专利名称：用于大幅面打印的两点定位方法及系统的制作方法
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及其依据的主要方法。
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，即用户把需要使用的打印纸放在纸辊上，并且把打印纸的一端放置在打印机的入口处，在需要打印时，打印机会自动转动纸辊，把打印纸送入打印机进行打印，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。公开号为CN101332723A和CN101332724A的中国专利文献公开了两种大幅面打印系统，该系统均采用三点定位方法，即知道平面上三点的位置，并测得另外某点分别距三点的距离，从而获得该点坐标。两份文献中采用的三点定位方法需三个或三个以上定位单元，安排在打印区域的四周，移动打印单元通过计算同一时刻与每个定位单元之间的相对距离，获得打印单元的自身坐标。现有技术中定位单元即定位器，常用的定位器有超声波定位器和电磁波定位器。移动打印单元为移动打印设备，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，该移动打印设备靠无线进行定位，可以根据需要安装彩色打印头。现有技术中的大幅面打印系统均采用三点定位，但其不足之处在于需要更多的定位器，因而成本较大。
发明内容
针对目前大幅面打印的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于无线定位技术的两点定位方法以及依据此方法的打印系统。一种用于大幅面打印的两点定位方法，在打印区域的任一边的同侧放置第一定位单元和第二定位单元，将移动打印单元分别放置在打印区域各个顶点，在移动打印单元处于打印区域顶点时，分别计算移动打印单元与第一定位单元和第二定位单元的距离，以确定所述第一定位单元和第二定位单元相对于打印区域的坐标，以及打印区域各个顶点的坐标；按预定程序驱动移动打印单元打印时，计算同一时刻移动打印单元分别与第一定位单元和第二定位单元的距离，得到移动打印单元在打印区域内的坐标位置。作为优选，所述的打印区域为矩形。本发明所提到的移动打印设备在打印之初需知道打印区域的边界位置，如矩形打印区域的边界位置确定，只需让一台移动打印设备确定四个端点位置即可，即通过人工将移动打印设备放置在四个端点位置，移动打印设备自动记录这四个点的坐标信息。当需多台移动打印设备同时进行打印工作时，首先让一台移动打印设备对打印区域进行边界位置确定，把记录的打印区域的边界位置信息传送至控制中心，通过控制中心对每台移动打印设备进行工作区域分配。
当打印区域为其他形状时，其边界位置的确定可以按照上述方法，选取边界位置的若干特征点，让移动打印设备记录点的坐标位置，从而完成对打印边界区域边界位置的确定。所述的定位单元与移动打印单元之间采用无线通信，即无线定位技术。常用的定位方法有GPS、Wi-Fi定位、蓝牙定位、Zigbee定位、光学测距和UWB无线定位技术。本发明目前采用UWB无线定位技术，UWB (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。所述的移动打印单元接入并受控于控制中心，所述的移动打印单元通过无线方式与控制中心通信。控制中心即计算机控制器，其主要作用是对打印设备进行任务分配和区域划分。上述计算机控制器并不是本发明的关键设备，即如果只用一台移动打印设备，整个系统可以简化，可以将计算机控制器的工作集成到移动打印设备中。
控制中心通过无线通信的方式把需打印的图像信息传送给移动打印单元，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，一般可以选择无线传输宽带，常用的有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。本发明所采用的两点定位方法，减少了定位器的数量，降低成本。所述的无线定位技术包括各种频率范围的电磁波及声波，如无线电波、光波、X射线、Y射线和超声波等。由于各种波的特性不同，其定位精度也不同，打印精度受到定位精度的影响。具体选择可详见公开号CN101332723A基于超声波定位技术的大幅面打印系统和公开号CN101332724A基于电磁波定位技术的大幅面打印系统。本发明还提供了一种基于两点定位的大幅面打印系统，包括按预定程序在打印区域内进行打印的移动打印单元，所述打印区域的任一边同侧设有第一定位单元和第二定位单元，所述第一定位单元和第二定位单元与移动打印单元通信连接，所述移动打印单元根据与第一定位单元和第二定位单元的距离，获得在打印区域内的坐标。作为优选，所述的打印区域为矩形。当打印区域为其他形状时，其边界位置的确定可以按照上述方法，选取边界位置的几个点，让移动打印设备记录点的坐标位置，从而完成对打印边界区域边界位置的确定。所述的定位单元与移动打印单元之间采用无线通信，即无线定位技术。所述的移动打印单元接入并受控于控制中心，所述的移动打印单元通过无线方式与控制中心通信。本发明采用基于无线两点定位技术的大幅面打印系统，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，类似于刷油漆的过程。例如用于室内装饰，可以实现直接在墙壁上印刷。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。
图I是本发明采用多台移动打印设备的工作示意图。
图2是本发明的无线信号传递示意图。图3是无线定位器内部模块图。图4是移动打印设备内部模块图。
图5是无线定位器工作流程图。图6是移动打印设备的定位打印工作流程图。图7是移动打印设备初始化过程定位和定向原理图。图8是移动打印设备初始化过程另一点定位和定向原理图。图9是移动打印设备打印过程中定位和定向原理图。图10是移动打印设备打印过程中另一点定位和定向原理图。
具体实施例方式如图1，图2所示，本发明基于两点定位技术的大幅面打印系统由计算机控制器3、一台或多台移动打印设备2和两台无线定位器I组成。图像文件存储在计算机控制器3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3所分配的区域进行打印。当然，如果只用一台移动打印设备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3，也不需要无线数据信号收发系统9。设备配置和工作流程无线定位器内部组成见图3，由控制系统5和无线信号收发系统6组成。控制系统5可以是单片机系统，无线定位信号收发系统6用于接收和发送定位无线。无线定位器I采用电池供电。无线定位器I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的一边。无线定位器I的工作流程见图5。系统初始化(步骤13)之后，便开始循环接收信号(步骤14)，辨别信号(步骤15)和反馈信号(步骤16)的过程。工作时的某一时刻，每个无线定位器I会接收移动打印设备2发来的信号，即步骤14，之后把这些信号反馈给移动打印设备2，即步骤16。同时，在步骤16中，其中任意一个无线定位器I也会发射信号给另一个无线定位器1，一旦无线定位器I收到另一个无线定位器I反馈的信号之后，即步骤14，会把无线定位器I与另一个无线定位器I之间的信号传送时间再反馈给移动打印设备2，即步骤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无线定位器I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和驱动系统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利用无线进行与无线定位器I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3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出存储器的形式等。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，则可以采用两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3。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(步骤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零，将移动打印设备2在某时刻接收到无线定位器I的反馈有效定位信息的无线定位器I的数量置零。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(步骤18)，如果打印未完成，则开始确定自身目前所处的坐标位置，发射信号给定位器并接收定位器反馈信息(步骤19)，并判断反馈有效信息的定位数量是否等于二(步骤20)，确认信息是否有效(步骤21)并计算当前位置(步骤22)。然后确认不同位置的定位次数是否大于等于二(步骤23)，并进行计算当前方向(步骤25)，如果位置和方向不正确则进行移动和修正(步骤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(步骤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。其中步骤19是某一时刻每个无线定位器I接收移动打印设备2和另一个无线定位器I发送的无线信号，并反馈信号给移动打印设备2和另一个无线定位器I的过程。之所以要判断每个无线定位器I之间的无线信号传送周期，目的是为了确定无线定位器的位置是否被改变。步骤20是判断是否有两个无线定位器I反馈了信号，因为如果少于两个反馈信号就无法完成两点定位。如果有两个信号得到了反馈，接着要检查信号是否有效(步骤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两个，就会再次进入无线定位循环，直到得到了两个有效信号。得到两个有效信号后，计算出移动打印设备2所处的位置(步骤22)。计算过程步骤22采用两点定位的方法，无线定位器I相互之间的信号传送时间是已知的，移动打印设备2与两个无线定位器I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。步骤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，计算方向是步骤25。步骤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。步骤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。步骤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。如果方向或位置等需要改变移动打印设备2的方向或者位置就会进入步骤29，步骤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零，将移动打印设备2在某时刻接收到的无线定位器I的反馈有效定位信息的无线定位器I的数量置零。如果经过方向判断(步骤26)、位置判断(步骤27)及方向或位置是否需要改变的判断(步骤28)之后，可以在当前直线路径上继续打印，则进入打印(步骤30)。打印(步骤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。计算机控制器3 :计算机控制器3对本发明来讲并不是关键设备，即可以将计算机控制器3的工作集成到移动打印设备2中，从而省略掉这个设备。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3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模块。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 AreaNetwork,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3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3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如图7所示，两台无线定位器I在坐标系中的位置分别为点35和点36。矩形打印区域4的四个角在坐标系的位置分别是点31、点32、点33和点34，其中点31与坐标系原点重合。点31和点34两点所确定的直线在X轴上，点31和点32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，在打印区域的某一边上比较分散地随意放置两台无线定位器。这时移动打印设备2并不知道矩形打印区域的位置和无线定位器的位置，整个打印系统并没有任何打印区域4和无线定位器I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中虚线代表的无线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，即点31和点34。点32和点33的位置根据上述方法可以让系统自动确定下来。同时也确定了两台无线定位器I在坐标系中的位置，即点35和点36。剩余打印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。点37和点38是打印区域4内某段打印路径上的两个端点。点37和点38的位置如上述提到的确定点31和点34的位置一样，可以很容易通过两点定位计算出它们的位置，而点37和点38两点所确定的直线的方向也就很容易计算出来，所以点37和点38的位置和方向如果正确，移动打印设备2就会在点37和点38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。随着测距电路性能的提高，本发明的定位精度也会不断提闻。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3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任意一边放置或固定两个无线定位器.1，无线定位器I的放置位置不需要很精确，只要大致分布在打印区域4的某一边即可。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，如图7和图8中的矩形打印区域，只需要让一台移动打印设备2确定四个端点的位置即可，这四个端点位置的确定可以通过人工将移动打印设备2放置在这四个点，让移动打印设备2自动记录这四个点位置，并让移动打印设备2记录坐标原点和X轴的打印终点。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
1.一种用于大幅面打印的两点定位方法，其特征在于，在打印区域的任一边的同侧放置第一定位单元和第二定位单元，将移动打印单元分别放置在打印区域各个顶点，在移动打印单元处于打印区域顶点时，分别计算移动打印单元与第一定位单元和第二定位单元的距离，以确定所述第一定位单元和第二定位单元相对于打印区域的坐标，以及打印区域各个顶点的坐标； 按预定程序驱动移动打印单元打印时，计算同一时刻移动打印单元分别与第一定位单元和第二定位单元的距离，得到移动打印单元在打印区域内的坐标位置。
2.如权利要求I所述的用于大幅面打印的两点定位方法，其特征在于，所述的打印区域为矩形。
3.如权利要求I或2所述的用于大幅面打印的两点定位方法，其特征在于，所述的第一定位单元和第二定位单元与移动打印单元之间采用无线通信。
4.如权利要求3所述的用于大幅面打印的两点定位方法，其特征在于，所述移动打印单元接入并受控于控制中心，所述移动打印单元通过无线方式与所述控制中心通信。
5.一种基于两点定位的大幅面打印系统，包括按预定程序在打印区域内进行打印的移动打印单元，其特征在于，所述打印区域的任一边同侧设有第一定位单元和第二定位单元，所述第一定位单元和第二定位单元与移动打印单元通信连接，所述移动打印单元根据与第一定位单元和第二定位单元的距离，获得在打印区域内的坐标。
6.如权利要求5所述的基于两点定位的大幅面打印系统，其特征在于，所述的打印区域为矩形。
7.如权利要求5或6所述的基于两点定位的大幅面打印系统，其特征在于，所述的第一定位单元和第二定位单元与移动打印单元之间采用无线通信。
8.如权利要求7所述的基于两点定位的大幅面打印系统，其特征在于，所述移动打印单元接入并受控于控制中心，所述移动打印单元通过无线方式与所述控制中心通信。
全文摘要
本发明公开了一种用于大幅面打印的两点定位方法及系统，完全不同于传统打印机的结构和模式。本发明方法为两点定位原理，为无线定位与定向提供理论依据，即只需要将两个无线定位器放置在打印区域外的任一边，就可以实现对单台或多台移动打印设备进行定位和定向；本发明系统以无线定位技术为核心，通过对单台或多台移动打印设备的定位与定向，对其收发打印信息，为大幅面打印提供现实可能，从而完成不受幅面限制的打印。
文档编号B41J2/01GK102616020SQ20121009398
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者姚棋中, 孙凌云, 曹应骁, 汤梦哲, 沈丹妮, 程宽 申请人:浙江大学