块驱动所述电磁阀，以控制所述多个颜料储存器在所述大地路径文件中规定的预定行驶路径的预定位置投放颜料。

本发明还提供了一种由计算机执行的方法，包括以下步骤：接收标准CAD格式文件；通过向所述标准CAD格式文件添加打印图案的位置信息、尺寸信息和颜色信息，将接收到的标准CAD格式文件转换为大地打印文件；通过向所述大地打印文件添加多个移动打印站的路径规划信息而将所述大地打印文件转换为大地路径文件；以及将所述大地路径文件传送给所述多个移动打印站。

本发明还提供了一种大地打印方法，包括以下步骤：由嵌入式处理设备通过第一智能手机从基站计算机接收大地路径文件；由嵌入式处理设备从全球定位系统导航器和电子罗盘接收位置信息和航向信息；由嵌入式处理设备根据所述大地路径文件和所述位置信息、所述航向信息和所述倾角信息指示电机控制器控制直流无刷电机的转速和旋转方向；以及由嵌入式处理设备输出开关信号来通过功放模块驱动与颜料储存器耦接的电磁阀的开关动作，以控制颜料储存器在所述大地路径文件中规定的预定行驶路径的预定位置的颜料投放，其中所述大地路径文件包含打印图案的点线位置信息、尺寸信息、颜色信息，以及移动打印站的路径规划信息。

附图说明

现在将参考附图并仅通过非限制性示例来描述示例，其中：

图1是根据本发明的大地打印系统的构造示意图。

图2示出根据本发明的移动打印站的构造示意图。

图3是根据本发明的基站子系统和移动打印站之间的通信原理图。

图4是根据本发明的基站子系统的工作流程图。

图5是根据本发明的移动打印站的嵌入式处理设备的工作流程图。

图6是根据本发明的移动打印站的嵌入式处理设备的工作原理图。

图7是根据本发明的用于向移动打印站传送的大地路径文件的生成流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种在大地上进行打印的系统。该系统可以根据用户输入的打印文件自动地打印图案。打印文件一般是CAD格式文件。所打印的图案直接生成在大地上，包括天然的土地，沙地，草地，雪地，冰面，人工的水泥地面、柏油路面和塑胶地面，以及具有起伏的坡地和丘陵等。打印的图案可以是单色的，也可以是彩色的，如黑色、白色、红色、绿色、蓝色等。打印图案的尺度为10米至10千米，打印图案的位置精度和尺寸精度可以达到0.1米。

图1是根据本发明的大地打印系统100的构造示意图。根据本发明的大地打印系统100包括基站子系统110和一个或多个远程的移动打印站120。基站子系统110由基站计算机112和通信模块140a组成。基站子系统110可以是固定的或可移动的。基站计算机112可以是台式计算机、笔记本计算机、平板计算机等。基站计算机112可以根据由用户输入的CAD格式文件，规划移动打印站120的行驶路径以及该行驶路径上的颜料投放计划，从而生成大地路径文件。基站计算机112通过通信模块140a(如智能手机)将大地路径文件传送给远程的移动打印站120。基站计算机112可以将大地打印文件分成多个层，并且将每个层分别分配给相应的移动打印站120(大地打印文件的分层将在图7中详细说明)，以使多个移动打印站120协作打印从而提高效率。在打印过程中，基站计算机112可以监控各个移动打印站120的工作状态并且显示打印图案的整体进度，并且移动打印站120可以向基站计算机112报告自身的状态和打印过程。

多个移动打印站120中的每个均包括控制部分和驱动部分。控制部分包括导航设备130、通信模块140b、颜料投放器150、嵌入式处理设备160、颜料储存器170、电源180和智能手机250。驱动部分包括车辆底盘190、两个电机驱动器(见图2)、两个直流无刷电机(见图2)和两个驱动轮190a/190b。车辆底盘190可以是全地形履带底盘，以使移动打印站120具有良好的越野性能并且能够行驶在一定起伏的坡地上。两个电机驱动器用于驱动两个直流无刷电机的转速和旋转方向，并进而驱动两个驱动轮190a/190b。移动打印站120的构造将在图2中进行详细描述。

基站计算机112可以导入由各种主流CAD软件(如AutoCAD、中望CAD等)产生的标准CAD格式文件，如DWG格式文件和DXF格式文件。基站计算机112可以提供二维的点和线的输入和编辑功能，使得用户可以输入二维图形并且编辑所导入的标准CAD格式文件。基站计算机112还可以为所导入的标准CAD格式文件中的点和线提供附加的尺寸和颜色信息以生成打印图案，并且将该打印图案转换成本发明的大地打印系统100特有的格式打印文件，该特有的格式打印文件在本发明中称为大地打印文件。大地打印文件用于描述打印图案，是二维图形文件或一维点线文件，并且包含点和线的位置信息以及尺寸和颜色信息。点和线的位置信息与大地地理坐标关联，并且确定打印图案在地球上的绝对位置和朝向。点和线的尺寸信息用于描述打印图案中的点的直径和线的宽度，并且点和线的颜色信息提供打印图案的单色和彩色打印的支持。打印图案中的点和线可以是连续的，也可以是间断的。大地打印文件中支持的二维平面几何元素包括点、直线、曲线、圆弧、样条曲线等。

基站计算机112可以根据大地打印文件中的点、线的位置，规划移动打印站120的路径，以保证移动打印站120的路径经过所有的点和线。基站计算机112将路径规划的结果添加到大地打印文件中并且生成大地路径文件。大地路径文件中的点、线顺序地光滑连接，从而形成能够使移动打印站正常行驶通过的连续路径。基站计算机的路径规划可以通过路径规划算法自动地完成，也可以首先由人工添加点、线的连接顺序信息，然后由基站自动地将有序的点、线光滑地连接，从而半自动地完成。

图7示出根据本发明的大地路径文件的生成过程的流程图。在步骤701中，基站计算机112从用户接收标准格式的CAD文件。在步骤702中，基站计算机112将该标准格式的CAD文件转换成大地打印文件。在步骤703中，根据移动打印站120的行驶里程、打印曲线长度、打印曲线连贯性、打印曲线颜色等，基站计算机112将大地打印文件分成多个层。分层的目的是将大的打印任务分成多个小任务。例如，如果打印图案由红绿两线条交织而成，那么可以将打印图案分成红色打印图案层和绿色打印图案层；如果打印图案是左右对称的，那么可以将打印图案分成左打印图案层和右打印图案层。在步骤704中，基站计算机112将经分层后的大地打印文件转换成大地路径文件，并且传送给移动打印站。在步骤704中，每个移动打印站被分配打印一个层的图案。各个移动打印站根据被分配的大地路径文件的相应层同时进行打印，从而共同完成整体图案的打印。在进行分层时，基站计算机112确保多个移动打印站的打印工作量大致相同，从而能够几乎同时完成打印工作，以便缩短打印时间并且提高打印速度。

基站子系统110包括用于与移动打印站120进行通信的通信模块140a。通信模块140a可以是根据各种移动通信技术(如第三代移动通信技术(3G)、第四代移动通信技术(4G)、第五代移动通信技术(5G)等)进行通信的设备，如智能手机。通信模块140a可以与基站计算机112集成在一起，也可以与基站计算机112分离。在通信模块140a与基站计算机112分离的情况下，基站计算机112通过无线局域网(WiFi)与通信模块140a进行双向通信，这将在图3中进一步详细地解释。

图2示出根据本发明的移动打印站的构造示意图。参考图1和图2，根据本发明的移动打印站120包括导航设备130、通信模块140b、颜料投放器150、嵌入式处理设备160、颜料储存器170、电源180、车辆底盘190、两个电机驱动器210和两个直流无刷电机230和两个驱动轮190a/190b。此外，移动打印站120还可以包括智能手机250。

嵌入式处理设备160包括集成电路处理芯片，如单片机。集成电路处理芯片可以是由意法半导体公司生产的STM32单片机，该STM32单片机具有丰富的内部资源和外部接口。

导航设备130包括全球定位系统(GPS)导航器130a和电子罗盘130b。GPS导航器130a通过串口连接至嵌入式处理设备160，并且电子罗盘130b通过SPI接口连接至嵌入式处理设备160。GPS导航器130a用于给出移动打印站120的实时大地地理坐标信息，该实时大地地理坐标信息可以覆盖全球。GPS导航器130a的示例是瑞士uBlox公司在2016年生产的NEO-M8P模块。该模块工作在差分GPS模式下，位置精度为0.025m+1ppm，位置数据更新频率为5Hz。电子罗盘130b用于给出移动打印站120的实时航向信息，以便为自动驾驶提供必需的反馈信息。电子罗盘130b的示例是美国InvenSense公司生产的MPU-9250芯片，该芯片包括三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪。本发明中使用MPU-9250芯片的三轴磁力计来测量地磁方向，从而确定移动打印站的航向。在本发明中，航向角测量精度是1°～2°，更新频率是8Hz。然而航向角测量精度和更新频率可以是其它范围和值。此外，本发明中使用MPU-9250芯片的三轴加速度计来测量移动打印站120的底盘的倾斜角度，以辅助计算航向角度和防止底盘倾覆的反馈控制。

车辆底盘190是电动车辆底盘，并且采用全地形履带底盘作为载具，以使整个移动打印站具有良好的越野性能并且能够在具有一定起伏的地形(如土地、沙地、草地、雪地、冰面等)上行驶。车辆底盘190的尺寸大约是1.0m×0.8m×0.5m，并且根据情况可以采用不同的底盘尺寸。在车辆底盘190后部的左右两侧设置左驱动轮190a和右驱动轮190b(如图1所示)。左、右驱动轮190a、190b分别由左、右直流无刷电机230经涡轮蜗杆减速器(未示出)驱动，以分别带动左、右两条履带(未示出)。左、右直流无刷电机230独立地控制左、右驱动轮190a、190b并且差速地进行驱动，从而实现车辆底盘190的前进、后退、左转、右转和原地旋转等。

电源180用于为整个移动打印站120的所有组件提供动力和电力支持，并且可以采用锂电池，锂电池的每次充满电可以提供20-30km的航程。

一个或多个颜料储存器170中的每个可以容纳不同颜色颜料，也可以容纳相同颜色的颜料。颜料的颜色包括但不限于黑色、白色、红色、绿色、蓝色、黄色等。颜料储存器170在电磁阀150b的控制下打开和关闭，从而控制颜料的投放时机。在进行打印时，多个颜料储存器170中的一种或一种以上的颜料先被预混合，再通过管道(例如S形管道)投放到地面上。通过控制颜料的颜色和相对比例，可以得到各种颜色。根据打印需要，颜料储存器170内的颜料可以是液体颜料或者固体粉末颜料。

移动打印站120的通信模块140b通过有线串口连接至嵌入式处理设备160。通信模块140b可以是能够提供无线局域网(例如，WiFi)连接的任何通信模块，如WiFi-UART通信模块。通过通信模块140b，嵌入式处理设备160b可以与智能手机250连接，以使嵌入式处理设备通过WiFi与智能手机250进行通信。智能手机250是市场上可购买到的能够通过移动通信技术(如3G、4G、5G)进行通信的任何智能手机。

图6示出根据本发明的移动打印站的工作原理图。在打印过程中，智能手机250从基站计算机112接收大地路径文件。智能手机250根据当前打印工作进度、顺序地并且分段地将大地路径文件中指定的行驶路径发送给嵌入式处理设备160，每次发送该移动打印站120附近的一段局部路径，如移动打印站120前方20-50米的行驶路径。嵌入式处理设备160从智能手机250接收该局部行驶路径作为下一段行驶轨迹。此外，GPS导航器130a通过串口向嵌入式处理设备160发送移动打印站120的当前位置信息，并且电子罗盘130b通过SPI接口向嵌入式处理设备160提供底盘190的当前航向信息。根据该当前位置信息和当前航向信息与大地打印文件所设定之位置和航向的差别，嵌入式处理设备160进行PID反馈控制计算并且通过两个串口分别与左、右电机驱动器210双向通信，以发布速度指令来使这两个电机驱动器210独立地分别控制左、右直流无刷电机230的转速和旋转方向，从而使移动打印站120沿在大地路径文件中规定的预定路径行驶。在智能手机250向嵌入式处理设备160发送的局部行驶路径中还包含打印信息。在打印过程中，嵌入式处理设备160根据该打印信息控制颜料投放器150来在适合的位置投放适合的颜料。此外，嵌入式处理设备160还读取电机转速和电流消耗的反馈信息。

在这个过程中，嵌入式处理设备160的I/O端口输出开关信号，该开关信号经功率模块150a放大以后用于驱动电磁阀150b的开关动作，从而控制颜料储存器170在预定行驶路径的预定位置投放颜料，以实现大尺度的打印图案。功放模块150a的示例可以是功率场效应管MOSFET，但是本发明不局限于此。

图3是根据本发明的基站子系统和移动打印站之间的通信原理图。如图3所示，基站计算机112可以通过WiFi局域网与通信模块140a通信。通信模块140a还可以根据各种移动通信技术(如3G、4G、5G、WWAN、WMAN等)通过移动通信网络310与智能手机250通信。移动打印站120的通信模块140b通过有线串口连接至嵌入式处理设备160，并且通过WiFi局域网与智能手机250连接，以使嵌入式处理设备通过该通信模块140b与智能手机250进行通信。在打印过程中，基站计算机112经过通信模块140a将生成的大地路径文件和打印命令传送给智能手机250。然后，智能手机250将该大地路径文件和打印命令通过WiFi传送给嵌入式处理设备160。在打印过程中，移动打印站120还通过智能手机250向基站计算机112报告自身的状态和打印过程并且记录本地日志文件，基站计算机112还可以显示整体打印进度。移动打印站120向基站计算机112报告的自身的工作状态和打印过程的内容可以包括当前位置、当前速度、当前航向、车体倾角、电机转速、电机扭矩、电池剩余电量、续航里程、当前里程、当前打印任务完成百分比、当前各色颜料余量等。

图4是根据本发明的基站计算机112的工作流程图。在步骤410中，基站计算机112接收标准CAD格式文件。在步骤420中，基站计算机112将接收到的标准CAD格式文件转换为大地打印文件。在步骤430中，基站计算机112将大地打印文件转换为大地路径文件。在步骤440中，基站计算机112将大地路径文件传送给移动打印站。在移动打印站的数量是多个的情况下，步骤420可以进一步包括图7所示的步骤703，即基站计算机112将大地打印文件转换成与移动打印站的数量对应的多个层；步骤430可以进一步包括图7所示的步骤704，即基站计算机112将该大地打印文件的多个层转换成与移动打印站的数量对应的多个大地路径文件，并且步骤440可以包括将该多个大地路径文件传送给相应的移动打印站去进行打印。

图5是根据本发明的移动打印站的嵌入式处理设备的工作流程图。在步骤510中，嵌入式处理设备160通过智能手机250从基站计算机112接收大地路径文件，其中智能手机250根据所述移动打印站的位置信息而将接收到的大地路径文件分段传送给所述嵌入式处理设备160。在步骤520中，嵌入式处理设备160从GPS导航器130a和电子罗盘130b接收位置和航向信息。在步骤530中，嵌入式处理设备160指示电机驱动器210分别控制直流无刷电机230的转速和旋转方向。在步骤540中，嵌入式处理设备160输出开关信号来驱动电磁阀150b的开关动作。在步骤550中，嵌入式处理设备160向基站计算机112报告自身状态和打印过程。

本发明的大地打印系统的打印尺度范围是10m～10km，打印图案的位置和尺寸精度是0.1m，打印介质为地面。相应地，系统构造和应用领域与现有的打印机差别甚大。下面列举几项大地打印系统的应用场景。

(1)艺术创作。大地艺术以大自然为创作媒体，直接将几十米到几千米尺度的艺术图案绘制在大地上，例如麦田怪圈之类的艺术符号。本发明的大地打印系统的精度达到0.1m，可以打印高复杂度、高难度的大尺度图案，因而非常适于大地艺术创作的现场施工，具有高精度、自动化、可重复、省时间、省人力等优点。类似地，本发明的大地打印机可以用于绘制庆典活动的大幅场地图画、佛事活动的大尺度佛像线描、广场装饰图案、大型广告图案、空中俯瞰地标图案等等。

(2)施工放样。放样过程根据设计蓝图，实地标示定位点和定位线，以便进行后续施工，是整个施工过程中的关键环节。本发明的大地打印系统可以用于景观建筑施工放样、新城道路施工放样、新农村建设施工放样、风景区建设修缮施工放样等等。这些项目的共同特征是大地尺度范围宽广，从几十米到几千米，场地条件复杂，地形坑洼起伏。目前放样过程，主要是利用米尺、经纬仪、全站仪、GPS等测量设备，人工手动完成，需要耗费大量时间和人力。本发明的大地打印系统可以根据施工蓝图，自动在场地上标出施工定位点，画出施工定位线，完成放样工作。本发明的大地打印系统的打印尺度、打印精度、和越野能力可以满足此类项目的要求，实现施工放样的自动化，保证放样质量，节省人力和时间。

(3)标线标记。本发明的大地打印系统可以用于喷绘道路上的行车道标线和交通标注，绘制操场和运动场的跑道标线，绘制停车场地面标线。主要特点是可以自动化的完成这些工作，保证工程质量，节省人力和时间。

Claims (7)

1.一种大地打印系统，包括：

多个移动打印站，所述多个移动打印站中的每个均包括电动车辆底盘、用于提供电力的直流电源、嵌入式处理设备、通信模块、第一智能手机、全球定位系统导航器、电子罗盘、两个电机驱动器、两个直流无刷电机、两个驱动轮、多个颜料储存器以及多个颜料投放器；以及

基站计算机，用于根据CAD格式文件生成大地路径文件，并且将所述大地路径文件传送给所述多个移动打印站，其中所述大地路径文件包含打印图案的点线位置信息、尺寸信息、颜色信息以及用于所述多个移动打印站的路径规划信息，

其中所述全球定位系统导航器、所述通信模块和所述两个电机驱动器通过串口连接至所述嵌入式处理设备，所述电子罗盘通过SPI接口连接至所述嵌入式处理设备，所述颜料投放器通过I/O端口连接至所述嵌入式处理设备，所述两个直流无刷电机用于在所述两个电机驱动器的控制下驱动所述两个驱动轮，所述多个颜料投放器中的每个包括电磁阀和功放模块，所述电磁阀用于控制所述颜料储存器中的颜料的投放，并且所述第一智能手机通过无线局域网与所述通信模块通信并且通过移动通信网络与所述基站计算机通信，

其中所述嵌入式处理设备通过所述第一智能手机以及所述通信模块从所述基站计算机接收所述大地路径文件并且从所述全球定位系统导航器和所述电子罗盘接收位置和航向信息，并且根据所述大地路径文件和所述位置和航向信息指示所述两个电机驱动器控制所述两个直流无刷电机的转速和旋转方向，并且

其中所述嵌入式处理设备进一步输出开关信号来通过所述多个颜料投放器中每个颜料投放器的所述功放模块驱动所述电磁阀，以控制所述多个颜料储存器在所述大地路径文件中规定的预定行驶路径的预定位置投放颜料。

2.根据权利要求1所述的大地打印系统，其中根据CAD格式文件生成大地路径文件包括接收标准CAD格式文件，通过向所述标准CAD格式文件添加所述位置信息、所述尺寸信息和所述颜色信息而将所述标准CAD格式文件转换成大地打印文件，以及通过向所述大地打印文件添加所述移动打印站的路径规划信息而将所述大地打印文件转换为所述大地路径文件，并且其中所述嵌入式处理设备是单片机，所述通信模块是WiFi-UART模块。

3.根据权利要求1或2所述的大地打印系统，其中所述基站计算机将所述大地路径文件传送给所述多个移动打印站包括所述基站计算机将所述大地打印文件分层为与所述多个移动打印站的数量对应的多个层，将分层后的与所述多个移动打印站的数量对应的多个大地打印文件转换成与所述多个移动打印站的数量对应的多个大地路径文件，并且将所述多个大地路径文件分别传送给所述多个移动打印站。

4.根据权利要求1或2所述的大地打印系统，其中所述基站计算机通过第二智能手机将所述大地路径文件传送给所述第一智能手机，并且所述第一智能手机将所述大地路径文件根据所述移动打印站的位置信息而分段传送给所述通信模块。

5.一种大地打印方法，包括：

由嵌入式处理设备通过第一智能手机从基站计算机接收大地路径文件；

由嵌入式处理设备从全球定位系统导航器和电子罗盘接收位置信息和航向信息；

由嵌入式处理设备根据所述大地路径文件和所述位置信息、所述航向信息和倾角信息指示电机控制器控制直流无刷电机的转速和旋转方向；以及

由嵌入式处理设备输出开关信号来通过功放模块驱动与颜料储存器耦接的电磁阀的开关动作，以控制颜料储存器在所述大地路径文件中规定的预定行驶路径的预定位置的颜料投放，

其中所述大地路径文件包含打印图案的点线位置信息、尺寸信息、颜色信息，以及移动打印站的路径规划信息。

6.根据权利要求5所述的大地打印方法，其中所述大地路径文件是从标准CAD格式文件转换成的，并且所述嵌入式处理设备是单片机。

7.根据权利要求5或6所述的大地打印方法，进一步包括由所述嵌入式处理设备报告自身的打印状态和打印过程，以及所述基站计算机显示整体打印进度。