CN114771114B - 一种喷墨打印系统打印方法、装置及喷墨打印系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷墨打印系统打印方法、装置及喷墨打印系统，属于喷墨打印领域，通过建立运动过程中光栅信号的空间序列和时间序列关系模型，利用运动时间和运动空间的映射关系，设计了基于时间基准测量空间的新方法。此方法突破了传统的光栅细分方法对光栅输出信号波形质量高要求的局限,最大限度利用光栅自身制造精度，将传统光栅信号对细分电路的硬件高要求用软件算法来灵活处理，成本低，精度高。

Description

一种喷墨打印系统打印方法、装置及喷墨打印系统
技术领域
本发明涉及喷墨打印领域，特别地，涉及一种喷墨打印系统打印方法、装置及喷墨打印系统。
背景技术
当前，在喷墨打印领域，主要采用光栅传感器作为位置检测与反馈部件,其测量精度直接关系液滴定位精度。因此，光栅信号细分技术是提高传统喷墨打印质量急需解决的发明实施例。
现有光栅信号细分技术分为硬件法和软件法，硬件法对光栅细分电路硬件要求较高，软件法中大多数的细分技术认为光栅传感器输出的原始信号中带有光栅运动过程中的位移信息，不同的细分方法通过分析不同的位移信息载体而达到细分的目的，因此要有好的细分效果，对原始信号的信号质量要求较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种喷墨打印系统打印方法、装置及喷墨打印系统，以解决现有光栅细分方式对电路硬件要求较高以及对光栅原始信号要求较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，
一种喷墨打印系统打印方法，包括以下步骤：
建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；
获取运动过程中光栅原始信号，所述光栅原始信号包含位置信息；
根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；
对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息；
根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。
进一步地，所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型，包括：
获取喷墨打印系统中墨车的历史运动信息；
根据所述历史运动信息建立所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型。
进一步地，所述对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息，包括：
对所述时间信息采用卡尔曼滤波算法进行处理得到预测时间信息；
将所述预测时间信息做为打印时间信息。
第二方面，
一种喷墨打印系统打印装置，包括：
模型建立模块，用于建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；
信号获取模块，用于获取运动过程中光栅原始信号，所述光栅原始信号包含位置信息；
信息转换模块，用于根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；
时间补偿模块，用于对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息；
打印控制模块，用于根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。
第三方面，
一种喷墨打印系统，其特征在于，包括：ARM+FPGA架构，用于执行权利要求第一方面技术方案中任一项所述的方法。
进一步地，还包括：光栅信号输入滤波接口电路，所述光栅信号输入滤波接口电路：包括施密特触发器与数字延迟滤波器，用于抑制混入正交信号的噪声。
进一步地，还包括：基于Verilog的QEP信号辨相、计数、锁存模块。
进一步地，还包括：基于Verilog的卡尔曼滤波器。
进一步地，所述卡尔曼滤波器包括时钟设置模块、卡尔曼状态控制信号模块和卡尔曼滤波运算模块以及QEP滤波、鉴相模块；
所述时钟设置模块分别电连接卡尔曼状态控制信号模块、卡尔曼滤波运算模块以及QEP滤波、鉴相模块；
所述QEP滤波、鉴相模块用于接收光栅QEP信号输出，并与卡尔曼滤波运算模块电连接，所述卡尔曼状态控制信号模块与卡尔曼滤波运算模块电连接。
进一步地，还包括：光栅信号实时显示UI界面，用于动态实时显示当前喷墨打印小车的运动速度、加速度、位移、光栅栅距统计。
有益效果：
本发明实施例提供一种喷墨打印系统打印方法、装置及喷墨打印系统，打印方法通过建立运动过程中光栅信号的空间序列和时间序列关系模型，利用运动时间和运动空间的映射关系，设计了基于时间基准测量空间的新方法。此方法突破了传统的光栅细分方法对光栅输出信号波形质量高要求的局限,最大限度利用光栅自身制造精度，将传统光栅信号对细分电路的硬件高要求用软件算法来灵活处理，成本低，精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种喷墨打印系统打印方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种喷墨打印系统打印装置结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种卡尔曼滤波器结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
第一实施例，参照图1，本发明实施例提供了一种喷墨打印系统打印方法，包括以下步骤：
S11：建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；
S12：获取运动过程中光栅原始信号，所述光栅原始信号包含位置信息；
S13：根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；
S14：对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息；
S15：根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。
本发明实施例提供的喷墨打印系统打印方法，通过建立运动过程中光栅信号的空间序列和时间序列关系模型，利用运动时间和运动空间的映射关系，设计了基于时间基准测量空间的新方法。此方法突破了传统的光栅细分方法对光栅输出信号波形质量高要求的局限,最大限度利用光栅自身制造精度，将传统光栅信号对细分电路的硬件高要求用软件算法来灵活处理，成本低，精度高。
作为对上述实施例的补充说明，所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型，包括：
获取喷墨打印系统中墨车的历史运动信息；根据所述历史运动信息建立所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型。需要说明的是，打印机的工作方法都是横向的喷墨水,在一行喷完后,电机旋转带动纸到下一列,再横向喷墨水。这个行和列的位置该如何确定,就通过光栅来进行定位的。光栅上面是一条一条的条纹,就是透明和不透明隔开。打印机上面有光电传感器,光栅在通过光电传感器由于条纹引起的光暗变化输出原始信号，根据原始信号以及光栅细分技术得到的分辨率，就知道当前墨车在那个位置。但是在实际过程中，由于外界干扰信号以及光栅尺寸原因，光栅输出的原始信号极易波动，根据该原始信号确定的墨车位置会存在误差。而本申请中首先根据墨车的实际运动信息，即实际位置和时间信息，建立光栅信号中位置与时间信息的对应关系模型。然后当获取到光栅原始信号后，根据其位置信息，确定时间信息，根据该时间信息确定墨车时间位置。这样即使原始信号质量不高，也能准确确定墨车实际位置，进而控制打印。示例性的，如果墨车目标打印位置为a1，由于光栅自身问题，按照传统方式，根据原始信号控制的墨车实际打印位置为a2，对应时间为t1，此时会出现打印位置的偏差。而按照本申请方案，根据对墨车实际位置的检测以及历史数据，得到根据原始信息控制墨车实际打印位置为a1时，其时间为t2，而按照传统方式，时间t2对应的原始信号中位置为a3，则当墨车目标打印位置为a1时，当原始信号位置为a3时即进行打印。本发明实施例通过将空间位置信息转换为时间信息，再将时间信息与的原始信号中的位置对应，保证打印准确。
此外，以原始信号确定位置时，如果外部干扰只有一次，且出现时间较早，则干扰后的所有位置都不准确，为了消除累计误差，需要对时间信息进行补偿，对所述时间信息采用卡尔曼滤波算法进行处理得到预测时间信息；将所述预测时间信息做为打印时间信息。
卡尔曼滤波原理
卡尔曼滤波的基本方程是时间域内的递推形式，其计算过程是一个不断的“预测一修正”过程，在求解时不要求存储大量的数据，因此滤波方程可以利用FPGA具有硬件并行计算的特点实现实时处理。卡尔曼滤波算法涉及到矩阵运算，把矩阵运算分解成一系列加减乘除运算单元，利用平行的硬件技术来实现算法，可以提高算法效率和速度。
动态系统的卡尔曼滤波数学模型包括状态方程和观测方程，对于线性系统，其离散形式为：
Xk＝Φk，k-1Xk-1+Gk-1Wk-1Lk＝HkXk+Vk
其中，Xk为系统在tk时刻的n×1维状态向量，Φk，k-1为系统从tk-1时刻到tk时刻的n×n维状态转移矩阵，Wk-1为tk-1时刻的r×1动态噪声，Gk-1为tk-1时刻的n×r动态噪声矩阵，Lk为系统在tk时刻的m×1维观测向量，Hk为系统在tk时刻的m×n维观测矩阵，Vk为系统在tk时刻的m×1维观测噪声。
根据最小二乘原则，可推得卡尔曼滤波递推公式为：
1)状态向量一步预测值为：
2)状态向量一步预测值方差矩阵为
其中，Qk为动态噪声方差矩阵。
3)状态向量估计值为
4)状态向量估计值方差矩阵为
P(k，k)＝(I-JkHk)P(k，k-1)
其中，Jk为滤波增益矩阵，具体形式如下
Rk为观测噪声方差矩阵。
利用卡尔曼滤波预测细分法对光栅信号进行细分是一个动态的过程，实验表明，当墨车处于稳定状态时，预测误差能控制在±0.096ms，对应的细分误差为±0.80″。对比误差修正前后的细分误差，通过对历史栅距的预测误差进行分析并建立马尔科夫误差修正模型，最终完成了误差的修正，使得细分误差由修正前的±0.94″。减小为修正后的±0.65″。
本发明实施例提供的打印方法，的基于卡尔曼滤波预测的光栅信号自适应细分方法，利用动光栅和定光栅在做相对运动时，相对位置与运动时间存在一一对应的关系，将空间域求取位置的问题映射到时间域求取时间。该方法通过光栅传感器输出的原始信号获取时间信息，是一种以时间为基准的细分方式，弱化了对光栅原始信号高质量的要求，并且从原理上可以生产出高细分倍数的细分装置；该方法同时最大限度利用光栅自身制造精度，将传统光栅信号对细分电路的硬件高要求用软件算法来灵活处理，成本低，精度高，并可适用于磁栅、感应同步器等传感器中，大大拓展了喷墨打印的应用领域。
第二实施例，如图2所示，本发明提供一种喷墨打印系统打印装置，包括：
模型建立模块21，用于建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；具体地，模型建立模块21获取喷墨打印系统中墨车的历史运动信息；根据所述历史运动信息建立所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型。
信号获取模块22，用于获取运动过程中光栅原始信号，所述光栅原始信号包含位置信息；
信息转换模块23，用于根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；
时间补偿模块24，用于对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息；具体地，时间补偿模块24对所述时间信息采用卡尔曼滤波算法进行处理得到预测时间信息；将所述预测时间信息做为打印时间信息。
打印控制模块25，用于根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。
本发明实施例提供的打印装置，模型建立模块建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；信号获取模块获取运动过程中光栅原始信号；信息转换模块根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；时间补偿模块对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息；打印控制模块根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。本发明实施例通过建立运动过程中光栅信号的空间序列和时间序列关系模型，利用运动时间和运动空间的映射关系，设计了基于时间基准测量空间的新方法。此方法突破了传统的光栅细分方法对光栅输出信号波形质量高要求的局限,最大限度利用光栅自身制造精度，将传统光栅信号对细分电路的硬件高要求用软件算法来灵活处理，成本低，精度高。
第三实施例，本发明提供一种搭建了基于ARM+FPGA架构的喷墨打印系统，该系统通过采集光栅信号、利用预测细分法对光栅信号进行细分，实现了高精度的喷墨打印，该系统包括：
1)光栅信号输入滤波接口电路：包括施密特触发器与数字延迟滤波器，用于抑制混入正交信号的噪声。正交信号通过施密特触发器后，必须保持3个上升沿才能通过数字滤波器，小于1V的低电平噪声被滤除。余下的高电平、短持续时间噪声脉冲通过数字滤波器滤除。
2)基于Verilog的QEP信号辨相、计数、锁存等功能模块；
3)基于Verilog的卡尔曼滤波器的实现：在一般应用中，卡尔曼滤波器通常由DSP处理器来实现，但由于卡尔曼算法在运算中有大量的矩阵加减乘除运算且DSP处理器采用程序顺序执行的CPU架构，在喷墨打印中,不能满足系统高速、实时的需要。而用FPGA实现卡尔曼滤波器，采用的是硬件并行算法，能很好的解决速度和实时性的问题，并且其具有灵活的可配置特性和优良的抗干扰能力。本发明实施例用Verilog硬件描述语言通设计卡尔曼滤波器，提高了算法的实时性。
(4)在PC端，设计了光栅信号实时显示UI界面，可以动态显示当前喷墨打印小车的运动速度、加速度、位移、光栅栅距统计；
(5)搭建了实验平台，完成了标定电路模块的设计。验证了不同点火频率下，光栅预测细分系统的细分效果，并对最终的喷墨打印预测误差和细分误差进行了分析。
基于Verilog的卡尔曼滤波器主要包括以下几个功能：卡尔曼状态控制信号、卡尔曼滤波运算、QEP光栅信号滤波、鉴相、时钟设置等。卡尔曼滤波器的系统结构图，如图3所示。
在FPGA中实现卡尔曼滤波器，由于浮点加、减、乘、除的硬逻辑占用大量的逻辑资源，因此，为实现卡尔曼滤波流程控制的实现，需要平衡资源利用率和处理速度、数据运算精度之间的矛盾。在本课题中，QEP光栅信号的采样率设置在800次/s，是输出信号带宽的20倍。
卡尔曼滤波器由16次加法、20次乘法、1次除法以及必要的输入、输出及循环控制组成，共45步。采用有限状态机产生卡尔曼状态控制信号，分别控制滤波器中的45步运算；滤波器的运算时钟同步由时钟设置模块产生。
目前在喷墨打印领域，大多数的细分技术认为光栅传感器输出的原始信号中带有光栅运动过程中的位移信息，不同的细分方法通过分析不同的位移信息载体而达到细分的目的，因此要有好的细分效果，取决于原始信号的信号质量以及对原始信号的测量能力。但由于我国芯片生产技术和设备落后，无法自主研制和生产出对应的修正补偿电路所需要的核心芯片，导致光栅细分设备依赖于进口。
采用卡尔曼滤波算法实现光栅信号细分,可以减小由于加速度波动、外部干扰给信号细分精度带来的影响。同时，采用卡尔曼滤波算法处理预测值与真实值的误差组成的误差序列，预测当前栅距的采样时间误差,通过修正采样时间值可以提高光栅信号细分精度。该方法突破了传统的光栅细分方法对光栅输出信号波形质量高要求的局限,最大限度利用光栅自身制造精度,将传统光栅信号对细分电路的硬件高要求用软件算法来灵活处理,成本低,精度高,并可适用于磁栅、感应同步器等传感器中,实现高精度的喷墨打印具有重要通用性。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种喷墨打印系统打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型，包括：获取喷墨打印系统中墨车的历史运动信息；根据所述历史运动信息建立所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；
获取运动过程中光栅原始信号，所述光栅原始信号包含位置信息；
根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；
对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息，包括：对所述时间信息采用卡尔曼滤波算法进行处理得到预测时间信息；将所述预测时间信息作为打印时间信息；其中，所述卡尔曼滤波算法通过基于Verilog的卡尔曼滤波器实现；所述基于Verilog的卡尔曼滤波器用FPGA实现；
根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。
2.一种喷墨打印系统打印装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；具体用于获取喷墨打印系统中墨车的历史运动信息；根据所述历史运动信息建立所述建立光栅信号位置信息与时间信息的对应模型；
信号获取模块，用于获取运动过程中光栅原始信号，所述光栅原始信号包含位置信息；
信息转换模块，用于根据所述对应模型将所述光栅原始信号中位置信息转换为时间信息；
时间补偿模块，用于对所述时间信息进行补偿得到打印时间信息；具体用于对所述时间信息采用卡尔曼滤波算法进行处理得到预测时间信息；将所述预测时间信息作为打印时间信息；其中，所述卡尔曼滤波算法通过基于Verilog的卡尔曼滤波器实现；所述基于Verilog的卡尔曼滤波器用FPGA实现；
打印控制模块，用于根据所述打印时间信息控制所述喷墨打印系统进行打印。
3.一种喷墨打印系统，其特征在于，包括：ARM+FPGA架构和基于Verilog 的卡尔曼滤波器，用于执行权利要求1所述的方法。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：光栅信号输入滤波接口电路，所述光栅信号输入滤波接口电路：包括施密特触发器与数字延迟滤波器，用于抑制混入正交信号的噪声。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：基于Verilog 的QEP信号辨相、计数、锁存模块。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述卡尔曼滤波器包括时钟设置模块、卡尔曼状态控制信号模块和卡尔曼滤波运算模块以及QEP滤波、鉴相模块；
所述时钟设置模块分别电连接卡尔曼状态控制信号模块、卡尔曼滤波运算模块以及QEP滤波、鉴相模块；
所述QEP滤波、鉴相模块用于接收光栅QEP信号输出，并与卡尔曼滤波运算模块电连接，所述卡尔曼状态控制信号模块与卡尔曼滤波运算模块电连接。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：光栅信号实时显示UI界面，用于动态实时显示当前喷墨打印小车的运动速度、加速度、位移、光栅栅距统计。
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