专利名称：基于电磁波定位技术的大幅面打印系统的制作方法
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。
技术背景目前，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，本发明提供了一种基于电磁波定位技术的打印系统。 本系统采用电磁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),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，该移动打印设备靠电磁波进行定位，可以根据需要安装彩色打印头。本发明所提到的电磁波包括各种频率范围的电磁波，如无线电波、光波、X射线和Y射 线等。用于本发明的定位用途的电磁波，最理想的应是微波频段的电磁波。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。由 于电磁波受温度、气压、风速等诸多外界因素的影响很小，所以通过电磁波测量得到的距离 可以认为是实际距离。但是目前影响精度的主要瓶颈是在測距电路方面，随着技术进步，这 一点会很快得到改观。下面是几种目前较为典型的电磁波定位技术。光学测距，包括激光、红外光和其他光源为载波的光电測距，精度在lcm以上，但是设 备复杂，器件昂贵，不适合针对本发明的小范围应用。GPS (Global Positioning System,全球定位系统)是目前应用最为广泛的室外定位技 术，但是无法进行针对本系统的高精度定位。Wi-Fi (Wireless Fidelity,无线保真)定位是可以应用于小范围的室内定位，成本较 低，但是很容易受到其他信号干扰，定位误差不稳定，而且定位器的能耗较高。蓝牙(Bluetooth)定位，与Wi-Fi相似，主要应用于小范围定位，但是同样有定位误差 不稳定，受噪声信号干扰大的缺点。Zigbee定位是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的定位技术。但是其3 米以上的定位误差使其无法用于本发明。U冊(Ultra-Wideband,超宽带)无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、具有极强的 穿透能力、系统复杂度低、能提供非常精确的定位精度等优点。UWB的定位精度在理论上可 以达到2cm。因此,UWB无线定位技术是本发明最理想的电磁波定位技术。随其定位精度的进一步提高， 本发明的打印精度也会相应提高。本发明采用三点定位原理，即平面上知道三点的位置，并測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个以上电磁波定位器(1)，安排在打印 区域(4)四周。移动打印设备(2)通过计算同一时刻多个电磁波定位装置的反馈时间来得 到每个电磁波定位器(1)距离移动打印设备(2)的距离，进而计算出移动打印设备(2)自 身的坐标位置。本发明的主要设备是电磁波定位器(1)、移动打印设备(2)。本发明的思路是，采用3 个或3个以上电磁波定位器(1),安排在打印区域(4)四周，放置电磁波定位器(1)时， 不用测量电磁波定位器(1)的位置，只要分散开就可以。打印区域(4)的内部放置1台或 多台移动打印设备(2)。移动打印设备(2)与电磁波定位器(1)之间通过电磁波測量它们 之间的距离。电磁波定位器(1)与其它电磁波定位器(1)之间也通过电磁波测量它们之间 的距离。移动打印设备(2)在打印之初只需要知道至少2个矩形打印区域(4)的端点位置。 剩下的就是自动打印过程。采用基于电磁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。
下面结合附图对本发明进一步说明。 图1是本发明采用多台移动打印设备的工作示意图。 图2是本发明的电磁波信号传递示意图。 图3是电磁波定位器(1)内部模块图。 图4是移动打印设备(2)内部模块图。 图5是电磁波定位器(1)工作流程图。 图6是移动打印设备(2)的定位打印工作流程图。 图7是移动打印设备(2)初始化过程定位和定向原理图A。 图8是移动打印设备(2)初始化过程定位和定向原理图B。 图9是移动打印设备(2)打印过程中定位和定向原理图A。 图10是移动打印设备(2)打印过程中定位和定向原理图B。图中(1)为电磁波定位器；(2)为移动打印设备；(3)为计算机控制器；(4)为打印 区域；(5)为电磁波定位器(1)的控制系统；(6)为电磁波定位器(1)的电磁波信号收发 系统；(7)为移动打印设备(2)的控制系统；(8)为移动打印设备(2)的电磁波定位信号 收发系统；(9)为移动打印设备(2)的电磁波数据信号收发系统；(10)为移动打印设备(2)的存储系统；(11)为移动打印设备(2)的打印系统；(12)为移动打印设备(2)的驱动系 统；(13)为电磁波定位器(1)工作流程的初始化过程；(14)为电磁波定位器(1)工作流 程之接收电磁波信号过程；(15)为电磁波定位器(1)工作流程之判断信号是否是发给本定 位器；(16)为电磁波定位器(1)工作流程之反馈电磁波信号过程；(17)为移动打印设备(2) 工作流程的初始化过程；(18)为移动打印设备(2)工作流程之判断是否打印完成；(19)为 移动打印设备(2)工作流程的发送和接收电磁波定位器反馈信号过程；(20)为移动打印设 备(2)工作流程之判断反馈有效信息的电磁波定位器数量是否不小于3; (21)为移动打印 设备(2)工作流程之判断电磁波定位器(1)的反馈信号是否有效；(22)为移动打印设备(2) 工作流程的计算当前位置过程；(23)为移动打印设备(2)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；(24)为移动打印设备(2)工作流程的直线移动过程；(25)为移动打印设备(2)工作流程的计算当前方向过程；(26)为移动打印设备(2)工作 流程之判断是否方向正确；(27)为移动打印设备(2)工作流程之判断是否位置正确；(28) 为移动打印设备(2)工作流程之判断是否无须改变自身位置或方向；(29)为移动打印设备(2)工作流程修正方向和位置过程；(30)为移动打印设备(2)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；(31)是坐标原点位置，(31) (32) (33) (34)所围成的 矩形区域就是打印区域(4)。 (35) (36) (37)是电磁波定位器(1)在坐标系中的位置。(38)(39)是打印过程中移动打印设备(2)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，即图1所示，由1台计算机控制器(4), 1台或多台移动打印设备(2)， 3台或3台以上电磁波定位器(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(2)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(2)。移动打印设备(2)确定自身的位置和方向之后便调用自身 携带的部分图像文件在计算机控制器(4)所分配的区域进行打印。当然，如果只用1台移动 打印设备(2)，整个系统可以简化，可以把图像直接存储到其自身的存储系统内，不再需要 计算机控制器(4),也不需要电磁波数据信号收发系统(9)。设备配置和工作流程电磁波定位器(l):内部组成见图3，由控制系统(5)和电磁波信号收发系统(6)组成。 控制系统(5)可以是单片机系统。电磁波定位信号收发系统(6)用于接收和发送定位电磁 波。电磁波定位器(1)采用电池供电。电磁波定位器U)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(4)的四周。电磁波定位器(1)的工作流程见图5。系统初始化(13 )之后，便开始循环接收信号(14)， 辨别信号(15)和反馈信号(16)的过程。工作时的某一时刻，每个电磁波定位器(1)会接 收移动打印设备(2)发来的信号，即流程(14),之后把这些信号反馈给移动打印设备(2), 即流程(16)。同时，在流程(16)中，每个电磁波定位器(1)也会发射信号给其它电磁波定位器(1)， 一旦电磁波定位器(1)收到其它电磁波定位器(1)反馈的信号之后，即流程 (14),会把电磁波定位器(1)与其它电磁波定位器(1)之间的信号传送时间再反馈给移动 打印设备(2)，流程(16)。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电磁波定位器(1)的电源。移动打印设备(2):内部组成见图4。由控制系统(7)、电磁波定位信号收发系统(8)、 电磁波数据信号收发系统(9)、存储系统(10)、打印系统(11)、驱动系统(12)组成。控 制系统(7)负责协调和控制其它系统，通常由单片机系统完成此任务。电磁波定位信号收发 系统(8)利用电磁波进行与电磁波定位器(1)之间的时间测量，本系统目前采用的是UWB 测距电路。电磁波数据信号收发系统(9)接受控制系统(7)的控制和管理。存储系统(10) 通常用来保存计算机控制器(4)分配过来的部分图像文件，并接受控制系统(7)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 (Universal Serial Bus， 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(11)可 以是喷墨，针式或者激光等打印部件。打印系统(11)接受控制系统(7)的指挥和调用。驱 动系统(12)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(12)接受控制系统(7)的指挥。工作中的移动打印设备(2)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)。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6。首先是系统初始化(17)，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)在某时刻接收到的电磁波定位器(1)的反馈有效定位信息的电磁波 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。然后进入 大循环，判断是否打印完成U8)，如果打印未完成，则开始确定自身目前所处的坐标位置(19) (20) (21) (22)和确定所面对的方向(23) (24) (25)，如果位置和方向不正确(26) (27) (28)则进行移动和修正(29)，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(30)。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(19)是某一 时刻每个电磁波定位器(1)接收移动打印设备(2)和其它电磁波定位器(1)发送的电磁波 信号，并反馈信号给移动打印设备(2)和其它电磁波定位器(1)的过程。之所以要判断每 个电磁波定位器(1)之间的电磁波信号传送周期，目的是为了确定电磁波定位器的位置是否 被改变。(20)是判断是否有不少于3个电磁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，接着要检査信号是否有效(21)， 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，就会再次进入电磁波定位循环，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(22)。 计算过程(22)采用三点定位的方法，电磁波定位器(1)相互之间的信号传送时间是已知的， 移动打印设备(2)与所有电磁波定位器(1)相互之间的信号传送时间也是已知的，所以很 容易计算出移动打印设备(2)所在的当前坐标位置。流程(23)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(25)。流程(26)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(27)是判断移动打印设备(2)位置是 否正确，也就是所在位置是否在误差允许的范围内。流程(28)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，需要改变方向或位置等。(26) (27) (28)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(29),流程(29)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)在某时刻接收到的电磁波定位器(1)的反馈 有效定位信息的电磁波定位器(1)的数量置O。如果经过判断流程(26) (27) (28)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(30)。打印流程(30)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髙的打印精度，并将机械移动带来的误差减到最小。计算机控制器(4):计算机控制器(4)对本发明来讲并不是关键设备，即可以将计算机 控制器(4)的工作集成到移动打印设备(2)中，从而省掉这个设备。实施例中加入这个设 备是为了充分说明本发明的工作原理。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 或网络完成无线电通信。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(2) 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(2)。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(2)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(2)进行区域规划和任务分配。打印之初的定位和定向过程见图7和图8。图中虚线代表电磁波測量得到的两点间的信号的传送时间。 假设采用了 3台电磁波定位器，它们在坐标系中的位置分别为(35)、 (36)和(37)。矩 形打印区域(4)的四个角在坐标系的位置分别是(31)、 (32)、 (33)和(34)，其中(31) 与坐标系原点O重合。(31)和(34)两点所确定的直线在X轴上，(31)和(32)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 位置或方案。开始打印之前，在打印区域外围比较分散地随意放置3台电磁波定位器。这时移动打印 设备(2)并不知道矩形打印区域的位置和电磁波定位器的位置，整个打印系统并没有任何打 印区域(4)和电磁波定位器(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(31)，并让移动打印设备(2)记录下此位置的信息，即 图7中虚线代表的电磁波信号传送时间的信息，也就是距离信息。然后再将移动打印设备(2) 放置在位置(34)，即图8，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 (4)左上角和右上角在坐标系中的位置，即(31)和(34)。 (32)和(33)的位置可以让系 统自动确定下来。同时也确定了3台电磁波定位器在坐标系中的位置，BP(35)、(36)和(37)。 剰余工作都是系统自动完成，不需要人为干预。打印过程中的定位和定向过程图9和图10，是打印过程中用于计算位置和方向的原理图。(38)和(39)是打印区域(4) 内某段打印路径上的两个端点。(38)和(39)的位置就像在确定(31)和(34)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(38)和(39)两点所确定的直 线的方向也就很容易计算出来。所以(38)和(39)的位置和方向如果正确，移动打印设备 (2)就会在(38)和(39)的区域内，以及它们的延长线的某段区域内进行打印。定位精度目前系统的定位精度在厘米级。随着測距电路性能的提高，本发明的定位精度也会不断提高。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(4)的边界位置，并作标记。在打印区域(4)外側放置或固定至少3个电磁 波定位器(1),电磁波定位器(1)的放置位置不需要很精确，只要大致分布在打印区域(4) 的四周即可。第三步是让移动打印设备(2)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)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)放置在这 两个点，让移动打印设备(2)自动记录着两个位置，并让移动打印设备(2)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)自动确定。第四步是将移动打印设备(2)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。
权利要求
1.一种大幅面打印系统，主要由电磁波定位器(1)和移动打印设备(2)构成，其特征是系统采用了电磁波三点定位的原理对移动打印设备(2)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，其特征是电磁波定位器(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，其特征是电磁波定位器(1)的位置可以比 较随意地放置在打印区域周围。
全文摘要
一种基于电磁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，只需要将电磁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。
文档编号B41J3/00GK101332724SQ200810095760
公开日2008年12月31日 申请日期2008年4月24日 优先权日2008年4月24日
发明者勇 梁 申请人:勇 梁